ABS的simulink仿真详细过程

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；MatlabSimulink；PID控制；仿真ABSModelingandSimulationAnalysisofVehiclesWujun(ShiJiaZhuangTieDaoUniversity,HebeiProvince,050043,China)Abstract:TheABSmodelwasestablishedwithMatlabsimulink.ThePIDcontrollerisselectedinthemodel.Bycontrast,asetofPIDparameterswithbettercontroleffectisselected.ComparethebrakingofthecarwhentheABSsystemisincludedandwhentheABSsystemisnotincluded.IndicatingthattheABSsystemhasplayedagoodsupportingroleinbraking.Keywords:ABS；MatlabSimulink；PIDcontrol；Simulation0前言随着汽车技术的不断进步，汽车防抱制动系统（anti-lockbrakesystem,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。ABS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λ来说明制动过程中滑动成分的多少。滑移率的定义是：%100vrv式中，v为车轮中心的速度；r为车轮的滚动半径；ω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。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Sc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。图2ABS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。简化的单轮模型如图3图3单车轮模型由图可得到车辆的动力方程：车辆运动方程：（1）车轮运动方程：（2）车辆纵向摩擦力：（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（kg•m2）；Tb为制动力矩（N•m）；v为车身速度（m/s）；ω为车轮角速度（rad·s）；FdtdvmbTFRdtdINFN为地面对车轮的法向反作用力（N）；μ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：（4）式中，Tb为制动器制动力矩（N•m）；Kf为制动器制动系数（N•m/kPa）；P为制动器气液压力（kPa）。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，滞后系统模型如下：（5）4汽车ABS的Simulink模型轮速仿真模型：1100)(STBsGPKTfb车速仿真模型：滑移率模型：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R重力加速度g制动器制动系数Kf最大制动压力PBmaxTB0.389.8115000.01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brakepresure参数设置：由表2给出最大制动压力PBmax=1500KPa。如图6图6brakepresure设置（2）车轮角速度参数设置：由表2给出制动初始速度为60/3.6，则制动初始车轮速度为60/3.6/0.38；上限可暂时设置为1000。如图7图7车轮角速度设置（3）车轮中心速度v参数设置：由表2给出制动初始速度为60/3.6，则制动初始车轮中心速度为60/3.6；上限暂时设置为1000。如图8图8车轮中心速度设置（4）滑移率与附着系数函数关系参数设置：①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。slip=[00.050.10.150.200.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.900.95];mu=[00.40.80.9710.980.960.940.920.90.880.8550.830.810.790.770.750.730.720.710.7];将其分别输入至Excle，并分别以slip.xls和mu.xls命名。②通过以下Matlab命令将数组导入到工作空间：slip=xlsread('slip.xls','A1:A21')mu=xlsread('mu.xls','A1:A21')③找到simlink模块库中的LookupTables模块库，拖入LookupTable模块，设置参数。如图9图9LookupTable参数设置④经过参数设置之后，点击Edit按钮，可以发现之前的两组数据已经导入。如图10图10数组导入结果⑤滑移率与附着系数函数关系模块设置完成。（5）滑移率计算模块设置。找到user-DefinedFunctions模块库中的MATLABFcn模块，由于该模块输入变量默认为u，所以将滑移率公式处理为))0)2(()2(/()1(1epsuuu。其中)1(u表示R，)2(u表示v，这里为了防止分母为0，所以加入epsu)0)2((滑移率公式输入至Expression。结果如图11图11输入滑移率公式5调整控制器参数，分析仿真结果根据车辆参数进行仿真，最佳滑移率设置为0.2。ABS系统采用的是PID控制，当参数选为111DIpKKK、、时，滑移率控制效果并不好。如图12图12Kp=1KI=1KD=1时滑移率此时需要增大比例环节，当参数选为11100DIpKKK、、时得到滑移率如图13图13Kp=100KI=1KD=1时滑移率由图15可以看出，滑移率控制效果较为理想，始终保持在最佳滑移率0.2附近，并在0.1~0.3的大致范围内，上下波动。所以PID控制器的参数选为Kp=100KI=1KD=1。最终得到的车身和车轮速度(含ABS)仿真结果如图14图14车身和车轮速度变化曲线（含ABS）得到的制动距离为16.41。当设置比例模块control参数为0时，即关闭PID反馈控制器，此时ABS系统失效。得到ABS失效时的滑移率变化曲线如图15，车身和车轮速度变化曲线如图16图15滑移率变化曲线变化曲线（不含ABS）图16车身和车轮速度变化曲线（不含ABS）得到的制动距离为20.66。根据仿真结果可知，当含有ABS系统的汽车以初速度V0=60/3.6进行制动时，制动距离为16.41，在制动过程中，滑移率能控制在0.2左右；当不含有ABS的汽车以初速V0=60/3.6进行制动时，制动距离为20.66，制动过程中滑移率在0.5s左右已经达到100%，即车轮抱死。分析仿真结果，直观上看ABS防抱制动系统可以将滑移率始终控制在0.2附近，有效的缩短了制动行程，避免车辆发生抱死拖滑的现象。从而保证了汽车制动时行驶的稳定性和操纵性，为汽车的行驶安全保驾护航。参考文献[1]郭建亭,王少勇,吕魁超.基于Matlab的汽车ABS仿真研究[J].汽车实用技术,2012,(11):24-27.[2]付百学,胡胜海.基于Matlab/Simulink的汽车防抱死制动系统的仿真研究[J].黑龙江工程学院学报,2008,(04):17-20.[3]喻凡，林逸.汽车操纵动力学[M].北京：机械工业出版社，2005.