基于AMESIM的ABS液压系统建模与仿真.docx

1、基于AMESIM的ABS液压系统建模与仿真第 1 章 绪 论1.1 研究目的与意义随着我国汽车工业的发展，就必须进行汽车关键零部件的自主研发。汽车制动过程中的安全性也已成为人们关注的焦点。汽车防抱死制动系统(ABS)，关系着汽车制动的安全性。目前国内许多汽车公司已经开始进行汽车自主研发，要在商业的竞争中脱颖而出，要拥有自主知识产权的汽车，要使我国由一个汽车大国变为一个汽车强国，就必须进行汽车关键零部件的自主研发。汽车制动过程中的安全性也已成为人们关注的焦点，防抱死制动系统ABS是汽车关键的零部件之一，因此国家、企业和高校都投入了大量的人力和资源对ABS进行自主研发。汽车动力性能的提高和高速公路

2、的延伸对汽车安全提出了越来越高的要求，许多国家都为此颁布了严厉的汽车安全法规，汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力，已成为人们关注的焦点。因此，探讨各种高性能的制动系统和完善制动系统的性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重要举措1。而ABS可以在制动过程中自动、高频地对制动系统压力进行调节，从而对制动力进行调节，使车轮滑移率保持在理想滑移率附近，既防止车轮抱死，又充分利用了车轮与路面的附着能力，缩短了制动距离，提高了汽车制动过程中的方向稳定性和转向操作能力，达到了最佳制动效果的目的。 ABS控制的关键之一就是控制制动过程中的滑移率，从而提高路面附着系数的利用率，缩短制动距离，提高制动的

3、稳定性。然而，滑移率和路面附着系数的关系又受到很多因素的影响，如车辆本身的结构参数、车速、轮胎充气压力、轮胎垂直载荷、路面状况等等2。因此，要求ABS保证汽车在短时间内在各种路面上，各种情况下都能安全制动的难度是相当大的。还需要针对不同车型进行大量的参数匹配试验，大概需要一年半到两年的时间，并且需要大量的经验，不仅耗资巨大，而且延长了产品的开发周期。目前国内外也有人应用新的控制理论，进行ABS控制的探讨。根据汽车制动过程的物理实质及动力学分析，对ABS控制器的结构原理、控制方法等方面进行分析和研究，利用AMESim软件建立车辆防抱死制动系统模型，可以很容易分析液压系统元件对整个系统的影响。1.

4、2 ABS防抱死系统国内外现状及发展趋势防抱死制动理论最早是1928年由英国人提出来的，基于防抱死制动理论的制动系统首先是应用在火车和飞机上。最早官方记录的汽车防抱制动系统是在英国1932年发布的专利，题目是“制动时防止车轮压紧转动车轮的安全装置”。1936年，德国博世公司(BOSCH)申请一项电液控制的ABS装置专利，促进了ABS 技术在汽车上的应用。汽车上开始使用ABS始于20世纪50年代中期福特汽车公司，1954年福特汽车公司在林肯车上装配法国航空公司的ABS装置，这种ABS装置控制部分采用机械式，结构复杂，功能相对单一，只有在特定车辆和工况下，防抱死控制才有效，因此制动效果并不理想。机

5、械结构复杂使ABS装置的可靠性差、控制精度低、价格偏高，使ABS技术在汽车上的推广应用举步维艰。直到70年代后期，由于电子技术的迅猛发展，为ABS技术在汽车上的应用提供了可靠的技术支持。ABS控制部分采用了电子控制，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高3，制动效果也明显改善，同时其体积逐步也变小，质量也逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。这段时期许多家公司都相继研制了形式多样的ABS 装置。进入90年代后，ABS技术不断发展成熟，控制精度、控制功能不断完善。现在发达国家已广泛采用了ABS 技术。ABS装置制造商主要有:德国博世公司(BOSCH)，欧、美、日、韩国家的汽车采用的最

