汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)研究

汪海洪

摘 要：汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)作為汽車(chē)構(gòu)成系統(tǒng)中必不可少的一部分，在汽車(chē)制動(dòng)時(shí)通過(guò)對(duì)制動(dòng)力的控制，使汽車(chē)車(chē)輪處于邊滾邊滑狀態(tài)，防止車(chē)輪抱死使汽車(chē)正常制動(dòng)，減少交通事故。本文首先闡述了汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部件、汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)工作原理，進(jìn)一步對(duì)汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)展開(kāi)了探討，旨在為汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員及駕駛?cè)藛T帶來(lái)一些啟示。

關(guān)鍵詞：汽車(chē);防抱死制動(dòng)系統(tǒng);原理;控制技術(shù)

1 引言

現(xiàn)代汽車(chē)的行駛速度不斷加快，對(duì)制動(dòng)性能提出了越來(lái)越嚴(yán)格的要求。尤其是在一些小附著系數(shù)或干濕混合的路面上，制動(dòng)時(shí)車(chē)輪極易出現(xiàn)打滑情況，使得汽車(chē)失去方向穩(wěn)定性。所以，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于汽車(chē)安全而言尤為關(guān)鍵。汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）作為汽車(chē)上的一種主動(dòng)安全裝置，用以汽車(chē)制動(dòng)時(shí)可避免車(chē)輪抱死拖滑，進(jìn)一步可增強(qiáng)汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)向控制能力、方向穩(wěn)定性以及縮短制動(dòng)距離，有效實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的制動(dòng)效能。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電子技術(shù)、大規(guī)模集成電路的推廣，使汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制技術(shù)得以不斷發(fā)展完善，成本不斷降低，再憑借其質(zhì)量輕、體積小、控制精度高等優(yōu)勢(shì)，使得其在現(xiàn)如今各種汽車(chē)中得到全面普及。

2 汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與部件

汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)主要由基本制動(dòng)系統(tǒng)和制動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩部分組成，其中，基本制動(dòng)系統(tǒng)（普通制動(dòng)系統(tǒng)）包括制動(dòng)主缸、制動(dòng)輪缸、制動(dòng)管路等部分，可作用于汽車(chē)的常規(guī)制動(dòng);制動(dòng)力調(diào)節(jié)系統(tǒng)（壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)）則包括輪速傳感器、電子控制器、執(zhí)行器等部分，在制動(dòng)時(shí)可確保汽車(chē)車(chē)輪始終不會(huì)抱死，車(chē)輪滑移率始終在合理范圍，汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

現(xiàn)如今，汽車(chē)的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)中均裝置有電磁感應(yīng)式輪速傳感器，其可裝置于車(chē)輪上，也可裝置于主減速器、變速器上。輪速傳感器包括永久磁鐵、磁極、齒圈、線圈等部分，當(dāng)齒圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，齒圈齒頂與電極的間隙便保持恒定的速度轉(zhuǎn)變，并使磁路中的磁阻發(fā)生轉(zhuǎn)變，以此會(huì)進(jìn)一步造成磁通量有序轉(zhuǎn)變，在線圈兩端形成與磁通量轉(zhuǎn)變速度呈正相關(guān)關(guān)系的感應(yīng)電壓，同時(shí)將這一電壓信號(hào)傳輸至電子控制器。作為防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制中心，電子控制器可作用于接收源于轉(zhuǎn)速傳感器的感應(yīng)信號(hào)，計(jì)算出車(chē)輪速度，并與參考車(chē)速展開(kāi)比較，進(jìn)而獲取滑動(dòng)率和加減速度，并對(duì)該部分信號(hào)進(jìn)行處理，向壓力調(diào)節(jié)器下達(dá)指令。除此之外，如果防抱死制動(dòng)系統(tǒng)中有相關(guān)部件出現(xiàn)有異常，電子控制器還可實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)控，及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)。制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器主要作用于接收電子控制器發(fā)出的指示，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)壓力的或增加或減小的調(diào)節(jié)。由于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是在原本常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)置的控制系統(tǒng)，所以其也是在常規(guī)制動(dòng)過(guò)程的基礎(chǔ)上開(kāi)展運(yùn)行的。在制動(dòng)過(guò)程中，倘若未出現(xiàn)車(chē)輪抱死的傾向，制動(dòng)過(guò)程與常規(guī)制動(dòng)過(guò)程是相一致的。唯有車(chē)輪出現(xiàn)抱死傾向，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)才會(huì)對(duì)車(chē)輪制動(dòng)壓力進(jìn)行控制?，F(xiàn)階段的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，普遍會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，可實(shí)現(xiàn)實(shí)效保護(hù)和自我診斷功能，倘若引發(fā)不利于防抱死制動(dòng)系統(tǒng)有序運(yùn)行的故障時(shí)，會(huì)執(zhí)行關(guān)閉防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，返回至常規(guī)的制動(dòng)裝填，并向駕駛員發(fā)出警示信號(hào)，提醒駕駛員及時(shí)處理。

