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课程设计说明书讲解

汽车电子课程设计说明书

ABS建模与仿真

姓名:

罗翊

学号:

3120401204

班级:

车卓1201

学院:

汽车学院

第1章ABS防抱死系统简介和本课题意义

1.1工作原理

在制动时，ABS根据每个车轮速度传感器传来的速度信号，可迅速判断出车轮的抱死状态，关闭开始抱死车轮上面的常开输入电磁阀，让制动力不变，如果车轮继续抱死，则打开常闭输出电磁阀，这个车轮上的制动压力由于出现直通制动液贮油箱的管路而迅速下移，防止了因制动力过大而将车轮完全抱死。

在让制动状态始终处于最佳点（滑移率S为20%），制动效果达到最好，行车最安全。

在制动总泵前面腔内的制动液是动态压力制动液，它推动反应套筒向右移动，反应套筒又推动助力活塞从而使制动踏板推杆向右移。

因此，在ABS工作地时候，驾驶员可以感觉到脚上踏板地颤动，听到一些噪音。

汽车减速后，一旦ABS电脑检测到车轮抱死状态消失，它就会让主控制阀关闭，从而使系统转入普通的制动状态进行工作。

如果蓄压器的压力下降到安全极限以下，红色制动故障指示灯和琥珀色ABS故障指示灯亮。

在这种情况下，驾驶员要用较大的力进行深踩踏板式的制动方式才能对前后轮进行有效的制动。

1.2ABS的功用及工作过程

1）功用：

①充分发挥制动器的效能，缩短制动时间和距离。

②有效防止紧急制动时车辆侧滑和甩尾，具有良好的行驶稳定性。

③可以在紧急制动时转向，具有良好的转向操纵性。

④可避免轮胎与地面的剧烈摩擦，减少轮胎的磨损。

2）工作过程

在ABS中，每个车轮上各安置一个转速传感器，将关于各车轮转速的信号输入电子控制装置。

电子控制装置根据各车轮转传感器输入的信号对各个车轮的运动状态进行监测和判定并形成相应的控制指令。

各处液压电磁阀均不通电而处于关闭状态，电动泵也不通电运转，制动主缸至各制动轮缸的制动管路均处于沟通状态，而各制动轮缸至储液器的制动管路均处于封闭状态，各制动轮缸的制动压力将随制动主缸的输出压力而变化，此时的制动过程与常规制动系统的制动过程完全相同。

在制动过程中，电子控制装置根据车轮转速传感器输入的车轮转速信号判定有车轮趋于抱死时，ABS就进入防抱死制动压力调节过程。

例如，电子控制装置判定右前轮趋于抱死时，电子控制装置就使控制右前轮制动压力的进液电磁阀通电，使右前进液电磁阀转入关闭状态，制动主缸输出的制动液不再进入右前制动轮缸，电子控制装置就使右前进液电磁阀和出液电磁阀都断电，使进液电磁阀转入开启状态，使出液电磁阀转入关闭状态，同时也使电动泵通电运转，向制动轮缸送制动液，由制动主缸输出的制动液和电动泵泵送的制动液都经过处于开启状态的右前进液电磁阀进入右前制动轮缸，使右前制动轮缸的制动压力迅速增大，右前轮又开始减速转动。

ABS通过使趋于抱死车轮的制动压力循环往复地经历保持—减小—增大过程，而将趋于抱死车轮的滑动率控制在峰值附着系数滑动率的附近范围内，在该ABS中对应于每一个制动轮缸各有一对进液和出液电磁阀，可由电子控制装置分别进行控制，因此，各制动轮缸的制动压力能够被独立地调节，从而使四个车轮都不发生制动抱死现象。

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1.3ABS发展历史及应用现状

1）ABS发展的历史：

ABS技术于1920年研制发明，早在20世纪30年代，ABS就已经在铁路机车的制动系统中应用，目的是防止车化在制动过程中抱死，导致车轮与钢轨局部急剧摩擦而过早损坏。

