基于Simulink的汽車ABS建模與仿真研究

【摘 要】本文采用Simulink建模，對ABS模型中的連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)進行仿真，以此來初步確定ABS的參數(shù)，并通過仿真結(jié)果驗證和分析控制邏輯。仿真模型有效模擬了汽車ABS作用過程，真實地反映汽車ABS系統(tǒng)的實際工作情況，表明ABS在縮短汽車距離上的顯著功能。

【關(guān)鍵詞】ABS；仿真模型；Simulink

隨著汽車保有量的不斷增長，道路交通事故己成為世界性的社會問題。眾所周知，很多交通事故都是由于車輛制動性能不良所引起的，所以對車輛制動工況的制動性能和穩(wěn)定性能進行分析和研究很有必要。制動過程是很復(fù)雜的汽車動力學(xué)問題，所以在實際路測中會受到很多因素的影響，即使在完全相同條件下測得的結(jié)果也可能有較大差異，所以可利用利用計算機進行仿真研究，能夠獲得更加接近實際的結(jié)果，可以對汽車制動工況的各項性能做出宏觀上的正確評價。在現(xiàn)代電子技術(shù)的迅速發(fā)展的今天，作為汽車主動安全技術(shù)的重要體現(xiàn)，車輛制動防抱死系統(tǒng)（ABS），已經(jīng)普遍安裝在各種轎車和載重車上。它從防止制動過程中車輪抱死的角度出發(fā)，避免車輛后輪側(cè)滑和前輪喪失轉(zhuǎn)向能力， 提高車輛對地面附著能力的利用率，從而達到改善車輛制動穩(wěn)定性、操縱性和縮短制動距離等目的。采用Simulink建模，對ABS模型中的連續(xù)系統(tǒng)和離散系統(tǒng)進行仿真。仿真結(jié)果表明，該仿真系統(tǒng)可以比較真實反映出汽車ABS系統(tǒng)的工作過程，顯著地縮小了制動距離，提高了安全性。通過對ABS建立理論模型，并且進行計算機仿真，可初步來確定ABS的參數(shù)，還可以通過仿真結(jié)果驗證和分析控制邏輯。所以對ABS的仿真分析既減少開發(fā)成本，也有效地縮短了開發(fā)周期，同時實際ABS性能分析及控制邏輯的模型也可通過少量的試驗來驗證。

1．汽車防抱死制動系統(tǒng)的組成和工作原理

汽車防抱死制動系統(tǒng)由3部分組成：傳感器、電控單元( ECU) 和執(zhí)行器(壓力調(diào)節(jié)器)，三部分通過線路連接成一個有機體，形成一個自動控制系統(tǒng)。

很多人認為：車輪在抱死拖胎情況下，汽車制動時的剎車距離為最短。但其實剎車在車輪抱死而又未抱死的一種臨界狀態(tài)下剎車距離才最短。應(yīng)用ABS技術(shù)，實質(zhì)上是使傳統(tǒng)的制動過程轉(zhuǎn)變?yōu)樗矐B(tài)控制過程．基本原理就在于大家熟知的附著系數(shù)及滑移率的關(guān)系上。當汽車制動時保持制動時車輪滑移率始終保持在15～25的范圍時，便可獲得維持轉(zhuǎn)向能力以及方向穩(wěn)定性所需要足夠大的側(cè)向力，同時產(chǎn)生最大的地面制動力。在制動過程中汽車防抱死制動系統(tǒng)不斷地計算滑移率并控制著制動力，保證了實際滑移率始終處于理想滑移率，從而達到了最佳的制動效能和方向穩(wěn)定性。根據(jù)車輛行駛時傳感器實時檢測制動車輪的轉(zhuǎn)速以及車速計算出車輪的滑移率再與設(shè)定的最佳滑移率進行比較，用相比后的結(jié)果調(diào)整制動力的大小，并對車輛進行制動控制，保證了理想的方向穩(wěn)定性和制動效能。

2．ABS仿真模型建立的理論依據(jù)

為獲得最佳的制動效能，按照汽車制動時的附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系曲線，應(yīng)將車輪滑移率控制在10%-30%的范圍內(nèi)，當滑移率為20%時，其縱向附著系數(shù)達到峰值，制動效果最好。因此，通常把20%的滑移率稱為理想滑移率或最佳滑移率。