6、多;美国德科公司(DELCO)，由美国通用及韩国大宇汽车采用；美国本迪克斯公司(BENDIX)，由美国克莱斯勒汽车采用;还有德国戴维斯公司(TEVES)德国瓦布科(WABCO)、美国凯尔西海斯公司(KELSEY HAYES)等，这些公司的ABS产品都在广泛地应用，而且还在不断发展、更新和换代。 国内对ABS的研究工作始于八十年代初，研制单位有东风汽车公司、交通部重庆公路所、重庆宏安ABS有限公司、陕西兴平514工厂与西安交通大学等。东风汽车公司从80年代初开始研究ABS，该公司对Wabco公司的ABS产品进行了剖析、试验、改进和消化吸收，将Wabco的ABS装在EQ-145型车上并在各种路面上

7、进行试验。交通部重庆公路所研制的ABS适用于中型汽车，其第一代ABS电子控制单元(ECU) 采用了Z80芯片，第二代ABS产品采用了MCS-96系列8098单片机，控制软件、传感器和执行器都由自己研制，装车试验的主要问题是系统对于路况的识别不够理想。1984年兴平814厂研制的第一代防抱制动系统的主要缺点是不能自动适应不同路况，以后该厂与西安公路交通大学合作研制了第二代防抱制动系统，增设了路面识别功能的电路，但对于长轴距的大客车则不是很理想。宏安公司是我国批量生产ABS的厂家。该公司于1993年投产，当年生产ABS 5000套。重型汽车研究中心1995 年6月对自制的ABS系统进行了道路试验，

8、但存在一些问题，随后，课题组重新设计了软件及硬件，所生产的ABS基本上己达到国外产品的性能。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。 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。 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

9、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。Bosch 公司早在1987年就推出了ABS/ASR防滑控制系统。1996年，Bosch公司提出了车辆动力学系统(VDC)的概念，在ABS/ASR的基础上，加入

10、侧向稳定性控制等新内容，以实现全工况内的汽车运动状态最佳4。 1.3 汽车ABS结构与工作原理 1.3.1传感器汽车ABS轮速传感器是ABS的信息感知元件，为了防止车轮抱死，控制程序必须知道单个车轮的实时速度。只有取得准确的车轮速度或加速度信号，控制系统ECU才能知道什么时候下达卸压指令，什么时候下达保压指令，什么时候下达增压指令，从而使车轮不致抱死，并不断减速直到停止，如图1.1。 图1.1 ABS轮速传感器实时性ABS的防抱死控制大约在5-7ms就完成一个循环，因而对轮速处理过程的实时性要求就更高了。系统取得轮速所花的时间分为硬件转换时间和软件计算时间。这两者之间又以软件时间的开销为大。最

11、极端的情况是一个循环的时间都花在了轮速的计算上。由于有着这样的限制，轮速算法不可能设计得很复杂。ABS轮速的精度对其以后的轮加减速度和参考车速的计算精度影响很大。所以轮速算法应能对轮速原始信号中的粗大误差加以识别、剔除，或者抑制粗大误差的影响。实用的轮速算法采用测量脉冲的宽度，经过数字滤波，从而对轮速的结果进行合理性的判断修正。1.3.2 电子控制单元ABS的电子控制单元(Electronic Control Unit)，简称 ECU。它的主要作用是接收轮速传感器等输入信号，计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率等，并进行判断，输出控制指令，控制制动压力调节器等进行工作。ECU一般由以下几个

12、基本电路：轮速传感器的输入放大，整形电路、运算电路、电磁阀驱动电路、回油泵驱动电路、稳压电源、电源监控电路和故障诊断电路。大多数电子控制单元是以微处理器为基础，采用专用集成电路，一般至少有一个微处理器来确保快速、可靠地处理数据，如图1.2。 图1.2 ABS电子控制单元1.3.3 压力调节单元 压力调节单元(Hydraulic Control Unit)，简称 HCU，是ABS中的主要执行机构，也是ABS液压系统的核心部件，如图1.3所示。其作用接受ABS 电子控制单元的指令，驱动调节器中的电磁阀动作(或油泵电机动作)，实现轮缸压力的调节。其结构原理及性能特征对ABS的控制性能产生及其重要的影

