基于MATLAB的汽车ABS制动动态模型的仿真研究.pdf

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1、第 2 0 卷第 4 期 2 0 0 6年 1 2月 黑龙江工程学院学报(自 然科学版)J o u r n a l o f He i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y Vd 2 0 N o 4 De c ，2 0 0 6 基于 MA T L A B的汽车 A B S制动动态模型的仿真研究 r 安永东 ，刘 颖，王洪珍(1 黑龙江工程学院 汽车工程系，黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 5 0；2 黑龙江工程学院 机电工程 系，黑龙江 哈尔滨 1 5 0 0 5 0；3 佳木斯大学，黑龙江 佳木斯 1 5 4 0

2、0 7)摘要：在汽车动力学的研究中，对研究对象进行数学建模是一种非常普遍的方法。而在此基础上发展起来的动态 仿真技术则是进行汽车性能研究的一种行之有效的手段。文中结合逻辑门限控制的方法，建立汽车 A B S制动过程 的动态数学模型，包括整车、制动器、轮胎以及控制器 4 个子模型。用 Ma t l a b 对所建立的数学模型编制仿真程序。通过对制动过程的模拟仿真，探讨不同因素对 A B S性能的影响，为汽车制动系统的设计开发提供参考。关键词：防抱死制动系统；建模；仿真 中图分类号：U4 6 3 5 2 6 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 1 4 6 7 9(2 0 0 6)0 40 0 4

3、 60 4 Re s e a r c h o n t h e ABS d y n a mi c mo d e l o f a u t o mo b i l e b a s e o n M ATLAB AN Yo n g d o n g ，LI U Yi n g 2，W ANG Ho n g，z h e n 3 (1 D e p t o f Au t o mo b i l e E n g i n e e r i n g，H e i l o n g j i a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y，Ha r b i n 1 5 0 0 5 0，

4、C h i n a；2 D e p t o f E l e c t r o n-Me c h a n is m E n g n c r i n g，H e i l o n g i i a n g I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y，Ha r b i n 1 5 0 0 5 0，C h i na；3 J i a n mu s i Un i v e r s i t y，J i a n mu s i 1 5 4 0 0 7，C h i n a)Ab s t r a c t：A g o o d me t h o d t o s t u d y v e h

5、 i c l e d y n a mi c s i s t o c o n s t r u c t a v e h i c l e ma t h e ma t i c a l mod e 1 Th e d y n a mi c s i mu l a t i o n i s o n e o f t h e b e s t me a n s f o r v e h i c l e p e r f o r ma n c e r e s e a r c h，wh i c h i s d e v e l o p i n g b a s e d o n t h e mod e 1 A ma t h e m

6、a t i c a l mode l i s s e t u p a c c o r d i n g t o t h e l o g i c g a t e c o n t r o l，i n c l u d i ng v e h i c l e mod e l，b r a k i ng mode l，t i r e mod e l a n d con t r o l l e r mode 1 A c o mp u t e r s i mu l a t i o n p rog r am i s wr i t t e n wi t h Ma t l a b Th rou g h t h e co

7、mp u t e r s i m-u l a t i o n，t h e t h e s i s d i s c u s s e s t h e ma i n f a c t o r s wh i c h i n fl u e n c e t h e perf o r ma n c e o f AB S，a n d f i n d s s u t a b l e con t rol l o g i c，t h e d y n am i c s mod e l wh i c h i s b u i l t i n t h i s t h e s i s i s h e l p f u l f o

8、 r t h e v e h i c l e d esi g n a n d AB S d e v e l o p i ng Ke y wo r d s：a n t i l o c k b r a k i ng s y s t e m；mod e l l i ng；s i mu l a t i o n 根据我国 1 9 9 9 年颁布实施的国家标准 汽车制 动系统结构、性能和试验方法(G B 1 3 6 7 6 1 9 9 9)中 规定，总重 1 6 t 以上的重型车必须安装 A B S。所以 对重型车A B S的制动性能的研究具有重要的现实 意义。本文以重型车为研究对象，分别建立了车辆 的整

