Адаптивная антиблокировочная тормозная система колесных машин

Наше время характеризуется стремительным развитием производительных сил общества. Этот процесс, имея поистине глобальные масштабы, сопровождается, в том числе, интенсивным развитием транспорта.

Среди транспортных средств современности ведущее место занимает автомобиль. Отличаясь высокими скоростями движения, комфортабельностью, проходимостью и технологичностью в условиях массового производства, автомобиль стал наиболее распространенным видом транспорта.

Влияние автомобиля на жизнь общества огромно. Помимо выполнения своей прямой (транспортной) функции, он в значительной мере определяет структуру промышленности, изменяет профессиональную ориентацию в обществе, в определенной степени формирует психологию людей, моды, нравы.

Однако, такое широкое проникновение автомобиля в жизнь имеет и теневые стороны. Исключая весьма важные аспекты воздействия автомобиля на окружающую среду, следует остановиться на важнейшей проблеме — обеспечении безопасности движения на дорогах.

Безопасность движения зависит от многих факторов и является комплексной проблемой.

Известными направлениями решения проблемы повышения безопасности движения являются: дорожное строительство (прокладка дорог с раздельными потоками движения и пересечениями на разных уровнях, использование материалов покрытий с высокими сцепными свойствами) — организация движения (введение одностороннего движения, дальнейшее распространение светофоров, указателей, информационных табло и т. д.) — повышение квалификации водителя и, естественно, совершенствование конструкции автомобиля. Последнее в первую очередь касается улучшений, направленных на повышение активной безопасности — свойства системы «водитель + автомобиль + дорога» предотвращать дорожно-транспортные происшествия.

Активная безопасность определяется: способностью водителя оценить дорожную ситуацию и выбрать безопасный режим движениявозможностью транспортного средства реализовать желаемый безопасный режим движения. Первое зависит от квалификации водителя, второе — от уровня эксплуатационных характеристик транспортного средства, таких как управляемость, устойчивость, тормозная эффективность.

Поскольку рабочая тормозная система современных автомобилей создается с возможностью блокировать колеса даже на сухом бетоне, при торможении существует реальная опасность заноса автомобиля, а для автопоезда — складывания.

Для отечественных условий, характеризующихся климатическим разнообразием и недостаточным благоустройством дорожной сети, обеспечение устойчивости автотранспортных средств при торможении особенно актуально. С целью снижения риска потери устойчивости при торможении юзом и одновременно сохранения возможности торможения с максимальной для данных условий интенсивностью рабочая тормозная система автотранспортных средств проектируется с предписываемым распределением тормозных сил по осям. Требуется, в частности, опережающее блокирование передних колес на всех дорогах для легковых автомобилей и на скользких дорогах — для прочих автотранспортных средств. Но диапазон условий эксплуатации автомобилей настолько широк, что создать рабочую тормозную систему, обеспечивающую желаемое распределение тормозных сил по осям при всех весовых состояниях и на любом дорожном покрытии, удается лишь введением в конструкцию рабочей тормозной системы устройств, корректирующих распределение тормозных сил в зависимости от конкретных условий торможения. Такие устройства, называемые регуляторами тормозных сил, получили широкое распространение, особенно на автомобилях со значительной разницей статических и динамических нормальных нагрузок (короткобазных, с высоким расположением центра масс). Все устройства подобного типа реализуют заранее заданную характеристику, т. е. являются программными автоматами. В силу этого они обладают тем существенным недостатком, что не учитывают эксплуатационные разбросы свойств тормозного привода и тормозных механизмов, а также не реагируют на изменение сцепления пары колесо + поверхность дороги, не учитывают динамику. торможения колеса. Опасность блокирования колес сохраняется, соответственно сохраняется и опасность заноса. Даже самый лучший регулятор тормозных сил лишь в ограниченной степени позволяет улучшить устойчивость автотранспортного средства.

Радикальное решение задачи повышения устойчивости автомобиля при торможении возможно лишь на пути построения автоматической системы управления качением колеса на основе информации о его динамике.

Идея предотвращения блокирования (юза) колеса при пере-тормаживании с помощью средств автоматики появилась давно. Первые патентные сообщения об антиблокировочных устройствах относятся к середине 20-х годов прошлого столетия.

За свою историю развития предложения по предотвращению блокирования колеса прошли этапы механических и электромеханических конструкций. Высокие требования, предъявляемые к осуществлению такими устройствами своих функций в различных дорожных условиях, в полной мере могут быть удовлетворены лишь путем введения электроники в их конструкцию.

