【汽車ABS系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設計（論文）7000字】

摘要隨著安全性逐步被大眾所重視，現(xiàn)代汽車的ABS系統(tǒng)已經(jīng)成為整個汽車系統(tǒng)中最為關鍵的核心部位，因為它控制著汽車的制動過程，能夠有效阻止車輪抱死、提高穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力、縮短制動距離，讓輪胎面和地面的附著率發(fā)揮其作用,用于改善制動性能。本文以ABS的功能運用、分類、組成、原理等進行研究，從而建模，設計了ABS系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，通過對多種典型路面（包括柏油路面、馬路、冰路面）的系統(tǒng)研究，構建了科學合理的控制模型，通過對該模型展開系統(tǒng)研究，制定了模擬曲線，實現(xiàn)了仿真模擬實驗，為汽車ABS系統(tǒng)的發(fā)展提供一定支撐。關鍵詞：ABS系統(tǒng)；單片機；控制系統(tǒng)目錄TOC\o"1-3"\h\u4154第一章緒論 1156791.1課題背景 1191201.2ABS發(fā)展狀況和趨勢意義 1231211.3本文主要研究內(nèi)容 125411第二章基本組成與原理 2168662.1汽車ABS分類 258422.2ABS系統(tǒng)的優(yōu)點及功能特點 2281652.3基本組成原理 311544第三章ABS整體系統(tǒng)設計 535353.1車輛動力學模型 535893.2輪胎模型 6291193.3制動系統(tǒng)模型 7305123.4確定軟件、硬件系統(tǒng)及控制電路的設計 731733第四章基于ABS控制仿真設計 11311164.1本次仿真模擬的基本條件 11152404.2有無ABS制動下各個路面的模型與仿真 11271354.3帶模糊控制器下的仿真 1221319第五章結論 14920參考文獻 15第一章緒論1.1課題背景在汽車的ABS系統(tǒng)中，其硬件主要有三大類構成，分別是：1.傳感器，該裝置主要對汽車行駛過程中車輪的速度進行檢測，隨后反饋給電子控制裝置；2.電子控制裝置，該裝置在接收到傳感器的信號以后會進行主動分析，隨后將分析結果和指令傳遞給制動壓力調(diào)節(jié)器；3.制動壓力調(diào)節(jié)器，該裝置接收到電子控制裝置的指令以后產(chǎn)生響應。三個硬件裝置能夠形成一個以測量輪胎滑動與地面之間相對的運動中所占據(jù)的百分比為目標的自動的控制系統(tǒng)。隨著汽車產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)代人中蓬勃發(fā)展，越來越多的人對汽車安全性的要求提升了不少，高速公路也在生活中是必不可少的、路滑的地面，飛駛中的汽車難免遇到急剎車的各種情況，那么大多數(shù)人的選擇會是用全力踩下制動踏板剎車，車輪轉(zhuǎn)速低，摩擦力小于制動力，會抱死，那么會出現(xiàn)兩種狀況。如果前輪被抱死的話，駕駛員就無法控制方向盤，對行駛方向不再人為掌握，難以獲取方向的操作穩(wěn)定性；若后輪被抱死，極易出現(xiàn)打滑，比如說像飄移那樣，甚至會出現(xiàn)側(cè)翻。無論哪一種情況，駕駛員安全難以得到保障。采用ABS減少汽車側(cè)滑、防止車輪抱死、改善方向穩(wěn)定性以及減輕輪胎磨損、能夠保障制動平穩(wěn)和駕駛安全。1.2ABS發(fā)展狀況和趨勢意義1950年間，防抱死控制系統(tǒng)雛形出世，它在應用于飛機上的航空中。1980年后，汽車上慢慢形成并將其應用。