论文总字数：34841字

目 录

1 绪论

1.1 引言

1.2 防抱死系统

1.2.1 汽车知识简介

1.2.2 防抱死系统的研究背景

1.2.3 防抱死系统的研究目的和意义

1.2.4 防抱死系统国内外发展史

1.2.5 防抱死系统（ABS）基本原理

1.3 ABS控制方法简介

2 MATLAB与SIMULINK

2.1 MATLAB

2.1.1 MATLAB简介

2.1.2 MATLAB的功能

2.2 SIMULINK

2.2.1 Simulink的特点

2.2.2 Simulink的功能介绍

2.2.3 Simulink仿真例子过程演示

2.2.4 S-Function的简介

3 模糊控制理论

3.1 模糊控制发展史

3.2 模糊控制的内容简介

3.2.1 隶属函数

3.2.2 逻辑运算

3.2.3 if-then模糊规则

4 汽车模型的介绍

4.1 车辆动力学模型

4.2 汽车滑移率模型

4.3 滑移率控制器设计

4.3.1 传统的变结构控制算法

4.3.2 仿真例子

5 基于模糊小波神经网络方法的滑移率控制

5.1 模糊小波神经网络滑模控制设计

5.2 仿真结果

5.3 仿真结果分析

6 总结

参考文献

致谢

汽车防抱死系统滑移率的模糊控制研究

杨青青

, China

Abstract: With the development of technology, people are more concerned about the safety of the car. In particular, the vehicle braking process is a time-varying nonlinear and uncertain systems regarding real-time traffic conditions. Anti-lock braking systems (ABS) are very important in automobile basic safety measures, and the slip rate control is an important part of the automotive anti-lock control. This thesis mainly focuses on the slip ratio control based on the fuzzy wavelet neural network algorithm. First, the knowledge of ABS, Matlab-simulink toolbox and fuzzy control theory is presented. Secondly, the concept of the car slip rate and traditional control design approaches to the slip rate are introduced. Finally, based on the systematical analysis and control design for the slip rate in car braking process, a fuzzy wavelet neural network algorithm is developed to estimate the uncertainty of the system model. And then a sliding mode control law based on the equivalent control theory is constructed to achieve the desired slip ratio control. Through simulation results, it shows that the proposed algorithm has a good design of robust performance, and can effectively and quickly reach the desired slip ratio.

Key Words: ABS; Slip Ratio; Sliding mode control; Neural networks; Fuzzy theory

绪论

引言

随着汽车工业的发展，汽车的各方面性能，如舒适性、美观性、稳定性等都得到了很大的改善和提高。由于车辆运行过程中汽车与外界的关系，如轮胎与地面之间的作用力是非线性的，有时路面条件又是难以及时获取的，当汽车高速行驶时紧急制动，特别是转弯情况下的制动车轮会出现抱死状态，这会给安全驾驶带来严重影响。因此，汽车稳定性控制技术拥有非常重要的研究意义和价值^[1]。制动性能是汽车操纵稳定性能的主要方面之一，文献中已多有研究^[2-4]。在这些研究中，滑移率的控制是车辆制动性能中非常重要的研究方面。但因为车辆本身的复杂性以及路面条件随时可变等非线性与不确定因素的存在，汽车的制动系统就成为了一个非线性、不确定的系统，传统的滑移率控制方法难以实现好的控制性能。为此，最近几年不少学者提出了一些新的研究方案，如文献[5]与[6]中分别提出一种基于滑模观测器的自适应滑移率控制和模糊滑模控制。另一方面，神经网络特别是模糊小波神经网络技术因在拟合逼近系统模型等方面的突出优势，被广泛应用于工程领域中并获得高度评价。如在非线性、强耦合的机器人系统中得到了很好的应用，能够很好的逼近系统模型，进而通过设计相关控制算法实现对机器人系统的良好跟踪控制等^[7,8]。受此启发，本文采用模糊小波神经网络拟合逼近汽车模型中的不确定部分，并建立自适应滑模控制算法实现滑移率的控制。

第1章主要介绍了ABS（汽车防抱死系统）的研究背景、国内外发展史及ABS的基本原理。第2章主要介绍了Matlab与Simulink工具箱。第3章主要介绍了汽车系统模型，包括车辆动力学模型和汽车滑移率的概念以及滑移率控制器的设计。第4章着重介绍了模糊控制的相关理论知识。第5章介绍了基于模糊小波神经网络算法的滑移率控制研究，主要采用模糊小波神经网络算法估计系统模型的不确定部分，并且设计的控制策略能确保达到期望的滑移率。最后通过仿真算例说明方法的有效性。第6章是总结部分。