Современные электронные АБС представляют собой весьма сложные по конструкции и логике работы системы автоматического управления процессом торможения, способные решать задачу не только предотвращения блокирования колеса, но и задачу оптимизации сцепных свойств колеса с опорной поверхностью во время торможения автомобиля. Оснащение автомобилей и автопоездов такими системами позволяет: смягчить ограничение скорости движения по условиям безопасностиобеспечить предотвращение складывания автопоездов, способствуя увеличению числа звеньев и грузоподъемностиуменьшить вероятность дорожно-транспортных происшествий (ДТП), что соответственно снижает ущерб от потери грузов, травматизма, простоя автомобиля, связанного с последствиями ДТП.

Исследования, рассматривавшие целью создание АБС для применения на отечественных автомобилях, непосредственно связаны с рядом директивных документов, стимулировавших развитие работ в области применения электронных средств управления рабочими процессами машин и механизмов, в том числе автомобиля и его агрегатов.

Важнейшими из этих документов являются: Постановление ЦК КПСС и СМ СССР № 682 от 22. 07. 82 г. «О развитии работ по автоматизации машин, оборудования и приборов с применением микропроцессорных средств" — комплексная целевая программа ГКНТ 0.19.047 от 13.12.83 г.- приказы Минавтопрома № 165 от 4.06.76г. и № 419 от 25.10.82 г., а также перечень рекомендованных ВАК (Бюлл. ВАК №=1,1984) направлений диссертационных исследований по специальности «Автомобили и тракторы» (п. 2 «Разработка систем автоматического управления режимами работы агрегатов с целью повышения производительности, экономичности, безопасности», п. 12 «Разработка методов повышения активной безопасности за счёт улучшения тормозных свойств, устойчивости и управляемости»).

Над проблемой создания АБС в России на протяжении многих лет работает ряд организаций и ВУЗов, в числе которых ЗИЛ, КамАЗ, НАМИ, НИИАЭ, МАМИ, МАДИ, СИБАДИ и др.

Конкретные результаты этих работ нашли отражение в публикациях таких исследователей, как: В. В. Иваненко, В. И. Иларионов, Н.Т. Катана-ев, Г. М. Косолапов, Н. Г. Мальцев, Б. И. Морозов, Я. Н. Нефедьев, Э. Н. Никульников, А. И. Попов, Н. К. Пчелин, А. А. Ревин, В. И. Сальников, Д. А. Соцков, А. К. Фрумкин, А. А. Юрчевский и др.

Активно работают над созданием электронных АБС зарубежные фирмы. Лидирующее положение занимают фирмы «БОШ» и «ВАБКО».

Несмотря на наличие исследований, посвященных АБС, и развитие отдельных технических решений, до настоящего времени не создано общей теории и методов построения систем, пригодных для крупносерийного производства. Трудность решения этой научной проблемы, имеющей важное хозяйственное значение, состоит в необходимости обеспечения высокой эффективности и приемлемой стоимости сложного изделия, предназначенного для применения на автомобиле при крупномасштабном производстве. Противоречие между стоимостью и массовостью применения АБС может быть смягчено обеспечением унификации технических решений.

Цель настоящей работы — повышение активной безопасности движения колесных машин на основе применения унифицированной АБС.

Исходной концепцией построения такой системы управления рассматривается обеспечение инвариантности ее выходных характеристик по отношению к изменению параметров объекта управления (системы «дорога + колесо + автомобиль») и внутренним параметрическим возмущениям. Это достигается приданием системе адаптивных свойств.

Круг задач, связанных с достижением поставленной цели, включает в себя:

— исследование объекта управления «колесо + дорога», тормозного привода с разработкой их математических (функциональных) моделей и обоснованием допускающих экспериментальное измерение критериев качества антиблокировочного управления;

— создание теории построения адаптивного закона управления объектом «колесо + дорога», обеспечивающего инвариантность достижения критериев качества при изменении параметров объекта в широких пределах;

— разработку метода контроля работоспособности контура управления отдельным колесом;

— создание методов построения АБС автомобиля, автопоезда из контуров управления отдельными колесами с обеспечением работоспособности АБС как системы, непосредственно связанной с безопасностью движения;

— натурные исследования и испытания, направленные на оценку эффективности системы по принятым критериям качества.

Комплексное решение перечисленных задач определило содержание исследований, при выполнении которых созданы теоретическая и аппаратурная основы для проектирования и исследования АБС целого класса автотранспортных средств, включая автопоезда.

