新能源汽車制動防抱死系統研究與優化

徐藝方

(煙臺汽車工程職業學院 經濟管理系， 山東 煙臺 265500)

0 引言

在汽車緊急制動情況下，防抱死制動系統能夠使車輪抱死現象得以有效規避，逐漸成為現代新能源汽車的一項標準配件，成為衡量汽車安全性能的重要指標之一，防抱死制動系統在預測到可能出現車輪抱死時，通過對制動壓進行自動調節實現車輪抱死的預防功能，有效地避免車輛出現甩尾現象。在防抱死功能的作用下能夠保證輪胎工作在滑移率曲線的峰值點附近，使方向盤難以旋轉、車輛轉向不穩定成制動距離過遠等問題得以有效地避免，進而提高汽車的安全性能。

1 設計分析

基于傳統制動系統發展而來的防抱死制動系統(ABS)作為一種安全裝置，其主要功能在于通過獲取最有效地制動力以防止車輪抱死(可縮短制動距離)，ABS系統對車輛制動力的自動調節過程，主要通過相應智能控制技術的運用以及對道路粘著力的充分利用實現。作為一種汽車的主動安全裝置，ABS能夠在汽車緊急制動過程中使車輪抱死問題得以有效解決，通過對行駛路面摩擦力的充分利用實現最有效的制動力的獲取，同時兼顧汽車轉向能力與橫向穩定性，進而使新能源汽車行車安全性得到有效提升。

目前，在ABS系統比較常用的控制方法中，成本較低的邏輯門限控制算法應用較為普遍，但該控制方法存在控制性能與控制精度不高、控制邏輯復雜程度較高和不易調試的明顯不足，并且響應速度和穩定性也有待提升，市面上已開發完成的ABS裝置對新能源汽車的適用性較差，難以應用到不同車型上。使用模糊控制算法或PID控制算法設計的控制器解決了部分上述問題，在有些方面取得了較佳的效果，但整體性能仍有待提升。為此，本文充分利用了模糊控制與PID控制兩類算法的控制優勢，將ABS控制過程分為不同階段，通過使用不同控制算法實現ABS系統性能的明顯改善，同時考慮到不同的行駛路面會對滑移率產生不同影響，設計了一種路面識別系統，可針對不同路面自動選擇相應的最佳滑移率，有效提高了ABS系統選擇參考滑移率的精確率[1]。

2 汽車防抱死制動系統優化設計

2.1 ABS系統總體設計

在汽車控制系統中，ABS系統是重要組成部分，ABS系統控制原理主要是講車輪的滑移率控制在目標值范圍內，避免高速行駛的汽車在路面上尤其是復雜路況下發生甩尾或漂移等危險情況，盡量縮短汽車的制動距離并實現平穩制動過程。ABS系統總體功能示意圖，如圖1所示。

該系統主要由負責信息的感知、決策和執行3大模塊構成。信息感知主要通過使用車輪傳感器實現輪速的實時獲

圖1 ABS系統總體功能示意圖

取，再將信息傳送至決策模塊；信息決策通過調用ABS控制器中相應的數學模型實現最佳制動力矩的獲取，使車輛輪胎始終維持在最佳滑移率附近；信息執行根據得到的剎車力矩實現對車輪的有效控制過程(通過執行機構完成)[2]。

2.2 制動過程的動力學建模

本文針對汽車單輪闡述制動動力學模型的構建方法，如圖 2 所示。

圖2 單輪制動動力學模型

(1)

(2)

假設，Fz(t)表示車輪法向載荷;t表示制動時間;λb和μ(λb)表示滑移率及路面附著系數，則路面制動力Fxb表達式,如式(3)。

Fxb=μ(λb)×Fz(t)

(3)

根據Burckhardt 輪胎模型，假設，c1，c2，c3均表示由路面條件決定的路面附著特性參數，路面附著系數表達式,如式(4)。

μ(λb)=c1(1-e-c2λb)-c3λb

(4)

待定系數c1、c2和c3根據式(4)并結合路面的峰值與滑動附著系數實驗結果計算獲取，結合在不同路況下滑移率的變化進行制動力系數特性曲線的繪制，如圖3所示。

圖3 不同路況下附著系數的特性曲線

令v=λb，u=Tb，Δ1=Δr，Δ2=Δ1，據此等效轉化式(1)和式(2)，得到仿射非線性動力學狀態,如式(5)。

(5)

3 ABS控制器設計

3.1 ABS控制器相應數學模型的構建

3.1.1 車輛動力學模型

排除外界因素的影響，只考慮車輛縱向運動，結構較為簡單的車輛單輪模型適用于分析汽車ABS系統的性能。單輪模型，如圖4所示。

圖4 單輪車輛模型

假設，M表示汽車的1/4的質量;v表示汽車車速;r表示車輪半徑;Fx表示車輪與地面的摩擦力;μ表示車輪縱向附著系數;w表示車輪的轉速;I表示轉動慣量;Tb表示制動力矩;N表示車輪受到的垂直載荷，從而得出汽車的動力學表達式[4]，如式(6)。

(6)

Fx=μN

3.1.2 輪胎模型

本文采用兩個線段方程表示的雙線性模型作為研究對象，此模型具有擬合精度高、易于模擬仿真的優勢，考慮到不同路面具有不同的摩擦力特性，假設，s表示滑移率，針對高、中、低附3種附著系數，來構建不同的雙線性模型，如式(7)。

(7)

3種附著系數的μ-s關系曲線[5]，如圖5所示。

圖5 μ-s關系曲線圖

3.1.3 制動器模型與滑移率模型

P表示制動輪缸壓力;Tb表示制動力矩，忽略該模型的非線性特性以簡化仿真研究過程，模型表達式，如式(8)。

Tb=KP

(8)