3．系統(tǒng)模型

3.1單輪車輛模型

輪胎模型是指制動過程中輪胎附著力和其它各種參數(shù)之間的函數(shù)關(guān)系式，通常用輪胎附著系數(shù)與各種參數(shù)的函數(shù)關(guān)系式來表示。單車輪的受力制動過程模型如圖2所示，忽略空氣阻力與車輪滾動阻力，則系統(tǒng)的運動方程如下：

J=T-F·R (1)

M=F (2)

通常車輪制動扭矩與輪缸壓力成正比，即：

T=K×P (3)

F= (4)

因此可得車輪滑移率：λ= (5)

式中：M--車輪承受的質(zhì)量；V--車身速度；V--車輪速度；F--地面制動力；J--車輪轉(zhuǎn)動慣量；ω--車輪角速度；R--車輪滾動半徑；T--制動器扭矩；K--制動力矩系數(shù)；P--輪缸壓力；λ--滑移率。

3.2 輪胎模型

地面作用力通過輪胎作用于汽車上，汽車的動態(tài)特性是由輪胎的力學(xué)特性所決定的，所以它是整車動力學(xué)中重要的部分。輪胎力由特性側(cè)偏角、垂直載荷、地面摩擦系數(shù)以及輪胎的滑動率等很多因素影響。國內(nèi)外對此進行了較深入的研究，建立了經(jīng)驗、半經(jīng)驗或理論模型。本文采用雙線性模型模擬附著系數(shù)—滑移率應(yīng)用于汽車防抱制動系統(tǒng)的控制仿真模型中。

3.3 控制模型

本文采用了邏輯開關(guān)控制方式，開關(guān)控制方式是一旦設(shè)定好期望的輸出門檻值，就使輸出的控制量使誤差向減小的方向運動，實際上是一種簡單實用的邏輯門限控制方式。汽車防抱死制動系統(tǒng)開關(guān)控制器的門檻值是期望的車輪滑移率，控制器的輸入變量是車輪滑移率誤差，即期望車輪滑移率與實際車輪滑移率之差：e=λ-λ0

當車輪滑移率誤差e<0時，輸出控制量u=-1；當車輪滑移率誤差e=0時，輸出控制量u=0；當車輪滑移率誤差e>0時，輸出控制量u=1。

4．ABS仿真模型的建立

Simulink是MATLAB的一個附加組件，是建模和仿真的平臺。它是一種用來實現(xiàn)計算機仿真的軟件工具。Simulink是采用模塊組合的方法來創(chuàng)建動態(tài)系統(tǒng)的計算模型，其特點是快速準確。模型中將液壓控制模型采用傳遞函數(shù)加一個控制器來代替，模型的原理以門限值控制算法，基本思想為保證車輪滑移率在理想的范圍之內(nèi)。制動開始后，隨著制動壓力的升高，車輪轉(zhuǎn)速相應(yīng)減少，車輪出現(xiàn)滑移；當車輪滑移率達到理想范圍的上限值時，減少制動壓力；隨著制動壓力的減少，滑移率又逐漸減小，直至減少到滑移率下限值時，再增大制動壓力，循環(huán)這個過程直至車輛停止。

5．ABS系統(tǒng)仿真結(jié)果

用計算機對初速度為25Km/h的汽車ABS進行系統(tǒng)仿真。結(jié)果表明使用ABS裝用該種控制邏輯的汽車制動距離較小，滑移率基本控制在0.2附近，并且制動附著系數(shù)基本圍繞在峰值附著系數(shù)點非常小范圍的進行波動，制動性能良好。從圖中可以看出，當制動剛開始時，隨著制動壓力的不斷增加，滑移率也增加，當大于0.18時，ABS系統(tǒng)使其控制在0.18～0.22范圍內(nèi)，使系統(tǒng)制動距離較小，穩(wěn)定制動，且客觀地反映了汽車的制動性能。從仿真結(jié)果來看，汽車ABS系統(tǒng)能大大減小制動距離，也說明了基于Simulink的汽車防抱死制動系統(tǒng)建模與仿真的方法是與汽車的實際制動狀況基本一致的。

6．結(jié)論

本文通過Simulink搭建的模型，繪出了汽車以25Km/h的初速度在路面上制動時，車速、車輪角速度及滑移率的變化曲線。這種使用Simulink仿真方法，可以有效模擬汽車ABS作用過程，比較真實地反映汽車ABS系統(tǒng)的實際工作情況，表明ABS在縮短汽車距離上的顯著功能并且仿真系統(tǒng)中的參數(shù)可以根據(jù)具體車型的改變而改變，非常簡單、明了，便于對ABS系統(tǒng)的設(shè)計以及系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化，也證明了這種仿真方法的合理性及實用性。

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