基于Matlab的汽車ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李孟

（南陽理工學(xué)院南陽473000）

基于Matlab的汽車ABS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李孟

（南陽理工學(xué)院南陽473000）

介紹了一種基于Matlab中的Simulink工具箱對(duì)汽車的ABS防抱死系統(tǒng)進(jìn)行建模的方法，首先由汽車ABS系統(tǒng)的制動(dòng)原理對(duì)參與制動(dòng)過程的各部件進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)，主要模塊包括如車輪模型、輪胎模型與邏輯門限控制模塊等。根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置所建模型的具體參數(shù)和進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)的參數(shù)，最后分別以相同的30m/s的初速在三種不同附著系數(shù)的路面上對(duì)其進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主要針對(duì)制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間及車速與輪速這幾個(gè)對(duì)制動(dòng)效果起決定作用的量進(jìn)行研究，通過對(duì)仿真曲線的對(duì)比分析，證明該系統(tǒng)在不同的路面情況下都能夠達(dá)到良好的制動(dòng)效果。

Matlab；ABS防抱死系統(tǒng)；邏輯控制

Class NumberTP311

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，在汽車的研發(fā)和生產(chǎn)中對(duì)電子設(shè)備的要求也越來越高，為滿足汽車行業(yè)研發(fā)與設(shè)計(jì)的需要，越來越多的汽車工業(yè)技術(shù)中用到了建模仿真技術(shù)。作為Matlab中重要的功能組件Simulink，免去了用戶自己編寫代碼的繁瑣，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模與仿真［1］，在此工具箱的編譯環(huán)境中，可以使用簡單的直觀的工具箱添加功能來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的仿真，在控制理論與數(shù)字信號(hào)處理過程中的復(fù)雜仿真與設(shè)計(jì)都能夠使用。本文介紹了應(yīng)用Matlab中的Simulink工具箱進(jìn)行建模仿真的系統(tǒng)，其主要功能是對(duì)ABS防抱死系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證［2］，驗(yàn)證其控制策略與算法的可靠性。用于輔助和改進(jìn)汽車ABS防抱死系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，減少實(shí)車試驗(yàn)的工作量，提高工作效率。

2 ABS系統(tǒng)建模設(shè)計(jì)思路

使用Simulink工具箱進(jìn)行建模仿真時(shí)，一般要分為兩步來進(jìn)行，首先要對(duì)仿真模型進(jìn)行搭建，其次是對(duì)仿真過程中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置的參數(shù)要符合實(shí)際應(yīng)用的要求，能夠真實(shí)反映模型在實(shí)際中的具體應(yīng)用。完成之后就可模擬所建模型在設(shè)置參數(shù)下的具體行為，從而對(duì)系統(tǒng)的性能來進(jìn)行評(píng)估與改進(jìn)。

在本系統(tǒng)中，根據(jù)汽車制動(dòng)過程的工作原理，要分別對(duì)輪胎、液壓制動(dòng)系統(tǒng)、制動(dòng)器等部位進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)；考慮到汽車在制動(dòng)過程中是否啟動(dòng)ABS防抱死制動(dòng)由邏輯門限控制模塊決定，而邏輯門限模塊又與車輪滑移率和路面附著系數(shù)等參數(shù)密切相關(guān)，相應(yīng)要建立對(duì)應(yīng)參數(shù)模型；結(jié)合汽車正常行駛過程中受到的空氣阻力與運(yùn)動(dòng)阻力，建立汽車動(dòng)力學(xué)模型。

如圖1所示為在MATLAB中使用Simulink工具箱搭建的ABS防抱死系統(tǒng)模型。

仿真模型建立后，根據(jù)實(shí)際情況對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，由于本系統(tǒng)所建模型是參照家用小型轎車，仿真模型中的參數(shù)可參照家用小型轎車的參數(shù)值。

在仿真模型中的參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真模型中參數(shù)設(shè)定

3 主要模塊介紹

3.1 車輪模型

在仿真建模的過程中，為了簡化模型，只考慮車輛在做縱向直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)過程制動(dòng)情況，對(duì)其橫擺與側(cè)向運(yùn)動(dòng)情況不做考慮［4］。

水平運(yùn)動(dòng)方程為

車輪轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程：

車輪縱向摩擦力：

垂直方向平衡方程：

滑移率：

式中，M為1 4車輛總質(zhì)量（kg），F(xiàn)x為地面制動(dòng)力（N），J為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg/m2），R為車輪半徑（m），Tb為制動(dòng)力矩（Nm），μ為地面附著系數(shù)，F(xiàn)z為法向壓力（N），v為車身速度（m/s），vw為車輪輪速，S為滑移率。

