基于CARSIM的车辆ABS控制系统仿真研究Word格式.docx
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主动安全是在汽车设计上尽量避免交通事故的发生，被动安全是假设交通事故已经发生，汽车在设计时应采取何措施尽量保护乘员不受伤害。
ABS属于主动安全的范畴[1]，它是在制动过程中通过调节制动轮缸的压力使作用于车轮的制动力矩受到控制，将车轮的滑移率控制在较理想的范围内，充分利用了轮胎与地面的峰值附着系数和高的侧向力系数，提高制动减速度，缩短制动距离，消除汽车打滑的危险，从而保证了汽车的方向稳定性。
我们知道，在紧急情况下，驾驶员首先的本能是猛踩制动踏板，以使汽车停车。
此时如果没有装备ABS，车轮将很快抱死，即车轮不再转动，而是在路面上拖滑。
后轮抱死将使汽车失去方向稳定性，而前轮抱死则将使汽车失去转向控制.随着汽车行驶速度的显著提高和道路行密度的增大，交通事故的发生率逐年呈上升趋势，有数据统计，每年有10%左右的交通事故是由于紧急制动时汽车失稳造成的[2]，所以全方位、可靠地提高汽车的主动安全性能就成为摆在汽车设计、开发及科研人员面前一项紧迫而艰巨的任务.而基于汽车轮胎与路面之间的附着性能随滑移率改变的基本原理开发的旨在改善车辆操纵性和横向稳定性的一些高技术系统，包括防抱制动系统（Anti-lockbrakingsystem,缩写为ABS）、防滑控制系统（Anti-SlipRegulation,缩写为ASR）和车辆动力学稳定性控制（VehicleDynamicsStabilityControlSystem，缩写为VDSC）,更是受到汽车制造商的青睐和厚爱。
为了有效地减少交通事故，装用ABS,ASR和VDSC是必要的手段，这已为国外的经验所证明。
随着我国加入WTO，作为我国整个机械工业科技水平代表的汽车工业将面临入关后的严峻考验，为了缩小和国外汽车工业的差距，同时为我们在激烈的汽车市场竞争中争得一席之地，必须在涉及汽车主动安全性技术方面进行深入研究。
因此进行本论文对ABS进行了较为深入的研究，是具有一定的现实意义的。
1.2ABS研究现状
1.2.1国外现状
国外许多著名ABS生产厂商从传感器、制动器、控制器软硬件等方面着手，并一直致力于已有ABS品牌性能的进一步提高，争取在技术上获得领先。
目前的研究主要包括:
1）利用软件来补偿轮速传感器测量误差（由传感齿轮的制造、安装误差及腐蚀所引起），以提高轮速信号测量精度;
2）将体积小、重量轻、性能可靠、成本低廉的微电子装置应用于ABS中，以测量车辆运行速度；
3）将路面探测装置用于轮胎路面间摩擦的实时估计；
4）建立液压ABS制动系统精确的数学模型，并结合Navier-Stokes流量方程[2]，对ABS作用时制动管路的瞬态压力进行分析，以寻求减小制动管路压力波动的措施；
5）将一些具有鲁棒性[3]的控制算法应用于ABS控制逻辑的设计中，以适应车辆参数、载荷和路面状况的变化；
6）在控制器软件设计中考虑了充气不足轮胎的影响，即在不附加任何硬件的情况下，设计了轮胎气压监视程序。
1.2.2国内现状
在我国利用仿真软件对汽车ABS控制系统的仿真研究进展较国外技术起步虽然比较晚，但是发展的速度比较快。
汽车防抱死制动系统（ABS）是[4]国家十五规划中重点发展的汽车电子产品，它的主要作用就是在汽车紧急制动时，防止车轮抱死，提高汽车紧急制动的稳定性和方向可控性，缩短制动距离，延长轮胎的使用寿命。
目前，国内研究ABS仿真技术的院校及机构很多，如：
（1）泛亚汽车技术中心车辆安全试验室
泛亚汽车技术中心车辆安全试验室[5]正式落成并已投入使用，成为目前国内投资规模最大、最具国际先进水平的整车安全研发设施。