9、车运动模型、轮胎模型、制动器模型及控制器模 型，模拟不同的路面情况，对 A B S的制动过程进行 动态仿真，并对仿真结果进行分析，探讨了影响汽车 A B S 制动过程的诸多因素，得出最佳动态响应的控 制策略，为研制和提高A B S 性能提供理论依据。1 A B S制动过程动态模型的建立 1 1 车辆的运动模型 车辆的整车运动模型可以采用牛顿力学建立各 收稿 日期：2 0 0 60 6 0 8 作者简介：安永东(1 9 7 2-)，男，副教授，博士研究生，研究方向：汽 车电控技术 个刚体的运动学方程，然后根据具体的用途不同，确 定模型的繁简程度。目前常用的车辆整车运动模型 主要有四轮车辆模型、双

10、轮车辆模型和单轮车辆模 型3 种。四轮模型主要用于描述复杂的动力学性能 场合，如横向动力学控制模拟等。双轮模型主要描 述车辆的直线驱动场合，如考虑车辆加、减速对车辆 动力学模拟和控制的影响分析。单轮模型主要描述 制动性能，用于基于模型控制系统的分析和设计等。本文以单轮车辆运动模型来构建仿真系统。单轮车辆模型不考虑车辆侧倾的影响，忽略轮 胎的滚动阻力、车辆的空气阻力等。模型的示意图 如图 1 所示。其数学描述如下：车辆运动方程 Mu=一F，(1)车轮运动方程=F R Mh (2)维普资讯 http:/ 第 4 期 安永东，等：基于 MA T L A B的汽车 A B S 制动动态模型的仿真研究

11、4 7 图 1 单轮 车辆模型 车轮纵向摩擦力 F。(3)式中：M 为车辆质量(t)，“为车速(m s)，F，为车轮 摩擦力(N)，为车轮转动惯量(k g m 2)，叫为车轮 角速度(r a d s)，R为车轮滚动半径(m)，M 为制动 器制动力矩(N m)，为车轮与地面附着系数，N 为车轮对地面法向反力(N)。1 2 制动器模型 制动器模型用于在计算过程中给出各个车轮制 动器在一定输入条件下所输出的制动力矩。先建立 气压系统的压力模型，然后再建立制动器的力矩一 压力模型(即M 一P模型)。关于气压系统压力 P与制动力矩M 的转换特 性，可以通过两种途径获得：一种是通过试验来测 定；种是通过计

12、算制动蹄效率系数的方法来计算。本文采用前一种方法。可以得到前后轮的制动力矩为 M啪=Kl P，(4)Mb J舌=K2 P (5)式中：K 、K：为制动器制动因数。1 3 轮胎模型 地面作用力是通过轮胎作用于汽车上的，轮胎 的力学特性决定了汽车的动态特性，因此，它是整车 动力学中非常重要的一部分。影响轮胎力特性的因 素很多，如侧偏角、垂直载荷、地面摩擦系数以及轮 胎的滑动率等。国内外对此进行了较深入的研究，建立了经验、半经验或理论模型。本文参照有关资 料，考虑主要的影响因素，建立了相对精确而又简化 的轮胎一 路面动力学模型。将轮胎沿地面的附着力分为纵向和侧向两部 分，有 R=(6)F=(7)附着

13、系数与滑动率的关系一般为非线性的，将 其分段线性化，见图2。同样将侧向附着系数 一滑 动率曲线简化为图 3。图 2 纵 向附着 系数 O 田 3侧 向附看 系数 对于纵向附着系数，其计算公式为 r I S，S S ，：(8)=，、)【1 S一 s，s s 【一 1一 S 对于侧向附着系数，其计算公式为=。(1一S)(9)式中：S 为最佳滑动率，为滑动率为 1 0 0 时的 附着系数，为峰值附着系数，。为滑动率为 0时 的附着系数。1 4 控制器模型 防抱死制动系统仿真分析的控制器模型就是选 择合适的控制方法和确定合适的控制策略。本文选 择的控制方法是逻辑门限控制法。逻辑门限控制法 的比较量一般

