汽車(chē)制動(dòng)防抱死系統(tǒng)控制策略的仿真研究

張紅英，蔡進(jìn)軍

（1. 黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通學(xué)院，黃岡 438002；2. 武漢理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，武漢 430070）

0 引言

ABS系統(tǒng)即制動(dòng)防抱死系統(tǒng)，是為了防止車(chē)輛在緊急制動(dòng)時(shí)車(chē)輪抱死和喪失轉(zhuǎn)向能力的主動(dòng)安全系統(tǒng)。相比普通制動(dòng)系統(tǒng)，ABS有效改善了制動(dòng)時(shí)的行車(chē)穩(wěn)定性、操作性，充分發(fā)揮制動(dòng)器效能，并減小輪胎磨損，制動(dòng)安全性大為增加。

ABS系統(tǒng)的控制目標(biāo)是選擇合適的控制策略，根據(jù)所選的控制變量(滑移率或者輪速)，使車(chē)輛在制動(dòng)時(shí)的滑移率在最佳值附近。目前ABS系統(tǒng)主要采用邏輯門(mén)限值控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、PID控制、模糊控制等控制策略。

1 ABS系統(tǒng)的控制策略

1.1 邏輯門(mén)限值控制

邏輯門(mén)限值控制是確定一個(gè)期望滑移率，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到的實(shí)時(shí)滑移率大于預(yù)先設(shè)定的參考值時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)降壓，其余時(shí)間增壓。通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定增壓與降壓的幅度，該控制策略的優(yōu)點(diǎn)是不涉及具體的控制數(shù)學(xué)模型，被廣泛應(yīng)用，缺點(diǎn)是互換性較差，需要做大量的實(shí)驗(yàn)才能獲取到經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，其控制邏輯較復(fù)雜，控制不夠平穩(wěn)。

1.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制

滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種非線性的控制策略，其根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)、偏差以及導(dǎo)數(shù)值，用理想開(kāi)關(guān)的方式切換控制量的大小及符號(hào)，使系統(tǒng)在切換線鄰近區(qū)域來(lái)回運(yùn)動(dòng)。該控制策略依賴于車(chē)輛的數(shù)學(xué)模型，無(wú)法對(duì)多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行控制。

1.3 PID控制

PID控制策略是基于滑移率的控制，系統(tǒng)將實(shí)際滑移率控制在最佳滑移率點(diǎn)。這種系統(tǒng)從理論上講是最好的，但它實(shí)施難度大，特別是不易確定最佳滑移率點(diǎn)，而且基本上依靠試湊法來(lái)取控制參數(shù)，缺乏理論依據(jù)，所以進(jìn)行這方面的理論研究及模擬工作比較多，不能被廣泛用于現(xiàn)有實(shí)際系統(tǒng)的控制。

1.4 模糊控制

模糊控制是一種基于經(jīng)驗(yàn)規(guī)則的、并列型的開(kāi)關(guān)控制，可較好地適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化工況非線性時(shí)變系統(tǒng)（車(chē)輛控制過(guò)程）。利用模糊邏輯控制的ABS在制動(dòng)過(guò)程中，利用制動(dòng)時(shí)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)特征與路面特性間的關(guān)系估計(jì)路面狀況，以確定不同路面的最佳滑移率，根據(jù)滑移率和滑移率誤差的變化量確定ABS制動(dòng)壓力調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)壓力。

2 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)的控制策略研究和仿真

2.1 基于邏輯門(mén)限值控制方法的仿真模型建立

通常用單論模型對(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及受力情況進(jìn)行分析，建立車(chē)輛的單輪模型可以大大簡(jiǎn)化復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模擬過(guò)程，易于描述制動(dòng)過(guò)程。車(chē)輪在制動(dòng)時(shí)的受力情況如圖1所示。

