制動系統(tǒng)建模

1、.制動系統(tǒng)仿真、建模及ABS控制器設計 學生：何渝 學號：11011030504 班級：車輛二班 老師：周老師制動系統(tǒng)仿真、建模及ABS控制器設計隨著科學技術的進步和人們物質生活水平的提高，人類社會對汽車的安全性，特別是制動安全性能提出了越來越高的要求。汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)是一種在制動時能夠自動調節(jié)車輪制動力，防止車輪抱死以取得最佳制動效果的制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠有效的縮短制動距離、提高制動時的方向穩(wěn)定性，對汽車的行駛安全具有重要的意義。  總之，研究結果可以看出邏輯門限值方法用于汽車防抱死制動系統(tǒng)不僅具有理論意義，而且具有實用價值，是一種簡單、方便、具有較好操縱性、

2、制動性，并且有較好適應性的方法。進一步的研究工作一定要繼續(xù)開展下去。制動系統(tǒng)是使汽車的行駛速度可以強制降低的一系列專門裝置。制動系統(tǒng)主要由供能裝置、控制裝置、傳動裝置和制動器4部分組成。制動系統(tǒng)的主要功用是使行駛中的汽車減速甚至停車、使下坡行駛的汽車速度保持穩(wěn)定、使已停駛的汽車保持不動。功用·汽車制動系統(tǒng)功用1） 保證汽車行駛中能按駕駛員要求減速停車 2）保證車輛可靠停放3）保障汽車和駕駛人的安全類型1按功用分：行車制動系駐車制動系輔助制動系1）行車制動系是由駕駛員用腳來操縱的，故又稱腳制動系。它的功用是使正在行駛中的汽車減速或在最短的距離內停車。2）駐車制動系是由駕駛員用手來操縱的

3、，故又稱手制動系。它的功用是使已經停在各種路面上的汽車駐留原地不動3）第二制動系在行車制動系失效的情況下，保證汽車仍能實現減速或停車的一套裝置。在許多國家的制動法規(guī)中規(guī)定，第二制動系也是汽車必須具備的。制動系統(tǒng)4）輔助制動系經常在山區(qū)行駛的汽車以及某些特殊用途的汽車，為了提高行車的安全性和減輕行車制動系性能的衰退及制動器的磨損，用以在下坡時穩(wěn)定車速。2按制動能量傳輸分：機械式、液壓式、氣壓式、電磁式、組合式。3按回路多少分：單回路制動系、雙回路制動系。4按能源分：人力制動系、動力制動系、伺服制動系。1）人力制動系以駕駛員的肌體作為唯一的制動能源的制動系。2）動力制動系完全靠由發(fā)動機的動力轉化而

4、成的氣壓或液壓形式的勢能進行制動的制動系。3）伺服制動系兼用人力和發(fā)動機動力進行制動的制動系。按制動系統(tǒng)的作用分類制動系統(tǒng)可分為。用以使行駛中的汽車降低速度甚至停車的制動系統(tǒng)稱為行車制動系統(tǒng)；用以使已停駛的汽車駐留原地不動的制動系統(tǒng)則稱為駐車制動系統(tǒng)；在行車制動系統(tǒng)失效的情況下，保證汽車仍能實現減速或停車的制動系統(tǒng)稱為應急制動系統(tǒng)；在行車過程中，輔助行車制動系統(tǒng)降低車速或保持車速穩(wěn)定，但不能將車輛緊急制停的制動系統(tǒng)稱為輔助制動系統(tǒng)。上述各制動系統(tǒng)中，行車制動系統(tǒng)和駐車制動系統(tǒng)是每一輛汽車都必須具備的。按制動操縱能源分類制動系統(tǒng)可分為人力制動系統(tǒng)、動力制動系統(tǒng)和伺服制動系統(tǒng)等。以駕駛員的肌體作為

5、唯一制動能源的制動系統(tǒng)稱為人力制動系統(tǒng)；完全靠由發(fā)動機的動力轉化而成的氣壓制動系統(tǒng)或液壓形式的勢能進行制動的系統(tǒng)稱為動力制動系統(tǒng)；兼用人力和發(fā)動機動力進行制動的制動系統(tǒng)稱為伺服制動系統(tǒng)或助力制動系統(tǒng)。按制動能量的傳輸方式分類制動系統(tǒng)可分為機械式、液壓式、氣壓式、電磁式等。同時采用兩種以上傳能方式的制動系稱為組合式制動系統(tǒng)。組成1供能裝置：包括供給、調節(jié)制動所需能量以及改善傳動介質狀態(tài)的各種部件2控制裝置：產生制動動作和控制制動效果各種部件，如制動踏板3傳動裝置：包括將制動能量傳輸到制動器的各個部件如制動主缸、輪缸4制動器：產生阻礙車輛運動或運動趨勢的部件制動系統(tǒng)一般由制動操縱機構和制動器兩個主

