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1、车辆的ABS建模与仿真分析摘 要：用Matlabsimulink建立了 ABS模型；控制器采用了 PID控制器；通过对比，选择 了一组控制效果较好的PID参数；对比了包含ABS系统时和不包含ABS系统时汽车的制动情 况，说明了 ABS系统对制动起到了良好辅助作用。关键字：ABS ； Matlab Simulink ； PID 控制；仿真ABS Modeling and Simulation Analysis of VehiclesWujun(ShiJiaZhuang TieDao University,Hebei Province,050043,China)Abstract:The ABS m
2、odel was establishedwith Matlab simulink. The PID controller is selectedinthemodel.Bycontrast,asetofPIDparameterswithbettercontroleffect is selected. Compare the braking of the car when the ABS system is included and when the ABS system is not included. Indicating that the ABS system has played a go
3、od supporting role in braking.Key words:ABS；Matlab Simulink；PID control；Simulation0前言随着汽车技术的不断进步，汽车防抱制动系统(anti-lockbrake system,ABS)已成为 汽车的标准配置。汽车常规制动系统在制动时，随着制动力的逐步加大，车轮可能出现抱死 的情况，即失去转动而只在地面上滑动，从而使车辆失去方向操纵性，导致交通事故。同时， 车轮的抱死也将降低制动性能，增长制动距离和制动时间oABS的作用是使汽车在制动时充 分利用车轮的附着力，使车轮处于最佳的制动状态，以缩短制动距离，同时保证汽车制动
4、方 向的稳定，防止产生侧滑和跑偏。汽车在制动过程中，滑移率在20%左右时车轮与路面间的纵向附着系数最大，可获得最 大地面制动力，能最大程度地缩短制动距离；同时车轮与路面间横向附着系数也比较大，使 汽车制动时能较好地保持方向稳定性和转向控制能力。在ABS系统中，ECU接受轮速传感器 等输入的信号，分析判断后输出控制指令，控制制动压力调节器进行压力调节，实现增压、 保压和减压控制过程，从而将滑移率控制在20%左右。1汽车制动时滑移率与附着系数的关系汽车制动时，随着制动强度的不断增加，车轮滚动的成分会越来越少，同时车轮滑动的成分将越来越多。一般用滑移率入来说明制动过程中滑动成分的多少。滑移率的定义是
5、：v MrxlOO%式中，v为车轮中心的速度；r为车轮的滚动半径；为车轮的角速度。图1为制动滑移率与附着系数的关系。由图可知，随着车轮的滑移率S不断增加，纵 向附着系数会达到1个峰值点，其对应的滑移率为Sc；当滑移率S继续增加大于Sc时，纵 向附着系数将开始减小，当S=100%，即车轮抱死拖滑，纵向附着系数降低到最小值，地面 制动力极小，这将导致制动距离增加。由图1还可以看出，随着滑移率的增加，侧向附着系 数也在不断减小；当S=100%时，汽车抗侧向干扰的能力接近于零。在传统制动下，汽车紧 急制动时极易出现车轮抱死，即滑移率S=100%的情况，这样不但不能充分利用路面提供的 纵向附着力，导致制
6、动距离加长，而且更为严重的是，此时侧向附着系数将非常小，抗侧滑 能力将非常低，也即几乎丧失了转向能力。如果汽车此时受到很小的侧向干扰（如汽车重力 的横向分力、路面不平整产生的横向力、横向风力等），就有可能使汽车发生侧向滑动、跑 偏或者甩尾掉头等危险工况。另外，如果制动时车轮经常抱死，也会加剧轮胎的摩损，大大 降低轮胎的使用寿命。HU滑移命$1Sc图1 滑移率与附着系数的关系 根据制动时附着系数与滑移率的关系曲线可知，当把车轮滑移率的值控制在最佳滑移率 附近时，汽车将能够获得最好的制动效能同时还拥有较好的方向稳定性。2汽车ABS原理汽车ABS作为一种主动安全装置 它可以通过调节车轮制动压力将汽车
7、前后车轮的滑移 率控制在最佳滑移率附近，使汽车在获得最大地面制动力的同时拥有良好的方向稳定性。在常见的ABS系统中，每个车轮上各安装一个转速传感器，将有关各车轮转速的信号 输入电子控制装置ECU。电子控制装置ECU根据各车轮转速传感器输入的信号对各个车轮的 运动状态进行监测和判定，并形成相应的控制指令。制动压力调节装置主要由HCU、组合阀、 电动泵和储液罐等组成一个独立的整体，通过制动管路与制动主缸和各制动轮缸相连。制动 压力调节装置受电子控制装置ECU的控制，对各制动轮缸的制动压力进行调节。图2为ABS的控制原理。主知犯优襪場ftHCU左前制就 ：；：姐幽侗-却速开耒y右百規ill喰川图2