式中c1、c2和c3為待定系數(shù)。

由式（6）可得最佳滑移率與最大附著系數(shù)為

3.2 輪胎模型

輪胎的縱向附著系數(shù)μ與滑移率S之間的函數(shù)關(guān)系為

μg是滑移率為100%時(shí)的附著系數(shù)，路面狀況不同，參數(shù)c1、c2、c3和Sk、μmax、μg值不相同，典型路面參考值如表2所示。

由于汽車制動(dòng)過程中，其縱向附著系數(shù)和滑移率之間并不是簡單的線性關(guān)系，為了使建模更加符合實(shí)際制動(dòng)過程中的情況，在這里采用雙線性模型來對(duì)制動(dòng)過程中的輪胎模型進(jìn)行簡化處理，可得如式（9）所示

3.3 邏輯門限控制模塊

車輛的制動(dòng)過程中，為達(dá)到最佳制動(dòng)效果一般將滑移率控制在最佳滑移率附近一段小區(qū)間。若超出此區(qū)間，將相應(yīng)指令發(fā)送給中央處理單元，對(duì)制動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。在本系統(tǒng)采用將車輪加速度與滑移率兩個(gè)門限值相結(jié)合的制動(dòng)策略，在制動(dòng)過程中需要計(jì)算出此時(shí)的車輪加速度，結(jié)合同時(shí)刻的滑移率，選擇合適制動(dòng)模式。本系統(tǒng)的邏輯門限控制模塊如圖4所示。

4 仿真結(jié)果分析

在對(duì)ABS防抱死系統(tǒng)的各個(gè)子模塊進(jìn)行Simulink仿真系統(tǒng)建模后，按照實(shí)際制動(dòng)過程設(shè)置參數(shù)來進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)［8］。設(shè)置車輛的制動(dòng)過程初始階段的速度為30m/s，由于制動(dòng)過程中對(duì)前輪與后輪的制動(dòng)效果不同，需要對(duì)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪設(shè)置不同的邏輯門限值。為了能夠分析在不同的路面情況下本系統(tǒng)都具有較為良好的制動(dòng)效果，分別設(shè)置不同的附著系數(shù)路面為例，以制動(dòng)距離、車速和輪速為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行研究。具體參數(shù)設(shè)置如表3所示。

表3 控制參數(shù)

1）在高附著系數(shù)（μ=0.95）的路面上

高附著系數(shù)路面上在制動(dòng)距離仿真曲線如圖5所示。初速為30m/s的情況下，汽車的制動(dòng)距離約為42m，與之對(duì)應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間約為3.1s。

2）在中附著系數(shù)（μ=0.55）的路面上

中附著系數(shù)路面上在制動(dòng)距離仿真曲線如圖7所示。初速為30m/s的情況下，汽車的制動(dòng)距離約為52m，與之對(duì)應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間約為4.7s。

3）低附著系數(shù)（μ=0.16）的路面上

低附著系數(shù)路面上在制動(dòng)距離仿真曲線如圖9所示。初速為30m/s的情況下，汽車的制動(dòng)距離約為87m，與之對(duì)應(yīng)的制動(dòng)時(shí)間約為8.8s。

不同附著系數(shù)路面上的制動(dòng)距離與制動(dòng)時(shí)間仿真曲線圖，車速與輪速仿真曲線對(duì)比，可得本系統(tǒng)在不同路面情況的制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間，滿足系統(tǒng)的制動(dòng)要求，得到合適的制動(dòng)控制效果［10］。本系統(tǒng)在建模過程中利用子模塊的功能實(shí)現(xiàn)對(duì)車速變化曲線與輪速變化曲線，得其在不同制動(dòng)情況下的吻合效果都較為良好，也能夠證明在本系統(tǒng)中使用的輪速與車速算法的實(shí)用性與準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

本文采用Matlab的Simulink工具箱對(duì)ABS防抱死系統(tǒng)進(jìn)行建模，介紹單輪子模塊、輪胎子模塊及邏輯門限控制子模塊，對(duì)仿真模型中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)置不同的附著系數(shù)以相同的制動(dòng)初速度進(jìn)行仿真驗(yàn)證，對(duì)制動(dòng)過程中的制動(dòng)距離、制動(dòng)時(shí)間的仿真曲線分析，證明本系統(tǒng)對(duì)不同附著率的路面均能實(shí)現(xiàn)較好的制動(dòng)性能，對(duì)車速與輪速的變化曲線進(jìn)行對(duì)比，得出其在不同制動(dòng)情況下的吻合效果都較良好。

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Design of Anti-lock Braking System of Automobile Based on Matlab

LI Meng
（Nanyang Insitute of Technology，Nanyang473000）

This dissertation introduces a method based on Matlab Simulink in the car ABS anti-lock system，which describes the main modules，such as a wheel model，the tire model with the logic threshold control module.And then specific model parameters and simulation parameters are set to built the module，and finally in the 30m/s velocity were carried out on the simulation in the different road，According to analisis the braking distance，braking time and the speed of the wheel，proves that the system for a variety of road has relatively good braking effect.

Matlab，ABS anti-lock braking system，logic control

TP311

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.07.021

2017年1月17日，

2017年2月20日

李孟，男，碩士研究生，講師，研究方向：電子信息信號(hào)處理。