基于AMESim的防抱死制動系統控制研究

李冰林　呂立亞　趙奉奎　張涌

摘 要：為了提高ABS制動模型的準確性，提出液壓數值模擬的方法，并結合Simulink軟件環境，建立車輛單車輪ABS動力學模型。采用PID控制和有限狀態機相結合的控制方法，實現對ABS液壓系統的制動控制。應用AMESim與Simulink對系統進行聯合仿真，分析不同動力黏度的液壓油對ABS的影響。結果表明，所采用的控制策略能使車輪滑移率穩定在最佳滑移率0.2附近，實現了對ABS的有效控制;隨著液壓油動力黏度由0.725 Pa·s增加到1.425 Pa·s，制動距離由24.28 m增加到25.51 m，說明油液黏度增加會使制動距離加長。因此，所建立的車輛單車輪ABS動力學模型比線性化制動模型更能體現參數的特性變化，研究方法可應用于ABS液壓系統設計中的參數選擇與匹配。

關鍵詞：車輛工程;防抱死制動系統控制;液壓系統建模;有限狀態機;聯合仿真

中圖分類號：U463.54

文獻標識碼：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx02008

Abstract：In order to improve the accuracy of ABS braking model， a hydraulic numerical simulation method was proposed， and a single wheel ABS dynamic model was established by combining Simulink software. As for the control method， the combination of PID control and finite state machine method was used to realize the brake control of ABS hydraulic system. The influence of hydraulic oil with different dynamic viscosities on ABS was analyzed by AMESim and Simulink of simulation. The results show that the control strategy can stabilize the wheel slip ratio near the optimal slip ratio of 0.2， and realize the effective control of ABS. As the dynamic viscosity of hydraulic oil increases from0.725 Pa·s to 1.425 Pa·s， the braking distance increases from 24.28 m to 25.51 m， which indicates that the braking distance will increase with the viscosity of hydraulic oil. It can be seen that the dynamic model of single wheel ABS can reflect the change of parameters better than the linear braking model. The method proposed in the paper can be applied to parameter selection and matching in ABS hydraulic system design.

Keywords：vehicle engineering; ABS control; modeling of hydraulic system; finite state machine; joint simulation

ABS是非線性時變系統，難以建立完整準確的制動模型。液壓系統的元件和參數對整個系統的性能和動靜態特性非常關鍵，對其進行建模分析常采用傳統的傳遞函數、狀態空間等方法。這些建模通常會對液壓系統進行簡化，或者采用經驗的一、二階經驗模型，忽略了電磁閥彈簧的非線性因素及壓力傳送的延遲，使仿真都過于理想，與實際情況有偏差[1]。金智林等[2]對電子液壓制動系統的關鍵部件進行了建模，并用線性回歸理論對模型的參數進行了辨識，但是很少考慮液壓系統的固有特點，以及液壓油對系統的影響。目前針對ABS控制的大多數研究均基于制動力矩可以連續精確調節的假設[34]，這與實際情況不符。劉志強等[5]為了研究方便，將制動系統模型由液壓傳動系統和制動力矩兩部分組成，將液壓傳動系統簡化為一個電子閥環節和一個積分環節，這與真實的液壓系統存在較大的差別。張安靜等[6]討論了不同制動器的結構對制動性能的影響。針對ABS的控制算法，除了熟知的邏輯門限控制方法外，還有模糊控制、滑模變結構控制、主缸定頻調壓式控制等方法能實現對系統的控制[710]。對于ABS這些非線性時變特性，本文采用理論建模與數值建模相結合的方法，對ABS關鍵部件（ABS 液壓調節單元、真空助力器、制動主缸等）進行建模，同時建立整車動力學模型，組成一套制動系統動態仿真平臺。對于ABS的制動控制研究，采用有限狀態機理論，在Simulink中建立控制策略模型，利用該方法可以對控制策略進行驗證和改進，對條件不成熟還未實現的控制策略進行理論研究，為ABS控制系統實驗平臺建設提供理論基礎。本文最后也從另外的角度，分析了不同動力黏度的液壓油對于ABS制動性能的影響。

1 ABS的動力學模型

為便于分析，暫不考慮空氣阻力、車輪滾動阻力及加速阻力等因素，只考慮車體縱向運動和車輪轉動，可得二自由度模型[1112]。單輪車輛模型如圖1所示。

2 基于AMESim的ABS液壓系統建模

AMESim軟件內部包含有復雜的液壓元件和結構參數化模塊，可以對車輛動力學、液壓系統、制動系統進行建模、仿真及動力學分析。同時可以將Simulink控制系統仿真功能模塊與AMESim進行結合，對制動系統實現聯合仿真功能。ABS液壓模型主要包括制動主缸模型、ABS液壓調節單元模型和制動輪缸模型。