世界其他汽車工業(yè)強國在汽車上應用逐步展開。汽車ABS起初西方國家鐵軌機動車上運用，1990年間，汽車ABS開始普及量化?，F(xiàn)如今，汽車ABS應用將逐步形成。汽車ABS在我國始于1980年初，我國已出臺相關方面的法規(guī)，也有各種適合應用的ABS許多的事業(yè)、企業(yè)單位從事研究各類汽車ABS，東風、重慶、上汽、山東等地方，以及清華大學、北京理工大學等為首的高校也相繼展開對其研究。在此基礎上，研究取得了比較好的成果。目前，國際化應用得到廣泛的汽車ABS系統(tǒng)，已經(jīng)形成汽車標配，對此研究和應用具有深遠意義。1.3本文主要研究內(nèi)容第一章課題研究，說明發(fā)展和研究意義。第二章講述汽車ABS系統(tǒng)的基本布置形式，說明優(yōu)點的同時介紹其基本原理。第三章通過模型建立，來確定ABS軟件、硬件的設計。第四章通過模擬仿真，分析各個路面情況下的ABS狀況。

第二章基本組成與原理2.1汽車ABS分類現(xiàn)代汽ABS系統(tǒng)為關鍵部位在汽車制動時顯得十分重要，在制動過程中，理想減速特性曲線與車輪中的輪速傳感器給予電子控制模塊發(fā)出的信息相進行精確分析比較。如果想象中的減速形成的曲線，和其電子控制系統(tǒng)所形成的曲線相比較后判斷出車輪即將抱死、或者車速減速實在過于迅速時，電子控制裝置發(fā)揮作用，產(chǎn)生信號指令給壓力調(diào)節(jié)器，具體可根據(jù)泵輪的油壓或者制動器的卡鉗進行控制。出了汽車普通的制動系統(tǒng)外，在汽車上增添一套更好的控制系統(tǒng)，來優(yōu)化汽車的ABS系統(tǒng)。傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)共有五部分構成：1.能量供給裝置；2.控制部件；3.傳動裝置；4.制動器；5.操縱結構。剎車的制動力從通過制動機構轉(zhuǎn)換為作用在車輪上的力在普通的液壓制動系統(tǒng)中的表現(xiàn)最多。從而在高速路面比較滑的情況下，使得防止車輪抱死發(fā)生、方向失靈或者側(cè)移。ABS自動控制系統(tǒng)由3個模塊構成：1.電子模塊；2.機械模塊；3，液壓元件。在車輛制動的狀況下，可以連續(xù)、不斷的檢測而反應。在汽車需要制動時，ABS系統(tǒng)能夠確保在非常短的時間內(nèi)達到汽車制動力的最優(yōu)情況，從而確保司機可以在汽車制動時減少安全隱患。四通道式ABS：4個用于檢測車輪速度的傳感器和4個車輪輪缸制動管路，各壓力調(diào)節(jié)器是相互獨立運行的，從而對各自工作進行獨立控制。附著系數(shù)的利用提高，每個車輪會被最大幅度的利用附著率。以最短的制動距離構成并且方向的穩(wěn)定性良好。缺點是積水路面附著率相差較大，從而引起不同制動率，產(chǎn)生一定的橫擺跑偏的后果。而且每個車輪都裝有傳感器等，不利于維修檢。三通道式ABS：前輪兩個輪獨立控制，兩后輪一起控制，按低選原則進行。由于后輪被同是控制，所以產(chǎn)生的制動力是同樣的。雙通道式ABS：可以降低成本，減少壓力調(diào)節(jié)器數(shù)量，維持穩(wěn)定相對不易，一般用的少。單通道式ABS：制動的效果一般，以一個制動壓力調(diào)節(jié)器，安裝在后輪制動總管路中，輪速傳感器也只有一個。由于機構結構單一普通、成本低下，使其作用在輕型的載貨車上。2.2ABS系統(tǒng)的優(yōu)點及功能特點1.汽車ABS系統(tǒng)以它自身的優(yōu)點相結合，發(fā)揮出穩(wěn)定的作用在汽車制動過程中，這也使得行駛的安全性隨之提高。