13、响。 图1.3 ABS液压调节单元内部结构HCU 要按既定的压力控制模式，有效地对制动压力实施控制，又必须满足以下基本要求： 通常助力式和动力式液压制动系的促动时间为0.36s。ABS 的促动时间应小于上述时间。目前，典型HCU的反应时间仅为0.01s，而ECU每秒可进行 200次左右计算。一般来讲，HCU的频率为510次/秒时，即可达到使用要求。 HCU 对制动压力实施有效控制，应使增压和减压速率适当。压力调节速率决定了制动器摩擦力矩的调节速率和控制过程中加、减速度的大小。加、减速度绝对值小，则制动效能低下；加、减速度绝对值大，会使ABS难以控制，此时不仅影响制动效能，而且会使车辆制动时舒适

14、性降低。可见压力调节速率是否得当，将影响ABS控制质量。 合理的制动压力取决于路面条件、气象条件、车辆类别及承载情况等。制动压力波动不宜太大，否则制动摩擦力矩波动范围大，路面制动力波动范围也增大，会使车辆传动系的冲击损伤也大。并且过大的制动压力波动会引起制动管路的震动，影响ABS的控制效果。HCU 主要有电磁阀、蓄能器、回油泵，以及一些辅助液压阀等构成。它与 ECU 封装在一起。HCU 中共有4对用于防抱死制动压力调节的高速开关电磁阀。每对高速开关阀又由一个常开阀(又称加压阀)和一个常闭阀(又称减压阀)组成。每对电磁阀对一个控制通道进行独立防抱死制动压力控制。4个常开阀分别设置在制动主缸两腔和

15、液压助力室至各制动轮缸的制动管路中；而另4个常闭阀分别设置在各个制动轮缸至蓄能器的制动液通路中。在防抱死制动过程中，通过 HCU电磁阀的开关动作来实现制动压力的调节。通常在制动开始时，系统中的各电磁阀均不通电，常开阀和常闭阀都处于断电状态，常开阀开启，常闭阀关闭，主缸的高压制动液经常开阀进入制动轮缸而不能进入蓄能器。HCU 从结构上保证各制动轮缸的制动压力与制动踏板行程，以及制动踏板力成比例关系，随着制动压力的增加，轮速迅速降低而趋于抱死状态时，ECU 根据输入的轮速信号判断出系统下一个控制周期应进入减压状态，常开阀和常闭阀都通电，常开阀关闭，常闭阀打开，轮缸内的制动液经常闭阀进入蓄能器；随着

16、制动压力的降低，当轮速逐渐恢复到一定值时，ECU判断出当前需要处于保压状态，常开阀通电，常开阀关闭，常闭阀断电，轮缸中的制动液被封闭在两个电磁阀之间。回油泵的作用是将蓄能器中的制动液泵回主缸。经过这样几个控制循环，汽车就完成制动过程，达到减速停车的目的。 1.3.4 ABS工作原理汽车在行驶过程中，车轮在路面上的纵向运动可有滚动与滑动两种形式，车轮相对于路面的滑动又可分为滑移与滑动两种形式.试验表明，当轮胎在路面上滑移时，将改变轮胎与地面间的附着系数，因而也改变了汽车的制动力。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

17、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，如公式（1.4）。 (1.4)式中，V汽车行驶速度； S滑移率； 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1.5所示的路面附着系数与车轮滑移率 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

18、向附着系数随滑移率的增大而减小。 侧向附着系数纵向附着系数Sc滑移率S 图1.5 车轮滑移率与路面附着系数的关系由图1.5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h，其对应的滑移率为Sc。当滑移率继续增加到SSc时，纵向附着系数开始减小，当S100时，即车轮抱死拖滑，纵向附着系数降低到最小值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S100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 S100，这样不但没有充分利用路面提供的纵

19、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5。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。 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

20、事故的发生。1.4 AMESIM在汽车防抱死技术方面应用汽车防抱死制动系统涉及到自动化、机械、 液压、气动、电、磁以及热等多学科领域的集成和相互作用，为了准确地仿真此类系统，就需要适合系统工程设计的仿真平台。AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulations ofengineering system)是法国IMAGINE公司自1995年推出的一种新型的高级建模仿真软件。AMESIM系统仿真平台，提供了系统工程设计的完整环境和多学科领域系统的各类模型库，包括控制应用库、机械应用库、流体应用库、电磁应用库、热分析应用库以及内燃机应用库等。所有的

