制动系统建模.docx
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制动系统建模
制动系统仿真、建模及ABS控制器设计
学生：
何渝
学号：
***********
班级：
车辆二班
老师：
***
制动系统仿真、建模及ABS控制器设计
随着科学技术的进步和人们物质生活水平的提高，人类社会对汽车的安全性，特别是制动安全性能提出了越来越高的要求。
汽车防抱死制动系统（ABS）是一种在制动时能够自动调节车轮制动力，防止车轮抱死以取得最佳制动效果的制动系统。
该系统能够有效的缩短制动距离、提高制动时的方向稳定性，对汽车的行驶安全具有重要的意义。
总之，研究结果可以看出逻辑门限值方法用于汽车防抱死制动系统不仅具有理论意义，而且具有实用价值，是一种简单、方便、具有较好操纵性、制动性，并且有较好适应性的方法。
进一步的研究工作一定要继续开展下去。
制动系统是使汽车的行驶速度可以强制降低的一系列专门装置。
制动系统主要由供能装置、控制装置、传动装置和制动器4部分组成。
制动系统的主要功用是使行驶中的汽车减速甚至停车、使下坡行驶的汽车速度保持稳定、使已停驶的汽车保持不动。
功用
·汽车制动系统功用
1）保证汽车行驶中能按驾驶员要求减速停车
2）保证车辆可靠停放
3）保障汽车和驾驶人的安全
类型
1．按功用分：
行车制动系驻车制动系辅助制动系
1）行车制动系——是由驾驶员用脚来操纵的，故又称脚制动系。
它的功用是使正在行驶中的汽车减速或在最短的距离内停车。
2）驻车制动系——是由驾驶员用手来操纵的，故又称手制动系。
它的功用是使已经停在各种路面上的汽车驻留原地不动
3）第二制动系——在行车制动系失效的情况下，保证汽车仍能实现减速或停车的一套装置。
在许多国家的制动法规中规定，第二制动系也是汽车必须具备的。
制动系统
4）辅助制动系——经常在山区行驶的汽车以及某些特殊用途的汽车，为了提高行车的安全性和减轻行车制动系性能的衰退及制动器的磨损，用以在下坡时稳定车速。
2．按制动能量传输分：
机械式、液压式、气压式、电磁式、组合式。
3．按回路多少分：
单回路制动系、双回路制动系。
4．按能源分：
人力制动系、动力制动系、伺服制动系。
1）人力制动系——以驾驶员的肌体作为唯一的制动能源的制动系。
2）动力制动系——完全靠由发动机的动力转化而成的气压或液压形式的势能进行制动的制动系。
3）伺服制动系——兼用人力和发动机动力进行制动的制动系。
⑴按制动系统的作用分类
制动系统可分为。
用以使行驶中的汽车降低速度甚至停车的制动系统称为行车制动系统；用以使已停驶的汽车驻留原地不动的制动系统则称为驻车制动系统；在行车制动系统失效的情况下，保证汽车仍能实现减速或停车的制动系统称为应急制动系统；在行车过程中，辅助行车制动系统降低车速或保持车速稳定，但不能将车辆紧急制停的制动系统称为辅助制动系统。
上述各制动系统中，行车制动系统和驻车制动系统是每一辆汽车都必须具备的。
⑵按制动操纵能源分类
制动系统可分为人力制动系统、动力制动系统和伺服制动系统等。
以驾驶员的肌体作为唯一制动能源的制动系统称为人力制动系统；完全靠由发动机的动力转化而成的气压制动系统或液压形式的势能进行制动的系统称为动力制动系统；兼用人力和发动机动力进行制动的制动系统称为伺服制动系统或助力制动系统。
⑶按制动能量的传输方式分类
制动系统可分为机械式、液压式、气压式、电磁式等。
同时采用两种以上传能方式的制动系称为组合式制动系统。
组成
1．供能装置：
包括供给、调节制动所需能量以及改善传动介质状态的各种部件
2．控制装置：
产生制动动作和控制制动效果各种部件，如制动踏板
3．传动装置：
包括将制动能量传输到制动器的各个部件如制动主缸、轮缸
4．制动器：
产生阻碍车辆运动或运动趋势的部件
制动系统一般由制动操纵机构和制动器两个主要部分组成。
ABS防抱
ABS是英文Anti-lockBrakingSystem[2] （防抱死刹车系统）的缩写。
