车辆ABS系统的计算机仿真研究

关键词：ＡＢＳ；Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ；建模；仿真
审豳分类号：Ｕ４９５ ＴＰ２７４
文献标识码：Ａ
文章编号：１００９—９４９２（２００７）０３一００５２—０３
１引言
计算机仿真技术是研究汽车动力学性能的重要方法 和手段之一。它与常规的试验分析相比，不仅具有分析 速度快、精度高、周期短等特点，而且还能解决一般常 规方法所不能解决的问题，如在危险场合下的试验、破 坏性试验等。
与开发
车辆ＡＢＳ系统的计算机仿真研究水
王英杰，林怡青，彭美春
（广东工业大学机电工程学院， 广东广州 ５１００９０）
摘要：建立了 种两轮车辆制动防抱死系统（ＡＢＳ）的车辆模型、车轮模型、制动器模型和气压系统模型；采用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕ擞汰
模拟了车辆在直线制动的运动状态，用ＶＣ＋＋编写了仿真程序，为ＡＢｓ的产品开发提供一种辅助手段。
动器模型的建立带来了较大的困难［３］。采用的建模方法 是根据实验数据进行“拟合建模”，以求得制动压力Ｐ６和 制动力矩眠的对应关系。图３是带有延迟的三线型滞环 模型。
对于防抱死制动系统来说，压力状态一直处于不断变 化之中。这时制动力的计算要考虑到制动器的滞后。制动 力的增加与减少，其滞后效果是不同的，本论文采用三线 型滞环模型来表示增减压变化过程中的滞后，如图３所示。
（２）仿真程序与用户界面设计 用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ进行仿真，ＡＢＳ是缺席的，主要目的是检 验理论模型。为了进一步ＡＢＳ的控制逻辑进行研究，用 ＶＣ＋＋编写了仿真程序和用户界面程序。仿真程序采用经过 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ检验的理论模型，嵌入ＡＢＳ控制逻辑模块，仿真
图６ 系统仿真界面
化曲线等，较好的模拟了车辆在ＡＢＳ控制下的运行状态。 使用该软件可以预设ＡＢＳ控制器的一些基本控制参数，为 减少国产ＡＢＳ的开发成本提供一种手段。 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
用计算机模拟汽车防抱死制动系统，既可以方便快捷 的得到试验所得到的结果，为ＡＢＳ系统的研制提供捷径； 又可以代替危险性试验，提高安全性和经济性；还可以估 计设计开发中的产品性能，以完善设计。同时，计算机实 验可以大量进行，可以对控制器的控制方法进行大量的研 究。控制器的装车道路试验仅仅是为了验证控制规律的可 靠性，而不是靠道路试验来探索合适的控制规律，这样可 以节省大量的人力物力。
本文在对车辆制动过程进行动力学分析后，建立了适 合于计算机仿真的车辆动力学两轮模型，其中包括整车系 统两轮模型、车轮模型、制动器模型和气路压力模型。采 用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模拟了汽车在直线制动的运动状态，用 ＶＣ＋＋编写了用户界面程序和数字仿真程序。
２车辆模型的建立
车辆动力学模型有多种，按照模拟车辆的运动类型可 以分为单轮、两轮、四轮三种。四轮模型与真实车辆的情 况最接近，除了制动效能外还可以模拟车辆运动时的横向 倾侧、轴荷变化、制动力分布等情况。两轮模型的模拟精 度有所下降，不能反映车辆运动时的横向倾侧和每个车轮 的制动力，但计算复杂性减少，可以用来研究纵向制动效 能、轴荷变化、前后轴制动力分配等情况。单轮模型的模 拟精度最差但计算复杂性最小，可以用来研究汽车的纵向
（１）Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真模型 Ｓｉｍｕｌｉｎｋ是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分
万方数据
图４ 系统整体仿真模块
析的软件包，它支持线性和非线性系统，连续和离散时间 模型，或者是两者的混合。Ｓｉｍｕｌｉｎｋ已经在学术和工业领 域得到了广泛的应用。为了初步验证上述模型的有效性， 把本文讨论的数学模型转化为Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的计算机仿真，整 个系统的仿真模块如图４所示。用正弦波模拟制动器力矩 在ＡＢＳ控制下的变化规律，仿真结果如图５所示。从图５ 可以看到，两车轮转速波浪状下降，车身速度近似直线下 降，基本趋势与实际情况相符，说明以上模型基本正确。
Ｃ２．一减压时制动器制动力因数，Ｎ·Ⅱ∥ｋＰａ；
ｐ广制动初始延迟压力，ＭＰａ；
ｐ厂一增压到最大制动力矩，开始减压压力，ＭＰａ；
△ｐ一最大压力滞后，ＭＰａ； ｐｍ＿增压到最大制动力矩的临界压力，ＭＰａ；