1）制動主缸模型

為了增加行駛的安全性，在現代汽車的雙回路制動系統中普遍采用串列雙腔主缸。本文采用了雙回路制動系統串列雙腔制動主缸模型，如圖2所示。

由圖可以看出，單輪車輛 ABS 液壓系統主要有真空助力器、制動主缸、制動輪缸、壓力控制閥、聯合仿真接口等組成。聯合仿真的接口模塊可利用Matlab/Simulink的控制模塊實現數據交換。

本文所用到的液壓系統參考已有車型上安裝的ABS系統，確定液壓系統模型中的參數（見表1）。

3 高速電磁閥的響應特性

高速開關電磁閥的響應特性主要由電氣環節與機械環節的響應特性組成，電氣環節的響應速度與機械環節響應速度的因素相比要小很多。而影響機械環節響應速度的因素主要有閥芯質量m和黏性阻力系數D[15]。選取m=0.02 kg，分別取D=10，15，20 N/（m2·s-1），閥芯開度響應結果如圖5所示，結果表明，隨著D的加大，系統響應速度變慢，超調量減少。

4 控制策略實現

在AMESim中已經建立了ABS液壓系統模型，車輛模型和控制策略在Matlab/Simulink環境下建立。

1） 單輪車輛模型

根據前述理論，在Simulink中搭建單輪ABS的動力學模型如圖6所示。

2）有限狀態機控制

根據有限狀態機理論，可以依據由一種狀態轉換至另一種狀態的條件，并將每對可轉換的狀態均設計出狀態遷移的事件，從而構造出狀態遷移圖。針對制動過程中出現的制動壓力增壓、保壓、減壓等過程的切換，采用有限狀態機理論對其進行事件驅動。

通過對輸入的偏差信號判斷，當Stateflow控制策略判斷后的結果滿足進入下一個邏輯狀態時，則進行跳轉。這樣，使系統在不斷加壓、減壓、保壓這3個狀態之間工作，通過調節制動器制動力使系統滑移率達到期望值。Stateflow控制策略流程如圖7所示。

圖8為單輪車輛ABS的Simulink仿真模型，采用PID控制器對實際滑移率與參考滑移率的偏差進行控制，通過狀態機對不同的輸出結果作出決定，選擇采取增壓、保壓或者減壓的動作來制動。

5 仿真結果分析

制動開始時，給定制動踏板400 N的踏板制動力。主缸活塞的壓力如圖9所示。初速度為60 km/h，汽車的1/4質量為300 kg，車輪轉動慣量為2.2，車輪半徑為0.3 m，在路面進行仿真，得到的滑移率、車輪轉速、車身速度的變化曲線如圖10—圖11所示。由圖可知，系統達到了期望的最佳滑移率（0.2），同時，輪速很好地跟蹤了車速，達到了理想控制狀態，驗證了控制算法的正確性。同時，對不同動力黏度下的制動分析，隨著動力黏度的增加，制動距離也相應增加，這表明黏度增加使系統的響應變慢。

液壓油的動力黏度分別為u=0.725，1.025，1.425 Pa·s時，制動距離分別為24.28，24.72，25.51 m，制動時間也隨著動力黏度的增加而相應增加（如圖12所示）。這表明，制動液壓油的黏度會使ABS系統的響應時間延遲。

制動器的制動力矩如圖13所示。隨著液壓油動力黏度的增加，制動力矩大小上升偏緩慢，同時也使得相應的制動距離增加。

6 結 語

為了獲得更精確的ABS數學模型，采用數值模擬的方法建立了液壓系統模型，并結合PID與有限狀態機相結合的方法對防抱死制動系統實現控制，得到以下結論。

1）制動液壓油的黏度會影響系統高速電磁閥的響應，隨著油液黏度的加大，系統響應速度變慢，超調量減少。當液壓油動力黏度由0.725 Pa·s增加到1.425 Pa·s，ABS的制動力矩上升速度減慢，同時對應的制動距離由24.28 m增加到25.51 m。

2）所采用的控制方法能使輪速很好地跟蹤車速，車輪滑移率穩定在最佳滑移率0.2附近，實現了對ABS的有效控制，驗證了控制方法的可行性。

論文只研究了車輛單輪的防抱死制動情況，當汽車的每個輪胎都采取相同的控制策略時，對整車的控制穩定性、操縱性的影響值得進一步研究。

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