据统计，汽车突然遇到情况踩刹车时，百分之九十以上的驾驶者往往会一脚将刹车踏板踩到底来个急刹车，这时候的车子十分容易产生滑移并发生侧滑，即人们俗称的“甩尾”，这是一种非常容易造成车祸的现象。
造成汽车侧滑的原因很多，例如行驶速度，地面状况，轮胎结构等都会造成侧滑，但最根本的原因是汽车在紧急制动时车轮轮胎与地面的滚动摩擦会突然变为滑动摩擦，轮胎的抓地力几乎丧失，此时此刻驾驶者尽管扭动方向盘也会无济于事。
针对这种产生侧滑现象的根本原因，汽车专家就研制出车用ABS这样一套防滑制动装置。
以前消费者买车，都把有没有ABS作为一个重要指标。
随着技术的发展，目前，中国绝大部分轿车已经将ABS作为标准配置。
但对于ABS的认识以及如何正确使用，很多驾驶员还不是很清楚，甚至还出现了一些对ABS的误解。
一些驾驶员认为ABS就是缩短制动距离的装置，装备ABS的车辆在任何路面的制动距离肯定比未装备ABS的制动距离要短，甚至有人错误地认为在冰雪路面上的制动距离能与在沥青路面上的制动距离相当；还有一些驾驶员认为只要配备了ABS，即使在雨天或冰雪路面上高速行驶，也不会出现车辆失控现象。
ABS并不是如有些人所想的那样，大大提高汽车物理性能的极限。
严格来说，ABS的功能主要在物理极限的性能内，保证制动时车辆本身的操纵性及稳定性。
同时，在加速的时候，也能防止轮胎的纯滑移，提高了加速性能和操作稳定性。
通过两自由度单轮模型为例，介绍在MATLAB环境下的控制系统力学建模、ABS控制器设计及仿真分析过程。
1.动力学建模
某车辆简化后的制动力学模型如右图所示。
其中单轮模型质量m，车轮滚动半径rd，车轮转动惯量为Iw，车辆旋转角速度为ω，车轮轮心前进速度为uw，地面制动力为Fxb。
作用于车轮的制动力矩为Tb。
若忽略空气阻力与车轮滚动阻力，则系统的运动方程如下：
（1）
（2）
式中，地面制动力Fxb等于地面作用于车轮的法向反力Fx与路面附着系数μ的乘积，其中μ为制动滑移率Sb的函数。
2.分段线性的轮胎模型
根据第三章中介绍的有关轮胎纵向特性的内容，路面附着系数与车轮滑移率之间存在一定的非线性关系。
如果用两段直线近似表示路面附着-滑移曲线，可得到分段线性化的附着系数μ与车辆滑移率sb的关系（即所谓的“Dugoff”模型），如下图所示。
其表达式如下：
（3）
式中，μb为峰值附着系数；μg为车轮完全抱死时（即Sb=1）时的路面附着系数；So为峰值附着系数所对应的滑移率。
图2线性化的路面附着系数与车轮滑移率关系曲线
3.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力学的仿真过程。
采用门限制控制算法的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ω相应减小，车轮出现滑移；当车轮滑移率达到理想范围上限值Smax时，减小制动压力；随着制动压力的减小，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，滑移率总是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。
4.仿真流程及参数输入
由上可知，ABS控制器所用到的一些控制参数有：
1）由路面附着系数μ与滑移率Sb的关系曲线所表示的轮胎模型；
2）滑移率控制上限Smax、下限Smin；
3）车辆模型参数及初始车速μωo；
4）制动器油压增长率ki和减小率kd等。
根据分析可知，控制逻辑实现的关键是计算当前车轮滑移率Sb（t）并与预先确定的上限值（Smax，Smin）进行比较，来判断对制动液压控制系统的增压或减压操作，控制流程如图3所示。
图3仿真流程
5.实例分析
单轮制动动力模型参数由表1给出。
设式图2定义的路面附着系数分别为μh=0.8，μg=0.6.以门限值控制算法设计ABS控制器，使车轮滑移率Sb保持在最优值（Sopt附近），这里令Smin=0.18，Smax=0.22。