每個輪子各不相同的在制動過程中所受到的力，前輪抱死的狀態(tài)下，無法通過方向盤控制汽車行駛軌跡；假設汽車出現(xiàn)了后輪抱死的情況，汽車就會出現(xiàn)不平衡狀態(tài)，例如晃動、掉頭、側(cè)移等后果。2.ABS系統(tǒng)改善了輪胎的磨損程度。車輪抱死相當于車輪不轉(zhuǎn)動情況下的車輪與地面相對運動，這使得輪胎面的受力和磨損程度不均勻，輪胎損耗量增加、費用上升，而ABS系統(tǒng)制動則可以減少輪胎的損耗量節(jié)省資源。3.ABS系統(tǒng)是利用電子系統(tǒng)控制，制動過程中與原有普通制動系統(tǒng)幾乎一致。汽車ABS系統(tǒng)將會以最佳點保持車輛穩(wěn)定以實現(xiàn)最佳制動。表明汽車ABS在工作中的可靠性相當可觀的。4.ABS系統(tǒng)能夠制動距離將會減少。減少汽車追尾、保障人生安全。在駕駛汽車的時候，如果遇到下雨或者下雪的天氣，甚至是寒冷冬天出現(xiàn)結冰情況時，路面的行駛狀況不佳。對于老司機，總會選擇對汽車進行制動時，輕輕踩踏制動踏板，來保證汽車的穩(wěn)定性，而新手司機往往會出現(xiàn)猛踩制動踏板，這給行人和駕駛者都帶來了非常大的安全隱患。但是像老司機那樣對汽車進行慢慢制動，并不是所有人都有那樣的經(jīng)驗，而且力度也并不是所有人都能把握好，因此這就需要借助ABS系統(tǒng)的功能。ABS系統(tǒng)能夠主動的協(xié)助司機完成逐步制動的效果，通過傳感器測定車輪的速度并反饋給電子控制裝置，電子控制裝置進行自動分析并指導制動壓力調(diào)節(jié)器進行響應，保證了汽車的行駛安全。對于汽車ABS系統(tǒng)的功能可以從三個方面體現(xiàn)如圖2-1所示：1.在汽車制動過程保持方向穩(wěn)定的同時盤轉(zhuǎn)向系的穩(wěn)定，有效躲避前方障礙物實現(xiàn)行車安全。2.減少追尾事故，制動距離將會較少。3.自動的形成一個可觀的制動力，使得不被抱死作用在車輪上。圖2-1汽車有沒有安裝ABS相進行對比2.3基本組成原理ABS系統(tǒng)主要有三大模塊構成：1.電子控制模塊；2.車輪速度傳感器；3.制動壓力調(diào)節(jié)器。如圖2-2所示。圖2-2簡單ABS組成圖傳感器主要是檢測的信息進行接收，反饋給控制器。ABS系統(tǒng)中車輪傳感器對車輪的速度進行檢測，同時將接收到的信息傳遞給中央處理器。為了能夠?qū)崿F(xiàn)最佳制動方案的獲取，當汽車的速度發(fā)生變化時，車輪傳感器就會把信號傳遞給中央處理器車輪速度控制中心，控制中心在接收到相關的速度信號后，會進行自動計算，并發(fā)送相關的指令給液壓調(diào)節(jié)器，液壓調(diào)節(jié)器根據(jù)控制中心的指令進行制動，實現(xiàn)對車輪的不完全抱死，逐一的從左往右完成汽車制動。如圖2-3所示。圖2-3制動原理圖不過汽車的車輪并不會被完全鎖死，因為汽車的制動系統(tǒng)在進行制動時，ABS防抱死系統(tǒng)不會產(chǎn)生控制響應。ABS系統(tǒng)可以進行提前預警，當汽車進行制動馬上車輪要抱死時，ABS系統(tǒng)就會進行自動計算發(fā)出指令實現(xiàn)汽車制動的最佳效果。也就是通過其主要的三大模塊構成，通過反饋部件、控制部件、執(zhí)行部件從而實現(xiàn)汽車的智能制動系統(tǒng)，這就是ABS防抱死系統(tǒng)。如圖2-4所示。圖2-4ABS系統(tǒng)組成圖第三章ABS整體系統(tǒng)設計3.1車輛動力學模型在設計ABS控制器時，要對該系統(tǒng)對汽車的制動過程進行動態(tài)檢測分析，這是衡量ABS控制器制動性能的主要構成。ABS控制器的車輛模型可以分成三類模型：1.汽車動力學模型；2.剎車模型；3.輪胎模型。