Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 3, 2009 46 УДК 629.067 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ АНТИБЛОКИРОВОЧНЫХ И ПРОТИВОБУКСОВОЧНЫХ СИСТЕМ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ Канд. техн. наук, доц. ГУРСКИЙ Н. Н., СЛАБКО Ю. И., докт. техн. наук, проф. ФУРУНЖИЕВ Р. И., канд. техн. наук, доц. ХОМИЧ А. Л. Белорусский национальный технический университет Известные в настоящее время конструкции антиблокировочных средств (АБС) и противо- буксовочных средств (ПБС) функционируют на измерениях кинематических величин (угловых скоростей вращения колес и др.). Путем доста- точно сложных алгоритмов идентифицируется кривая «коэффициент сцепления – скольжение колеса», лежащая в основе управления. Однако невозможно точно измерить курсовую скорость движения транспортных средств (ТС), величи- на которой используется при вычислениях те- кущих величин скольжения колес. Таким обра- зом, имеются принципиальные затруднения на пути повышения точности вычислений, а сле- довательно, и качества работы АБС/ПБС. По- этому в настоящей работе рассмотрен новый подход, основанный на наблюдении в каждый момент времени силовых величин (факти- ческих величин сил/моментов и/или их произ- водных) в системе «дорога – колесо – ТС». При этом исключаются недостатки известных АБС/ПБС и представляется возможным обес- печить более высокую точность функциониро- вания. Наблюдаемые скорости изменения сил/мо- ментов соответствуют третьим производным угловых скоростей вращения колес. Кроме но- вого принципа функционирования используют- ся интеллектуальные алгоритмы адаптивного управления. Способ адаптивного управления системой активной безопасности (САБ) нового поколе- ния предложен Р. И. Фурунжиевым [1]. Описа- ние метода управления свойствами движения в системах мобильных машин в общем случае нестационарного движения рассмотрено Р. И. Фу- рунжиевым и А. Л. Хомичем [2]. Обзор АБС и ПБС зарубежных производи- телей наиболее полно описан в справочнике Bosch [3]. А. А. Ревин [4] изучил особенности конструкции и основы теории рабочих процес- сов современных антиблокировочных систем; рассмотрел влияние рабочего процесса АБС на эксплуатационные свойства автомобилей и ав- топоездов в режиме торможения; представил математические модели основных типов авто- транспортных средств в режиме торможения. М. С. Высоцкий и его ученики [5] рассмотрели динамику автомобилей с САБ, также базирую- щихся на измерениях угловых скоростей колес. А. П. Ракомсин, В. В. Корсаков и Н. Г. Мальцев привели оценку качества работы ABS/EBS применительно к грузовым автомобилям и ав- топоездам семейства МАЗ [6]. Алгоритмы всех известных конструкций се- рийных АБС и ПБС основаны на измерении- ях кинематических величин и идентификации в каждый момент времени кривой «коэффици- ент сцепления – скольжение колеса». При этом невозможно исключить методические ошибки, обусловленные неточностью используемых при вычислениях значений курсовой скорости ав- томобиля. В настоящей статье рассматривают- ся впервые предложенные Р. И. Фурунжиевым и В. А. Кимом АБС/ПБС нового поколения, в которых не требуются измерения угловых скоростей колес [7]. Для их функционирования необходимы: • датчики, измеряющие фактические силы/мо- менты в контакте «дорога – колесо – транспорт- ное средство» либо их производные в продоль- ном и поперечном направлениях. Фактической силой Ff будем в дальнейшем называть сумму внутренних и внешних сил (продольных/по- перечных), действующих на колесо при движе- нии транспортного средства; • силовой исполнительный привод (модуля- тор давления, рабочий тормозной цилиндр); • контроллер (АЦП, ЦАП, фильтры, модуль формирования желаемых