Научная новизна полученных результатов заключается в том, что разработана теория построения адаптивной АБС колесных машин, в том числе:

— впервые антиблокировочное управление объектом «колеса + дорога» сформулировано как оптимизационная задача на основе функциональной модели в случайно меняющихся (неопределенных) условиях с обоснованием критериев качества решения задачи, позволяющих экспериментальную оценку значений;

— установлено, что сформулированная задача допускает аналитическое определение оптимального значения искомого давления в тормозном приводе, однако это решение неустойчиво по Ляпунову и может быть реализовано лишь в виде квазиоптимального решения;

— предложено для обеспечения квазиоптимального решения задачи между параметрами состояния объекта «колесо + дорога» и искомым значением управляющего давления в тормозном приводе формировать связь на основе теории размытых множеств (нечеткой логики) с введением лин-гвистическои переменной «динамическии образ;

— разработана математическая модель пневматического тормозного привода, отражающая особенности работы силового привода в контуре управления в циклическом адаптивном режиме;

— разработан адаптивный алгоритм решения задачи антиблокировочного управления, компенсирующий недостаток текущей информации об объекте управления «колесо + дорога» использованием предыстории изменения состояния объекта, запоминанием предыдущего квазиоптимального значения давления в тормозном приводе, распознаванием текущего динамического образа объекта и прогнозированием развития состояния объекта;

— разработаны алгоритм и схема контроля работоспособности контура управления;

— разработаны алгоритмы и структуры взаимодействия адаптивных контуров АБС автомобиля, автопоезда.

Реализация результатов работы характеризуется тем, что на основе предложенных в работе теоретических положений и конкретных технических решений создан унифицированный комплект антиблокировочной тормозной системы для грузовых автомобилей: датчик угловой скорости колеса 14.3862- модулятор давления 100−3 533 410- блок управления 11.3563- блок контроля 12.3863- блок коммутации АБС прицепа 13.3863. Унифицированный комплект прошел сертификационные испытания на автомобилях ЗИЛ категорий N2, N3 и устанавливается на конвейере завода.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Разработана теория построения адаптивной антиблокировочной тормозной системы (АБС) колёсных машин и тем самым решена имеющая важное хозяйственное значение научная проблема по повышению безопасности транспортных средств.

2. Впервые антиблокировочное управление объектом «колесо + дорога» сформулировано как оптимизационная задача, включающая функциональную модель объекта в случайно меняющихся (неопределенных) условиях, цель управления и функционал качества управления при наличии ограничения на расход рабочего тела. При этом в модели искомым управляющим входом рассматривается давление рабочего тела в тормозном приводе, управляемым выходом — относительное скольжение колеса. Отсутствие достаточной текущей информации о состоянии объекта выражается представлением максимального значения коэффициента сцепления в продольном направлении и нормальной реакции колеса в виде неопределенных (размытых) множеств, зависящих от времени и случайной величины, для которой плотность вероятности неизвестна. Функционал качества управления, позволяющий экспериментальную оценку значений, принят в виде интегрального отклонения управляемого изменения скольжения от критического (желаемого) значения скольжения колеса.

3. Установлено, что сформулированная задача допускает аналитическое получение оптимального значения искомого давления в тормозном приводе, при этом относительное скольжение колеса равно критическому (желаемому) значению и обеспечивается торможение с максимально возможной эффективностью. Однако это решение неустойчиво по Ляпунову и может быть реализовано лишь в виде квазиоптимального решения, когда значения давления колебательно поддерживаются внутри Е-интервала, включающего оптимальное значение. При отсутствии необходимой информации об объекте для организации таких колебаний предложено связь между состоянием объекта и искомым значением управляющего давления формировать на основе теории размытых множеств (нечеткой логики), позволяющей переходить от состояния объекта со случайно меняющимися и недоступными для измерения параметрами к лингвистическим переменным (динамическим образам), связь между динамическими образами рассматривать на основе нечеткой логики и полученный нечеткий вывод переводить во вполне определенные значения искомого управляющего давления, обеспечивая адаптацию значения давления к состоянию объекта «колесо + дорога» со случайно меняющимися параметрами.

4. Разработана математическая модель пневматического привода, позволяющая изучать характеристики циклических режимов работы привода, определять условия получения предельных устойчивых циклов, рассматривая в качестве управляющего входа положение запорного органа модулятора давления, а в качестве управляемого выхода — давление сжатого воздуха в рабочей полости тормозной камеры. Установлено, что основными, влияющими на характеристики циклических режимов факторами, являются:

— разная продолжительность процессов впуска и выпуска сжатого воздуха (разные коэффициенты в уравнениях динамики);

— зависимость соотношения продолжительностей процессов выпуска и впуска от уровня рабочего давления, так при рабочем давлении 0,7 Мпа продолжительность выпуска больше продолжительности впуска в 2 раза, а при давлении 0,2 Мпа — в 1,2 раза.