8、ABS控制原理3汽车ABS的数学模型汽车防抱制动系统数学模型主要包括汽车动力学模型、轮胎模型和制动器模型。3.1汽车动力学模型 由于汽车动力学模型建立是个复杂的过程，故采用单轮模型建立汽车动力学模型。简化车辆运动方程：车轮运动方程：车辆纵向摩擦力：m空=-Fdtdwdt=FR - T1）2）3）式中，m为1/4整车质量（kg）；F为地面制动力（N）；R为车轮半径（m）； I为车轮转动惯量（kgm2） ； Tb为制动力矩（Nm）；为车身速度（m/s） ； 为车轮角速度（rads）； N为地面对车轮的法向反作用力（N）； “为地面摩擦系数。3.2 汽车轮胎模型 汽车轮胎模型反映了车轮和地面附着系数
9、与滑移率之间的关系。常用的轮胎模型有双 线性模型、魔术公式模型等。本文采用双线性模型，把附着系数滑移率曲线简化为两段直线。如图4所示图 4 滑移率与附着系数的双线性模型3.3 汽车制动器模型 汽车制动器模型指制动器力矩与制动系气液压力之间的关系模型。根据相关资料，制动 系统压力的形成与液压回路、比例阀有关，建立模型如下：T广 K P（4）bf式中，Tb为制动器制动力矩（Nm）； K f为制动器制动系数（Nm/kPa）； P为制动器气 液压力（kPa）。后系统模型如下：由于制动器中各机械部件存在间隙和摩擦，导致了制动器滞后等强非线性动态特性，滞5)100TB - S +14 汽车 ABS 的 S
10、imulink 模型轮速仿真模型：kp0.们5kikdDhydraulic lagoraKe Torce presure torque车速仿真模型：采用 Matlab/ Simulink 图形化建模工具建立计算机仿真模型, 将建立起来的汽车动力 学模型、轮和车速模型以及制动器模型等连接成闭环仿真系统。最终得到的仿真模型如图5 所示。图 5 汽车 ABS 制动系统仿真模型其中轮速计算模型包含了制动器模型和控制模型。以踏板制动力为输入，控制器根据最 佳滑移率和实际滑移率控制输出制动器制动力矩，最终输出车轮线速度。汽车车速计算模型 以附着系数为输入，以车身速度和制动距离为输出。最后将车轮线速度、车速
11、输入到滑移率 计算模块，计算获得实际滑移率。本文所采用的汽车模型参数如表2 所示。表 2 单轮模型车辆参数名称与符号数值汽车整备质量M50制动初速度V60/3.6车轮转动惯量I0.45车轮有效半径R0.38重力加速度g9.8制动器制动系数Kf1最大制动压力PBmax1500TB0.01根据表2所给汽车模型参数，部分模块具体设置步骤如下：(1)制动压力brake presurh丨 参数设置：由表2给出最大制动压力 brakepresurePBmax=1500KPa。如图6a图6 brake presure 设置(2)车轮角速度 可 参数设置：由表2给出制动初始速度为60/3.6，则制 W动初始车
12、轮速度为60/3.6/0.38；上限可暂时设置为1000。如图7量| Funrtion Elocfc PararriKErs: wIn5ErKtciTLout iiijuflus-t inc jjit 亡oil of tht iriput jijmiil-PaiajiLe+frsSLOW 2fit ut o.t ion poet_ Sh口t ifitegc At ian, erf t lit irtput sdgfii.P3iM.?t e-rs憧 百hah sat urfit ion. potri 尸 Show st at? port gbmlutC t oLiaiLCE；artoIcnoie
13、 linxt and i?39t when ljjieaxiziuzV Enable lero-trnffisinj itte-rtian_x . ir._ - - f .- 一 - _ =亠”一 丫图 8 车轮中心速度设置根据图6给出的滑移率与附着系数的双线性模型，可以得到两组数组，其中一组是滑移率slip，另一组是滑移率所对应的附着系数mu 0.30 0.350.40 0.45 0.500.55slip=00.050.10.150.200.250.60 0.650.700.750.800.850.900.95;mu=00.4 0.8 0.97 10.980.960.94 0.920.9 0
14、.88 0.8550.830.81 0.790.770.750.730.720.710.7;(4)滑移率与附着系数函数关系slip-nm参数设置将其分别输入至Excle，并分别以slip.xls和mu.xls命名。通过以下Mat lab命令将数组导入到工作空间：slip=xlsread(slip.xls,A1:A21)mu=xlsread(mu.xls,A1:A21)找到simlink模块库中的Lookup Tables模块库，拖入Lookup Table模块，设置参数。如图9Funojii Blockdlp-mj图9 Lookup Table参数设置Lankup1-D liirteatof mpirt valiie ns Lti$ th亡 sptciit ah
