10.1ABS控制系統(tǒng)

10.1.1輪胎接地點力矩平衡通過列出車輪力矩平衡方程，可更好地理解如何將附著系數保持在峰值附近，并且不需要復雜的估計算法。車輪接地點處的力矩平衡示意圖如圖１０－１所示。對于液壓制動系統(tǒng)，作用到車輪上的制動力矩ＴＢｒ與制動壓力ｐＢｒ有關。若制動時不考慮驅動轉矩，則力矩平衡方程如下：下一頁返回10.1ABS控制系統(tǒng)對應的系統(tǒng)方框圖如圖１０－２所示。當施加ｐＢｒ時，制動力矩ＴＢｒ增加，地面附著力矩ＴＷＬ與制動力矩ＴＢｒ差值為負，車輪減速。等效輪速ｖＲ（如圖１０－２中積分器后的信號）開始下降，ｓＬ增大。起初階段，附著系數μＬ（ｓＬ）也增加，逐漸增加地面附著力矩ＴＷＬ，以減小力矩差。達到峰值后，隨著系數曲線斜率變?yōu)樨撝?。此時，由于系統(tǒng)不穩(wěn)定，若不加以控制，將導致車輪角減速度劇增，直至車輪抱死。上一頁下一頁返回10.1ABS控制系統(tǒng)10.1.2ＡＢＳ控制循環(huán)ＡＢＳ控制循環(huán)如圖１０－３所示。首先，駕駛員開始增加制動力矩（階段１）。根據測得的等效輪速ｖＲｉｊ，對其微分得到車輪等效角加速度。當低于門限值－ａ１時，表明已達到峰值附著系數。在ＡＢＳ激活后的第１個循環(huán)中，甚至采用一個比－ａ１更小的門限值－ａ２。在－ａ１和－ａ２之間，實施保壓（階段２）。引入額外的門限值－ａ２主要是為了抑制噪聲的影響。當滿足下列條件時，實施減壓（階段３）。上一頁下一頁返回10.1ABS控制系統(tǒng)輪速回升，當Ｒ重新達到－ａ１時，停止減壓（階段４）。當Ｒ超過ａ４時，為防止滑移率過小，增大制動壓力（階段５）。當Ｒ滿足下式時，實施保壓（階段６）。當Ｒ滿足下式時，實施緩慢增壓（階段７）。當Ｒ滿足下式時，又重新開始第二個ABS循環(huán)。上一頁下一頁返回10.1ABS控制系統(tǒng)此時，Ｒ未達門限值－ａ２時就開始減壓（第二個階段３）。通過這樣的控制循環(huán)來控制輪速，附著系數可保持在峰值附近，從而實現(xiàn)制動距離最小化。當車輪轉動慣量ＪＷ很大，或μＬ（ｓＬ）很小，或制動壓力增加緩慢（如冰路面駕駛時的謹慎制動操作）時，車輪在Ｒ未達門限值－ａ１時已經抱死。這種情況將嚴重影響車輛的轉向能力。為此，除上述循環(huán)外，當輪速低于某值時（下式），就實施減壓。在任何條件下，滑移率都不能超過最大值ｓＬ，ｍａｘ，即不能達到μＬ（ｓＬ）的峰值。車輛前軸兩輪一般獨立控制，而后軸兩輪同時控制，后軸制動壓力比前輪更小，以保行駛穩(wěn)定性。上一頁下一頁返回10.1ABS控制系統(tǒng)10.1.3ＡＢＳ循環(huán)檢測只有最大附著系數得到利用（例如制動時），附著系數估計方法才具有合理性。為估計路面類型（干路面、冰或雪路面等），必須檢測“最大制動力利用”狀態(tài)。對于裝備ABS的車輛，緊急制動將激活ABS循環(huán)，一旦開始ABS循環(huán)，就會達到最大附著系數。另一方面，關于“ABS是否正常工作”的信息可以用來評估某交通事故是否與ABS失效有關。針對以上兩個問題，下面將采用三步算法來檢測ABS循環(huán)信號。１．ABS控制循環(huán)檢測的基本方法上一頁下一頁返回10.1ABS控制系統(tǒng)ABS循環(huán)模式如圖１０－４所示，圖１０－４（ａ）所示為FordScorpio車測試工況的輪速信號，圖中標明了ABS循環(huán)。圖１０－４（ｂ）所示為某段截圖，它是左圖第一個ABS循環(huán)中輪速信號的微分。檢測ABS循環(huán)時，必須檢測到類似于圖１０－４的循環(huán)模式。在不同控制循環(huán)中，其形狀幾乎沒有變化，但其初值和持續(xù)時間會有不同。２．預測預測時采用輪速測量信號。檢測時，采用前兩個步長的輪速測量值進行線性插值［式（１０－１０）］，求出當前輪速，如圖１０－５所示。ｖＲ表示測量值，ｖＲ，ｅｓｔ表示估計值。上一頁下一頁返回10.1ABS控制系統(tǒng)

對比ｖＲ，ｅｓｔ（ｎ）與ｖＲ（ｎ），正常情況下差值Δｖｐ幾乎為０。當實施ＡＢＳ循環(huán)時，Δｖｐ增大。在ＡＢＳ循環(huán)開始和結束過程中，Δｖｐ會超過某特定限制。對于PpelVita車型，該限制如式（１０－１１）所示。該預測方法可以很準確地檢測到ＡＢＳ循環(huán)。由于ＡＢＳ循環(huán)檢測系統(tǒng)的輸入信號不是零均值信號，故采用“三態(tài)相關”代替“傳統(tǒng)相關”。式（１０－１２）是三態(tài)相關的計算公式，它與極性相關的差別在于增加了一個狀態(tài)“０”，即＋１、０、－１。上一頁下一頁返回10.1ABS控制系統(tǒng)

