應(yīng)用于大學(xué)生方程式賽車的ABS系統(tǒng)控制策略

李建華 孫世倫 馬英通 張文奇 劉軼材 張飛

摘 要：ABS/EBD系統(tǒng)是如今極為重要且常見(jiàn)的主動(dòng)安全裝置，但在FSAE賽車上的應(yīng)用極少。為了提高FSAE賽車的制動(dòng)效能和制動(dòng)穩(wěn)定性，響應(yīng)大學(xué)生方程式汽車大賽的創(chuàng)新性宗旨，吉林大學(xué)吉速電動(dòng)方程式車隊(duì)自主設(shè)計(jì)了適用于FSAE賽車的ABS/EBD系統(tǒng)。文章基于FSAE賽車設(shè)計(jì)了ABS系統(tǒng)的控制策略并搭建了控制模型，仿真試驗(yàn)表明所設(shè)計(jì)的控制策略進(jìn)行取得了很好的效果，大大縮短了制動(dòng)距離。

關(guān)鍵詞：ABS控制策略;FSAE;邏輯門限值

中圖分類號(hào)：U461.3 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）20-83-04

Abstract： ABS/EBD system is a very important and common active safety device nowadays， but it is rarely used in FSAE racing. In order to improve the braking efficiency and braking stability of FSAE racing， response to the innovative purpose of FSAE-China， Jilin University Gspeed Electic Formula Racing Team of Jilin University has independently designed the ABS/EBD system suitable for FSAE racing. In this paper， the control strategy of ABS system is designed and the control model is built based on FSAE racing， the simulation results show that the control strategy is effective， greatly shorten the braking distance.

Keywords： ABS control logic; FSAE; Logical threshold

CLC NO.： U461.3 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）20-83-04

1 引言

目前國(guó)外ABS相關(guān)技術(shù)日益成熟，博世公司在2015年發(fā)布了第十代ABS產(chǎn)品，現(xiàn)乘用車多使用的也是博世公司研發(fā)的第八代ABS產(chǎn)品。反觀國(guó)內(nèi)，對(duì)ABS系統(tǒng)的研究起步較晚，從總體來(lái)看，國(guó)內(nèi)的研究水平相較國(guó)外還存在一定差距。

ABS發(fā)展至今，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已對(duì)其控制算法進(jìn)行了很多理論研究，目前主流的控制方法有PID控制、滑動(dòng)模態(tài)變結(jié)構(gòu)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊控制、耗散功率控制、邏輯門限值控制[1]。相較之下，邏輯門限值控制理論基礎(chǔ)完備，控制過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，響應(yīng)迅速控制效果理想。并且，邏輯門限值控制需要采集的信息量少，對(duì)壓力調(diào)節(jié)裝置要求低，成本低，可靠性高[2]。因此，邏輯門限值控制是適于FSAE賽車的首選控制方法。

2 ABS控制原理

2.1 ABS控制原理

下面將介紹一種車輪角加速度輔助參考滑移率的邏輯門限值控制方法，這種控制方法響應(yīng)迅速，且控制效果能很好地滿足預(yù)期，是以BOSCH公司最早提出的控制邏輯為原型，并在其基礎(chǔ)上改進(jìn)得來(lái)的。一個(gè)完整的控制循環(huán)過(guò)程如圖1所示：

圖中VVehicle為車速，VReference為參考車速，VWheel為輪速，λ1為比例系數(shù)（當(dāng)VWheel =λ1×VReference時(shí)參考滑移率達(dá)到預(yù)設(shè)值），-a1、+a2、+A為車輪角加速度的三個(gè)門限值，iE表示常開(kāi)閥處于動(dòng)作狀態(tài)，iA表示常閉閥處于動(dòng)作狀態(tài)。當(dāng)車輛緊急制動(dòng)時(shí)，車輪角加速度為負(fù)值且隨制動(dòng)油壓的增加而減小，在某一時(shí)刻降至預(yù)設(shè)的門限值-a1，開(kāi)始進(jìn)入ABS控制。為避免車輪在穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)過(guò)早進(jìn)入減壓狀態(tài)，導(dǎo)致最佳滑移率區(qū)間利用不充分，加入?yún)⒖蓟坡?。若參考滑移率小于預(yù)設(shè)值，即VWheel >λ1×VReference，說(shuō)明車輪尚處在穩(wěn)定區(qū)間，ABS保壓，以使車輪充分制動(dòng);否則，說(shuō)明車輪處于峰值附著系數(shù)附近的不穩(wěn)定區(qū)間，ABS階梯減壓，以保證合理的減壓速率使系統(tǒng)工作平順。由于減壓，車輪角加速度逐步回升至-a1，ABS保壓。由于車輪自身存在慣性且此時(shí)制動(dòng)油壓較小，車輪角加速度持續(xù)回升，直到達(dá)到預(yù)設(shè)的門限值+a2;若在給定的保壓時(shí)間內(nèi)車輪角加速度始終不能超過(guò)+a2，說(shuō)明此時(shí)路面附著系數(shù)較低，ABS階梯減壓，以使車輪角加速度達(dá)到預(yù)設(shè)的門限值+a2。繼續(xù)保壓會(huì)出現(xiàn)兩種情況：一是車輪角加速度超達(dá)到預(yù)設(shè)的門限值+A，ABS階梯增壓，直到降回+A，ABS保壓;二是車輪角加速度達(dá)到峰值后下降且沒(méi)有達(dá)到+A。兩種情況的最終結(jié)果都是車輪角加速度再次降至+a2，車輪處于穩(wěn)定區(qū)間的最佳滑移率區(qū)間，ABS階梯增壓，以使車輪盡量長(zhǎng)時(shí)間處在穩(wěn)定區(qū)間，充分利用最佳滑移率區(qū)間，直至車輪角加速度再次降至-a1。到此，一個(gè)完整的控制循環(huán)結(jié)束。

