ABS的simulink仿真詳細(xì)過程

1、車輛的ABS建模與仿真分析摘要：用Matlabsimulink建立了ABS模型；控制器采用了PID控制器；通過對比，選擇了一組控制效果較好的PID參數(shù)；對比了包含ABS系統(tǒng)時(shí)和不包含ABS系統(tǒng)時(shí)汽車的制動情況，說明了ABS系統(tǒng)對制動起到了良好輔助作用。關(guān)鍵字：ABS;MatlabSimulink;PID控制；仿真ABSModelingandSimulationAnalysisofVehiclesWujun(ShiJiaZhuangTieDaoUniversity,HebeiProvince,050043,China)Abstract:TheABSmodelwasestablishedwithM

2、atlabsimulink.ThePIDcontrollerisselectedinthemodel.Bycontrast,asetofPIDparameterswithbettercontroleffectisselected.ComparethebrakingofthecarwhentheABSsystemisincludedandwhentheABSsystemisnotincluded.IndicatingthattheABSsystemhasplayedagoodsupportingroleinbraking.Keywords:ABS;MatlabSimulink;PIDcontro

3、l;Simulation0前言隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車防抱制動系統(tǒng)(anti-lockbrakesystem,ABS)已成為汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。汽車常規(guī)制動系統(tǒng)在制動時(shí)，隨著制動力的逐步加大，車輪可能出現(xiàn)抱死的情況，即失去轉(zhuǎn)動而只在地面上滑動，從而使車輛失去方向操縱性，導(dǎo)致交通事故。同時(shí)，車輪的抱死也將降低制動性能，增長制動距離和制動時(shí)間。ABS的作用是使汽車在制動時(shí)充分利用車輪的附著力，使車輪處于最佳的制動狀態(tài)，以縮短制動距離，同時(shí)保證汽車制動方向的穩(wěn)定，防止產(chǎn)生側(cè)滑和跑偏。汽車在制動過程中，滑移率在20%左右時(shí)車輪與路面間的縱向附著系數(shù)最大，可獲得最大地面制動力，能最大程度地縮短制動距離；

4、同時(shí)車輪與路面間橫向附著系數(shù)也比較大，使汽車制動時(shí)能較好地保持方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向控制能力。在ABS系統(tǒng)中，ECU接受輪速傳感器等輸入的信號，分析判斷后輸出控制指令，控制制動壓力調(diào)節(jié)器進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)增壓、保壓和減壓控制過程，從而將滑移率控制在20%左右。1汽車制動時(shí)滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系汽車制動時(shí)，隨著制動強(qiáng)度的不斷增加，車輪滾動的成分會越來越少，同時(shí)車輪滑動的成分將越來越多。一般用滑移率入來說明制動過程中滑動成分的多少?；坡实亩x是：100%式中，v為車輪中心的速度；r為車輪的滾動半徑；3為車輪的角速度。圖1為制動滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系。由圖可知，隨著車輪的滑移率S不斷增加，縱向附著系數(shù)會

5、達(dá)到1個(gè)峰值點(diǎn)，其對應(yīng)的滑移率為Sc；當(dāng)滑移率S繼續(xù)增加大于Sc時(shí)，縱向附著系數(shù)將開始減小，當(dāng)S=100%,即車輪抱死拖滑，縱向附著系數(shù)降低到最小值，地面制動力極小，這將導(dǎo)致制動距離增加。由圖1還可以看出，隨著滑移率的增加，側(cè)向附著系數(shù)也在不斷減小；當(dāng)S=100%時(shí)，汽車抗側(cè)向干擾的能力接近于零。在傳統(tǒng)制動下，汽車緊急制動時(shí)極易出現(xiàn)車輪抱死，即滑移率S=100%的情況，這樣不但不能充分利用路面提供的縱向附著力，導(dǎo)致制動距離加長，而且更為嚴(yán)重的是，此時(shí)側(cè)向附著系數(shù)將非常小，抗側(cè)滑能力將非常低，也即幾乎喪失了轉(zhuǎn)向能力。如果汽車此時(shí)受到很小的側(cè)向干擾（如汽車重力的橫向分力、路面不平整產(chǎn)生的橫向力、橫

