汽车电子机械制动系统的ABS控制策略与仿真分析

误差e较大时，为加快系统响应速度，避免因e瞬
间变化大而引起微分饱和，应采用较大的比例系 数 Kp 和较小微分系数 Kd ,同时避免系统过分超 调，应限制积分系数 Ki ，通常取 Ki =0；在系统误
差e中等大小时，为使系统响应的超调减少，同时
保证系统的响应速度，应减小 Kp 值，并且 Ki 的取 值要适当，这种情况下 Kd 的取值对系统影响较
真，仿真结果表明，模糊PID防抱死控制响应速度较快，稳定性能较好，把车轮滑移率精确地
控制在目标滑移率附近，具有较强的鲁棒性和控制精度。
关键词： 电子机械制动；ABS；模糊PID控制；仿真
中图分类号：TH12
文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2012)05(上)-0024-03
Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2012.5(上).08
NB
NB NM
e NS ZE PS PM PB
B/Z/Z B/S/M M/M/Z M/B/Z S/M/Z S/S/M B/Z/Z
NM
B/Z/S M/S/M M/B/S S/B/Z S/B/S Z/S/M B/Z/S
NS
B/Z/M M/Z/B S/M/S Z/B/S S/M/S S/Z/B B/Z/M
加在电机内阻上面。力矩电机、减速传动机构和 制动器数学模型如式（3）所示[4]。
⎧TH
= 9.55 × K × I
e
k
⎪
⎪⎨TX
= T × i ×η
H
X
⎪N
=
2π
×T X
×η S
/
p h
⎪⎩ Tb
=
k p
× (N
−N ) m
（3）
式中，
T H
为电机堵转转矩；
K e
为反电势系
数； Ik 为连续堵转电流； TX 为行星减速机构输出
第34卷 第5期 2012-05(上) 【25】
扰，但是单纯的模糊控制不能很好地消除系统的 稳态误差。模糊PID控制结合了模糊控制和PID控 制两者的优点，控制精度高，抗干扰能力强，实 现较为简单。因此，本文选用模糊PID控制作为防 抱死控制策略。
3.2 汽车EMBS的ABS模糊PID控制算法 模糊PID控制器原理结构图如图3所示。模糊
大，一般根据 ec 的取值经验；当 ec 较大时，Kd 可取稍小； ec 较小时，Kd 可取稍大；在系统误差 e较小，接近稳定时，为减小系统稳态误差应采用
较大的积分系数 Ki ，较小的比例系数 Kp ，较小的 微分系数Kd 。根据此制定模糊规则如表1所示。
表1 模糊控制器模糊规则表
Kp / Ki / Kd
【24】 第34卷 第5期 2012-05(上)
向附着系数甚至达到0。因此，在制动过程中，如 果轮胎抱死，不仅车轮的纵向附着系数没有达到 最大值，制动距离不能达到最短，而且，因为侧 向附着力变为0，车辆会失去方向稳定性和转向能 力。
若应用ABS防抱死系统，当驾驶员操纵制动 系统引起车轮趋于抱死时，ABS便开始作用，调 节车轮制动力，防止车轮抱死，使车轮与地面间 的滑移率保持在20%左右，充分利用轮胎与地面间 的峰值附着系数和高的侧向附着系数，提高制动 减速度、缩短制动距离以及保证汽车的制动方向 稳定性。
防抱死控制策略是ABS的核心，汽车制动防 抱死系统（ABS）的控制目标是把车轮的滑移率 限制在对应最大路面附着系数的范围之内，从而 使车辆获得最大的地面制动力。现在汽车防抱死 制动系统的控制方法很多，在产品中应用较广 的主要是逻辑门限值控制方法，但该方法降低了 汽车的制动平顺性。由于车辆制动过程的非线性 和时变性，使得经典控制方法不能完全适应汽车 ABS的工作过程；现代控制方法中PID控制虽然算 法简单，但是可靠性高。常规PID控制的缺点是， 对于具有非线性、时变不确定性以及难以建立精 确数学模型的系统，往往受到参数整定方法的限 制，对运行工况的适应性差。模糊控制具有鲁棒 性强的优点，能较好地适应车辆路况突变等干
5 结论
根据建立的EMB系统相关模型和汽车制动防 抱死控制原理，给出了汽车ABS模糊PID防抱死控
制策略，通过Matlab的Simulink工具箱对电子机械 制动防抱死系统建立了系统仿真模型，仿真结果 表明，模糊PID防抱死控制响应时间较短，稳态性 能较好，把车轮滑移率精确地控制在目标滑移率 附近，兼顾了鲁棒性和控制精度，可以达到理想 的制动控制状态。
图4 模糊控制算法仿真模型图
图5 模糊PID控制算法仿真效果图
设定初始车速为28m/s，即时速大约100公 里，车辆开始制动并立即进入ABS状态，使用 模糊PID控制器，制动时间为3.64s，制动距离为 52.98m，滑移性能较好，把车轮滑移率精确地 控制在目标滑移率附近，兼顾了鲁棒性和控制精 度，可以达到理想的制动控制状态。
表2 汽车单轮模型相关参数
খ᭄ 䔺䕚ൖⳈ䕑㥋/ N 䞡࡯ࡴ䗳ᑺ/ N/kg 䔺䕂᳝ᬜञᕘ/ m 䔺䕂䕀ࡼᛃ䞣/ kg·m2 ᓊ䖳ᯊ䯈ᐌ᭄/ s ≑䔺߱ྟ䗳ᑺ/ m/s
᭄ؐ
2500 9.8 0.25 0.9 0.001 28
图4、图5分别为模糊PID控制算法仿真模型和 车辆的车速、制动距离、滑移率仿真效果图。
s = (v − rω) / v (1) 其中S 是车轮滑移率，rω 是车辆的车轮角速 度，v 是即时车速，r表示车轮半径。车辆车轮纯
滚动时滑移率为0，而当车轮抱死时滑移率为 100%。根据试验数据，车辆滑移率与附着系数的 关系如图1所示。