3 ABS控制邏輯

3.1 ABS硬件部分

對(duì)于此ABS系統(tǒng)的硬件部分，選用三通道的液壓控制單元。兩個(gè)前輪為轉(zhuǎn)向輪，獨(dú)立控制;兩個(gè)后輪為驅(qū)動(dòng)輪，按低選原則同步控制。獨(dú)立控制兩前輪可以保證制動(dòng)中賽車始終保持良好的橫向附著，有利于快速過(guò)彎提高圈速;并且可以使賽車獲得盡可能大的總制動(dòng)力，有利于縮短剎車距離。按低選原則同步控制兩后輪可以保證路面附著系數(shù)左右分離的情況下，兩后輪制動(dòng)力始終相等，避免產(chǎn)生較大的橫擺力矩，增強(qiáng)了賽車的操縱穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性。

由于此ABS系統(tǒng)按低選原則同步控制兩后輪，要在進(jìn)入ABS控制前對(duì)兩后輪的角加速度判斷，選擇率先觸發(fā)ABS工作門限（a<-a1）車輪的角速度及角加速度作為控制輸入?yún)⑴c控制實(shí)現(xiàn)。模塊如圖2所示：

3.2 軟件控制邏輯

ABS電子控制器軟件由車輛參考車速計(jì)算、滑移率計(jì)算、控制階段識(shí)別、控制階段執(zhí)行及蓄能器清空等模塊組成，其軟件控制邏輯框圖[4]如圖3所示：

3.3 控制階段識(shí)別

ABS軟件的控制階段識(shí)別模塊中包含下列4種狀態(tài)：狀態(tài)0：增加壓力;狀態(tài)1：保持壓力;狀態(tài)2：脈沖減小壓力;狀態(tài)3：脈沖增加壓力。具體識(shí)別模型如圖4所示：

將ABS軟件的控制階段識(shí)別模塊分成以下幾個(gè)階段：

階段1：觸發(fā)-a1門限，進(jìn)入ABS，未觸發(fā)滑移率門限，ABS保壓。觸發(fā)滑移率門限，退出階段1。

階段2：觸發(fā)滑移率門限，ABS階梯減壓。再次觸發(fā)-a1門限，退出階段2。

階段3：再次觸發(fā)-a1門限，ABS保壓。在給定的保壓時(shí)間后退出階段3。

階段4：對(duì)給定保壓時(shí)間后的車輪角加速度進(jìn)行判斷，將出現(xiàn)三種情況;

（i）觸發(fā)+A門限，ABS階梯增壓，再次觸發(fā)+A門限，ABS保壓。觸發(fā)+a2門限，退出階段4。

（ii）觸發(fā)+a2門限但未觸發(fā)+A門限，ABS保壓。再次觸發(fā)+a2門限，退出階段4。

（iii）未能觸發(fā)+a2門限，ABS階梯減壓，當(dāng)觸發(fā)+a2門限后，ABS保壓。觸發(fā)+a2門限，退出階段4。

階段5：觸發(fā)+a2門限，ABS階梯增壓。觸發(fā)-a1門限，退出階段5。

3.4 控制階段執(zhí)行

ABS軟件的控制階段識(shí)別模塊將輸出電磁閥的動(dòng)作狀態(tài)，1代表動(dòng)作，0代表不動(dòng)作?？刂齐A段執(zhí)行模塊接受并判斷電磁閥動(dòng)作狀態(tài)，執(zhí)行保壓、階梯增壓、階梯減壓動(dòng)作?？刂齐A段執(zhí)行模型如圖5所示。

狀態(tài)0的執(zhí)行：常開(kāi)閥打開(kāi)，常閉閥關(guān)閉，制動(dòng)油壓線性增加。

狀態(tài)1的執(zhí)行：常開(kāi)閥關(guān)閉，常閉閥關(guān)閉，制動(dòng)油壓保持。

狀態(tài)2的執(zhí)行：常開(kāi)閥持續(xù)關(guān)閉，常閉閥脈沖通電，液壓泵工作，制動(dòng)液經(jīng)蓄能器泵回制動(dòng)主缸，制動(dòng)油壓階梯下降。