首先在第一類模型當中，對輪胎剛體的運動方程運用牛頓力學進行確定，但是由于應用形式各不相同，所以對模塊的簡化程度也各不相同，車輛模型的對比如下表所示。表3-1車輛模型對比在建立車輛模型時，我們充分考慮的控制器的性能，所以我們選擇了單輪車輛模型。在構建車輛模型時，如圖3-1，我們提出以下假設：1.公路行駛條件良好，道路筆直沒有較多彎路；2.不考慮空氣阻力和滾動阻力的影響；3.不考慮汽車俯仰、側(cè)傾、垂向運動的影響；4.汽車四個輪胎機械特性一致；5.每個車輪將汽車重量均勻承擔；圖3-1單輪車輛模型從圖3-1構建的單輪車輛模型，根據(jù)相關方程式。3.2輪胎模型車輪的附著力受到很多參數(shù)的影響，因此影響因素隨之產(chǎn)生，例如，材料、汽車運動速度、滑移率，道路狀況、輪胎材料等等都會產(chǎn)生影響。在汽車真實的運行情況下，對附著系數(shù)造成影響的因數(shù)，因此無法得到多變量的關系式，只能選擇其中影響力最大的因素建立方程式，從而體現(xiàn)出對車輪附著力的影響。在輪胎模型中，比較經(jīng)典的可以分為兩類：1.魔術式；2.雙線性模型，我們選擇使用了最為廣泛的雙線性模型。通過線性模型對三種路面進行模擬并繪制曲線，應用到汽車ABS系統(tǒng)中。如表3-2所示。表3-2典型路面參數(shù)根據(jù)表3-2的參數(shù)，建立的雙線性模型：干混凝土路面：μ=4.5S(S≤0.2)μ=0.9375?0.1875S(S>0.2)濕瀝青路面：μ=3.9S(S≤0.2)μ=0.85?0.315S(S>0.2)結冰路面：μ=1.028S(S≤0.1)μ=0.1064?0.364S(S>0.1)—縱向附著系數(shù)，S—滑移率3.3制動系統(tǒng)模型制動系統(tǒng)也有兩個模塊構成，分別為從一端傳向另一端力、使其機械運動的傳動機構以及具有制動功能的制動器。傳動機構有兩類：1.氣壓式；2.油壓式。本次設計選擇了油壓機構，為了對系統(tǒng)進行精簡，所以電磁閥替代了油壓傳動，并且在設計過程中對電磁閥的彈簧和壓力調(diào)整的滯后現(xiàn)象進行了忽略。彈簧阻尼系統(tǒng)具備兩個環(huán)節(jié)：1.一階慣性環(huán)節(jié)；2.積分環(huán)節(jié)。電磁閥具備比較小的時間常數(shù)，而且反應時間也比較短，在進行模擬時，慣性連接參數(shù)t選擇為0.01，K=100。模型函數(shù)如下表：G=剎車模型的含義指的是指根據(jù)剎車扭矩與剎車液壓兩者之間存在的相關性建立的模型，為了方便算法，在模擬時，我們假設剎車為最理想狀態(tài)，線性強，不需要考慮滯后影響，因此得到的制動器方程為：T=K?P其中，T代表的是制動器動力矩（N*m）；K代表的是制動器制動因數(shù)（N*m/kPa）；p代表的是制動壓力（kPa）3.4確定軟件、硬件系統(tǒng)及控制電路的設計數(shù)字處理從而進行系統(tǒng)設計分析，展開汽車ABS實驗設計，對軟、硬件進行分析，保證其高效率運行，對理論產(chǎn)生一定的參考價值。數(shù)字信號處理器以能夠編程的單片機開發(fā)而來，以此作為芯片，通過計算機、信號分析處理、電子技術應用，共同形成后的產(chǎn)物，對現(xiàn)階段控制系統(tǒng)起關鍵作用。通過電機產(chǎn)生一定的制動力，它也形成了制動系的重要組成部分，以電機硬件運行作為參考，同時也會對出現(xiàn)的相對問題進行改善，對制造設計成本價格也得到一定的優(yōu)惠?；魻柺捷喫賯鞲衅鞯脑O計。關鍵部位在其霍爾元件的選擇，能夠輸出較強的電壓、較小的溫度飄移是霍爾元件的重要評判標準之一，并且用以組裝后的電路體積相對較小、可靠性能卻很高。本次所選用的霍爾電路具有較強的穩(wěn)定性，不會隨著溫度和電壓的變化而產(chǎn)生較大的變化。