防抱死系统

汽车知识简介

众所周知，汽车的制动安全一度成为热门问题。汽车在制动时一定要具备极佳的制动性能和操纵稳定性，进而制动距离和方向稳定性成为重要参考指标。汽车在制动过程不能够一脚踩到底，而是应该分几个过程来踩刹车，轻踩之后再重踩再轻踩,直至汽车完全停止为止。如果发生突发情况需要车辆紧急刹车时，并能让车辆立即停下来，在这种参考条件下，车轮就不难出现抱死的问题，引起侧滑或翻车，这使得发生事故危险的可能大大增加。如图1.1所示：汽车在人为地紧急制动过程中，车轮会出现抱死，若前轮抱死，汽车将会瞬间丧失转向功能，转向失效就会使汽车很难避开前方的障碍；而当后轮出现抱死状况时，汽车会出现后轴侧滑从而产生甩尾状况。

所以，基于上述问题开展对汽车安全性能的研究很有必要，而且，不论是对何种类型或者何种品牌的汽车安全性问题的研究都很重要。

图1.1 安装防抱死系统后的效果图

防抱死系统的研究背景

防抱死系统英文名：Anti-lock Braking System，简称为ABS。ABS技术的加入能让汽车的车轮在制动的阶段里不会呈现抱死的情况，从而在紧急制动时能够极为有效地避免因为后轮抱死而引起的车辆如侧滑甩尾等情况，此技术能够极大程度地增加汽车在制动过程中的汽车车轮灵活性，从而减少了由于车轮抱死而出现的交通事故数量^[9-11]。安装ABS已经成为车主保护汽车安全的必备之选。ABS就是根据车轮转速，调节滑移率的变化，通过PID（比例积分微分）方法的调节,变化制动器产生的压力让汽车车轮能时时都保持最佳的制动性能。汽车的ABS增加了车辆的制动可控性和有效性，从而降低了公路上交通事故和汽车故障的产生。据美国国家高速公路安全委员会对交通事故的统计学数据所知：汽车安装ABS以后，在道路干燥的情况前提下交通事故发生的概率减少了24%，而道路潮湿或者雪地的路况前提下交通事故出现的几率减少了15%，甚至因为翻车而造成的交通事故几率降低了30%-40%。根据欧洲各国的统计分析表明：当汽车装上了防抱死控制系统后，小型货车发生事故的几率减少8%，公共汽车发生事故的几率减少4%，重卡车发生事故的几率减少10%^[12]。作为一种重要的汽车零部件，汽车防抱死系统能显著增加汽车的安全性能。所以，不久之后，ABS得到快速发展和广泛重视。

防抱死系统的研究目的和意义

在二十一世纪，随着科技的迅速进步，工业在生产和发展过程中对自动控制系统的控制精度、稳定性及其自适应能力加强，ABS能够很好地避免因车轮完全抱死而出现后轴侧向偏滑、前轮丧失本身转向能力等情况，保证汽车车轮在不同路面良好的转向能力^[13]。而滑移率的控制是汽车防抱死系统控制的主要组成的控制因素。汽车在制动情况下路面情况会不断改变,而我们知道汽车滑移率的动力学模型是一个非线性、时变、不确定的系统，通过结合模糊数学理论，研究者们能很好地解决汽车车轮抱死情况，同时在很大程度上提高了汽车安全系数^[14-16]。

防抱死系统国内外发展史

(1)国外发展史

1928年，ABS理论最早在火车上施行，后来发展到飞机上。1973年，美国有关部门发表法规，从指出有些货车必须安装ABS，到后来的逐步普及。但是由于ABS性能不稳定，不断出现一些因为制动失控造成的交通事故，后来相关部门就取消了该法规。再后来，数字电子技术以及大规模集成电路疯狂发展，这为ABS的发展创造了很好的条件。由于计算机相关科技的迅速进步，有些国家研发出了电磁阀调节器和数字计算机结合的初级模型的电控汽车防抱死制动系统。由于数字计算机很难受到电磁影响且回复的速度十分迅速，所以能够把制动液压轮回的次数提升至10余次/s而不会呈现系统失控的状态，而它用以调节制动的液压的电磁阀的开关转换时间最多达到0.004s，所以它的转换速率完全能够和数字计算机处理器进行数据处理的速度吻合。1978年，ABS呈现了井喷式的提升，带有数字式控制器的装置应运而生，因此也奠定了现代ABS系统应用在汽车上的基石。随着人们对微处理的了解的深入，让ABS奇迹般地拥有了一定的智能，进而也确定了ABS在实际应用技术中的思路和一般方式。不久，ABS技术日渐成熟并很快得到认可^[17-18]。

目前，将ABS应用在汽车上，做的比较好的公司主要有：保时捷，威伯科，德尔福和天合集团等。欧洲国家明文规定有一些类型的汽车必须安装ABS并且颁布了相关文件，后来欧洲各个国家都加大了ABS的应用^[19]。

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