2.2 汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)工作原理

對(duì)于汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)工作原理而言，首先第一步通過(guò)輪速傳感器獲取與制動(dòng)車(chē)輪轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)關(guān)系的交流電壓信號(hào)，然后將這一信號(hào)傳輸至電子控制器，并通過(guò)電子控制器計(jì)算得出車(chē)輪速度、滑動(dòng)率以及車(chē)輪增減速度，接著電子控制器中的控制單元再對(duì)該部分信號(hào)開(kāi)展比較處理，并向制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器發(fā)出調(diào)節(jié)指令，促使制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器中的電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)壓力的有效調(diào)節(jié)，進(jìn)而控制制動(dòng)力矩，使其符合地面附著狀態(tài)，防止車(chē)輪抱死。

3 汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的控制技術(shù)

汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制效果受其所應(yīng)用的控制技術(shù)很大程度影響，所以，汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展實(shí)則是控制技術(shù)的發(fā)展，而為實(shí)現(xiàn)控制技術(shù)的有效發(fā)展，不僅可拓寬控制范圍，增強(qiáng)控制功能，還要引入更理想的控制方法。隨著車(chē)輛動(dòng)力學(xué)、電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)所采用的控制技術(shù)，主要包括有邏輯門(mén)限值控制、模糊控制、滑膜控制以及PID控制等。

3.1 邏輯門(mén)限值控制

邏輯門(mén)限值控制包含各式各樣形式，但工作原理大多大同小異，即為首先對(duì)相關(guān)控制參數(shù)設(shè)置相應(yīng)的控制極限值，汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中，汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)電控單元結(jié)合計(jì)算的實(shí)時(shí)參數(shù)值與相關(guān)控制極限值大小關(guān)系，以評(píng)定車(chē)輪的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)一步控制調(diào)節(jié)制動(dòng)壓力，以得到盡可能大的制動(dòng)強(qiáng)度及可靠的方向穩(wěn)定性[1]。該項(xiàng)控制技術(shù)中常用作汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)控制參數(shù)的包括車(chē)輪滑移率、車(chē)輪加減速度以及車(chē)輪加減速度變化率等反映車(chē)輪運(yùn)動(dòng)狀況或動(dòng)力學(xué)狀態(tài)的參數(shù)。倘若只選取一項(xiàng)控制參數(shù)，勢(shì)必?zé)o法保障汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)在各式各樣行駛狀況下均獲取良好的性能，所以，現(xiàn)階段該項(xiàng)控制技術(shù)往往將車(chē)輪加減速度用作主要控制參數(shù)，并將車(chē)輪滑移率用作輔助控制參數(shù)。需要注意的是，滑移率是結(jié)合各輪速信號(hào)依據(jù)相應(yīng)規(guī)律確定汽車(chē)的參考速度后，計(jì)算獲取的參考滑移率，因此與實(shí)際滑移率存在有一定的不同。