свойств движения Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 3, 2009 47 управляемых переменных, интеллектуальный регулятор); • схемы, обеспечивающие нормальное функ- ционирование блока управления и блока кон- троля и индикации состояния системы. На рис. 1 представлена блок-схема АБС/ПБС нового поколения. Рассмотрим взаимодействие основных эле- ментов приведенной системы. Состояние за- тормаживаемых/разгоняющихся колес транс- портного средства, находящегося в равновесии под действием фактических сил/моментов со стороны тормозного механизма или двигателя, дороги и шасси, контролируется датчиками. Величина момента на выходе исполнительного тормозного механизма определяется суммар- ным воздействием со стороны водителя и АБС/ПБС, встроенных в тормозной привод. При этом фактические значения сил/моментов зависят как от усилий воздействия водителя на педаль тормоза/газа, так и от управляющих воздействий АБС/ПБС. Информация от датчиков поступает в блок управления через фильтр, предназначенный для исключения влияния различного рода высоко- частотных помех. На основе полученной ин- формации iF интеллектуальный регулятор в соответствии с алгоритмом функционирования [8, 9] формирует сигнал управления u(t), кото- рый подается на вход силового исполнительно- го привода. Работа исполнительного механизма обеспечивается источником энергии, в качестве которого в гидравлической тормозной системе используется обычно электродвигатель с насо- сом высокого давления, а в пневматической – компрессор с ресиверами. При выходе из строя системы автомобиль затормаживается/разгоняется традици- онным способом, а водитель информи- руется о случившихся сбоях с помощью световых и/или звуковых средств инди- кации. Представленная на рис. 1 АБС функ- ционирует следующим образом. Воздей- ствие водителя на тормозную педаль пе- редается по магистралям на исполни- тельный тормозной механизм, который создает соответствующий тормозной момент Мт, приложенный к колесу ТС. Одновременно с ростом давления в тор- мозном цилиндре происходят снижение угловой скорости вращения колеса и рост скольжения колес. Устойчивый диапазон скольжения зависит от типа и состояния дорожного покрытия, типа и давления в шине, рисунка протектора, температуры дорожного полотна и ши- ны, скорости движения автомобиля и других факторов и составляет до 30 %. В устойчивом диапазоне скольжения производная фактиче- ской силы/момента положительна. При приближении тормозной силы к мак- симально реализуемой силе в контакте «доро- га – колесо – ТС» величина производной фак- тической силы начинает падать. При достиже- нии силы, создаваемой тормозным приводом, максимального допустимого значения Fт = Rzϕ, где Rz – вертикальная нагрузка на колесе; ϕ – коэффициент сцепления в продольном направ- лении, коэффициент продольного сцепления будет максимальным и производная фактиче- ской силы станет равной нулю (рис. 2). В этот момент контроллер вырабатывает управляющий сигнал, который подается на мо- дулятор для сброса давления в исполнительном механизме тормозов. Если далее давление в тормозном цилиндре продолжает расти, то производная фактической силы падает ниже нуля, фактическая реализуемая в контакте сила падает до значения, определяемого вертикаль- 2 10 5 15 3 7 4 1 9 Ff p 14 12 6 11 2 5 3 4 1 Ff 6 x 8 a. b. 13 14 c. c. Рис. 1. Блок-схема АБС/ПБС нового поколения: а – ПБС; б – АБС; в – электронный блок управления; 1 – фильтр помех; 2 – интеллек- туальный регулятор; 3 – усилитель мощности; 4 – схема стабилиза- ции режимов; 5 – схема защиты и контроля; 6 – индикация исправ- ности системы; 7 – модулятор давления; 8 – источник энергии; 9 – исполнительный механизм; 10 – двигатель, сцепление, коробка