14、有以下几个：车轮的角速度 叫、角减速 度 厶和角减速度的变化率、角减速度与角速度的 比值 d,o以及参考滑动率等。通过选择不同的比 较量，就可以得到不同的预选、复选条件。所谓预选 条件(P条件)就是当满足这个条件时车轮有抱死的 倾向，应降低制动压力以增加车轮转速；而复选条件(R条件)则为满足此条件时车轮避免了抱死的倾 向，制动压力会再次升高。本研究选取 P 1 R 3逻辑 作为模拟计算中的数学模型。对于 P 1 这种控制逻辑，其压力变化的条件为 维普资讯 http:/ 4 8 黑龙江工程学院学报(自然科学版)第 2 0：卷 升压：1)厶 A 快速 2)一口 厶一a 快速、只在第一循环出现 保压

15、：1)叫 只在第一循环中出现 2)a 厶a 降压之后 3)a 叫A 降压：1)一a 2)3 a 在等待时间之后 3)叫 只在第一循环中出现 2 MA T L AB S I MUL I N K 动态模 型 仿 具 2 1 S I MUL I NK仿真模型 S I MUL I N K是 T I 中的一种新型的图 形建模工具，即可用于动力学模拟也适用于控制系 统的设计。应用 S I MUL I N K对车辆制动动态进行 模拟的优点在于：控制系统和制动力学系统有机的 溶于一体，同时用图形易于表达控制系统的信号流 向和逻辑开关控制。在仿真模型中，制动系统模型 采用简化一阶模型来表征它的动态特性，输人为制

16、 动踏板产生的相应气压，通过制动气室模型和制动 器模型转化为制动力矩，输入到车辆模型中，输出为 车辆的运动状态量，如车速、轮速等。再将运动状态 量输入到轮胎模型中，计算得到滑动率和车轮的角 加速度等，通过控制器模型对结果进行调节控制，保 持最佳的滑动率，以获得最佳的制动效能和方向稳 定性。图4 为用 S I MUL I N K编写的制动系统仿真 程序。在此系统中，可根据踏板的输入仿真出制动力 矩，然后输入到轮胎模型中，计算出滑动率等参数。啊 一 r=_ 1卜 一 I：r1 饱和f j i 数1气 系统功能函数1制动器 1 啊一 r=一 卜 一=饱 和 甬 数2 气 J 垂 缠功能it i 1

17、2 制 动器2 啊 一 r=：=1 一 卜 匕 J L _ 二=J _ I 一 r 一 饱和甬数3 气 系统功能函数3 制动器3 啊r=一 卜一 一L=信号分解 信号台成 图 4 制动 系统仿翼程序 图 5 为轮胎模型的仿真程序。将制动系统的仿 真程序的输出作为轮胎模型的一个输入，然后再与 车辆车速等运动参数合成后，通过滑动率的公式计 算出滑动率，与控制策略相比较，输入到计算轮胎力 的 S函数中，求出此附着条件下轮胎理想的制动力 矩，然后通过 P I D控制器对制动力进行调节，以获 得车辆的最佳制动效能和稳定性。围 5 轮胎仿真程序 2 2 仿真结果分析 对载重汽车斯达 一斯太尔 1 2 9

