基于MATLAB的制動防抱死系統的建模與仿真

任肖，齊超飛

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

基于MATLAB的制動防抱死系統的建模與仿真

任肖，齊超飛

（長安大學 汽車學院，陜西 西安 710064）

通過在MATLAB上建立整車模型來模擬制動防抱死的控制過程。利用邏輯門限控制方法，實現液壓系統對制動力的控制。并按照80km/h，60km/h，30km/h三種車速和三種不同制動強度z=0.7，z=0.5，z=0.1下的，仿真分析了制動強度，前后輪輪速和車速的變化，滑移率的變化等制動性指標。

制動防抱死系統；邏輯門限控制；MATLAB；仿真

CLC NO.: U463.5 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)04-94-03

引言

從近代典型的汽車事故數據分析，在緊急狀況發生時，如果汽車高速行駛到靜止過程中處于失控狀態，會造成更加嚴重的后果，而產生這一狀況的主要原因是人們在高度緊張狀態下過度的使用制動系統，傳統的制動系統會使車輪抱死、車身發生漂移失控。因此，汽車制動系統成為保證其安全性能的關鍵因素，防止汽車在過度制動時車輪抱死失控也成為研究制動系統的關鍵性問題。本文基于MATLAB設計了一種制動防抱死系統的仿真模型。

1、制動防抱死系統的基本原理

汽車在制動時，車身速度由于輪胎與路面之間的摩擦力(制動力)緣故進行減速，與此同時，車輪速度減少的更多。于是就會產生車身速度與車輪速度之差，稱之為滑移現象，表征滑移量的參數定義為滑移率:

2、系統模型

2.1 制動踏板模型

制動踏板可以簡化為一個杠桿機構，制動踏板上的作用力按照一定的比例放大后作用在助力器的推桿上，即：

在制動踏板踩下的初始階段，制動系統機械結構和制動器的間隙被消除，制動器沒有產生制動強度。隨著踏板力的增加，在車輪抱死前制動力與踏板力呈線性增長，制動強度也隨著制動力的增加而逐漸變大，受附著力的限制，制動力達到附著力后不再變化。因此，可將目標制動強度與制動踏板力視為分段函數的關系，建立峰值附著系數為0.87的路面上的目標制動強度判斷模型。

2.2 真空助力器模型

真空助力器的功用是利用真空泵產生的負壓力與大氣壓力的差值，將制動踏板輸出力放大，使得踩制動踏板力減小，達到制動輕便的目的。本文根據試驗測定出真空助力器的數學模型：

式中，Fin真空助力器的輸入力(N)；Fout真空助力器的輸出力(N)；真空助力器輸入輸出特性曲線擬合后得到的系數。

2.3 液壓控制系統模型

液壓控制系統結構原理如圖1所示。液壓控制系統包括高壓蓄能器、低壓蓄能器、液壓油泵、常開閥、常閉閥、單向閥、液壓管路等。

表1 電磁閥信號組合與液壓控制系統工作狀態關系

圖1中，D為高壓蓄能器，用于存儲制動液，吸收電磁閥開閉時造成的壓力脈動；SPK為低壓蓄能器，用于維持液壓系統保持低壓狀態；RPF為液壓油泵，其作用是把低壓蓄能SPK中的制動液泵回高壓蓄能器D中，用于補償降壓過程中流出的制動液，保持油路的連續性；AV為電磁控制常閉閥；EV為電磁控制常開閥。液壓系統工作時，通過控制電磁閥AV和EV的通斷來實現制動輪缸的升壓、降壓和保壓狀態。如表1所示。

2.4 滑移率模型

在建立ABS控制器模型時，基于邏輯門限值的控制方法，對車速和滑移率實時檢測，制定制動液壓的控制策略。建立如表2所示為ABS液壓制動狀態轉移邏輯規則:液壓控制系統根據理想滑移率和實際滑移率的關系在保壓、增壓和減壓之間轉換；狀態間的轉換改變制動壓力調節器的參數；一般情況下，車速小于4m/s時，ABS系統退出工作，制動器制動力增加，此時車輪將逐漸抱死。

表2 ABS液壓制動狀態的邏輯控制規則

2.5 車輛縱向動力學模型

根據經典汽車理論，我們可以計算出汽車在高速制動時汽車的微分方程：

車輛制動減速度為:

3、車輛仿真模型設計

車輛仿真模型主要功能是在制動踏板輸出力作用下產生制動力矩，與電機制動力矩一起參與車輛制動，輸出車速。如圖2所示為本文建立的車輛仿真模型，主要包括助力器模型、主缸模型、輪缸模型、制動力矩計算模塊、滑移率計算模塊、實際液壓制動力計算模型、車輛制動動力學模型和ABS系統壓力調節模型。

4、仿真結果

該仿真條件為載重為4920Kg的大客車, 并在高附著系數路面,峰值附著系數期望滑移率分別在車輛速度在80Km/h，60Km/h和30Km/h三種工況下和三種不同目標制動強度下進行了仿真。其中圖3到圖5分別顯示了在目標制動強度為0.7，車速為80Km/h的情況下車輛的制動強度、滑移率及前后車輪輪速與車速之間的變化關系。

從以上各圖可以看出，仿真結果達到了目標制動強度，其前后車輪輪速與車速基本達到了同步，未出現車輪抱死現象，圖5顯示了前后車輪的滑移率能夠維持在期望滑移率的范圍內。

5、結語

通過MATLAB對大客車的制動防抱死系統進行建模分析，可以有效的模擬真實車輛的制動過程，比較真實地反映了ABS系統實際工作情況。仿真分析表明，本文利用邏輯門限控制的方法，選取了合理的控制參數，建立的ABS系統模型能夠滿足大客車的制動要求。從整體來看，仿真結構具有實用性價值，為進一步研究汽車動力學性能特供了有效的手段。

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[2]葉磊,尹作發.基于 MATLAB/SIMULINK 的車輛制動過程分析[J].公路與汽運,2006.

[3]潘開廣.基于 MATLAB 的汽車防抱死制動系統仿真研究[J].農業裝備與車輛工程,2008.

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[6]余志生,夏群生.汽車理論(第五版)[M]北京.機械工業出版社.2009.

Modeling and Simulation of Antilock Braking System based on MATLAB

Ren Xiao, Qi Chaofei

(School of Automobile, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064)

Through the establishment of the vehicle model on MATLAB, Which simulate the process of antilock braking system. The logic threshold control method can realize the control of braking force by the hydraulic system. And in accordance with 80km/h, 60km/h, 30km/h three kinds of speeds and three different brake strength z=0.7, z=0.5, z=0.1 under the simulation analysis of the braking distance, the front and rear wheel speed and vehicle speed changes, and changes in the braking slip ratio index.

antilock braking system；the logic threshold control；MATLAB；the simulation

U463.5

A

1671-7988(2015)04-94-03

任肖，工學碩士，就讀于長安大學汽車學院，研究方向汽車動力學仿真，駕駛員模型。