舰，广最大制动力矩，ｋＮ·ｍ。
（４）气压系统模型
本文的气路压力模型是根据实验结果进行拟合得到
的。压力范围为０—７００ＭＰａ。压力增加曲线公式为：
ｍ＂。肛ｌⅣ１＋斗２Ⅳ２
，江ｇ［些！（！二璺２±些２ １壁墨１ ２］ 。 ￡＋＾ｇ（斗２一斗１） 以上各式中：＾一前轴等效惯量，五一后轴等效惯量，
眠。一前轮制动力矩，％厂后轮制动力矩，‘Ｉ）。一前轮角速
度，‘Ｉ）：一后轮角速度，Ｒ。一前轮半径，Ｒ：一后轮半径，”一 车辆减速度。
（２）车轮模型 车轮模型反映车轮与地面附着系数及滑移率之间的关 系，将该关系简化为双折线形式，如图２所示。
４结束语
本文研究两轮车辆计算机仿 真模型，用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对模型的有 效性进行了初步的验证，编制了 可以对汽车ＡＢＳ控制逻辑及基本 控制参数进行研究的计算机软件， 该软件具有良好的用户界面。使用该软件对车辆进行动力 学仿真，可以绘出车速变化曲线、轮速曲线和制动压力变
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图５ 系统整体仿真结果
理工大学出版社，１９９９，１９—２０． ［２］徐志新，石德来．制动器压力模型的研究．液压气动与密封
［Ｊ］．１９９９， （１）：９—１３． ［３］陈宏伟，宋 健，王铁山，等．ＡＵＤＩ盘式制动器的非线性滞
环模型［Ｊ］．公路交通科技．２００２，１９（３）：１２７—１３０．
第一作者简介：王英杰，男，１９７９年生，河南驻马店人，硕士研
时可以窗口方式输入车辆的参数， 如整车质量、刹车初速、车轮参 数等，就可以仿真出车速、轮速、 制动压力、滑移率等车辆制动时 的运行状态。
图６是某次运行的结果，运 行的目的是设定某型号载货车的 ＡＢＳ基本控制参数。制动时的初 始车速９０ｋｎ∥ｈ，整车重量 １４０００ｋｇ，ＡＢＳ采用加速度门限值 控制逻辑。从输出结果可知，应 该向绝对值减少的方向调整ＡＢＳ 的加速度门限值。
＾Ⅲ．ｚ）Ｉ／ｑＨ）墩Ｒ臀器
制动压力（ｐ／肝ａ） 图３ 三线型滞环模型
文
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图２ 附着系数与滑移率关系
Ｉ¨＝“譬ｓ
ｓ＜５。
｛ 。
ｌ斗２掣孝一等挚ｓ ｓ蟠ｃ
式中：仙广峰值附着系数；
‰一滑移率为１００％时的附着系数； Ｓ一最佳滑移率；
．ｓ一滑移率。
（３）制动器模型
制动器模型指制动器力矩与制动压力之间的关系模
车辆重量，ｎ一质心到前轴的距离，６一质心到后轴的距 离，￡一前后轴之间的距离，Ⅳ。一地面对前轴法向反作用 力，他一地面对后轴法向反作用力，Ｅ。一地面对前轴反作 用力偏移距离，Ｅ２一地面对后轴反作用力偏移距离。
＾‘１＝慨１＋Ⅳ１Ｅｌ一斗１Ⅳ１ＪＲｌ Ｊ秘ｆＭ—Ｎ零ｒｕｄ墨１ ①地面正压力的计算 以Ⅳ２的作用点为中心
型…。由于制动器中各机械部件间存在的间隙、摩擦等
因素而造成了制动器滞后等强非线性动态特性，这给制
ＩＯ
ｐｓｐｏ
ｃ１＋（ｐ＿ｐｏ） 慨＝｛帆。
ｐｏ·≤Ｐ ｓｐ。＿ｐｆ·印“１
ｐ６＜ｐｓｐ。
＿ｐ。＞ＰⅢ
ｌＧ（ｐ－ｐｏ） ｐｏ＜ｐ≤ｐ６
－Ｐ。冲ｎｌ
【舰。
ｐ＞ｐ。
式中：Ｃ。＋一增压时制动器制动力因数，Ｎ·ｒｎ／ｋＰａ；
制动效能。综合考虑模拟精度和计算复杂性，本文采用两 轮模型。
（１）车辆两轮模型 对于两轮车辆模型，不考虑车辆倾侧的影响，将簧上 质量和簧下质量作为整车质量；忽略轮胎阻力和车辆风阻 的影响，不考虑车辆纵向、横向和绕惯性轴的转动［１］。建 立的车辆模型如图１所示。
图１ 两轮车辆系统模型
图中：ｍ＂一车辆动量，＾厂质心到地面的距离，，，ｌ旷
究生。研究领域：汽车电子控制。
（编辑：向 飞）
万方数据
ｍ口”，昭（６一层２）一ⅣｌＬ＝０
收稿日期：２００６—１０—１７匿鐾羹羹羹江二垂二匿鎏图 ＋广州市科技计划项目（项目编号：２００２Ｊ１一Ｃ０３０１） 万方数据
研舳匐
得前轴正压力：
Ⅳ１＝［，ｎｇ（６一易）＋ｍ口ｋ］／Ｌ 以Ⅳ。的作用点为中心
ｍ＂ｈ厂玎曙（叶Ｅ１）＋Ⅳ１Ｌ＝０ 得后轴正压力：
Ⅳ２＝［，愕（叶Ｅ１）一ｍ口＾。］儿 ②车辆减速度的计算 车辆从地面获得制动力，对于两轮模型有两个车轮提 供制动力，在水平方向上根据力学基本原理Ｂｍｎ
ｒｐ（ｔ）＝１０１ｍ
（０曼ｔ＜０．５）
｛ｐ（ｆ）＝一３１８．Fra Baidu bibliotek＋２２８１ｚ一１２６４．３产
（ｏ．５：兰￡＜ｏ．９）
Ｌｐ（ｆ）＝７ｌＯ
（Ｏ．９≤￡ｓ １．０）
压力减少曲线公式为：
ｆｐ（￡）＝７４０—２１２５￡
（Ｏｓ￡＜０．２）
【ｐ（＃）＝５０５．３—１１９６．９抖７０４．１，
（Ｏ．２ｓ＃≤１）
３ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ系统仿真模型