18、1 2 6 0 N 5 6 4 X 2 按照以上的仿真程序进行了仿真分析，具体仿真是 在 3 种不同的路面调节下进行的。表 1 为在车辆制 动速度为 7 0 k m h 和 3 0 k m h 两种不同车速下的仿 真数据。改变程序中制动系统时间常数的值得到不同的 制动力矩变化率，系统时间常数越小，制动力矩变化 率越大，分别取 0 5 s、0 4 s 和 0 3 s，制动速度为 3 0 k m h，仿真结果见表2。表 1 不同路面下的不同制动速度的仿真数据 路面情况 制动时间 s 制动距离 m 7 0 k m h 一 3 0 k in h 一 7 0 k in h 一 3 0 k in h 1

19、干燥混凝土路面 3 3 3 6 1 7 9 9 4 3 i 2 1 _2 _了 湿滑混凝土路面 5 3 l 1 2 7 9 9 6 3 0 1 1 1 7 9 9 8 冰雪路面 1 3 0 1 4 6 5 9 3 1 3 6 0 1 2 3 7 1 2 3 维普资讯 http:/ 第 4 期 安永东，等：基于 MA T L A B的汽车 A B S 制动动态模型的仿真研究 4 9 实际的制动系统在运行过程中存在滞后，主要 由制动系统中的传动介质、制动器的间隙和 E C U 处理时间等原因引起的。制动系统的滞后对 A B S 的性能有较大的影响。表3为不同制动系统滞后时 间对 A B S性 能影

20、 响的仿 真数 据。制 动车 速为 7 0 k h，滞后时间间隔为 0 0 0 5 s。裹3 7 0 k l I l h下不同滞后时间的仿真数据 综合所有的仿真结果可得到以下结论：1)一组门限值控制策略只适合一定的路面情 况，如某组门限值适合高附着系数的路面，那么它对 低附着系数的路面的制动控制效果就不太理想，反 之亦然。2)在高附着系数的路面上可以采用较高的频率 对制动力进行调节，以便充分利用路面的高附着特 性，提高车辆的制动效能，缩短制动时间和距离，相 反，在低附着系数的路面，则应采用低频对制动力进 行调节，以便增强方向稳定性。3)制动器的响应时间对 A B S的性能影响较大，如果制动器的

21、响应较长，可能引起制动防抱死失效，这时，应适当调节控制策略，如降低车轮减速度的门 限值，并根据试验测得的数据进行调整和修正，便可 达到最佳的制动效果。3 结束语 本文所设计的仿真程序对 A B S的制动过程可 以方便地进行不同条件下的仿真模拟，得到不同路 况下的性能数据，从而为分析 A B S的制动性能提供 依据。同时也为更好地设计与开发性 能优 良的 A B S 产品提供理论基础。参考文献 1 程军 汽车防抱死制动系统的理论与实践 M 北京：北京理工大学出版社，1 9 9 9 2 熊 坚 汽车制动防抱死控制信号分析及 门值的选取 J 云南工业大学学报，1 9 9 7(2)3 吴定才 汽车电子

22、控制系统构造与维护 M 北京：人 民 交通出版社，2 0 0 O 4 羊拯民，张代胜，郑海波，等 轻型客车防抱制动系统计算 机仿真 J 合肥工业 大学学报：自然科 学版，1 9 9 9，2 2 (3)：1 0 1 6 5 李蓉萍 MA T L A B在控制系统仿真中的应用 J 电讯技 术，2 0 0 1，4 1(5)：9 5 9 7 6 周应兵，谢习斌 气压防抱制动系统建模的研究 J 汽车 科技，2 0 0 0(1)：2 6 2 9 7 L a r r y Mi c h a e l s T h e u s e o f a g r a p h i c a l m o d e l i n g e

23、n v i r o n me ri t f o r r e a l-t i me h a r d wa r e-i n-t h e-l o o p s i mu l a t i o n o f a u t o-mo t i v e AB S s y s t e r n s C S A E 9 3 0 5 0 7 8 B a k k e r E，N y b or g L，P a c e)k a K B T y r e Mode l l i n g f o r U s e i n V e h i c l e D y n a e s S t u d i e s C S A E 责任编辑：刘文霞 维普资讯 http:/