䰘 ⴔ ㋏ ᭄ ï

㒉৥䰘ⴔ㋏᭄

῾৥䰘ⴔ㋏᭄


⒥鼠⥛6
图1 滑移率和附着系数关系曲线
由图1可知，当滑移率s在15％至20％时，附 着系数将达到最大值（峰值附着系数），而车轮 完全抱死，s =100％时，附着系数有所下降，侧
收稿日期：2011-12-10 基金项目：江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项目（Qe2006-02) 作者简介：何玉娴（1987－），女，硕士研究生，研究方向为电子技术。
ω
为车轮角速，
I
为车轮
转动惯量， ϕ 为车轮与地面间附着系数， Fz 为地
面对轮胎的支持力。
2.2 EMB制动器模型 EMB制动器可以分为力矩电机、减速传动
机构和制动器模型，力矩电机选用无刷直流力矩 电机，减速传动机构选择行星齿轮和滚珠丝杠机 构。假设在制动过程中，无刷直流力矩电机工作 在堵转状态下，即转速为零，这样电枢电压完全
参考文献：
[1] 李文娟,赵梦莹,高小丽,等.汽车ABS自寻最优控制器的
模拟研究[J].伺服控制,2010,(02):45-48. [2] 刘辉.车辆防抱制动系统仿真与实验研究[D].合肥:合肥
工业大学,2006. [3] 李林,李仲兴,陈昆山.汽车ABS模糊控制方法的分析与仿
真[J].江苏大学学报（自然科学版）,2003, 24(3). [4] 林逸,沈沉,王军.线控制动系统防抱死特性模糊控制方法
2 相关动力学模型的建立
2.1 车辆单轮模型 建立车辆单轮模型，此类模型主要描述制动
性能，适合于车辆制动性能的分析，同时也可以 简化问题，如图2所示为单轮制动受力模型，由图 2可得平面运动的微分方程[3]。
图2 车辆单轮受力模型
（2）
其中
为1/4车辆质量，
F xb
为车轮所受地面摩
擦力， T 为制动力矩， b
（江苏大学 机械工程学院，镇江 212013）
摘 要：汽车电子机械制动中的 防 抱 死 制动系统是一 种变工况、非线性的系统，其建模难度大。本文
给出了简化的车辆相关动力学模型和EMB执行器模型，根据防抱死控制原理，提出了基于
EMB的制动防抱死系统的模糊PID控制算法，并利用MATLAB中的simulink工具箱建模与仿
ec
ZE
B/Z/B S/Z/B Z/B/S Z/B/Z Z/B/S S/Z/B B/Z/B
PS
B/Z/M S/Z/B S/B/S Z/B/S S/B/S M/Z/B B/Z/M
PM
B/Z/S Z/S/M S/M/S S/B/Z M/M/S M/S/M B/Z/S
PB
B/Z/Z Z/S/M S/M/Z M/B/Z M/M/Z B/S/M B/Z/Z
汽车EMB防抱死制动系统的研究核心是其控 制器设计中的控制策略的确定，本文通过建立车 辆EMB防抱死系统的相关模型，在分析优化的 基础上确定ABS控制器的控制策略，利用Matlab/ simulink对EMB防抱死系统的控制策略进行仿真， 以验证控制效果。
1 防抱死制动原理
汽车制动过程中，车速和轮速之间存在着速 度差，也就是车轮与地面间有滑移现象，滑移的 程度用滑移率表示[2]：
PS，PM，PB}，而 Kp 、 Ki 、Kd 的模糊子集为{零， 小，中，大}，表示为{Z，S，M，B}，所有变量的论域 为{-6，-4，-2，0，2，4，6}。
PID控制器三个参数中比例系数 Kp 的作用在 于加快系统的响应速度，积分系数 Ki 的作用在于 消除系统的稳态误差，微分系数Kd 的作用在于改 善系统的动态特性，抑制系统较大波动。在系统
