ABS理论基础及Simulink仿真

1、1汽车汽车ABSABS理论及理论及SimulinkSimulink仿真仿真2012013 3年年5 5月月6 6日日1.ABS系统概述2.ABS技术的理论基础3.ABS控制目标4.ABS控制过程5.Simulink仿真1.ABS1.ABS系统概述系统概述1.1汽车防抱死制动系统（ABS）是用来在汽车制动过程中，防止车轮完全抱死，提高汽车在制动过程中的方向稳定性和 转向操纵能力，缩短制动距离的一种安全装置。1.2ABS的功能主要有以下三点：提高制动过程中汽车行驶的方向稳定性（侧向力系数大）；确保车辆在整个制动过程中始终具有转向能力（未抱死）；缩短制动距离；（注意：在碎石、冰雪等松散层路面上制动时

2、，安装有ABS的车辆制动距离反而会略大）.ABS.ABS技术的理论基础技术的理论基础2.12.1汽车制动时车轮的滑移率汽车制动时车轮的滑移率 汽车在制动过程中，车轮可能相对于路面发生滑移，滑移成分在车轮纵向运动中所占的比例可由滑移率来表征，车轮的滑移率可由下式确定：00100%yvrSv0vr当车轮在路面上作纯滚动时，车轮中心的纵向速度完全是由于车轮滚动产生的，此时 ,车轮与路面间没有滑移，故滑移率Sy=0；当车轮被制动到完全抱死在路面上作纯滑移时（即车轮不转），车轮中心的纵向速度完全是由于车轮滑移产生的，此时 ，滑移率Sy=100%；0当车轮在路面上边滚动边滑移时，车轮中心纵向速度的一部分是

3、由于车轮滚动产生的，另一部分是由于车轮滑移产生的，此时 ，故滑移率0Sy100%。0vr综上：车轮中心纵向速度中，车轮滑移所占的成分越高，滑移率Sy的数值就越大。0vr2.22.2路面制动力、制动器制动力和附着力之间的关系路面制动力、制动器制动力和附着力之间的关系aupFxbFTWrTFxbrTF1.路面制动力2.制动器制动力路面制动力是使汽车制动并减速行驶的外力，取决于两个摩擦副的摩擦力：一个是制动器制动力；另一个是附着力（路面制动力）。注：上式成立的条件是路面制动力不超过车轮与路面间的附着力制动器制动力相当于将汽车架离路面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力。

4、图2-2车轮制动受力图FzFOA段：车轮未抱死，地面制动力等于制动器制动力，且随制动踏板压力的增大按正比例增大；A点：此时地面制动力达到附着力，车轮抱死不转出现滑移现象。继续增大制动踏板制动力，制动器制动力仍按正比例增加即AB所示；若汽车所受垂直载荷不发生变化，地面制动力始终等于附着力，不再变化，即AC所示。FFFXbmaxapFXb=FF图2-2-1 路面制动力、制动器制动力及附着力的关系BCA附着力系数为路面附着力与垂直载荷之比；附着力系数的最大值为峰值附着系数（B点）；滑移率为100%时的附着力系数为滑动附着系数；侧向力附着系数：轮胎所受侧向力与相应轮胎的垂直载荷之比；制动防抱死装置就是

5、用来在制动过程中，使滑移率保持适当的数值（s=15%20%），使制动车轮同时获得较高的附着力系数和侧向力系数，改善汽车制动时的制动效能与方向稳定性；侧向图2-3 制动力和侧向力随滑移率的变化2.32.3附着力系数附着力系数3.ABS3.ABS控制目标控制目标由于滑移率不易直接测得，因此必须采用其他参数作为ABS的控制目标参数：uxb dwTF rIgxbFT第一目标参数：车轮角减速度根据力矩平衡方程，可得到车轮制动器制动力矩为：由上式可知，制动过程中，当超出地面最大附着极限时，地面制动力和地面制动力矩将会降低；而当 保持恒定时，将使车轮角加速度减少。由于地面提供的制动力矩 比车轮惯性力矩 大得