21、应用库都提供了将信号端转换成为结构化的多通口功能模块，方便工程师利用方块图灵活、迅速地建立物理系统的模型1.5研究的主要内容 1、建立ABS液压系统数学模型，表示出所要建立模型对象的组成及工作过程的各个环节。 2、从AMESIM模型库中选取液压元件模型，按照工作原理连接各个元件，对ABS液压系统进行增压、减压，保压种状态下的仿真。分析ABS液压系统响应特性，及影响参数。3、通过对ABS原理的深入研究，对制动过程的深入分析以及对多种控制方法特点的分析，在MATLAB/Simulink中搭建ABS模型，将ABS对整车的性能影响进行仿真，并对仿真结果进行分析来证明方法的可行性。第 2 章 ABS液压

22、系统数学建模2.1车辆模型 2.1.1单轮车辆模型 目前，常用的车辆模型主要有一般车辆模型、四轮车辆模型、双轮车辆模型10以及单轮车辆模型。为简化研究问题，选用的车轮动力学模型为单轮车辆模型，因为此模型只要描述的式制动性能，适合于汽车防抱死制动系统进行制动性能分析，同时也可简化问题。车辆受力分析如图2.4所示。车辆运动方程： (2.1)车轮运动方程： (2.2) 车轮纵向摩擦力： (2.3) 定义滑移率为： FxNTbVM 图2.4 单轮车辆模型式中，M汽车的质量； V汽车的速度； Fx地面制动力； I车轮转动惯量； 车轮角速度； r车轮滚动半径； Tb制动力矩； Tg轮胎和地面间的制动力矩；

23、 附着系数； N车轮对地面法向反力 根据车辆的运动方程（2.1），（2.2），（2.3）建立Simulink仿真模型，输入位置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2.5所示。图2.5 单轮车辆Simulink模型2.2简化的四轮车辆模型 忽略车辆侧倾的影响，将簧上质量、簧下质量合为车辆整体质量，忽略轮胎的滚动阻力和车辆风阻，考虑车辆纵向、横向、绕Z轴的转动和四个车轮绕其旋转轴的转动，为研究方便，假定制动过程中前轮转向角为零，前后车轮几何中心在同一轴线上，横摆过程中两轮上的附着系数不变，令车辆坐标系原点与汽车质心重合9，可建立一个7自由度的四轮车辆模型。由公式（2

24、.6）可得在制动过程中的整车动力学方程为： (2.6) 式中,Vx汽车纵向速度； Vy汽车横向速度； 第一个下标 f汽车前轮； 第一个下标 r汽车后轮； 第二个下标 f汽车左轮； 第二个下标 r汽车右轮； rdF汽车前轮滚动半径； rdR汽车后轮滚动半径； Tbxx车轮上的制动力； M整车质量； a质心到前轴的距离； b质心到后轴的距离； Iz整车转动惯量； Ixx车轮转动惯量； 作为整车模型，还应考虑汽车在纵向加速度和横向加速度下引起的载荷转移考虑到这些因素，作用在各个车轮上的垂直载荷如公式（2.7）。 (2.7)式中，g 重力加速度； hg 汽车质心高度； L 前后轴距离 ； c 车辆轮距

25、2.3制动系统液压元件模型制动液压系统主要由制动主缸、轮缸，电磁阀组成，制动防抱死液压系统的优点是改善制动效能缩短制动距离；充分利用横向附着系数，防止侧滑改善汽车制动时的方向操纵性能；减小轮胎的局部磨损；减轻驾驶员的劳动强度，提高乘客的乘坐舒适性和安全性。由于ABS是一种快速反应机构，执行机构的动态特性起着至关重要的作用。2.3.1雷诺数 雷诺数是个无量纲比值，它代表惯性力与粘性力之比，但雷诺数较小支配流动的主要因素是粘性力。雷诺数其定义如下： (2.8)液体密度(Kg/m3)； 液体的平均流速(m/s)；不同流动状态下的特征尺寸； 液体绝对粘度(Pa)2.3.2 阀口流量液体流动状态为层流状