進而可得出式(9)。

(9)

在車輛制動狀態下，車輪與地面間相對滑動的程度可通過滑移率模型完成量化表示，如式(10)。

(10)

3.2 ABS控制器設計

模糊控制具有較快的動態響應速度，模糊控制系統的輸入通常為系統偏差及相應的變化率，但穩定性不足；穩定性較佳的PID控制則存在動態響應速度方面的不足，因此本文結合運用這兩種控制方式完成了一種ABS控制器的設計，汽車開始制動時，先對行駛路面進行識別，獲取相應的輪胎模型，然后再以不同的輪胎模型為依據完成相應ABS控制器的選用。本文以高附著系數的ABS控制器為例，闡述了具體的設置方法，其他兩類的參數設置原理相同，系統輸入和輸出主要依據滑移率偏差和車輪的角速度變化率，當滑移率偏差超過闕值時，模糊控制器開始啟動，有效提升動態響應速度；當滑移率偏差低于闕值時使用PID控制器，以提高系統的穩定性[6]。

3.2.1 路面識別系統設計

路面最佳滑移率會隨著峰值附著系數的變化而變化，汽車防抱死制動系統如果無法精確的選擇參考滑移率將會降低系統控制精度，當ABS系統以滑移率作為主要控制目標時，需基于有效的路面識別完成最佳滑移率的設定。對行駛于不同路面上的汽車在相同時間內施加相等的制動力矩，峰值附著系數(同角速度變化量相互對應)根據車輪角速度變化量的實測值與理論值相等的關系計算得出，ABS控制器的輪胎模型即以峰值附著系數為依據選用的相應雙線性模型。對汽車在[0，t1]時間段內施加T0大小的制動力矩，根據上文給出的關系式計算角速度變化量表達式[7]，如式(11)。

(11)

在t的取值為0和t1時，車輪角速度分別為w0和w1，則角速度變化量為Δw2=w1-w0。μ值通過令Δw1=Δw2計算得出，將上述試驗在不同路面上重復進行多次，然后將角速度變化量的峰值附著系數進行劃分，在此基礎上得到相應輪胎模型的對應表，并保存到存儲器中。

3.2.2 模糊控制器設計

不同于傳統控制系統，模糊控制系統無需使用到被控對象的結構、機理或數學模型，通過控制經驗對輸入輸出數據進行分析與歸納，便能夠得出相應的模糊規則，然后根據模糊規則來選定輸入輸出變量，最終確定控制器主要變量，模糊控制能將控制經驗和知識基于相應的推理規則(采用語言變量描述)進行表示，并據此完成決策控制[8]。

(1) 模糊推理

模糊推理重點在于對輸入模糊量進行近似推理，模糊規則根據ABS的控制經驗可得出：滑移偏差率越大，滑移偏差率變化率越高；車輪角速度變化率越大，滑移偏差率越高。被均分為五檔的滑移偏差率及其變化率通過組合搭配可得出25條模糊控制規則表，如表1所示。

表1 模糊控制規則表

(2) 反模糊化

反模糊化主要負責完成模糊量與實際量之間的轉換，采用面積中心法。假設，U表示論域;A表示集合;A在U上的隸屬函數A(u)表示(u∈U);Ucen表示面積中心對應的橫坐標，其計算表達式,如式(12)。

(12)

4 實驗測試與結果分析

分別針對高、中、低三種不同附著系數的路面進行仿真分析，測試本文ABS控制器與控制算法的有效性，初始狀態下的汽車與本輪速度均為20 m/s。

(1) 當附著系數高時，汽車行駛過程中，最佳滑移率與峰值附著系數為0.2和0.84，此時的滑移率、速度及剎車距離曲線,如圖6所示。

圖6 高附著系數下的滑移率、速度及剎車距離曲線

在PID控制器的作用下，汽車的剎車距離為35.9 m，停車所用時間為3.2 s，在此過程并未達到最佳滑移率；在PID控制器作用的基礎上，剎車距離為32.22 m，停車所用時間為2.85 s，最佳滑移率于2 s時達到并在后續時刻得以維持。

(2) 當附著系數中等時，汽車行駛過程中最佳滑移率和峰值附著系數為0.18和0.63。在PID控制器作用的基礎上，汽車的剎車距離為48.12 m，停車所用時間為4.12 s，3.4 s時達到最佳滑移率。

(3) 當附著系數低時，汽車行駛過程中，最佳滑移率與峰值附著系數為0.15和0.2，汽車停車所用時間為12.27 s，剎車距離為141.78 m；在PID控制器作用的基礎上，汽車停車所用時間為11.25 s，剎車距離為116.58 m， 1.3 s時達到最佳滑移率。

該控制器能對車輪角速度進行實時動態的調整(以汽車運動狀態的變化情況為依據)，提供給車輪最大縱向附著力確保輪胎能夠在最佳滑移率下進行工作，證明模糊PID控制方法具有更快的響應速度，能夠有效地控制剎車時間，縮短剎車距離。

5 總結

為彌補傳統的汽車防抱死制動系統在響應速度、控制性能和控制精度等方面存在的不足，本文利用PID控制較高的穩定性優勢及模糊控制的快速響應優勢，構建了一種模糊PID控制算法，在此基礎上完成了一種ABS控制器和路面識別系統的設計，對于不同特性的路面，ABS控制器通過使用路面識別技術實現了最佳滑移率的自動選擇。經過仿真模擬證實該防抱死控制系統能夠縮短剎車時間和距離，而且具有比較靈敏的響應速度，能夠進一步改善剎車性能。