6、多，当地面附着系数 发生微小变化将会引起车轮角加速度的显著变化。因此，车轮的角减速度 可作为一个主要的ABS控制目标参数。uTxb dF rgg = Fuxb dwz dwTF rIrIggggwIgggFz图3-1 制动车轮上的力和力矩第二目标参数：相对滑移率 相对滑移率：根据每个车轮的实际转速，通过一定关系可推算出一个理想的参考车速，它对应于当前时刻的最佳附着情况。比较该参考车速与实际车轮转速，即可得出相对滑移率目标值； 有时也用车辆减速度作为第二个控制目标参数，为车轮角减速度提供参考，但采用这种方法需要在车中加一个加速度传感器。4.ABS4.ABS控制过程（高附着系数路面）控制过程（高附

7、着系数路面）第1段，驾驶员的作用使制动器管路压力增加，车轮角减速度增加，车轮线速度变化比车速变化更快；第2段，当车轮角加速度达到或小于某一门限值（-a），此时附着力接近最大值，制动压力保持在当前值不变；第3段，若车轮速度小于滑移率门限值s1对应的速度时，减小制动压力；第4段，若车轮角加速度再次达到门限值（-a）时，重新进入保压状态；第5段，尽管此时制动压力保持稳定，但车轮因惯性作用会进一步加速转动。若车轮角加速度超过门限值（+A），则再次升高制动压力；第6、7段，保持制动系统压力，使车轮角加速度在（+A）（+a）之间，然后慢慢增压，直至车轮角加速度再次达到门限值（-a）；第8段，本次循环以直接

8、减压结束，然后进入下一个循环。5.Simulink5.Simulink仿真仿真5.1动力学建模5.1.1单轮模型5.1.2分段线性的轮胎模型 用两段直线来近似表示路面附着滑移曲线，可得到分段线性化的附着系数与滑移率关系，如下图所示。uxb dwTF rIgxbFTFzgwxb duIF rTggwuwxbmaFS0=0.21.0hgSSSSSSOghOOghOh11Ss0 ss05.2控制算法 这里以门限值控制算法为例，说明ABS控制器设计及制动系统动力学的仿真过程。其基本思想是保证车轮滑移率在最理想的范围之内。 制动开始后，随着制动压力的升高，车轮转速相应减小，车轮出现滑移；当车轮滑移率达到

9、理想范围的上限值smax时，减小制动压力；随着制动压力的减小，滑移率又逐渐减小，直至减小到滑移率下限值smin时再增大制动压力。循环往复这一过程直至车辆停止。 因此，在ABS控制器起作用的过程中，滑移率总保持在理想的范围内，从而保证车辆的最佳制动性能及行驶方向控制的稳定性。5.3仿真流程及参数输入ABS控制器所用到的一些重要参数有：1）由路面附着系数与滑移率的关系曲线所表示的轮胎模型；2）滑移率控制上、下限；3）车辆模型参数及初始车速；图5-3 ABS控制流程图5.4实例分析h=0.8,g=0.8,smin=0.18,smax=0.22参数符号单位数值参数符号单位数值车轮质量mkg300初始角速度0Rad/s120车轮动力半径rdm0.25初始制动力矩Tb0Nm600车轮转动惯量IwKgm212采样时间TsS0.05初始车速w0m/s30表表5-4 5-4 单轮单轮ABSABS制动力学模型参数制动力学模型参数防止“除零”而采取的措施Bang-bang 控制器原理：0 , 10 , 1nnkEEU制动系液压管路：一阶惯性环节车轮角速度曲线绿色：车轮前进速度折算角速度蓝色：车轮实际角速度仿真曲线：ctrl=1，ABS制动滑移率曲线蓝色：实际滑移率制动距离滑移率曲线蓝色：