1936年德国博世公司取得了ABS专利权。

它是由装在车轮上的电磁式转速传感器和控制液压的电磁阀组成，使用开关方法对制动压力进行控制。

目前，国际上ABS在汽车上的应用越来越广泛，已成为绝大多数类型汽车的标准装备。

北美和西欧的各类客车和轻型货车ABS的装备率已达90%以上，轿车ABS的装备率在60%以左右，运送危险品的货车ABS的装备率为100%。

1.4发展趋势

今天，ABS/ASR已经成为欧美和日本等发达国家汽车的标准设备。

车辆制动控制系统的发展主要是控制技术的发展。

一方面是扩大控制范围、增加控制功能；另一方面是采用优化控制理论，实施伺服控制和高精度控制。

在第一方面，ABS功能的扩充除ASR外，同时把悬架和转向控制扩展进来，使ABS不仅仅是防抱死系统，而成为更综合的车辆控制系统。

制动器开发厂商还提出了未来将ABS/TCS和VDC与智能化运输系统一体化运用的构想。

随着电子控制传动、悬架系统及转向装置的发展，将产生电子控制系统之间的联系网络，从而产生一些新的功能，如：

采用电子控制的离合器可大大提高汽车静止启动的效率；在制动过程中，通过输入一个驱动命令给电子悬架系统，能防止车辆的俯仰。

在第二个方面，一些智能控制技术如神经网络控制技术是现在比较新的控制技术，已经有人将其应用在汽车的制动控制系统中。

ABS/ASR并不能解决汽车制动中的所有问题。

因此由ABS/ASR进一步发展演变成电子控制制动系统（EBS），这将是控制系统发展的一个重要的方向。

但是EBS要想在实际中应用开来，并不是一个简单的问题。

除技术外，系统的成本和相关的法规是其投入应用的关键。

经过了一百多年的发展，汽车制动系统的形式已经基本固定下来。

随着电子，特别是大规模、超大规模集成电路的发展，汽车制动系统的形式也将发生变化。

如凯西-海斯（K-H）公司在一辆实验车上安装了一种电-液（EH）制动系统，该系统彻底改变了制动器的操作机理。

通过采用4个比例阀和电力电子控制装置，K-H公司的EBM就能考虑到基本制动、ABS、牵引力控制、巡航控制制动干预等情况，而不需另外增加任何一种附加装置。

EBM系统潜在的优点是比标准制动器能更加有效地分配基本制动力，从而使制动距离缩短5%。

一种完全无油液、完全的电路制动BBW（Brake-By-Wire）的开发使传统的液压制动装置成为历史。

1.5课题意义

有助于我们了解汽车安全系统的理论原理和运行方式。

进一步理解汽车在制动过程中的细节，从而可以进一步加深对汽车行驶过程中不同路面不同状况下对轮胎和车身的认识。

第2章物理模型及数学模型的搭建

2.1制动系统物理模型

2.1.1普通制动系统物理模型

汽车在无ABS制动时，踏板所施加的力矩通过主缸全部作用在轮胎上，这个制动力矩与制动器扭矩一致，同时车轮受到地面的切向反作用力，即为制动力Fx，制动力迫使车轮产生一定的减速度。

制动力越大，车轮的减速度也越大。

具体物理模型如下图

 普通制动系统物理模型

2.1.2有ABS制动系统物理模型

ABS的工作原理是将车轮滑移率控制在最佳滑移率Sc附近，其物理模型如图2.2。

由物理模型我们可知：

ABS制动系统是通过制动压力调节装置来完成的，如

图2.2有ABS制动系统物理模型

图2.2所示，压力调节单元一般是在由总泵和制动分泵组成的传统制动系统基础上，增加以下主要零部件组成，包括：

截止或节流环节、储油池、马达、泵、电磁阀等。

车轮制动时，踏板施加的制动力经过电控单元后传到压力调节单元，压力调节单元通过控制常开阀和常闭阀的开关状态来调节制动力的增减，使制动力与附着系数相适应，防止车轮被抱死。

2.2ABS的动力学建模

汽车防抱死制动系统的数学模型由车辆动力学模型、轮胎模型、制动系统模型、滑移率模型和控制系统模型5部分组成。

2.2.1车辆动力学模型

汽车车辆动力学模型根据牛顿力学建立各个刚体的运动学方程，由于应用的目的不同，各种模型的繁简程度也不相同。

目前，常用的车辆模型主要有单轮车辆模型、双轮车辆模型以及四轮车辆模型。

以经典的单轮车辆模型为例，并假设：

车轮载荷为常数；忽略迎风阻力和车轮滚动阻力。

车辆受力分析如图2所

示，由此可得车辆动力学方程：

车辆运动方程：

Mv=P

（1）

车轮运动方程：

Iω=FR－Tb

（2）

车辆纵向摩擦力：

F=μN（3）

式中，M为1/4车辆的质量，kg；v为车辆行驶速度，m/s；F为纵向摩擦力，N；I为车轮的转动惯量，kg·m2；ω为车轮角速度，rad/s；R为车轮行驶半径，m；Tb为制动器制动力矩，N·m；μ为纵向附着系数；N为地面支持力，N。

