汽車ABS控制聯合仿真分析*

吳迪 郝亮 張芳芳 鄭利民 李浩 猶毅

（遼寧工業大學）

防抱死制動系統（ABS）是現代汽車普遍裝備的主動安全裝置，ABS在汽車緊急制動時能根據輪胎與路面間的附著力，自動調節車輪制動力大小，防止車輪抱死拖滑，保證汽車側向穩定性和轉向操縱性，同時縮短制動距離，從而取得最佳的制動效果，減少制動時交通事故的發生[1]。但是汽車制動工況非常復雜，難以建立精確的汽車動力學模型。目前，國內外的ABS研究大多集中在MATLAB/Simulink軟件建立的1/4汽車仿真單輪模型與BANG-BANG算法、PID及模糊控制等控制算法結合進行的ABS控制效果驗證，工況和建模效率不高，導致了ABS模型驗證工況不夠廣泛，整車建模不精確，不能對整車制動過程中的運動特性進行精確描述[2]，同時得出的結論有時候和實際有很大的偏差。因此，文章通過在CarSim中建立精確的整車動力學模型與Simunlink中建立的PID控制算法模型進行聯合仿真分析，在CarSim中設定不同的仿真工況（低附著系數路面和對接路面），從而對更加廣泛路況下的ABS控制效果進行了有效驗證，這種CarSim/Simulink的ABS控制器聯合仿真分析方法，具有研發效率高、開發精度高及開發成本低等優勢，同時也為后續的硬件在環平臺的實際驗證奠定基礎。

1 PID（比例-積分-微分）控制模型的Simulink建立

PID控制是實際應用中最成熟和最廣泛的一種控制方式[3]。其最大優點是可以不了解被控對象的數學模型，而是根據經驗進行參數調整，并且實施容易，控制效果良好[4]。文章的仿真分析選用的控制器為經典的PID控制器，其仿真模型，如圖1所示。

圖1 PID控制器模型圖

PID控制器以制動時輪胎的期望滑移率為控制目標，通過輪速與車速傳感器采集汽車速度和車輪轉速信號[5]，然后根據實際采集的速度信號計算出汽車各輪胎實際滑移率，再將實際滑移率與期望滑移率進行比較，得出兩者的偏差，將其作為PID控制器的輸入量，控制器輸出其制動力的大小。在控制的過程中要不斷地調整PID控制的各參數，從而調節制動力的大小。輪胎受制動器不同制動力作用后，實際滑移率會發生相應的變化，通過反饋后，與期望滑移率的偏差也發生了相應的變化，反復調節控制器的控制參數，最終使實際滑移率始終處于最佳滑移率附近，使汽車在最佳滑移率所對應的地面制動力下進行制動，制動效果達到最佳。

2 聯合仿真模型分析

本次仿真車型的選擇為B級車，利用CarSim軟件建立整車動力學仿真模型，包括車體模型、輪胎模型、轉向系模型、懸架模型、制動系模型、傳動系及空氣動力學模型。特別針對整車制動系模型，要定義與Simulink軟件可以進行聯合仿真的輸入輸出接口的設計，其整車動力學模型的輸入為4個輪的制動力，輸出為4個輪的輪速和車速，為聯合仿真奠定基礎，搭建CarSim/Simulink聯合仿真模型，如圖2所示。

圖2 整車動力學CarSim/Simulink聯合仿真模型

在CarSim軟件中分別選擇低附著系數路面和對開路面2種工況。聯合仿真模型的順利運行需要對PID控制器的Kp，Ki，Kd3個參數進行確定，3個參數的確定方法有多種[6]。本次分析采取試湊法，即對參數進行多次設定，得到相應的仿真曲線，通過對不同曲線的對比分析得到3個參數的合理數值。

2.1 低附著系數路面的仿真分析

在低附著系數路面上，進行ABS的PID控制器仿真驗證，所得仿真曲線，如圖3所示。

圖3 低附著系數路面參數對比曲線

從圖3a可以看出，帶有ABS的汽車模型制動距離為54 m，制動時間為4.5 s；相反，不帶ABS的汽車模型制動距離為70 m，制動時間為5.3 s，從而使得制動距離縮短了16 m，制動時間縮短了0.8 s。從圖3b中可以看出，由于低附著系數路面制動時，帶有ABS的汽車由于要對制動力進行實時調節，所以橫擺角速度在制動過程中4 s處會發生2（°）/s的波動，隨著制動時間的增長，最終橫擺角速度趨于穩定狀態為0，說明制動過程是穩定的，無失穩現象發生。從圖3c的曲線可以看出，帶有PID控制的ABS制動器的汽車，能夠實時地監測滑移率，對制動壓力進行實時調整，保證車輪與車速曲線較為接近，使車輪接近于純滾動狀態，不斷地將車輪速度減緩到0，其波動比較小，制動過程比較平穩，達到了比較理想的制動效果。從圖3d可以看出，不帶PID控制器的汽車模型4個車輪輪速快速下降到0，發生了抱死拖滑現象，這是一種極其不穩定的狀態。從圖3e可以看出，4個輪的滑移率在0～3 s內可以迅速調節到理想的滑移率（0.06）附近并保持穩定，與預先設定的滑移率幾乎吻合，而在3 s后，由于整車行駛到低速的時候，車速過小，導致滑移率計算波動較大，從而導致制動力矩和車輪速度都在低速時波動較大，但此時整車基本已趨于穩定，故對制動效果不會產生較大的影響。

2.2 對開路面的仿真分析

在對開路面上進行ABS的PID控制器的仿真驗證，所得仿真曲線，如圖4所示。

圖4 對開路面參數對比曲線

從圖4a可以看出，帶有ABS的汽車模型制動距離為50 m，制動時間為3.8 s，不帶PID控制器的汽車模型制動距離為46 m，制動時間為4 s。采用PID算法設計的ABS控制器進行調節后制動距離有所增加，但不超過10%，滿足標準。從圖4b可以看出，不帶有ABS的汽車模型橫擺角速度曲線有較大的波動，說明汽車在制動過程中有很大的擺動，出現了失穩現象；而帶ABS的汽車橫擺角速度為0，極其穩定，說明制動過程非常平穩。從圖4c可以看出，輪速與車速的曲線較為接近，ABS的PID控制器對滑移率進行實時監測，對制動器的制動壓力進行實時調整，使車輪處于純滾動狀態，并將車輪的速度緩緩減到0，其波動比較小，制動過程比較平穩，達到了比較理想的制動效果。從圖4d可以看出，不帶PID控制器的汽車模型4個車輪輪速快速下降到0，發生了抱死拖滑的現象。從圖4e可以看出，4個車輪的滑移率在0～4 s內可以迅速調節到理想的滑移率（0.06）附近并保持穩定，與預先設定的滑移率幾乎吻合，而在4 s后，由于整車行駛到低速的時候車速過小，導致滑移率計算波動較大，從而導致制動力矩和車輪速度都在低速時波動比較大，但此時整車基本已趨于穩定，故對制動效果不會產生較大的影響。

3 結論

采用聯合仿真的方式，通過2種路面制動仿真分析，充分驗證了所設計的ABS的PID控制器在低附著系數和對開路面上都能將車輪的滑移率控制在相應的最佳滑移率附近，縮短了制動距離，制動過程平穩，明顯地提高了汽車制動效能。通過這種方式可以大大提高實車匹配驗證效率，有助于節省開發成本和開發時間，為后續相關仿真分析提供了思路。