汽车建模与仿真论文

基于Simulink的汽车ABS建模与仿真分析

摘要：汽车防抱死系统(ABS)是一种在制动时能够自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果的制动系统。

该系统能够有效的缩短制动距离、提高制动时的方向稳定性，对汽车的行驶安全具有重要的意义。本文介绍了ABS的工作原理，分析了ABS的系统模型，基于Matlab/Simulink环境, 建立了一个车辆制动防抱系统仿真模型，并对仿真结果进行了分析。关键词：制动；防抱死系统；建模仿真

Abstract:Anti-lock braking system(ABS) is a kind of device，which can regulate the wheel’s braking force automatically，prevent the wheels from locking and acquire the best effect during braking.This device is significant to steering safety. This paper introduced the principle of operation of ABS,analysed the system model of ABS,established a simulation model of vehicle ABS on Matlab/Simulink and had an analysis about the results.

Key words:braking;ABS;modeling and simulation

前言

汽车是当今世界最主要的交通工具之一，而汽车运输的安全性、经济性和舒适性是人们所关注的焦点。汽车的制动性能是表征汽车行驶安全性的一个主要指标，重大的交通事故往往与制动距离过长和紧急制动时发生侧滑等情况有关，随着汽车拥有量和汽车平均行驶速度的不断提高，交通事故给人们带来的危害日益严重，研究和改善汽车的制动性能成为汽车设计与开发部门的重要课题。在汽车制动过程中，ABS会自动调节车轮轮缸的制动压力，把车轮滑移率控制在一定范围内，防止车轮产生抱死，达到提高汽车制动过程中的操纵稳定性、并缩短制动距离的目的。

开发汽车的ABS需要通过大量的实车试验来确定汽车ABS系统的结构与工作参数，也可以通过对汽车ABS系统的仿真研究初步确定ABS系统的参数，再确定实际汽车ABS系统的结构。通过少量的试验验证发现，后一种方法需要付出小的代价，研究开发周期短，是一般AB S系统研究经常采用的方法

1工作原理

ABS的基本控制是通过传感器监测制动过程中车辆的制动状态，有电子控制单元对个车轮轮速、参考车速、加减速度及滑移率等重要参数进行计算、分析、比较，根据这些参数对制动压力发出增压、保压或减压的控制指令，驱动调节器调节制动压力来控制汽车制动过程中的车轮运动状态，使车轮保持在最佳制动状态，获得最佳制动效果。

滑移率的定义：s=1-wR/v 式中：s—滑移率，%；v—车身速度，m/s；w—车轮速度，rad/s；R—车轮半径，m 。s=0时，车轮处于纯滚动状态;O

2系统模型

2.1单轮车辆模型

汽车动力学建模是个十分复杂的过程。一般有四轮模型、两轮模型、单轮模型三种。四轮模型主要用于描述复杂的动力学性能，如转弯制动、横向动力学控制模拟等;双轮模型主要用于描述车辆的直线制动与驱动，考虑车辆加、减速度的影响，用于车辆动力学模拟和控制分析;单轮模型主要用于描述制动性能，用于基于模型控制系统的分析与设计等。本研究主要进行车辆的制动性能检测，对于仿真检测实时性要求较

高，为了简化研究问题，采用单轮模型，忽略空气阻力和车轮滚动阻力。模型见图2，其动力学公式:Mdv/dt=-uFn,Idw/dt=uFnR-Mb 。

图1 单轮模型受力分析

2.2轮胎模型

车轮模型反映车轮与地面附着系数与滑移率之间关系。如图3所示为在Simulink 中通过取点建立的附着系数与滑移率的曲线图。

图2 附着系数与滑移率的关系

2.3控制模型

本文采用逻辑开关控制方式，开关控制方式是一旦设定好期望的输出门槛值，就使输出的控制量使误差向减小的方向运动，实际上是一种简单实用的逻辑门限控制方式。汽车防抱死制动系统开关控制器的门槛值是期望的车轮滑移率，控制器的输入变量是车轮滑移率误差，即期望车轮滑移率与实际车轮滑移率之差：0e λλ=-

当车轮滑移率误差e<0时，输出控制量u=-1;当车轮滑移率误差e=0时，输出控制量u=0;当车轮滑移率误差e>0时，输出控制量u=1。

3仿真建模

Simulink是MATLAB的一个附加组件，是建模和仿真的平台。它是一种用来实现计算机仿真的软件工具。Simulink是采用模块组合的方法来创建动态系统的计算模型，其特点是快速准确。模型中将液压控制模型采用传递函数加一个控制器来代替，模型的原理以门限值控制算法，基本思想为保证车轮滑移率在理想的范围之内。制动开始后，随着制动压力的升高，车轮转速相应减少，车轮出现滑移；当车轮滑移率达到理想范围的上限值时，减少制动压力；随着制动压力的减少，滑移率又逐渐减小，直至减少到滑移率下限值时，再增大制动压力，循环这个过程直至车辆停止。建立的仿真模型如图3所示。

图3 ABS仿真模型

4结果分析

该模型对初速度为88Km/h的某车进行仿真，具体参数通过模块进行初始化，将输出的数据结果进行处理，可以清晰得出所需结论。图4为制动滑移率、车速和车轮角速度的变化曲线。由图可以看出，在逻辑开关控制方式下滑移率在制动起始阶段，由0逐渐上升，随着滑移率的增大，车轮有抱死的趋势，防抱死系统监测到滑移率增大到一定程度，降低制动油压，使车轮滑移率维持在最优滑移率0.2附近上下波动。在车轮速度接近于0时，车轮抱死，滑移率变为1。

图4 制动滑移率、车速、车轮角速度的变化曲线