6、要部分組成。ABS防抱ABS是英文Anti-lockBraking System2  （防抱死剎車系統(tǒng)）的縮寫。據統(tǒng)計，汽車突然遇到情況踩剎車時，百分之九十以上的駕駛者往往會一腳將剎車踏板踩到底來個急剎車，這時候的車子十分容易產生滑移并發(fā)生側滑，即人們俗稱的“甩尾”，這是一種非常容易造成車禍的現象。造成汽車側滑的原因很多，例如行駛速度，地面狀況，輪胎結構等都會造成側滑，但最根本的原因是汽車在緊急制動時車輪輪胎與地面的滾動摩擦會突然變?yōu)榛瑒幽Σ粒喬サ淖サ亓缀鯁适?，此時此刻駕駛者盡管扭動方向盤也會無濟于事。針對這種產生側滑現象的根本原因，汽車專家就研制出車用ABS這樣一套防

7、滑制動裝置。以前消費者買車，都把有沒有ABS作為一個重要指標。隨著技術的發(fā)展，目前，中國絕大部分轎車已經將ABS作為標準配置。但對于ABS的認識以及如何正確使用，很多駕駛員還不是很清楚，甚至還出現了一些對ABS的誤解。一些駕駛員認為ABS就是縮短制動距離的裝置，裝備ABS的車輛在任何路面的制動距離肯定比未裝備ABS的制動距離要短，甚至有人錯誤地認為在冰雪路面上的制動距離能與在瀝青路面上的制動距離相當；還有一些駕駛員認為只要配備了ABS，即使在雨天或冰雪路面上高速行駛，也不會出現車輛失控現象。ABS并不是如有些人所想的那樣，大大提高汽車物理性能的極限。嚴格來說，ABS的功能主要在物理極限的性能內

8、，保證制動時車輛本身的操縱性及穩(wěn)定性。同時，在加速的時候，也能防止輪胎的純滑移，提高了加速性能和操作穩(wěn)定性。通過兩自由度單輪模型為例，介紹在MATLAB環(huán)境下的控制系統(tǒng)力學建模、ABS控制器設計及仿真分析過程。1. 動力學建模某車輛簡化后的制動力學模型如右圖所示。其中單輪模型質量m，車輪滾動半徑rd，車輪轉動慣量為Iw，車輛旋轉角速度為，車輪輪心前進速度為uw，地面制動力為Fxb。作用于車輪的制動力矩為Tb。若忽略空氣阻力與車輪滾動阻力，則系統(tǒng)的運動方程如下：圖1 單輪制動力模型 （1） （2） 式中，地面制動力Fxb等于地面作用于車輪的法向反力Fx與路面附著系數的乘積，其中為制動滑移率Sb的

9、函數。2. 分段線性的輪胎模型根據第三章中介紹的有關輪胎縱向特性的內容，路面附著系數與車輪滑移率之間存在一定的非線性關系。如果用兩段直線近似表示路面附著-滑移曲線，可得到分段線性化的附著系數與車輛滑移率sb的關系（即所謂的“Dugoff”模型），如下圖所示。其表達式如下： （3）式中，b為峰值附著系數；g為車輪完全抱死時（即Sb=1）時的路面附著系數；So為峰值附著系數所對應的滑移率。圖2 線性化的路面附著系數與車輪滑移率關系曲線3. 控制算法這里以門限值控制算法為例，說明ABS控制器設計及制動系統(tǒng)力學的仿真過程。采用門限制控制算法的基本思想是保證車輪滑移率在最理想的范圍之內。制動開始后，隨著