根据表1给出的模型参数及附着系数，按照图3所示的控制流程采用m语言编制仿真程序。
需要指出的是，表1给出的制动系统控制参数仅作为参考，系统设计过程中可根据需要适当调整，已获得满意的结果。
表1单轮ABS制动力学模型参数
参数
符号
单位
数值
车轮质量
300
车轮动力半径
0.25
车轮转动惯量
12
初始车速
30
初始角速度
120
初始制动力矩
600
制动油压增长率
4500
制动油压减小率
5000
采样时间
0.05
5.MATLAB仿真过程
图4MATLAB文件编辑调试窗口
点击MATLAB指令窗工具条上的NewFile图标，打开如图4所示的MATLAB文件编辑调试器，其窗口名为untitled1，我们可在空白窗口中编写程序。
输入如下一段程序：
m=300;%车轮质量
rd=0.25;%车轮动力半径
Iw=12;%车轮转动惯量
vwo=30;%初始车速
wo=120;%初始角速度
Tbo=600;%初始制动力矩
ki=4700;%制动油压增长率
kd=5000;%制动油压减少率
ts=0.05;%采样时间
i=1;%设置数组变量
w
（1）=wo;%设置角速度变量
v
（1）=vwo;%设置车速变量
Tb
（1）=Tbo;%设置制动压力变量
whilev（i）>0%如果车速大于零，则ABS工作
sb（i）=abs（（v（i）-rd*w（i））/v（i））;%计算当前滑移率
ifsb（i）<=0.2%根据路面附着系数与滑移率的关系曲线计算附着系数
u=0.8*sb（i）/0.2;
else
u=（0.8-0.6*0.2）/（1-0.2）-（0.8-0.6）*sb（i）/（1-0.2）;
end
Fxb=u*m*9.8;%根据附着系数计算地面制动力
ifsb（i）>0.22%滑移率大于上限，制动器减压
Tb（i+1）=Tb（i）-ts*kd;
end
if（sb（i）<=0.22）&（sb（i）>=0.18）%滑移率处于上下限范围内，制动器保压
Tb（i+1）=Tb（i）;
end
ifsb（i）<0.18%滑移率小于下限，制动器增压
Tb（i+1）=Tb（i）+ts*ki;
end
v2（i）=w（i）*rd;%计算车轮线速度
v1（i）=Fxb/m;%计算车轮加速度
v（i+1）=v（i）-v1（i）*ts;%计算下一采样周期的车轮前进速度
w（i+1）=w（i）+ts*（Fxb*rd-Tb（i+1））/Iw;%计算下一采样周期的车轮角速度
i=i+1;%数组变量增加
end
x=0:
i-2;%绘制ABS控制的滑移率时域结果
plot（x,sb）;
点击编辑调试器工具条的图标
，在弹出的“保存为”对话框中，选择保存文件夹，键入新编文件名carabs，点动保存键，完成文件保存。
使carabs.m所在目录成为当前目录或让该目录处在MATLAB的搜索路径上，如该文件放在G盘，则在MATLAB主菜单中应出现：
点击编辑调试器工具条的debug菜单，选择run指令，运行carabs文件，可得到图5：
图5ABS控制的滑移率时域仿真结果
修改carabs.m文件，输入以下指令：
v2（i）=0;
x=0:
i-1;
plot（x,v,x,v2）;
运行后得到图6：
图6车轮前进速度与车轮线速度关系曲线
结 论
试验表明，基于MATLAB/Simulink和dSPACE开发的汽车ABS控制器，通过半实物仿真获得了满意的效果。
利用MATLAB/Simulink开发中央节点过程中所需编写的代码少，模型参数的修改、代码的生成及下载非常方便。
开发的ABS控制器能够满足车辆的实际要求，可以在实车上使用。
本文最终实现用dSPACE软件模拟PWM波，来实现对继电器电路至电磁阀的控制从而实现车轮的抱死与张开。
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