的仿真研究[J],公路交通科技,2006,(10):124-127. [5] 杨坤,李静,李幼德,等.基于汽车电子机械制动系统EBD/
ABS研究[J],系统仿真学报,2009,(3):1785-1788.
【上接第19页】
上下文信息传递到服务安全管控中介进行身份及 访问权限认证。
3)服务安全管控中介在服务访问的请求上下文 获得服务消费者的ID及密码，通过服务消费者账 号信息源进行身份认证，包括密码是否正确，账 号在有效期内等，在身份认证通过后进行服务访 问权限认证，从服务请求上下文获得服务的端点 地址和服务消费者调用服务方法（Method）。
3 汽车EMBS的ABS控制策略与算法
3.1 汽车EMBS的ABS控制策略 EMBS由EMB控制器、电机、减速及运动转
换装置等组成。EMB控制器用来控制电机输出力 矩的大小；电机用来把电能转变为机械能，减速 装置具有减速增扭的功能，运动转换装置用来把 电机旋转运动转换为直线运动，从而压紧制动盘 产生制动力。汽车采用EMB后，EMB控制器的 输入是ABS或电子制动踏板传来的目标制动力。 ABS控制器的输入信号为车速和各个车轮的轮 速，输出信号为各个制动器的目标制动力[5]。
汽车电子机械制动系统的ABS控制策略与仿真分析
Simulation and study of ABS control strategy for automotive electromechanical braking system
何玉娴，李伯全， 田洪胜
HE Yu-xian，LI Bo-quan， TIAN Hong-sheng
控制器输入参数为车轮滑移率误差 e和滑移率误差 的变化 ec ，通过模糊逻辑生成PID控制器的三个
参数 Kp 、 Ki 、 Kd 。
᳔Ӭ⒥鼠⥛ e
ᅲ䰙⒥鼠⥛
ᖂߚ ec
῵㊞ ᥻ࠊ఼
Kp
Ki
3,' ࠊࡼ࡯䕧ߎ
Kd ᥻ࠊ఼
图3 模糊PID控制原理框图
参数e和ec 的模糊子集均为{负大，负中，负小，
零，正小，正中，正大}，表示为{NB，NM，NS，ZE，
转矩； i 为行星减速机构传动比；η 为行星减速
X
机构的机械效率；
N
为丝杠输出推力；
η S
为滚珠
丝杠副的效率；
p h
为丝杠导程；
k p
为制动器制动
因数；
N m
为克服弹簧力所需的推力，
T b
为制动器
制动力矩。
将（3）式中前几项依次带入到最后一项并求
导，得
.
.
Tb = k * × Ik
ห้องสมุดไป่ตู้
（4）
式中， k* = 2π × 9.55 × Ke × i × ηX × ηS / ph × k p 。
0 引言
随着车辆技术的进步和汽车行驶速度的提 高，车辆的安全性能越来越被广泛的关注。电子 机械制动（Electromechanical Brake, EMB）是一 种全新的制动理念，EMB系统以电池为能源，电 机为动力装置，其简捷的结构，高效的性能极大 的提高了汽车的制动安全性。汽车防抱死制动系 统（Anti-lock Braking System, ABS）作为一种新 型的主动安全装置，能够在汽车紧急制动时防止 车轮抱死，提高车辆的制动稳定性、缩短制动距 离，减少交通事故发生率[1]。
【26】 第34卷 第5期 2012-05(上)
4 防抱死模糊PID控制算法仿真分析
本文在Matlab/Simulink环境下，根据给出的车 辆单轮模型和EMB执行器模型，利用simulink工具 箱，建立了仿真模型，并进行子系统封装处理，
插入基于模糊PID算法的仿真模型中，对典型路况 进行仿真，仿真所用参数如表2所示。