商用车气制动ABS鲁棒控制方法研究

论文摘要

防抱死系统(ABS)作为汽车的主动安全性重要车载设备,保证了汽车的良好制动性、可操控性和方向稳定性,已成为商用车的强制性配置。但是气压制动系统的动态特性以及轮胎的强非线性和时变性等因素,给ABS的控制带来了困难。因此积极发展商用车气制动ABS鲁棒控制方法有着重大的现实意义。在分析制动过程中整车受力的基础上,根据力学原理,建立了适合控制系统分析与设计的单轮车辆模型,作为研究商用车气制动ABS鲁棒控制方法的基础,然后在其基础上建立了四轮车辆模型;通过对比分析常用的轮胎模型,选择了适合商用车动态模拟的“魔术公式”轮胎模型;针对气动系统理论建模的弊端,采用实验辨识的方法建立了气压制动系统模型。通过对基于滑移率的商用车ABS控制方法进行研究,提出了一种鲁棒性较好的非线性连续预测控制方法,设计了基于滑移率的ABS非线性预测控制器。利用泰勒级数展开对系统状态进行适当的截尾处理,获得了系统预测模型,并将ABS路面识别算法引入参考轨迹设计了多路面下参考轨迹模型,当路况发生变化时,参考轨迹也发生相应的变化,而且在系统中还引入了滑移率积分反馈,采用改进的二次型预测控制律,以增强系统的鲁棒性。仿真结果表明,当ABS存在建模误差、负载变化和路面突变时,该非线性预测控制器仍能够获得良好的动态响应和鲁棒性,控制效果要明显由于逻辑门限控制。从ABS的工作原理和控制目标出发,研究了理想状态下的制动规律,分析了电磁阀的动态特性,针对电磁阀的动态特性以及制动过程中出现的路面突变等非线性问题,提出了一种实用性较强、且鲁棒性较好的自调整控制算法:只需测量轮速,无需车速估计模块,避免了车速估计带来的误差;而且针对电磁阀在制动过程中的非线性特性,设置了补偿环节;能够自动寻找最佳滑移率点,对负载变化有很好的适应性和鲁棒性;考虑了轮胎的非线性特性,其路面辨识环节能够克服路面变化的影响。通过以上两种算法跟逻辑门限控制的对比,基于成本低、实用性强的自调整控制和常用的逻辑门限控制,设计了单轮商用车ABS硬件在环仿真平台,选择干沥青高附着系数路面和冰雪低附着系数路面两种典型工况,进行了ABS半实物仿真,并与Matlab/Simulink环境下的离线仿真进行对比。结果表明,建立的单轮汽车模型比较准确,能够反映车辆的运行工况;在只考虑电磁阀的动态特性的情况下,自调整控制比逻辑门限控制有更好的适应性和鲁棒性,门限设置更加方便。最后为了进一步验证自调整控制算法的实用性和鲁棒性,设计了ABS的整车布置形式,将自调整控制器应用到整车四轮车辆制动模型上,进行了自调整控制、逻辑门限控制ABS在不同制动工况下的整车仿真对比分析。研究表明,在整车ABS控制中,自调整控制器能够获得良好的制动性和操纵稳定性,同逻辑门限控制器相比,有较好的适应性和鲁棒性。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 现有的主要研究方法
• 1.2.1 有限状态机控制方法
• 1.2.2 逻辑门限控制方法
• 1.2.3 基于滑移率的控制方法
• 1.3 当前应用亟待解决的技术问题
• 1.4 本文的主要研究思路及方法
• 2 防抱死制动系统动力学模型
• 2.1 引言
• 2.2 车辆系统模型
• 2.2.1 车辆坐标系定义
• 2.2.2 单轮车辆制动模型
• 2.2.3 四轮车辆制动模型
• 2.3 车辆轮胎模型
• 2.3.1 双线性模型
• 2.3.2 魔术公式
• 2.3.3 Burckhardt 模型
• 2.4 气压调压系统模型
• 2.5 制动器模型
• 2.5.1 AUDI 盘式制动器的幂函数乘积模型
• 2.5.2 简单的线性制动器模型
• 2.6 本章小结
• 3 商用车 ABS 预测控制方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 预测控制
• 3.2.1 预测控制的分类
• 3.2.2 预测控制的基本原理
• 3.3 非线性预测控制设计方法
• 3.3.1 考虑仿射非线性系统
• 3.3.2 输出预测
• 3.3.3 优化控制
• 3.4 商用车ABS 参考轨迹
• 3.5 商用车ABS 车速估计方法
• 3.6 商用车ABS 预测控制器设计
• 3.7 仿真计算与结果分析
• 3.7.1 对接路面ABS 仿真分析
• 3.7.2 负载变化时ABS 仿真分析
• 3.8 本章小结
• 4 商用车 ABS 自调整控制方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 理想状态下的制动规律
• 4.3 气制动电磁阀动态特性
• 4.3.1 减压过程分析
• 4.3.2 增压过程分析
• 4.4 自调整控制器设计
• 4.5 车轮角加速度变化率计算方法
• 4.6 仿真计算与结果分析
• 4.6.1 对接路面ABS 仿真分析
• 4.6.2 负载变化时ABS 仿真分析
• 4.7 本章小结
• 5 商用车 ABS 硬件在环仿真试验
• 5.1 引言
• 5.2 商用车ABS 硬件在环仿真平台
• 5.2.1 商用车ABS 硬件在环仿真平台的组成
• 5.2.2 dsPACE 实时仿真平台
• 5.3 商用车ABS 硬件在环仿真及结果分析
• 5.3.1 高附路面ABS 仿真结果对比及数据分析
• 5.3.2 冰雪路面时ABS 仿真结果对比及数据分析
• 5.4 本章小结
• 6 整车 ABS 仿真建模及数据分析
• 6.1 引言
• 6.2 整车制动仿真模型的建立
• 6.3 整车仿真分析对比
• 6.3.1 对接路面ABS 仿真分析
• 6.3.2 对开路面ABS 仿真分析
• 6.3.3 负载变化时ABS 仿真分析
• 6.4 本章小结
• 7 总结
• 7.1 结语
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 作者在攻读学位期间发表的论文目录