6、向風(fēng)力等），就有可能使汽車發(fā)生側(cè)向滑動、跑偏或者甩尾掉頭等危險(xiǎn)工況。另外，如果制動時(shí)車輪經(jīng)常抱死，也會加劇輪胎的摩損，大大降低輪胎的使用壽命。圖1滑移率與附著系數(shù)的關(guān)系根據(jù)制動時(shí)附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線可知，當(dāng)把車輪滑移率的值控制在最佳滑移率Sc附近時(shí)，汽車將能夠獲得最好的制動效能同時(shí)還擁有較好的方向穩(wěn)定性。2汽車ABS原理汽車ABS作為一種主動安全裝置，它可以通過調(diào)節(jié)車輪制動壓力將汽車前后車輪的滑移率控制在最佳滑移率附近，使汽車在獲得最大地面制動力的同時(shí)擁有良好的方向穩(wěn)定性。在常見的ABS系統(tǒng)中，每個(gè)車輪上各安裝一個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器，將有關(guān)各車輪轉(zhuǎn)速的信號輸入電子控制裝置ECU。電子控制裝置EC

7、U根據(jù)各車輪轉(zhuǎn)速傳感器輸入的信號對各個(gè)車輪的運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和判定，并形成相應(yīng)的控制指令。制動壓力調(diào)節(jié)裝置主要由HCU、組合閥、電動泵和儲液罐等組成一個(gè)獨(dú)立的整體，通過制動管路與制動主缸和各制動輪缸相連。制動壓力調(diào)節(jié)裝置受電子控制裝置ECU的控制，對各制動輪缸的制動壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖2為ABS的控制原理。圖2ABS控制原理3汽車ABS的數(shù)學(xué)模型汽車防抱制動系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型主要包括汽車動力學(xué)模型、輪胎模型和制動器模型。3.1 汽車動力學(xué)模型由于汽車動力學(xué)模型建立是個(gè)復(fù)雜的過程，故采用單輪模型建立汽車動力學(xué)模型。簡化的單輪模型如圖3圖3單車輪模型由圖可得到車輛的動力方程：車輛運(yùn)動方程：dvm/=-F（1

8、）車輪運(yùn)動方程：dI=FR-Tbdt車輛縱向摩擦力：Fib!（3）式中，m為1/4整車質(zhì)量（kg）;F為地面制動力（N）;R為車輪半徑（m）;I為車輪轉(zhuǎn)動慣量（kg?m2）;Tb為制動力矩（N?m）;v為車身速度（m/s）;為車輪角速度（rads）;N為地面對車輪的法向反作用力（N）;科為地面摩擦系數(shù)。3.2 汽車輪胎模型汽車輪胎模型反映了車輪和地面附著系數(shù)與滑移率之間的關(guān)系。常用的輪胎模型有雙線性模型、魔術(shù)公式模型等。本文采用雙線性模型，把附著系數(shù)一滑移率曲線簡化為兩段直線。如圖4所示0204060BQl（W滑移率/%圖4滑移率與附著系數(shù)的雙線性模型3.3汽車制動器模型汽車制動器模型指制動器

9、力矩與制動系氣液壓力之間的關(guān)系模型。系統(tǒng)壓力的形成與液壓回路、比例閥有關(guān)，建立模型如下：根據(jù)相關(guān)資料，制動Tb=KfP(4)式中，Tb為制動器制動力矩（N?m）;Kf為制動器制動系數(shù)（N?m/kPa）;P為制動器氣液壓力（kPa）。由于制動器中各機(jī)械部件存在間隙和摩擦，導(dǎo)致了制動器滯后等強(qiáng)非線性動態(tài)特性，滯后系統(tǒng)模型如下:G(s)=100TBS1(5)4汽車ABS的Simulink模型輪速仿真模型：車速仿真模型：滑移率模型:采用Matlab/Simulink圖形化建模工具建立計(jì)算機(jī)仿真模型,將建立起來的汽車動力學(xué)模型、輪和車速模型以及制動器模型等連接成閉環(huán)仿真系統(tǒng)。最終得到的仿真模型如圖5所示

10、。圖5汽車ABS制動系統(tǒng)仿真模型其中輪速計(jì)算模型包含了制動器模型和控制模型。以踏板制動力為輸入，控制器根據(jù)最佳滑移率和實(shí)際滑移率控制輸出制動器制動力矩，最終輸出車輪線速度。汽車車速計(jì)算模型以附著系數(shù)為輸入，以車身速度和制動距離為輸出。最后將車輪線速度、車速輸入到滑移率計(jì)算模塊，計(jì)算獲得實(shí)際滑移率。本文所采用的汽車模型參數(shù)如表2所示。表2單輪模型車輛參數(shù)數(shù)值名稱與符號汽車整備質(zhì)量M50制動初速度v60/3.6車輪轉(zhuǎn)動慣量I0.45車輪有效半徑R0.38重力加速度g9.8制動器制動系數(shù)Kf1最大制動壓力PBmax1500TB0.01根據(jù)表2所給汽車模型參數(shù)，部分模塊具體設(shè)置步驟如下:(1)制動壓力