пе- редач; 11 – аккумуляторная батарея; 12 – модуль управления дрос- селем/рейкой топливного насоса; 13 – внешнее возмущение; 14 – до- рога; 15 – датчик фактически реализуемой силы/момента а б Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 3, 2009 48 ной нагрузкой колеса и коэффициентом сцеп- ления при полном скольжении, коэффициент сцепления снижается до значения коэффициен- та сцепления, соответствующего полному скольжению колеса (юз колеса). Скольжение колеса переходит в неустойчивый диапазон скольжения и продолжает расти. Данный про- цесс длится до времени срабатывания модуля- тора давления. Быстродействие современных модуляторов пневматического типа составляет 20–50 мкс, гидравлического типа – 10–20 мкс. Рис. 2. Зависимость коэффициентов сцепления колес с до- рогой и фактически реализуемой силы и ее производной от скольжения колеса: 1 – коэффициент сцепления в продольном направлении; 2 – то же в поперечном на- правлении При срабатывании модулятора происходит открытие клапанов сброса давления из рабоче- го цилиндра. Одновременно происходит отсе- чение давления клапаном модулятора от тор- мозной магистрали. С этого момента давление в рабочем тормозном цилиндре начинает сбра- сываться. В результате снижается падение про- изводной фактической силы, а соответственно и самой фактической силы. Коэффициент сцеп- ления начинает возрастать до своего макси- мального значения, скольжение колеса снижа- ется и возвращается в устойчивый диапазон скольжения, угловая скорость вращения колеса начинает возрастать. Этот процесс длится до того момента, пока производная фактической силы не станет равной или больше нуля. В этот момент фактическая сила равна тормозной силе на колесе. Контроллер в этот момент прекращает по- дачу управляющего сигнала. С этого момента и до времени срабатывания модулятора давле- ние в тормозном цилиндре продолжает сни- жаться. Фактическая сила возрастает и превы- шает тормозную силу, производная фактиче- ской силы растет. Коэффициент сцепления продолжает возрастать до своего максимально- го значения, скольжение колеса продолжает снижаться и возвращается в устойчивый диапа- зон скольжения, угловая скорость вращения колеса возрастает. Как только модулятор сработал, происходит закрытие клапанов сброса давления из рабочего цилиндра, открытие клапана тормозной маги- страли или клапана, соединяющего аккумуля- тор с тормозным цилиндром. С этого момента давление в тормозном цилиндре начинает нарастать до тех пор, пока производная факти- ческой силы не упадет до нуля. В этот момент времени Fт = Rzϕ коэффициент продольного сцепления будет максимальным, а производная фактической силы станет равной нулю. Сколь- жение колеса будет находиться на границе пе- рехода из устойчивого диапазона скольжения в неустойчивый. Угловая скорость вращения колеса начнет падать. В этот момент контрол- лер вырабатывает управляющий сигнал моду- лятору на сброс давления, и цикл повторяется. Алгоритм работы противобуксовочной си- стемы аналогичен алгоритму работы АБС, за исключением того, что сигнал управления в ПБС поступает на модулятор тормозного дав- ления ведущего колеса и на механизм управле- ния подачей топлива или только на механизм управления подачей топлива [10, 11]. Критерий качества управления при синтезе управляющих функций для выходной перемен- ной x(t) (x(t) – производная фактической си- лы/момента) и ее производных ( ), ...,kx t ( 1) ( )nkx t − управляемой системы формулируется по каче- ству переходного процесса как интегральный, и имеет вид Неустойчивая область Устойчивая область S S Мf fM fM Мf fM tp Приборостроение. Информатика Вестник БНТУ, № 3, 2009 49 1 0 2 2 2 2 ( )2 1 ... , t n n k