汽车ABS系统的PID控制策略及仿真分析Word格式.docx

1、Li Xiang gui（Gansu vocational and technical college of animal husbandry , Wuwei Gansu 733006, China Abstract :In this thesis , using vehicle dynamics theory , PID controller model , dynamic model of vehicle braking , the wheel model are establishedThe simulation of ABS control system which is aimed

2、at the slip ratio is proposedPID controller is used in the individual ABS system , the control objective is slip rate of wheelThe actual slip ratio is calculated through the wheel speed and vehicle speed which is acquired by the sensorCompared the actual slip rate with the expected slip ratio , The

3、deviation of them is put in the PID controllerIn the end , the actual slip ratio is always near the best slip rate , by repeatedly adjusting the control parametersAt last , the motor vehicle is braked with the best power which is corresponding to the best slip rate Key words :car ; control ; simulat

4、ion analysis1课题研究的必要性防抱制动系统 ABS （Anti lock Braking System ,在汽车制动时能根据轮胎与路面间附着力 , 自动调节 车轮制动力大小 , 防止车轮抱死滑移 , 保证汽车侧向 稳定性和转向操纵性 , 同时缩短制动距离 。 从而取 得最佳的制动效果 , 减少制动时交通事故的发生 。ABS 系统是在传统机械制动 系 的 基 础 上 增 加 ABS 控制器 , ABS 控制器的核心是控制算法的选择 , 所以选取合适的算法对 ABS 很关键 。 通过查阅国内 外大量文献 , 总结出汽车 ABS 的控制算法主要有鲁棒控制 、 逻辑门限制控制 、 PID

5、控制 、 滑模变结构控制 和模糊控制等 。 在建立汽车制动系统模型和 ABS 控制器模型的基础上 , 从仿真的角度 , 采用 PID 控制策 略对 ABS 进行研究 , 并对仿真结果进行分析 。2系统模型的建立21PID 控制器模型控制器模型 , 是对汽车制动防抱死控制所采用的控制方法的数学模型1, 2。 PID 控制器是利用设置给 定的目标值与实际控制输出值构成的偏差 , 对被控对象进行的一种线性控制 , 控制系统通常由被控对象和PID 控制器两部分组成 。 其原理框图如图 1所示 图 1PID 控制原理图e （t =r （t c （t （1式中 :e （t 为控制偏差 ; r （t 为给定

6、目标值 ; c （t 为 被控对象的实际控制输出量 。PID 控制器将偏差 e （t 的比例 、 积分和微分通过 线性组合构成控制量 , 对被控对象进行控制 , 其控制 规律为 :W （t =K pe （t +1T i e （t d t K d+T dd e （t d t+u（2K P 为比例系数 ; K d 为微分系数 ; T i 为积分时间 常数 ; T d 为微分时间常数 ; u 0为控制常量 , 即 t =0时 的输出量 , 对绝大多数系统 u 0=0。PID 控制器包括比例 、 积分和微分三个环节 , 各02研究与分析欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 机械研究与应用 欘欘欘欘欘

7、欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘收稿日期 :20110808作者简介 :李香桂 （1974 , 女 , 甘肃民勤人 , 副教授 , 主要从事汽车专业课教学 。环节的作用如下 。（1 比例环节 :主要用于提高系统的动态响应速 度和减小系统稳态误差即提高系统的控制精度 。 该 环节成比例地反映控制系统的偏差信号 e （r , 一旦 产生偏差 , 控制器立即产生控制作用 , 以减少偏差使 实际值接近目标值 。（2 积分环节 :在一般的 PID 控制中 , 当有较大 的扰动或大幅度改变给定值时 , 由于有较大的偏差 , 以及系统有惯性和滞后 , 故在积分项的作用下 , 往往 会产生较大的超调和长时间波动

8、、 振荡次数增加和调 整时间延长 , 使系统的稳定性下降 。 通常用积分时间常数 T i 来表示积分作用的强弱 , Ti取值必须合适 , T i取值太大会导致系统趋于不稳定 , 反之其取值太小影 响系统控制性能 , 使控制性能变差 。（3 微分环节 :根据偏差信号的变化趋势 （变化 速率 对其进行修正 , 在偏差信号值变得太大之前 , 引入一个有效的修正信号 , 从而使系统的动作速度加 快 , 减小调节时间 。22制动器模型踩下制动踏板对车辆进行制动时 , 车轮受到来自 于制动器的一制动力矩 。 该力矩的大小用制动器模 型来描述 , 从而计算出汽车各车轮在一定的制动压力 下输出的制动力矩大小