11、brakepresure-wpsfh參數(shù)設(shè)置：由表2給出最大制動壓力presurePBmax=1500KPa。如圖6圖6brakepresure設(shè)置(2)車輪角速度0/陽/一參數(shù)設(shè)置：由表2給出制動初始速度為60/3.6,則制動初始車輪速度為60/3.6/0.38;上限可暫時(shí)設(shè)置為1000。如圖7(3)車輪中心速度制動初始車輪中心速度為圖7車輪角速度設(shè)置Vf后/二參數(shù)設(shè)置：由表2給出制動初始速度為60/3.6,則60/3.6;上限暫時(shí)設(shè)置為1000。如圖8圖8車輪中心速度設(shè)置(4)滑移率與附著系數(shù)函數(shù)關(guān)系參數(shù)設(shè)置:根據(jù)圖6給出的滑移率與附著系數(shù)的雙線性模型，可以得到兩組數(shù)組，其中一組是滑移率s

12、lip,另一組是滑移率所對應(yīng)的附著系數(shù)mu。slip=00.000.250.300.350.400.450.500.550.600.650.700.750.800.850.900.95;mu=0710.980.960.940.920.90.880.8550.830.810.790.770.750.730.720.710.7;將其分別輸入至Excle,并分別以slip.xls和mu.xls命名。通過以下Matlab命令將數(shù)組導(dǎo)入到工作空間：slip=xlsread('slip.xls','A1:A21')mu=xlsread

13、('mu.xls','A1:A21')找到simlink模塊庫中的LookupTables模塊庫，拖入LookupTable模塊，設(shè)置參數(shù)。如圖9圖9LookupTable參數(shù)設(shè)置經(jīng)過參數(shù)設(shè)置之后，點(diǎn)擊Edit按鈕，可以發(fā)現(xiàn)之前的兩組數(shù)據(jù)已經(jīng)導(dǎo)入。如圖10圖10數(shù)組導(dǎo)入結(jié)果滑移率與附著系數(shù)函數(shù)關(guān)系模塊設(shè)置完成。(5)滑移率計(jì)算模塊i-u(i)nu(2Mu(2)=oreps)設(shè)置。Relates客順找到user-DefinedFunctions模塊庫中的MATLABFcn模塊，由于該模塊輸入變量默認(rèn)為u,所以將滑移率公式處理為1u/(u(2)+(u(2)=0)*e

14、ps)。其中u(1)表示qR,u(2)表示v,這里為了防止分母為0,所以加入(u(2)=0)*eps滑移率公式輸入至Expressiono結(jié)果如圖11圖11輸入滑移率公式5調(diào)整控制器參數(shù)，分析仿真結(jié)果根據(jù)車輛參數(shù)進(jìn)行仿真，最佳滑移率設(shè)置為0.2。ABS系統(tǒng)采用的是PID控制，當(dāng)參數(shù)選為Kp=1、Ki=1、Kd=1時(shí)，滑移率控制效果并不好。如圖12|-1圖12Kp=1Ki=1Kd=1時(shí)滑移率此時(shí)需要增大比例環(huán)節(jié)，當(dāng)參數(shù)選為Kp=10RKI=1、Kd=1時(shí)得到滑移率如圖13圖13Kp=l00Ki=1Kd=1時(shí)滑移率圖14車身和車輪速度變化曲線（含ABS）0.2附近，并在由圖15可以看出，滑移率控制

15、效果較為理想，始終保持在最佳滑移率0.10.3的大致范圍內(nèi)，上下波動。所以PID控制器的參數(shù)選為Kp=100Ki=1Kd=1。最終得到的車身和車輪速度（含ABS）仿真結(jié)果如圖14得到的制動距離為16.41川而；Display統(tǒng)失效。當(dāng)設(shè)置比例模塊control參數(shù)為0時(shí)control,即關(guān)閉PID反饋控制器，此時(shí)ABS系得到ABS失效時(shí)的滑移率變化曲線如圖15,車身和車輪速度變化曲線如圖16圖15滑移率變化曲線變化曲線（不含AB0尸用FAQQSi*圖16車身和車輪速度變化曲線（不含ABS得到的制動距離為20.66匚二圖現(xiàn)|0Display根據(jù)仿真結(jié)果可知，當(dāng)含有ABS系統(tǒng)的汽車以初速度V0=60/3.6進(jìn)行制動時(shí)，制動距離為16.41,在制動過程中，滑移率能控制在0.2左右；當(dāng)不含有ABS的汽車以初速V0=60/3.6進(jìn)行制動時(shí)，制動距離為20.66,制動過程中滑移率在0.5s左右已經(jīng)達(dá)到100%,即車輪抱死。分析仿真結(jié)果，直觀上看ABS