10、制動壓力的升高車輪轉速相應減小，車輪出現滑移；當車輪滑移率達到理想范圍上限值Smax時，減小制動壓力；隨著制動壓力的減小，直至減小到滑移率下限值Smin時再增大制動壓力。循環(huán)往復這一過程直至車輛停止。因此，在ABS控制器起作用的過程中，滑移率總是保持在理想的范圍內，從而保證車輛的最佳制動性能及行駛方向控制的穩(wěn)定性。4. 仿真流程及參數輸入由上可知，ABS控制器所用到的一些控制參數有：1） 由路面附著系數與滑移率Sb的關系曲線所表示的輪胎模型；2） 滑移率控制上限Smax、下限Smin；3） 車輛模型參數及初始車速o；4） 制動器油壓增長率ki和減小率kd等。根據分析可知，控制邏輯實現的關鍵是計

11、算當前車輪滑移率Sb(t)并與預先確定的上限值（Smax，Smin）進行比較，來判斷對制動液壓控制系統(tǒng)的增壓或減壓操作，控制流程如圖3所示。圖3 仿真流程5. 實例分析單輪制動動力模型參數由表1給出。設式圖2定義的路面附著系數分別為h=0.8，g=0.6.以門限值控制算法設計ABS控制器，使車輪滑移率Sb保持在最優(yōu)值（Sopt附近），這里令Smin=0.18，Smax=0.22。根據表1給出的模型參數及附著系數，按照圖3所示的控制流程采用m語言編制仿真程序。需要指出的是，表1給出的制動系統(tǒng)控制參數僅作為參考，系統(tǒng)設計過程中可根據需要適當調整，已獲得滿意的結果。表1 單輪ABS制動力學模型參數參

12、數符號單位數值車輪質量300車輪動力半徑0.25車輪轉動慣量12初始車速30初始角速度120初始制動力矩600制動油壓增長率4500制動油壓減小率5000采樣時間0.055. MATLAB仿真過程圖4 MATLAB文件編輯調試窗口點擊MATLAB指令窗工具條上的New File圖標，打開如圖4所示的MATLAB文件編輯調試器，其窗口名為untitled1，我們可在空白窗口中編寫程序。輸入如下一段程序：m=300; %車輪質量rd=0.25; %車輪動力半徑Iw=12; %車輪轉動慣量vwo=30; %初始車速wo=120; %初始角速度Tbo=600; %初始制動力矩ki=4700; %制動油

13、壓增長率kd=5000; %制動油壓減少率ts=0.05; %采樣時間i=1; %設置數組變量w(1)=wo; %設置角速度變量v(1)=vwo; %設置車速變量Tb(1)=Tbo; %設置制動壓力變量while v(i)>0 %如果車速大于零，則ABS工作 sb(i)=abs(v(i)-rd*w(i)/v(i); %計算當前滑移率 if sb(i)<=0.2 %根據路面附著系數與滑移率的關系曲線計算附著系數 u=0.8*sb(i)/0.2; else u=(0.8-0.6*0.2)/(1-0.2)-(0.8-0.6)*sb(i)/(1-0.2); end Fxb=u*m*9.8;

14、 %根據附著系數計算地面制動力 if sb(i)>0.22 %滑移率大于上限，制動器減壓 Tb(i+1)=Tb(i)-ts*kd; end if (sb(i)<=0.22)&(sb(i)>=0.18) %滑移率處于上下限范圍內，制動器保壓 Tb(i+1)=Tb(i); end if sb(i)<0.18 %滑移率小于下限，制動器增壓 Tb(i+1)=Tb(i)+ts*ki; end v2(i)=w(i)*rd; %計算車輪線速度 v1(i)=Fxb/m; %計算車輪加速度 v(i+1)=v(i)-v1(i)*ts; %計算下一采樣周期的車輪前進速度 w(i+1)

15、=w(i)+ ts *(Fxb*rd-Tb(i+1)/Iw; %計算下一采樣周期的車輪角速度i=i+1; %數組變量增加endx=0:i-2; %繪制ABS控制的滑移率時域結果plot(x,sb);點擊編輯調試器工具條的圖標，在彈出的“保存為”對話框中，選擇保存文件夾，鍵入新編文件名carabs，點動保存鍵，完成文件保存。使carabs.m所在目錄成為當前目錄或讓該目錄處在MATLAB的搜索路徑上，如該文件放在G盤，則在MATLAB主菜單中應出現：點擊編輯調試器工具條的debug菜單，選擇run指令，運行carabs文件，可得到圖5：圖5 ABS控制的滑移率時域仿真結果修改carabs.m文件，輸入以下指令：v2(i)=0;x=0:i-1;plot(x,v,x,v2);運行后得到圖6：圖6 車輪前進