式（１０－１２）中，ｙ（ｎ＋ｋ）為圖１０－６所示的測試信號，而ｘ（ｎ）是圖１０－４（ｂ）中的。３．三態(tài)相關根據門限值，Ｔ（ｘ）函數將輸入信號轉化為０和±１值，如式（１０－１３）所示。各門限值一般與車輛配置的ＡＢＳ系統(tǒng)有關。上一頁返回10.2橫擺動力學控制10.2.1簡單控制律設計轉向角δＷ來自駕駛員輸入，控制器計算制動力ＦＬｉｊ輸入，將兩者的控制作用分開表示，可得雅可比矩陣下一頁返回10.2橫擺動力學控制

其中，將其代入式（１０－１４），則得上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

設計控制器時，為便于控制參數的物理解釋，可采用極點配置法。一般的，輸出向量ｙ要進行反饋。但輸出向量ｙ并不包含需控制的主要變量β。為此，狀態(tài)向量ｘ由觀測器中獲得，控制系統(tǒng)采用狀態(tài)向量ｘ的反饋。上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

推導控制率時，針對狀態(tài)量相對工況點ｘ０的偏移量Δｘ來設計，其中Δｘ＝ｘ－ｘ０。在一般非極限工況下，Δｘ等于零，這表明針對Δｘ來設計的方法具有合理性。在極限工況下，Δｘ超過預設門限值，狀態(tài)向量時實際值與期望值存在偏差，從而需要進控制?？刂坡嗜缦拢浩渲校耍檬欠答伨仃?，將其代入線性狀態(tài)空間描述方程式（１０－１８），可得上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

式（１０－２０）括號內為閉環(huán)系統(tǒng)矩陣，駕駛員輸入的車輪轉角可作為疊加干擾。系統(tǒng)的動態(tài)特性可用極點配置來設定。定義矩陣Ｇ，它具有期望的系統(tǒng)特性（即極點位置）。上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

由上式求得ＫＣ如下：式中［ＭＦ］＋是矩陣ＭＦ的Moore－Penrose注意：上述反饋矩陣ＫＣ是針對工況點ｘ０、ｕ０來求的，對于新的工況點需重新計算ＫＣ。重新進行的計算步驟包括：（１）側偏剛度計算。（２）車速估計以及橫擺角速度估計。（３）質心側偏角觀測。上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

10.2.2參考值推導側向加速度ａｙ受側向附著系數μｓ的限制。理論上，最大ａｙ可達9.81μｓｍ／ｓ２。例如μｓ＝１時，若質心側偏角為０，ａｙ可達9.81ｍ／ｓ２；當β幅值大于０時，最大ａｙ設為８ｍ／ｓ２。對于附著系數低于１的情形，ａｙ最大值取為質心側偏角β也是有限制的，βｍａｘ隨ｖＧ變化，如圖１０－１０所示。上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

故β的參考值如下：注意：β在最大允許極限內時，有βｒｅｆ－β＝Δｘ２＝０。當車輛過度轉向時，控制器也要限制值。若近似為０，則可得上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

因此，過度轉向時的橫擺角速度參考值為上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

當在最大限制范圍時，有當車輛不足轉向時，β和在最大容許限值范圍內。駕駛員通過加大轉向角來控制車輛方向。若輪胎側偏角α和側向滑移率ｓｓ過大，側向附著系數超過極限，車輛就無法按預定軌跡行駛。為避免這種情況，轉彎時車輛的橫擺角速度應比實際值大。后輪側偏角αＲ可用來確定前輪側偏角αＦ是否達到某極限值，此處設定αＦ／αＲ＝1.5。因此，轉向不足時的參考橫擺角速度為上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

在非極限工況下，參考值與實際值的差值為零，即此時，控制輸入為零，只有當β＞βｍａｘ、＞或αＦ／αＲ＞1.5時，才開始有控制輸入。下面來考慮ｖＧ的參考值。獲得最高車速限制的一種先進方法是，通過高速公路路況的圖像處理求得。若車速超過限制，則由上述控制律施加相應的制動力。電制動系統(tǒng)可直接產生制動力ＦＢｒ，而液壓制動系統(tǒng)具有非線性特性。采用液壓制動時ＦＢｒ必須先轉換成上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

液壓制動閥的驅動信號。若忽略，式（１０－２）變?yōu)橹苿右簤旱目刂瓶捎蓤D１０－１１所示的控制回路來實現(xiàn)。仿真實例中，采用高速緊急避撞工況。圖１０－１２是未加以控制的車輛響應結果，在第一次方向盤轉向操作中，車輛就開始失去轉向能力。圖１０－１３所示為加以控制時的車輛響應結果。質心側偏角β不是總在參考值范圍內，但系統(tǒng)狀態(tài)保持穩(wěn)定，且車輛具有轉向能力。橫擺角的控制偏差要比質心側偏角偏差更小。上一頁下一頁返回10.2橫擺動力學控制

圖１０－１４所示為等效輪速和制動壓力曲線。由于不是制動工況，所以不存在制動減壓過程，而且每次只控制單個車輪。在第一次方向盤轉向的過程中，右前輪制動壓力增加；第二次方向盤轉向時，左前輪制動壓力升高。在第二個控制循環(huán)中，圖中所示的制動壓力波動表明ABS系統(tǒng)被激活，以保證車輪滑移率沒有超過附著系數曲線峰值對應的滑移率。上一頁返回圖10-1輪胎接地點處的力矩平衡示意圖返回圖10-2力