k n k t J dt = ε + τ ε + + τ ε ∫  (1) где ( ) ( ) ( )k k kt x t x tε = − – ошибка управления. Граничные условия заданы в виде: 0 0 0 0: ( ) , ( )t t x t x x t= = = ( 1) ( 1) 0 0 0, ..., ( ) ; n nx x t x− −= = (2) ( ): ( ) , ( ) 0, k k kt x t x x t ν→∞ → → 1, 2, ..., 1.nν = − (3) Желаемые свойства движения управляемых переменных в линейном варианте задаются дифференциальными уравнениями вида ( ) ( 1 ) 1 1 0 0 ... .n n k n k k k k x x x x x− − + β + +β +β = β (4) Коэффициенты β0, …, βn–1 определяются через константы τ1, …, τn, входящие в крите- рий (1). Новые алгоритмы адаптивного управления обладают следующими достоинствами: соче- тают высокую точность и быстродействие си- стемы без перерегулирования благодаря работе на нелинейных критериях качества управле- ния; обеспечивают задание любых желаемых свойств движения управляемых переменных АБС/ПБС; придают управляемой системе адап- тивные свойства; гарантируют устойчивость движения управляемой системы. Предлагаемые на их основе интеллектуальные регуляторы позволяют реализовать предельные возможно- сти используемых приводов АБС/ПБС. Новый принцип функционирования базиру- ется на измерениях сил/моментов, что позво- ляет получить производные более высоких порядков, а тем самым повысить качество управления и снизить влияние высокочастот- ных помех. Так, производная силы соответ- ствует третьей производной углового переме- щения колес. В Ы В О Д Проведенное компьютерное моделирование показало высокую эффективность новой кон- цепции, методов и алгоритмов адаптивного управления, продемонстрировало эффектив- ность подхода, алгоритмов и регулятора. Ко- эффициент скольжения колеса находился в зоне максимума коэффициента сцепления в продольном направлении и относительно высо- ких значениях коэффициента сцепления в по- перечном направлении. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Способ Фурунжиева управления движением транс- портного средства: пат. 5182 Респ. Беларусь / Р. И. Фу- рунжиев; заявл. 10.03.1999. 2. Фурунжиев, Р. И. Методы, алгоритмы и програм- мы управления движением в системах мобильных машин / Р. И. Фурунжиев, А. Л. Хомич // Механика машин на по- роге III тысячелетия: материалы междунар. науч. конф. – Минск: НИРУП «Белавтотракторостроение», 2001. – С. 282–291. 3. Автомобильный справочник: пер. с англ. – М.: ЗАО КЖИ «За рулем». – 2002. – 896 с. 4. Ревин, А. А. Теория эксплуатационных свойств ав- томобилей и автопоездов с АБС в режиме торможения / А. А. Ревин. – Волгоград: РПМ «Политехник», 2002. – 372 с. 5. Активная безопасность автомобиля / В. Г. Буты- лин [и др.]. – Минск: НИРУП «Белавтотракторостроение», 2002. – 183 с. 6. Ракомсин, А. П. Коэффициент качества работы ABS/EBS / А. П. Ракомсин, В. В. Корсаков, Н. Г. Маль- цев // Автомобильная промышленность. – 2002. – № 4. – С. 17–18. 7. Противоблокировочная тормозная система транс- портного средства: пат. 1408 Респ. Беларусь / Р. И. Фу- рунжиев, В. А. Ким; заявл. 01.07.1993. 8. Регулятор Фурунжиева: пат. 3160 Респ. Беларусь / Р. И. Фурунжиев; заявл. 19.04.1996. 9. Способ и регулятор для управления системами: пат. 2153697 Респ. Беларусь / Р. И. Фурунжиев; заявл. 24.04.1997. 10. Fourounjiev, R. New Conception and Method of Identification and Control of the Intelligent Vehicle Safety Systems / R. Fourounjiev, Y. Slabko // Vibroengineering- 2006: 6th International conference / Kaunas University of Technology. – Lithuania: Technologija, 2006. – Р. 173–178. 11. Fourounjiev, R. Computer-aided Modeling of the Adaptive Intelligent Vehicle Safety Systems / R. Fourounjiev, Y. Slabko // Mechatronic Systems and Materials (MSM- 2007): 27–29 september, 2007. – Kaunas, 2007. – Р. 139–140. Поступила 24.04.2008