電壓為4.5-30V，工作環(huán)境一般可達零-50到-120攝氏度，安裝在邏輯電路口。鏈接單片機高速輸出口位置。電子控制單元的設計。典型的計算機系統(tǒng)是此控制單元的核心，將信號采集加以分析并且用來控制操作。單片機在汽車ABS上的應用由于單片機功耗少，正常的工作狀態(tài)下還有兩種節(jié)能方式，通過以待機和控制掉電的方式，進一步降低能耗，寄存器在汽車ABS系統(tǒng)的應用中必不可少，作為汽車ABS的實施控制不可少的部分。制動過程中可以說是瞬時完成，為此時間要求高了一些，對此采集數(shù)據(jù)并根據(jù)分析，集中參數(shù)量及分布，放入到寄存器當中，并加以分析計算，對使用的準確大大提高。而且免去了復雜的程序運算過程。使其更加簡單、響應更快、更加合理化。ABS液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的設計。中心閥式的制動泵形成了總泵，對各分泵進行壓力調(diào)節(jié)，此種含有增壓、減壓、保壓等狀態(tài)。電源電路設計，如圖3-2。蓄電池的工作狀態(tài)不穩(wěn)，考慮到溫度、電壓等因素的影響，C1可防止電感效應過激，C0減少干擾。圖3-2電源電路圖主控制模塊通過一定的循環(huán)周期，進行一定的處理數(shù)據(jù)能力和車速的計算，對車輛狀態(tài)實施識別，能夠在外界環(huán)境進行判斷，從而更加明確車輛狀態(tài)，根據(jù)運動狀態(tài)進行汽車ABS的邏輯門限值控制。如表3-2所示。表3-3ABS系統(tǒng)的單片機控制車輪P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5壓力變化左前輪01××××保壓左前輪11××××增壓左前輪00××××減壓右前輪××01××保壓右前輪××11××增壓右前輪××00××減壓后輪××××01保壓后輪××××11增壓后輪××××00減壓將醫(yī)用P1端口的大量脈沖信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，控制電磁閥。通過電磁閥實現(xiàn)保壓、升壓、降壓的目的。它們通過連接不同的管道來控制。這種方式響應快、操作簡潔，壓力控制邏輯關系。雙參數(shù)控制方式：這種雙參數(shù)傳感器多用于雷達的檢測，汽車行駛的過程中，雷達電磁波發(fā)射出來，同時又回收，通過計算出的差值，估算了汽車行駛之速度，頻率和車速存在一定的正向關系。這樣的控制方式加以保障滑移率，加強了ABS性能，由于多加了雷達測速，所以成本隨之提高了。單參數(shù)控制方式：以車輪角速度為研究對象隨之展開，以制動力來控制車輪，組成和汽車ABS組成基本相同。開始開始系統(tǒng)初始化模塊系統(tǒng)自動自檢模塊主控制模塊入口數(shù)據(jù)采集是否完畢？數(shù)據(jù)處理模塊故障檢測模塊是否存在故障參考車速計算模塊路面識別模塊控制執(zhí)行模塊系統(tǒng)復位圖退出車輛有運動狀態(tài)識別模塊圖3-3邏輯門限值控制邏輯門限值的控制方法普遍常見，如圖3-3所示。車輪的加速以及減速形成的各種物理量的表達信息，隨著現(xiàn)代電子應用于汽車逐步形成，加以計算機技術應用控制并且檢測，形成了整個成熟的汽車ABS系統(tǒng)。雙參數(shù)和單參數(shù)的控制方式構成了現(xiàn)代化的ABS系統(tǒng)。第四章基于ABS控制仿真設計4.1本次仿真模擬的基本條件試驗儀器：汽車2輛（帶有ABS和不帶ABS）、萬用表、尺子、線束等。試驗設備：計算機多媒體教室。試驗場地：校園內(nèi)混泥土道路、下雨后道路、瀝青道路；校園外濘泥道路。