3.2 模糊控制

針對(duì)以汽車(chē)滑移率為調(diào)節(jié)對(duì)象的防抱死制動(dòng)系統(tǒng)，其輸入量為期望滑移率與車(chē)輪實(shí)際滑移率的偏差（E）及偏差的變化率（EC），輸出量為制動(dòng)管路油壓。選取帶修正因子的模糊控制器，將以模糊推理算法為指導(dǎo)的控制表概述如下公式：U=α×E+（l-α）EC，其中，α代表修正因子，α值的大小反映了對(duì)偏差及偏差變化率的加權(quán)水平[2]。通過(guò)控制α，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制規(guī)則的有效調(diào)節(jié)。若α偏大時(shí)，則表示對(duì)偏差的加權(quán)大，階躍響應(yīng)速度快，可通過(guò)調(diào)節(jié)能量以縮減偏差，不過(guò)也容易引發(fā)超調(diào);若α偏小時(shí)，調(diào)節(jié)的目的則在于縮減超調(diào)，不過(guò)響應(yīng)速度偏慢。一般選取帶兩個(gè)α值的修正因子表達(dá)式便可符合性能要求，也就是，當(dāng)E偏小時(shí)，u=α1E+（1-α1）EC;當(dāng)E偏大時(shí)，u=α2E+（1-α2）EC。其中，兩個(gè)修正因子∈（0，1），并且α1<α2，汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)E值大小的評(píng)定后，便可選擇對(duì)應(yīng)的控制規(guī)則表達(dá)式。

3.3 滑膜控制

結(jié)合汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的工作而言，其制動(dòng)過(guò)程本質(zhì)上即為將車(chē)輪的滑移率調(diào)節(jié)于附著系數(shù)的峰值（Sk），因此滑膜控制結(jié)構(gòu)結(jié)合系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)、偏差及其導(dǎo)數(shù)值，在各個(gè)控制區(qū)域，以最佳開(kāi)關(guān)的方式轉(zhuǎn)變控制量的大小、符號(hào)，進(jìn)而保證系統(tǒng)在滑移區(qū)域盡可能小的范圍內(nèi)，狀態(tài)軌跡朝滑動(dòng)轉(zhuǎn)換曲線滑向控制目標(biāo)[3]。一般情況下，將制動(dòng)力矩（Mb）作為控制變量，轉(zhuǎn)換前提為，當(dāng)S>0時(shí)，Mb=Mb-;當(dāng)S<0時(shí)，Mb=Mb+;其中，Mb-、Mb+對(duì)應(yīng)的是由控制系統(tǒng)所決定的制動(dòng)力矩增減的兩種狀態(tài)。

3.4 PID控制

PID控制，亦可稱(chēng)之為比例積分微分控制，其包含有數(shù)字式PID控制、增量式PID控制以及自適應(yīng)PID控制等一系列形式。不過(guò)總的而言，倘若將控制誤差（e）界定為期望滑移率（S0）與實(shí)際滑移率（S）之差，則對(duì)于PID的控制可界定為：U（s）=（Kp+Ki/s+Kds）E（s），其中，U（s）、E（s）指的是系統(tǒng)控制量（u）和偏差（E）的拉氏變換;另外，Kp、Ki、Kd則分別代表比例系數(shù)、積分系數(shù)以及微分系數(shù)。所以，對(duì)于汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可界定為，結(jié)合汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，獲取一組理想的參數(shù)Kp、Ki、Kd，確保汽車(chē)車(chē)輪滑移率可以盡可能快的方式貼近期望滑移率（S0）。PID控制通常適用于線性或非線性不嚴(yán)重的系統(tǒng)，不過(guò)對(duì)于其控制參數(shù)的調(diào)節(jié)存在一定難度，因此不易于實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的有效控制[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

總而言之，汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)是在傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入一套防止車(chē)輪制動(dòng)抱死的控制系統(tǒng)，其主要由輪速傳感器、電子控制器、執(zhí)行器組成，這些組成部分在汽車(chē)制動(dòng)過(guò)程中可發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，保持汽車(chē)方向的穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)向控制能力，將汽車(chē)車(chē)輪滑移率切實(shí)控制在預(yù)期滑移率附近的狹小范圍之內(nèi)，使得汽車(chē)獲取理想的制動(dòng)性能，減少輪胎磨損，減少交通事故的引發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

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