26、态，通过阀体的体积流量： (2.9)通过阀体的体积流量(m3)； 层流时阀口流量系数；阀口截面积(m2)； 液体密度(Kg/m3)；阀口两端压力差； 层流系数；雷诺数绝对粘度与液体密度的比值称为运动粘度，其定义为： (2.10)流体的运动粘度(m2/s)； 流体的绝对粘度； 流体的密度(Kg/m3)2.3.3 制动主缸中模型 (2.11)制动主缸中压力； ksp制动主缸中回位弹簧刚度2.3.4 真空助力器模型真空助力器阀口中的气体流动可以看作是气体在喷嘴中的流动，假定气体为理想气体，在真空助力器阀口中的气流速度远大于气体与外界进行热交换的速度，气体流过时的能量损失远小于它具有的总能量，可以忽略

27、。因此，真空助力器阀口中的气体流动可视为等熵流动。真空助力器阀口中的气流为亚声流速状态。这时以声速传播的外界压力扰动波能达到和传出口界面去影响口内的流动。此时通过阀口的气体流量为： (2.12)流过阀口截面积的流量(m3/h)； 阀口流通截面的有效面积(mm2)；阀口上游绝对压力(Pa)； 绝对温度(K)；2.3.5制动轮缸模型 (2.13) i分别代表四个车轮的制动轮缸； Q2i+1流入电磁阀的流量； Q2i流出电磁阀的流量2.3.6蓄能器模型 (2.14)气体质量； 初始气体压力；初始气体体积； 气体体积；气体常量； 初始气体质量2.3.7 回油泵模型 (2.15) 叶片宽度； 转子和定子

28、间的偏心量； 定子内径制动开始时（不考虑油液的可压缩性），由流量连续方程可求得活塞的运动速度为： (2.16)油缸作用面积设制动器的间隙为S0，则消除间隙所需时间为td。即制动器响应滞后时间。 (2.17)进入制动轮缸的油液会呈现三种状态：增压，保压，减压 a.增压变化规律： (2.18)VD油缸及管路容积油液的体积弹性模量在增压过程，制动缸体积变化情况： (2.19)b.减压的变化规律：在减压过程，由制动缸排除的油液为： (2.20)PR 回油压力;油缸压力下降变化率为： (2.21)c.保压时的变化规律为： (2.22)将三种状态按统一的公式描述，并进行线性化处理，有 增压 减压 (2.2

29、3) 保压k0阀的显性化系数由油压的变化所引起的车轮上制动力矩的变化为： (2.24)kb是与制动器的结构参数和线性化系数k0有关的常数2.4本章小结本章主要建立了单轮车辆模型和简化的四轮车辆模型，并进行了受力分析，求解出车辆运动方程、车轮运动方程、车轮纵向摩擦力方程。并且建立了ABS液压系统的数学模型，包括制动主缸、轮缸、蓄能器、回油泵等液压系统元件模型，汽车液压制动系统的建模比较真实全面地反映了防抱死制动系统中执行元件特性，所建立的微分方程组，通过求解，可以应用于实际参数下的ABS模拟系统。第 3章 基于AMESIM的ABS液压系统建模3.1 AMESIM简介3.1.1 AMESIM 软件

30、功能简介 AMESim（Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering）是世界著名的工程系统高级建模与仿真平台，它提供了一个系统级工程设计的完整平台，使得用户可以在单一的平台上建立复杂的一维多学科领域的机电液一体化系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析12。工程师在一个基于工程应用的AMESim友好环境下可研究任何元件或者系统的稳态和动态性能。AMESim的图形化用户界面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建复杂各种系统的模型。建模仿真过程一般分为四个步骤：构建方案的模型；选择模型复

31、杂程度；设定模型的参数；仿真计算分析。而且简便易用的操作使得用户可以迅速有效地进行产品的设计开发。大量的用户群使得AMESim已经成为世界范围内的车辆，发动机，越野设备，航天航空，船舶，轨道交通，冶金设备，海洋工程以及重型设备等工业领域内的多学科专业，包括控制、流体、机械、热分析、电、磁以及能源等复杂工程系统建模与仿真的首选平台11。工程设计师完全可以应用集成的一整套AMESim应用模型库来设计一个系统或一个流体元件，所有的这些来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的13。AMESim使得工程师迅速达到建模仿真的最终目标,分析和优化工程师的设计，从而帮助用户降低开发的成本和缩短开发的周期。 AMESIM液压元件设计库包含了机液系统的基本结构单元模块，它被看作是液压元件建模的工程语言，可以对喷油器、液压锤、柱塞泵