基于模糊PID控制的汽車ABS制動系統性能研究

黃珊珊

(陜西交通職業技術學院 汽車工程系，陜西 西安 710018)

當車輛在行駛過程中因為緊急制動而出現前輪抱死的情況時，車輛可能保持原先的直線行駛狀態，而駕駛人因為無法掌控方向導致直接撞上前面的障礙物；當車輛后輪出現抱死問題時，則顯著降低車輛穩定性，使其在很低側向力之下便會出現掉頭或甩尾情況[1-3]；車輪在抱死狀態下還會使輪胎發生局部強烈摩擦，增加了其損耗速率[4-5]。電子控制防抱死系統以車輛固有制動裝置系統作為基礎，通過額外加裝一套電子控制設備，為車輛構建一套主動安全系統。此套安全系統的作用在于對車輛進行制動時，可以對車輪制動力進行自主調節，避免車輪發生抱死，以此得到最佳制動性能(增強轉向控制力，減少制動距離)，從而有效降低交通事故發生概率，顯著提升車輛駕駛過程的穩定性[6-7]。

防抱死制動系統(ABS)是一種車輛主動安全裝置，因此ABS滑變結構控制是研究提高車輛安全性能的重要部分[8]。目前，研究ABS的控制方法是改善車輛制動技術的關鍵環節，現階段常用的控制方法包括模糊PID控制、邏輯門限值控制和魯棒控制等，但這些控制方法依然存在較大的缺陷[9]。車輛配置滑模變結構控制系統可以利用控制器自身結構的改變，使系統性能具有比普通固定結構更好的控制性能，克服了傳統線性控制系統的缺陷，可以較好地協調靜態與動態性能指標。這一研究結果能夠有效改進車輛的制動性與駕駛穩定性，并為研究ABS系統提供理論參考。對于未安裝ABS的車輛，當其在緊急狀態下實施制動操作時，會導致輪胎出現抱死現象，此時方向盤無法轉動，從而使危險系數大幅上升，增加了事故的嚴重程度。當車輛行駛于積雪路段或是潮濕路面時采取緊急制動，則會導致車輛尾部翹起，甚至出現車輛打轉現象，在上述緊急狀況下采取緊急制動時，將無法有效控制車輛運行方向而偏離原來行駛路線進入旁邊車道，增加了安全隱患。通過為車輛安裝ABS裝置可以有效避免上述危險情況的出現。

1 模糊PID控制器設計

根據車輛運行過程的需求，需要實現對運行速度的精確控制。如果控制太快，會造成車輛翻車；否則，會增加撞車事故發生的可能。

模糊PID控制量u以及偏差e之間存在如下傳遞函數:

(1)

式中，U(s)與E(s)是通過對控制量u以及偏差e進行拉氏變換得到的；Kp、Ti和Td分別是比例系數、積分系數和微分系數。

本文模糊PID控制器在設計過程中取期望滑移率S0和實際滑移率S之間的差值作為輸入:

e=ΔS=S0-S

(2)

PID具有如下控制規律：

(3)

假設各個路況下對應的最佳滑移率Sopt是已知的，同時期望滑移率S0的設定值和最佳滑移率Sopt相等，可以得到ABS系統模糊PID控制器仿真模型如圖1所示。

圖1 模糊PID控制器仿真模型

采用試湊法與經驗得到模糊PID控制參數，并通過不斷嘗試，得到Kp=100，Ti=10，Td=2.5。

車輛ABS數學模型包含輪胎、車輛動力學、制動器以及控制系統共4類。根據本文研究目的，在對車輛ABS系統進行動力學模擬的過程中，采用了計算機與人工方式相結合的圖形模塊方法。另外，本文應用MATLAB仿真軟件，其自帶SIMULINK工具，ABS模型取自HELP中的模型例子，經過修改處理將原先Bang-Bang控制轉變成模糊PID控制。

2 車輛ABS系統的仿真模擬與結果分析

2.1 無ABS系統的高附著系數路面仿真

根據高附著系數路面仿真結果，可以得到附著系數峰值大小為0.9，滑動附著系數為0.75。無ABS系統參與的制動仿真過程的單輪車輛速度及車輪速度曲線如圖2所示。

圖2 無ABS系統的輪速、車速仿真曲線

根據圖2可知，對于高附著系數路面而言，當制動力矩增大后，車體速度與車輪速度不會立刻分開，車輪經過1.8 s左右的時間達到抱死狀態，此時地面制動力取決于滑動附著系數，因此小于峰值附著系數。

2.2 有ABS系統的路面仿真

高附著系數路面條件下的有ABS系統的PID仿真模型如圖3所示。

圖3 有ABS系統的PID仿真模型

在仿真過程中，干混凝土路面具有最佳滑移率Sopt，其值為0.2，采樣時間為0.001 s，車身初速度v0為40 km/h，仿真時間為10 s。模糊PID控制算法的ABS仿真曲線如圖4所示。

圖4 輪速、車速及制動距離仿真曲線

通過模糊PID控制使滑移率處于最佳滑移率范圍，使地面制動力基本達到峰值附著力，從而使車輛制動減速度保持最大制動強度，最大限度降低制動距離。對于彎道制動情況，由于可以保持較大側向附著系數，因此能夠有效抵抗外界影響因素。在40 km/h初速度下進行高附著路面制動時，需29.4 m的制動距離與1.36 s的制動時間，才可達到制動要求。

采用最佳滑移率Sopt為0.1的結冰路面作為低附著系數路面，在仿真過程中，設定車身的初速度v0為40 km/h，仿真時間為10 s，采樣時間為0.001 s。該路面ABS系統PID制動控制過程基本類似于高附著系數路面情況，并且不會出現車輪抱死問題，但制動距離增加到63.52 m。

3 結語

在分析模糊PID控制原理的基礎上，對模糊PID控制方案和控制變量進而對控制器進行了設計，給出了模糊PID控制器的仿真模型。對無ABS系統的高附著系數路面和有ABS系統的路面展開了仿真研究，得出了如下結論。

1)對于高附著系數路面條件下的制動過程，當車輛安裝ABS系統時，車輪不容易抱死，具有較高的制動強度和合適的制動距離；對于低附著路面而言，當車輛未安裝ABS系統時，制動過程中車輪較易抱死，并需要較長制動時間和較大的制動距離，易使車輛處于危險之中。

2)根據是否安裝ABS系統的車輛制動仿真過程可以發現，利用模糊PID控制可以使滑移率處于最佳滑移率范圍，從而使地面制動力處于峰值附著力區域，以此確保車輛的制動減速度能夠達到最大的制動強度，有效縮短制動距離。進行彎道制動時，由于車輪具有較大的側向附著系數，使車輛可以有效抵抗各類外界影響因素。

3)有ABS系統的車輛在高附著路面上具有優于低附著路面的穩定性及安全性，根據仿真結果可知，不管是否裝有ABS系統，這2種情況下的制動距離及時間相近，由此可見：ABS系統對于高附著系數路面條件下的車輛制動性能提升不太顯著；對于附著力較小的低附著系數路面上的制動過程，當車輛未安裝ABS系統時，車輪會快速發生抱死，當車輛裝有ABS系統時，則可以顯著提升制動性能，使制動距離與時間都獲得大幅降低，同時也延遲了車輪的抱死時間。因此，ABS系統在低附著系數路面上的作用要強于高附著系數路面，可確保車輛在低附著系數路面的制動安全。

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