在泛亚汽车技术中心整车安全试验室中的行人保护试验项目中，利用CARSIM等仿真软件模拟ABS控制系统进行避让行人的试验，来进一步提升泛亚整车安全开发的能力，实现泛亚对路人人身安全保护的承诺。
（2）以郭孔辉院士为代表的吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室
郭孔辉院士是中国工程院首批院士。
目前，该实验室也已经投入到ABS开发的理论和实验研究，在汽车ABS混合仿真试验台的开发与研究中也颇有成就。
该实验室研究成果很多，其大部分成果对国内其他ABS研究机构、ABS开发厂家有很大的指导意义和可借鉴性。
（3）济南程军电子科技公司
以ABS专家程军为代表的济南程军电子科技公司[6]对ABS控制算法研究颇深，著有《汽车防抱死制动系统的理论与实践》等专著几本，专门讲述ABS控制算法，是国内ABS开发人员的必备资料之一。
另外，他们在基于MATLAB仿真环境实现防抱死控制逻辑模拟研究方面也颇有研究。
1.3ABS的发展趋势
随着车辆动力学与控制理论研究的不断深入，以及计算机技术、传感器技术、液压技术和通讯技术的不断发展，可以预测ABS技术将向以下几个方向发展。
（1）减少体积和重量，降低成本
ABS正在向小型车普及，但作为附加的安全装置，它会增加整车的重量并占据安装空间，因此要求其体积和重量尽可能小。
减小ABS体积的主要途径有优化结构设计（如减小压力调节器）及增加集成度。
目前，经过优化的ABS己可将主缸、压力调节器和电控单元集成为一体，从而大大减小了体积和成本。
（2）控制方法的优化
虽然ABS已经作为一项成熟的技术得到广泛的应用，但在控制方法上一直没有取得较大的突破。
目前得到广泛应用的是采用逻辑门限值控制算法的ABS。
其缺点是控制逻辑比较复杂，调试困难，控制也不够稳定。
另外，开发完成的ABS装置对各类车型的互换性不好。
没有一个统一的ABS性能评价指标，控制方法的优劣只能凭经验和一些参数进行比较。
所以对控制逻辑的评价和优化是目前ABS的研究热点[7]。
（3）实现多功能集成控制
由于技术的不断改进，ABS的功能在不断加强。
ABS的作用是通过控制汽车的纵向制动力来使汽车在制动过程中保持最佳的纵向附着系数和较好的横向附着系数，从而提高汽车的制动性能、方向稳定性和操纵性。
与此相类似的是汽车驱动防滑系统（ASR），其作用是防止汽车在加速过程中打滑，以保证汽车加速时的方向稳定性、操纵性，其控制机理仍然是通过控制纵向滑移率来控制纵向力，可见，ABS和ASR是密切相关的，因此常将它们结合在一起使用，构成行使安全系统。
这样，它们可共用许多电子元件和系统部件来控制汽车车轮的运动，电子控制和保护装置都被装在同一个壳体内。
（4）建立有效的ABS性能评价指标和检测手段
目前，ABS的性能评价只有通过道路试验进行评价，没有统一的评价指标，缺乏全面系统的室内在线检测技术和设备，这样对ABS的生产质量控制带来不便。
每套ABS产品都要经过道路试验来检验，通过路试来判断比较两个或多个ABS产品的优劣，造成了人力和物力的严重浪费。
面对市场目前越来越大的需求量，开发ABS产品室内检测技术与装置，规范ABS产品质量评价指标显得十分迫切。
1.4本文主要研究内容
CarSim是汽车动力学仿真软件。
本文采用CarSim软件对汽车ABS控制系统进行仿真研究，建立能够适用于轻型轿车的ABS控制系统模型，来分析汽车滑移率对汽车ABS控制系统的影响。
采用CarSim软件建立车辆在干燥的混凝土路面，湿滑的土路面，压紧的雪路面三种路况下，以及在不同车速下的仿真模型，对车辆ABS控制系统的制动距离，车轮滑移率，车速和轮速等指标进行研究和分析。