9、。 所选桑塔纳 2000GLi 汽车 , 其前 、 后制动器皆为盘式制动器 。 则任一制动器制动 力矩为 :T bj =（PjPB fj R gj （3T bj 为车轮制动器制动力矩 ; P为制动管路压力 ; P 0 为制动管路输出油耗 ; A为制动分泵有效工作面积 ; 由下式计算 :A j =4d 2（4为分泵效率 ; B fj 为制动器制动效能因素 ; R gj为制动盘有效半径 。在常规制动系统中制动管路压力 P 与制动踏板 力的大小有关 , 可由下式计算 :P = 4Fpp B pD 2m（5F p 为制动踏板力 ; j为制动踏板机构传动比 ;P 为制动总泵效率 ; B p 为助力器助力

10、比 ; D m 为制动 主缸直径 ; j 为轮胎符号 , j =f , r , 分别表示汽车前 、 后 轮胎 。在制动防抱死系统中 , 当 ABS 起作用时 , 制动管 路压力会受到调节器的控制和调节 。23车辆模型首先对轮胎进行受力分析 , 轮胎受地面法向反力F z 、 地面纵向制动力 Fs、 垂向载荷 M 以及制动器制动力矩 Mb, 为便于计算空气阻力和车轮滚动阻力可忽 略 。 这里采用单轮车辆系统模型 （见图 2 进行分析 , 汽车前进方向如图中所示 。车轮运动方程 :I =FR M（6 式中 :I 为车轮转动惯量 ; 为车轮角加速度 ; R 为轮胎半径 ; M为制动器制动力矩 ; F为

11、轮胎地面纵向 制动力图 2单轮车辆模型24整车模型图 3整车受力分析根据图 3受力分析 , 就整车而言 , 沿汽车行驶方 向的整车运动微分方程为 :Md vd t= F xi （7 式中 :M 为汽车整车质量 ; d v /dt 为汽车制动时纵向减速度 ;xi为地面纵向制动力 ; i 为轮胎符号 , i =f , r , 分 别表示汽车前 、 后轮胎 。制动力 Fx, 是轮胎纵向附着系数与地面法向反 力的乘积 , 表示为 :F=zi（8 式中 :地面对轮胎的垂向反力 , 在汽车制动过程中 , 它 是阻止汽车减速的主要外力 。 其大小与汽车自身总 质量 、 制动减速度大小 、 车身俯仰情况 、

12、车身侧倾情况 有关 。25轮胎模型在汽车制动过程中 , 轮胎模型通常采用附着系 数与各种相关参数间的函数关系表示 , 它反应了纵向 附着力与其它相关参数的函数关系 。 影响轮胎附着 系数的因素较多 , 通常由轮胎材料 、 结构 、 胎面花纹 、 路面状况以及车速等因素决定 。 在建立轮胎模型时 , 为简化问题常选对附着系数影响较大的几个因素加 12欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘研究与分析 机械研究与应用 欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘 以考虑 。采用汽车动力学仿真软件中应用最为广泛 “ 魔术公式 ” 建立轮胎模型 3, 它是利用制动过程中的地 面制动力矩 、 车速 、 纵向减速

13、度及轮速等数据 , 用三角 函数计算得出某一制动时刻的车轮滑移率和对应附 着系数关系曲线 , 再运用最小二乘法对曲线进行组合 拟合而得到的 , 其函数关系式如下 :xi =f +D sin C arctan BS E （BS arctan （BS （9xi 为纵向附着系数 ; f 为摩擦系数 ; D 为峰值因子 ,D =0950003V 0000011M ; B 为刚度因子 , B =7527+007V ; C 为曲线形状因子 , C =165; E 为曲线曲率因子 ,E =05; V 为汽车纵向速度 ; M 为汽车 整车质量 ; i 为轮胎符号 ; B , D , C ,E 各因子的计算系 数因路面不同有所改变 , 路面峰值附着系数也会发生 相应的变化 。3基于滑移率的 PID控制策略图 4制动系统 PID 控制策略如图 4所示 ,PID 控制器以制动时轮胎的期望滑 移率为控制目标 , 通过轮速与车速传感器采集汽车速 度 、 车轮转速信号 , 根据实际采集的速度信号计算出 汽车各轮胎实际滑移