Data publikacji: 2018-02-21

Układ ABS jako układ regulacji

W samochodzie jest wiele układów regulacji np. prędkości obrotowej biegu jałowego silnika, składu mieszanki zasilającej silnik. Kierowca, choć może nie ma tej świadomości, jest też elementem układu regulacji... prędkości samochodu.

Rys. 51
Rys.52

Poznajmy podstawy teorii układu regulacji. Regulacja to proces (rys.51), którego celem jest uzyskanie wartości wielkości regulowanej (X), jak najmniej różniącej się od wartości zadanej wielkości regulowanej (W). W rzeczywistości wartość wielkości regulowanej (X) tylko przez krótkie chwile równa się wartości zadanej wielkości regulowanej (W). Przez dłuższy czas trwa poszukiwanie tej równości. Zadanie to wykonuje element układu nazywany regulatorem, który przez zmianę wartości wielkości nastawczej (Y) może zmienić wartość wielkości regulowanej (X), w sposób przewidziany przez konstruktora. Ponieważ nigdy nie można być całkowicie pewnym, jaką wartość osiągnie wielkość regulowana (X) po zmianie wartości wielkości nastawczej (Y), dlatego regulator mierzy stale wartość wielkości regulowanej (X). Powracająca do regulatora informacja o wartości wielkości regulowanej (X), jest nazywana sprzężeniem zwrotnym.

Zmierzoną wartość wielkości regulowanej (X) regulator porównuje z wartością zadaną wielkości regulowanej (W) i oblicza tzw. uchyb regulacji (E), czyli różnicę pomiędzy wartością wielkości regulowanej (X) a wartością zadaną wielkości regulowanej (W): E = X - W Wartość uchybu (E), dodatnia lub ujemna, jest informacją dla regulatora, o jaką wartość zmniejszyć lub zwiększyć wartość wielkości nastawczej, aby wartość uchybu (E) była możliwie jak najbliższa zeru, czyli aby został osiągnięty cel pracy układu regulacji. Część układu regulacji pomiędzy punktem, w którym regulator zmienia wartość wielkości nastawczej (Y), a punktem, w którym regulator mierzy wartość wielkości regulowanej (X), jest nazywana ścieżką regulacji. Układowi regulacji w pracy przeszkadzają tzw. zakłócenia (Z). Są nimi wszystkie wielkości, o których występowaniu wiemy lub nie, a które mogą zmieniać wartość wielkości regulowanej (X). Regulator nie wie czy i które z zakłóceń w danym momencie występują oraz jak silny jest ich wpływ na wartość wielkości regulowanej (X).

Na podstawie pomiaru, wie tylko o zmianie wartości wielkości regulowanej (X). Jeśli jest potrzeba, regulator może zmieniać wartość wielkości nastawczej (Y), aby wartość uchybu (E) była możliwie bliska zeru. Wartości wielkości zakłócających (Z), których wpływ na wartość wielkości regulowanej (X) znamy, nie są przeważnie mierzone, bo spowodowałoby to komplikację układu regulacji, często bez istotnego zwiększenia odporności na występowanie zakłóceń. Układy regulacji są tak projektowane, aby nieunikniony wpływ zakłóceń (Z) na wartość wielkości regulowanej (X), był możliwie szybko korygowany.

Przeanalizujmy teraz układ ABS (rys.52). Wielkością regulowaną (X) jest poślizg koła (PK) - od jego wartości zależy istotnie wartość sił hamowania i bocznej. Aktualną wartość poślizgu koła (PK) sterownik układu ABS oblicza na podstawie informacji o prędkości obrotowej koła. Mierzy ją czujnik prędkości obrotowej koła 5, a informacja o niej jest przesyłana za pośrednictwem tzw. sprzężenia zwrotnego układu regulacji. Wielkość regulowana (X) jest stale porównywana z wartością zadaną wielkości regulowanej (W). Na postawie tego porównania obliczany jest tzw. uchyb regulacji, czyli informację o różnicy pomiędzy wartością aktualną wielkości regulowanej (X) a wartością zadaną wielkości regulowanej (W). Na podstawie wartości uchybu (E) sterownik układu ABS określa wartość wielkości nastawczej (Y). W układzie ABS jest nią ciśnienie płynu hamulcowego, który zasila zacisk lub cylinderek hamulca. Sterownik - urządzenie elektroniczne wysyła zadanie ustawienia określonej wartości ciśnienia płynu hamulcowego, do hydraulicznego modulatora ciśnienia.

W układzie hamulcowym z ABS, kierowca nadal decyduje o tym, kiedy rozpocząć lub zakończyć hamowanie, lub jak duża powinna być siła hamowania. Układ ABS to asystent kierowcy, który mu pomaga. Z tego powodu wartość ciśnienia płynu hamulcowego, wytwarzanego przez pompę hamulcową (3) a zależna tylko od siły nacisku kierowcy na pedał hamulca (1), jest wartością maksymalną, która w danej chwili może występować w układzie hamulcowym. Hydrauliczny modulator reguluje ciśnienie płynu hamulcowego tylko w zakresie od zera do tej wartości maksymalnej. Z tego powodu siła, z którą kierowca naciska na pedał hamulca, nazywana jest wielkością prowadzącą w układzie ABS. Jak się później dowiemy, gdy jest ona za mała lub jej wartość, w chwili rozpoczynania hamowania, narasta za wolno, skuteczność układu ABS jest mniejsza.

Bezpośrednio po tym, jak hydrauliczny modulator ciśnienia, ustawi nową wartość ciśnienia płynu hamulcowego, sterownik nie ma możliwości sprawdzenia, jak zmieniła się wartość poślizgu koła, a ściślej, jak zmieniła się wartość uchybu regulacji (E). Sterownik musi czekać na informację od czujnika prędkości obrotowej koła (5). Jednak tzw. ścieżka regulacji, czyli droga od momentu określenia wartości wielkości nastawczej (Y), do momentu zmiany wartości wielkości regulowanej (X), w przypadku układu ABS, jest długa. Zaczyna się od hydraulicznego modulatora ciśnienia, a kończy w miejscu współpracy opony z nawierzchnią drogi. Wpływ na to, co dzieje się pomiędzy oponą a nawierzchnią drogi ma również zachowanie się samochodu na drodze.

Układowi ABS, jak każdemu układowi regulacji, przeszkadzają w pracy zakłócenia (Z).

Są nimi:
zmiany siły nacisku koła na nawierzchnię drogi powodowane przez zmiany ukształtowania nawierzchni drogi, ruch samochodu po łuku drogi
nierówności na nawierzchni drogi, które powodują drgania osi i kół (liniowe i skrętne koła)
błędy kształtu opony (jeśli nie jest idealnym kołem), niskie ciśnienie w oponie, zużyty bieżnik opony, różnice obwodów kół (taki problem występuje np. przy wykorzystywaniu koła dojazdowego); opóźnienia w reakcjach hamulców (dotyczy szczególnie fazy odhamowania)
zjawisko fadingu (zmniejszanie się wartości współczynnika tarcia okładzin ciernych wraz ze wzrostem ich temperatury)
różnice w ciśnieniach płynu hamulcowego, wytwarzane przez obie sekcje pompy hamulcowej, dla obu obwodów hydraulicznych hamulców.

Tekst pochodzi z Dodatku  technicznego do WIADOMOŚCI Inter Cars SA nr 48/marzec 2013  „Układ ABS część 2 Kompendium praktycznej wiedzy”