第2章ABS工作原理和基本结构
2.1ABS的工作原理
当对行驶着的汽车施加适当的制动力时，汽车就会平稳地停住。
这是因为制动过程中在轮胎和路面之间产生了与前进方向相反的摩擦力。
对正在旋转的车轮施加制动，随着制动压力的升高，在与轮速旋转相反的方向上将产生地面制动力矩，轮速开始减小，随着制动力的增加，车轮开始产生滑移，车轮滚动的成份越来越少，而滑动的成份越来越多，一般用滑移率S来描述制动时车轮的滑移程度，通常定义为：
（2.1）
式中，V--汽车行驶速度;
S--滑移率；
ω--车轮的转动角速度。
ABS的产生离不开前人对路面特性的研究。
随着人们对轮胎与路面间的互相作用机理和轮胎动力学认识的不断加深，在研究中得到了如图2.1所示的路面附着系数µ
与车轮滑移率S的关系。
在轮胎和地面的接触面上还存在着另一个摩擦力，它作用在车轮的侧向，称为侧向附着力。
侧向附着力越大汽车的方向稳定性就越好。
汽车在转弯时，转动方向盘使车轮产生一个转角，相应的产生了侧向附着力，使汽车持续曲线运动。
决定侧向附着力大小的摩擦系数称为侧向附着系数，侧向附着系数随滑移率的增大而减小。
图2.1车轮滑移率与路面附着系数的关系
由图2.1可知，随着制动力的增加，车轮的滑移率也在不断增加，随着滑移率S的增加，纵向附着系数会达到一个峰值点µ
h，其对应的滑移率为Sc。
当滑移率继续增加到Sc时，纵向附着系数开始减小，当S=100％时，即车轮抱死拖滑，纵向附着系数降低到最小值µ
g，这时地面制动力最小，导致制动距离增加。
由图2.1可看出，随着滑移率的增加，侧向附着系数在不断减小，当S=l00％时，汽车抗侧向干扰的能力接近于零。
在传统制动的情况下，汽车紧急制动时极易发生车轮抱死，即滑移率S=100％，这样不但没有充分利用路面提供的纵向附着力，导致制动距离加长，而且更为严重的是，此时侧向附着系数非常小，抗侧滑能力非常低，也几乎丧失了转向能力。
如果汽车此时受到很小的侧向干扰（如汽车重力的横向分力、路面不平整产生的横向力、横向风力等），就有可能使汽车发生侧向滑动，跑偏或者甩尾掉头等危险工况。
另外，如果制动时车轮经常抱死，会加剧轮胎的摩损，大大降低轮胎的使用寿命[8]。
汽车ABS通过自动调节制动力矩,使滑移率保持在最佳滑移率Sc附近，充分利用了轮胎与路面的附着能力，提高了制动性能，缩短了制动距离，同时又保持了较大的侧向附着系数，提高了汽车的抗侧滑能力和转向能力，防止制动过程中侧滑、跑偏和甩尾现象的发生，保证制动时的安全性，减少交通事故的发生。
2.2ABS装置的基本组成
汽车防抱死制动系统由轮速传感器、电子控制单元和制动压力调节器三部
分组成。
见图2.2。
图2.2ABS基本结构
车轮转速传感器实时地检测车轮状态信号，并把车轮信号传给ECU,ECU通过计算判断后，发送一个控制信号给制动压力调节器，制动压力调节器调节轮缸压力对车轮进行控制，从而控制车轮不抱死且处于最佳状态。
2.2.1车轮转速传感器
车轮转速传感器（简称为轮速传感器）是ABS中最主要的一个传感器，其作用是对车轮的运动状态进行检测，获得车轮转速信号。
目前用于ABS系统的轮速传感器主要有磁电式轮速传感器和霍尔式轮速传感器两种类型[9]。
磁电式传感器是利用电磁感应原理，将物体转动速度转换成感应电势来测量车轮速度的。
在电控防抱制动系统中使用的传感器，多数为磁电式轮速传感器[10]。
它虽然结构简单、成本低，但存在以下缺点:
（1）输出信号的大小随转速的变化而变化，若车速过慢，其输出信号低于1V,电脑就无法检测。
（2）频率响应不高，当转速过高时传感器的频率响应跟不上，容易产生错误信
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