4.2有無ABS制動下各個路面的模型與仿真在Simulink中構建模型圖，車身重量取m=1500kg，初始車速v為30m/s，路面附系數(shù)分別為=0.30.2和0.1。構建模型。從構建的模型中能夠得到在三種不同路面情況下，有無ABS時汽車的制動距離變化，相關關系如下圖所示。圖4-1有無汽車ABS對比表4-1有無ABS制動距離對比從圖中我們可以看出，在實際行駛過程中，對汽車制動的影響因素非常多，但是汽車有沒有ABS系統(tǒng)不但是最主要的影響制動距離的因素，同時也直接影響到行駛?cè)说陌踩蛩?。根?jù)表4-1我們能夠清晰的認識到，有ABS干預下，汽車的制動效果顯著增強，在路況不好的情況下效果更佳。下圖為在干混凝土路面下行駛時，通過ABS制動模擬出了車速和輪速的變化。圖4-2良好路面下，有ABS制動時車速（藍色）、輪速（黑色）變化圖4-3干混凝土、良好路面下有ABS制動時滑移率變化曲線4.3帶模糊控制器下的仿真通過以上分析，我們了解到汽車安裝了ABS時能夠有效減少制動距離，根據(jù)上述標準，通過MATLAB/Simulink模塊構建ABS模糊控制器系統(tǒng)仿真模型。圖4-4帶模糊控制器的仿真模型從圖4-4我們能清晰的看到在干混凝土路面下的ABS模糊控制器系統(tǒng)所帶來的的制動距離、控制時間的相關變化。表4-2是和沒有模糊控制器的ABS系統(tǒng)進行的對比。表4-2帶模糊控制器與不帶模糊控制器的對比從表中的相關數(shù)據(jù)可以看出，不帶模糊控制器的車輛不能實現(xiàn)良好的制動時間和制動距離，帶有模糊控制器的車輛能夠?qū)崿F(xiàn)較好的制動速度和制動控制。第五章結論隨著人民生活水平的提高，汽車隨之發(fā)展。而在整個汽車工業(yè)中，逐漸將汽車的安全性放在了核心的位置，如何提高汽車系統(tǒng)的安全性也是汽車行業(yè)關注的重要問題。而汽車防范系統(tǒng)（ABS）則成為了汽車安全領域中最為關鍵的部分。針對ABS系統(tǒng)的研發(fā)，我國還沒有真正實現(xiàn)獨立自主的體系，很多關鍵構成還是需要購買國外，沒有實現(xiàn)真正的自主知識產(chǎn)權，所以加快ABS技術的研究，突破國際壟斷，既可以提高國際競爭力，提高我國汽車工業(yè)在世界影響力。構建ABS的控制對象模型，包括一輪車模型、動力模型、仿真試驗等，成為研究ABS重要的依據(jù)。從模糊控制理論出發(fā)，構建ABS模糊控制裝置，隨后使用該裝置進行模擬分析。結果表明，本次優(yōu)化的算法體系能夠保證汽車在不同行駛路況條件下均獲得最優(yōu)的制動性能。參考文獻[1]蘇輝,王震武,劉琳,馮占闖,董海棟.ABS防抱死控制系統(tǒng)分析及產(chǎn)品技術展望(2)[J].摩托車技術,2020(10):29-32.[2]蘇輝,王震武,劉琳,馮占闖,董海棟.ABS防抱死控制系統(tǒng)分析及產(chǎn)品技術展望[J].摩托車技術,2020(09):33-37.[3]胡浩然.四軸輪轂電機車輛電液復合再生制動控制與ABS控制研究[D].吉林大學,2020.[4]張闖闖.制動防抱死系統(tǒng)故障的探究[J].南方農(nóng)機,2020,51(09):115-116.[5]胡犁杰.液壓混合動力汽車再生制動與防抱死系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制研究[D].燕山大學,2020.[6]葉煒.純電動物流車電子防抱死制動系統(tǒng)設計與研究[D].合肥工業(yè)大學,2020.[7]RuruHao,XiangmoZhao,LanYang.Simulationverificationforautomobileanti-lockbrakingsystembenchtestprinci