狀態(tài)3的執(zhí)行：常開(kāi)閥脈沖通電，常閉閥持續(xù)關(guān)閉，制動(dòng)油壓階梯增加。

蓄能器排空的執(zhí)行：常開(kāi)閥關(guān)閉，常閉閥打開(kāi)，此時(shí)蓄能器中的油壓高于制動(dòng)主缸中的油壓，在壓差的作用下，制動(dòng)液經(jīng)單向閥流回制動(dòng)主缸，蓄能器排空。

3.5 ABS控制監(jiān)視

為監(jiān)視ABS控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的工作狀態(tài)及參考車速計(jì)算，獲得一次ABS控制中的全部控制循環(huán)及控制循環(huán)內(nèi)各控制階段實(shí)現(xiàn)情況，在ABS控制邏輯中設(shè)立兩個(gè)標(biāo)志位變量ABSFlag、ABSFlag1分別表征ABS工作狀態(tài)和參考車速計(jì)算。

標(biāo)志位變量ABSFlag有13個(gè)狀態(tài)標(biāo)號(hào)，“0”表示ABS未啟動(dòng)時(shí)的常增壓狀態(tài);“1”表示ABS結(jié)束后的蓄能器排空狀態(tài);“2”表示ABS控制階段1的長(zhǎng)保壓狀態(tài);“3”表示ABS控制階段2的減壓狀態(tài);“4”表示ABS控制階段2的短保壓狀態(tài);“5”表示ABS控制階段3的長(zhǎng)保壓狀態(tài);“6”表示ABS控制階段4的長(zhǎng)保壓狀態(tài);“7”表示ABS控制階段5的增壓狀態(tài);“8”表示ABS控制階段5的短保壓狀態(tài);“9”表示ABS控制階段4（i）的增壓狀態(tài);“10”表示ABS控制階段4（i）的短保壓狀態(tài);“11”表示ABS控制階段4（iii）的減壓狀態(tài);“12”表示ABS控制階段4（iii）的短保壓狀態(tài)。

標(biāo)志位變量ABSFlag1有3個(gè)狀態(tài)標(biāo)號(hào)，“0”表示ABS未啟動(dòng)時(shí)以最大輪速法計(jì)算參考車速;“1”表示ABS工作時(shí)以斜率法計(jì)算參考車速;“10”表示ABS工作時(shí)以最大輪速法計(jì)算參考車速。

4 ABS控制模型仿真測(cè)試

4.1 模型在環(huán)仿真

在Simulink中搭建ABS控制模型，在Carsim中搭建輪胎、整車及路面模型。Simulink-Carsim聯(lián)合仿真，仿真過(guò)程中，汽車以80km/h的初速度在μ=0.7（陰雨天氣，雨胎與濕滑賽道間附著系數(shù)約為0.7）的平直路面上緊急制動(dòng)。仿真獲得輪速、車速及制動(dòng)距離和時(shí)間等信號(hào)，仿真結(jié)果如圖6、表1所示：

聯(lián)合仿真結(jié)果顯示，此ABS控制模型基本滿足控制功能的要求，車輪有效防抱死，且控制效果較為理想，制動(dòng)距離及時(shí)間縮短近5%。

更改仿真條件，固定賽車方向盤(pán)轉(zhuǎn)角45°，使賽車以60km/h的初速度在μ=1.4（晴天良好附著，熱熔胎與賽道間附著系數(shù)約為1.4）的路面上行駛，然后進(jìn)入緊急制動(dòng)工況。仿真獲得賽車最大側(cè)向加速度，與無(wú)ABS系統(tǒng)結(jié)果對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2：

仿真結(jié)果顯示，此ABS系統(tǒng)可以有效提高賽車的操縱穩(wěn)定性，最大側(cè)向加速度提高近0.09g。

4.2 駕駛員在環(huán)測(cè)試

在19賽季吉林大學(xué)吉速電動(dòng)方程式賽車中搭載ABS系統(tǒng)所需硬件及控制效果良好的程序代碼，在租借的ABS專用測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行調(diào)校與測(cè)試，輸出輪速、車輪角加速度、電磁閥工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)，數(shù)采結(jié)果如下圖所示：

其中“WheelRpmFR”表示前右輪輪速，“FRAcc”表示前右輪角加速度，“ABSFlagFR”表示前右輪控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的標(biāo)志位變量ABSFlag，“ABSFlag1FR”表示前右輪控制實(shí)現(xiàn)過(guò)程中的標(biāo)志位變量ABSFlag1。測(cè)試結(jié)果顯示，此ABS系統(tǒng)控制功能基本滿足預(yù)期期望，控制效果較為理想。

參考文獻(xiàn)

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