根据式

（1）、

（2）、（3）建立相应的Simulink仿真模型，输入为制动力和纵向附着系数，输出为车辆速度、车轮转速及制动距离，仿真模型如图3所示。

图3车辆动力学仿真模型

2.2.2轮胎模型

轮胎模型是指制动过程中轮胎附着力和其它各种参数之间的函数关系式，通常用轮胎附着系数与各种参数的函数关系式来表示。

而影响附着系数的因素很多，除滑移率外，还包括道路的材料、路面的状况与轮胎的结构、胎面花纹、材料以及汽车运动速度等。

但在实际应用中，很难得出上述多种变量对附着系数影响的关系式，而较为实际与合理的办法是只考虑对附着系数影响较大的因素，建立附着系数的计算表达式。

采取应用比较广泛的双线性模型。

图4纵向附着系数—滑移率双线性曲线

可推导出双线性轮胎模型的数学表达式：

建立双线性轮胎模型的仿真模型，如图5所示。

图5双线性轮胎模型

2.2.3制动系统模型

制动系统包括传动机构和制动器两部分。

传动机构主要指液压传动系统，其建模主要是考虑制动力调节器的制动压力随电磁阀电流变化的关系。

为简化系统，忽略电磁阀弹簧的非线性因素及压力传送的延迟，将液压传动系统简化为一个电磁阀和一个积分环节。

传递函数表示为：

G（s）=100/[s·（0.01s+1）]（5）

制动器模型指制动器力矩与制动系气液压力之间的关系模型。

为了方便研究控制算法，在进行仿真时假设制动器为理想元件，忽略滞后性带来的影响。

因此，制动器方程为：

Tb=kp·p（6）

式中，Tb为制动器制动力矩，N·m；Kp为制动器制动系数，N·m/kPa；P为制动器气液压力，kPa。

由式（5）、（6）建立制动系统仿真模型，如图6所示

图6制动系统仿真模型

2.2.4滑移率计算模型

汽车制动，如果车轮线速度ωR低于汽车行驶速度v，轮胎和路面之间将产生滑移，滑移的程度常用滑移率表示，计算公式为：

λ=（v－ωR）/v×100%（7）

由式（7）建立滑移率的仿真模型，如图7所示。

图7滑移率计算模型

2.2.5PID控制器模型

采用经典的PID控制器，其仿真模型如图8所示。

图8PID控制器模型

第3章汽车ABS系统仿真及结果分析

3.1汽车ABS系统仿真

在Matlab/Simulink环境下，对所设计的PID控制器在有ABS系统和没有ABS系统的情况下分别仿真，以得出结论。

仿真参数如下

整车质量W：

15000N

车轮半径R：

0.25m

车轮转动惯量J：

2kg*m²

制动初速度V:

20m/s

理想滑移率s：

0.2

制动器制动系数kp:

2.8N·m/kPa

纵向附着系数u:

0.2

带有PID控制器的系统仿真模型如图9所示

图9汽车ABS系统仿真模型

3.2仿真结果分析

当Ctrl=0时，此系统为无ABS系统；当Ctrl=1时，此系统为有ABS系统。

分别对Ctrl=0和Ctrl=1时进行仿真，有ABS系统时和无ABS系统时的车速和轮速对比曲线、滑移率对比曲线、制动距离对比曲线分别如图所示

有ABS时车速和轮速的对比曲线

无ABS时车速和轮速的对比曲线

有ABS系统时滑移率曲线

无ABS系统时滑移率曲线

有ABS系统时制动距离曲线

无ABS系统时制动距离曲线

从仿真结果可以看出：

在整个制动过程中，ABS够很好地发挥防抱死的作用，并且使滑移率维持在最佳（0.2左右），保证轮胎能够获得最大的地面制动力，及最短的制动距离。

与未装ABS的车辆相比，制动距离缩短了，而且有ABS的车辆并没有发生抱死现象。

第4章结论

本次毕业设计是以直线行驶的单车轮为研究对象。

通过对比普通制动系统和

有ABS制动系统的仿真曲线，我们可得出以下结论：

1.ABS制动系统可以缩短刹车时间，从而缩短刹车距离。

2.普通制动系统制动时，车轮迅速抱死；而有ABS制动系统制动时，车轮无抱死现象。

3.ABS制动系统制动时能使滑移率保持在最佳滑移率Sc附近。

4.ABS制动系统制动时能使路面附着系数达到最大值。

5.同普通制动系统相比，ABS制动系统在制动时，会提供一个较大的制动力，制动状况比较好。

第5章参考资料

[1] 余志生．汽车理论．北京：

机械工业出版社，2000 

[2] 程伟涛．ABS的发展及研究现状[J]．商用汽车，2006，

（1） 

[3] 冯渊. 汽车电子控制技术. 北京：

机械工业出版社，第二版      

[4] 陈家瑞. 汽车构造（上、下册）. 北京：

机械工业出版社，第三版

[5]汽车电器与电子控制系统.北京：

机械工业出版社，第三版

第6章心得体会

本次课程设计做的是汽车防抱死控制系统，对于车辆工程专业的我们来说并不是很陌生，但是要用MATLAB软件进行仿真，这对我们来说试一次巨大的挑战。

在将近两个月的时间里，我查阅了许多相关资料，也想同学和老师请教了相关问题，最后在自己的努力和同学老师的帮助下，完成了这次课程设计。

这次课程设计是大学的最后一次课设了，它不仅仅锻炼了我分析问题解决问题的能力，更是对大学所学知识的综合运用，这对我以后步入社会有着巨大的帮助。