5. Разработан адаптивный алгоритм решения сформулированной задачи, компенсирующий недостаток текущей информации об объекте управления «колесо + дорога» использованием предыстории изменения состояния объекта, запоминанием предыдущего квазиоптимального давления в тормозном приводе, распознаванием текущего динамического образа объекта и прогнозированием развития состояния объекта. Алгоритм включает:

— измерение текущих значений угловой скорости колеса и времени перехода объекта из закритического состояния в целевое состояние — признака динамического образа объекта в текущем цикле;

— вычисление производной сигнала угловой скорости колеса (замедления и ускорения) и сравнение с заданными пороговыми значениями, обеспечивая коррекцию порогового значения замедления в зависимости от угловой скорости колеса;

— формирование сигнала целевой угловой скорости колеса и сравнение с сигналом текущей угловой скорости;

— переключение энергетического канала тормозного привода на растормаживание и затормаживание колеса по результатам сравнения текущих и заданных значений сигналов угловой скорости и производной от угловой скорости колеса;

— формирование сигнала коэффициента «поощрения и наказания», учитывающего предысторию изменения признака динамического образа объекта в предыдущих двух циклах управления;

— формирование квазиоптимального давления в текущем цикле управления на основе предыдущего (запомненного) значения давления, уменьшая его в функции времени — признака динамического образа при растормаживании колеса, а также повышая его при затормаживании с прогнозированием развития состояния объекта. б. Разработаны алгоритм и схема контроля работоспособности контура управления. При этом контролируются:

— время растормаживания в каждом цикле управления;

— целостность электрических цепей подключения датчика угловой скорости колеса и модулятора давления к электронному блоку;

— наличие и стабильность следования амплитуды сигнала от датчика, что косвенно позволяет контролировать изменение зазора между подвижной и неподвижной частями датчика.

При несоответствии хотя бы одного из указанных параметров заданному значению формируется сигнал неисправности, который подается визуально водителю и на реле отключения питания блока управления контура АБС.

7. Разработаны алгоритм и структурный метод организации взаимодействия адаптивных контуров антиблокировочной тормозной системы автомобиля, обеспечивающий:

— возможность индивидуального и группового управления колесами одной оси;

— возможность управления колесами многих осей;

— сохранение работоспособности АБС по осям исходя из приоритета устойчивости движения транспортного средства;

— эффективное информационное взаимодействие между водителем и

АБС.

8. Разработаны алгоритм функционирования и структура антиблокировочной тормозной системы автопоезда, включающая две одинаковые АБС, установленные на автомобиле-тягаче и прицепе (полуприцепе) с соединением через информационно — коммутационный узел, обеспечивающий информационное взаимодействие систем, в том числе идентификацию следующих условий:

— наличие (отсутствие) прицепа (полуприцепа);

— при наличии прицепа (полуприцепа) наличие (отсутствие) на нем

АБС;

— при наличии на прицепе (полуприцепе) АБС наличие (отсутствие) в ней неисправности.

9. На основе разработанной теории создана конструкция унифицированной адаптивной АБС для грузовых автомобилей категорий N2 и N3 с пневматическим и пневмогидравлическим тормозным приводом, включающая: датчик угловой скорости колеса 14.3862- модулятор давления 100−3 533 410- блок управления 11.3863- блок контроля 12.3863- блок коммутации АБС прицепа 13.3863. Данный комплект сертифицирован на всех выпускаемых автомобилях ЗИЛ категорий N2 и N3.

10. Испытаниями установлено, что созданная унифицированная адаптивная АБС на грузовых автомобилях категорий N2 и N3 обеспечивает:

— эффективное торможение с коэффициентом использования сцепления от 0,78 до 0,97;

— сохранение устойчивости движения при торможении на поверхностях с различными коэффициентами сцепления по бортам, при этом угол поворота рулевого колеса не превышает 53° в течение первых двух секунд и не превышает 100° в целом;

— достижение расхода сжатого воздуха в пределах, позволяющих после работы АБС в течение 15 е., после четырех полных срабатываний рабочей тормозной системы, затормозить транспортное средство с замедлением не менее 3,0 м/с .

И. Новизна предложенных теоретических положений и технических решений подтверждена 11 авторскими свидетельствами и патентами СССР и РФ, полученными при выполнении работы.