制动系统建模、仿真及ABS控制器设计

目录

1. 动力学建模....................................................................................... - 1 -

2. 分段线性的轮胎模型 ...................................................................... - 1 -

3. 控制算法........................................................................................... - 2 -

4. 仿真流程及参数输入 ...................................................................... - 2 -

5. 实例分析........................................................................................... - 3 -

6. MATLAB 仿真过程......................................................................... - 3 -

6.1.逻辑门限值控制器 ................................................................... - 3 -

6.2.模糊控制器 ............................................................................... - 7 -

6.2.1模糊控制器设计 .............................................................. - 7 -

6.2.2模糊控制matlab仿真过程 ............................................. - 8 -

6.3.PID控制器.............................................................................. - 12 -

通过两自由度单轮模型为例，介绍在MA TLAB 环境下的控制系统力学建模、ABS 控制器设计及仿真分析过程。

1. 动力学建模

某车辆简化后的制动力学模型如右图所示。其中单轮模型质量m ，车轮滚动半径rd ，车轮转动惯量为Iw ，车辆旋转角速度为ω，车轮轮心前进速度为uw ，地面制动力为Fxb 。作用于车轮的制动力矩为Tb 。若忽略空气阻力与车轮滚动阻力，则系统的运动方程如下： w x b d b t

d I F r T d ω

=- （1） xb t

du m

F d ω

= （2）

式中，地面制动力Fxb 等于地面作用于车轮的法向反力Fx 与路面附着系数μ的乘积，其中μ为制动滑移率Sb 的函数。

2. 分段线性的轮胎模型

根据第三章中介绍的有关轮胎纵向特性的内容，路面附着系数与车轮滑移率之间存在一定的非线性关系。如果用两段直线近似表示路面附着-滑移曲线，可得到分段线性化的附着系数μ与车辆滑移率s b 的关系（即所谓的“Dugoff”模型），如下图所示。其表达式如下：

11h b b o

o h g o h g b

b o

o o S S S S S S

S S S S μμμμμμμ⎧=≤⎪⎪⎨

--⎪=->⎪--⎩

（3）

式中，μb 为峰值附着系数；μg 为车轮完全抱死时（即Sb=1）时的路面附着系数；So 为峰值附着系数所对应的滑移率。

图2 线性化的路面附着系数与车轮滑移率关系曲线

图1 单轮制动力模型

3.控制算法

这里以门限值控制算法为例，说明ABS控制器设计及制动系统力学的仿真过程。采用门限制控制算法的基本思想是保证车轮滑移率在最理想的范围之内。制动开始后，随着制动压力的升高车轮转速ω相应减小，车轮出现滑移；当车轮滑移率达到理想范围上限值Smax时，减小制动压力；随着制动压力的减小，直至减小到滑移率下限值Smin时再增大制动压力。循环往复这一过程直至车辆停止。因此，在ABS控制器起作用的过程中，滑移率总是保持在理想的范围内，从而保证车辆的最佳制动性能及行驶方向控制的稳定性。

4.仿真流程及参数输入

由上可知，ABS控制器所用到的一些控制参数有：

1）由路面附着系数μ与滑移率S b的关系曲线所表示的轮胎模型；

2）滑移率控制上限S max、下限S min；

3）车辆模型参数及初始车速μωo；

4）制动器油压增长率k i和减小率k d等。

根据分析可知，控制逻辑实现的关键是计算当前车轮滑移率S b(t)并与预先确定的上限值（S max，S min）进行比较，来判断对制动液压控制系统的增压或减压操作，控制流程如图3所示。

5. 实例分析

单轮制动动力模型参数由表1给出。设式图2定义的路面附着系数分别为μh =0.8，μg =0.6.以门限值控制算法设计ABS 控制器，使车轮滑移率S b 保持在最优值（S opt 附近），这里令S min =0.18，S max =0.22。

根据表1给出的模型参数及附着系数，按照图3所示的控制流程采用m 语言编制仿真程序。需要指出的是，表1给出的制动系统控制参数仅作为参考，系统设计过程中可根据需要适当调整，已获得满意的结果。

表1 单轮ABS 制动力学模型参数

参数

符号

单位

数值

车轮质量

m

kg

300

车轮动力半径

d

r

m

0.25

车轮转动惯量

w

I

2kg m ⋅

12

初始车速

wo

μ

/m s

30

初始角速度

ω

/rad s

120

初始制动力矩 bo

T

N m ⋅

600

制动油压增长率

i

k

/Nm s

4500

制动油压减小率

d

k

/Nm s

5000

采样时间

s

T

s

0.05

6. MATLAB 仿真过程

6.1.逻辑门限值控制器

Matlab 代码如下： clear clc

%% 输入初始参数

m=300; %车轮质量 rd=0.25; %车轮动力半径