由上圖可建立單輪模型的動(dòng)力學(xué)方程：

圖1 輪胎制動(dòng)時(shí)的受力

方程式中的G是汽車(chē)質(zhì)量，μ是附著系數(shù)，F(xiàn)是地面的支撐力，R是汽車(chē)輪胎半徑，M是汽車(chē)制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力矩，F(xiàn)是地面附著力，v是汽車(chē)速度，ω是輪胎角速度，I是車(chē)輪等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

路面模型選擇干瀝青路面，附著系數(shù)與滑移率的關(guān)系為：

制動(dòng)系統(tǒng)可簡(jiǎn)化成一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，在制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入壓力穩(wěn)定階段后，可認(rèn)為制動(dòng)壓力與力矩成線性關(guān)系，比例因子為Kf。

在Simulink中搭建的ABS仿真模型如圖2所示。

圖2 基于邏輯門(mén)限值控制策略的仿真模型

模型中先設(shè)置期望滑移率，并在預(yù)先設(shè)置的一維查表模塊輸入干瀝青路面下滑移率和附著系數(shù)的關(guān)系，根據(jù)滑移率定義式和式（2）計(jì)算出相對(duì)滑移率，然后將計(jì)算值輸入到比較模塊，借助sign函數(shù)控制器，控制輪壓的增減，以達(dá)到反饋控制輪角速度的目的。

2.2 基于模糊控制方法的仿真模型建立

模糊控制方法的核心部分是模糊控制器的設(shè)計(jì)。模糊控制器在工作過(guò)程中首先將輸入量進(jìn)行模糊化處理，然后進(jìn)行模糊推理，再清晰化處理推理得出的模糊量，最終將清晰控制量輸出。對(duì)ABS仿真中，把理想滑移率和實(shí)際滑移率之差作為模糊控制器輸入量。模糊控制方法原理如圖3所示。

圖3 模糊控制方法原理圖

Simulink中有專為模糊控制策略仿真所定制的模糊控制箱工具，利用該工具可方便的對(duì)ABS模糊控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。ABS的模糊控制系統(tǒng)對(duì)輸入量滑移率誤差E和滑移率誤差變化率Ec進(jìn)行模糊化處理；輸出量為制動(dòng)壓力變化量U。當(dāng)設(shè)定的初始最佳滑移率為0.2時(shí)，則滑移率誤差的變化范圍為(-0.2，0.8)，滑移率誤差的變化率Ec的變化范圍取為(-6，6)，制動(dòng)壓力變化量U的取值范圍為(-6，6)。分別設(shè)計(jì)輸入量滑移率誤差E、滑移率誤差變化率Ec和制動(dòng)壓力變化量U的隸屬度函數(shù)如圖4所示，以使制動(dòng)壓力變化量U對(duì)應(yīng)快速減壓(NB)，中速減壓(NM)，慢速減壓(NS)，保壓(ZE)，慢速增壓(PM)，中速增壓(PM)，快速增壓(PB)7個(gè)狀態(tài)。設(shè)置時(shí)要保證論域的不對(duì)稱性。

設(shè)置完隸屬度函數(shù)后，需要編輯模糊規(guī)則，通過(guò)”If E is()and Ec is()then U is()”語(yǔ)句建立滑移率誤差及其微分輸入量和壓力變化輸出量的邏輯關(guān)系，以滿足ABS工作中壓力變化的7個(gè)狀態(tài)，建立好的49條規(guī)則如表1所示，并在模糊邏輯編輯器中輸入表中的邏輯關(guān)系。

圖4 設(shè)置變量的隸屬度函數(shù)

輸出控制規(guī)則三維曲面如圖5所示。

圖5 控制規(guī)則三維曲面

搭建的基于模糊控制策略的仿真模型如圖6所示。

圖6 基于模糊控制控制策略的仿真模型

模型中，E和Ec的比例因子分別設(shè)置為1和0.4，以達(dá)到最快的仿真效果。和邏輯門(mén)仿真模型不同的是，因?yàn)槟：刂破鬏敵龅氖禽喐讐毫ψ兓俾实淖兓?，需?jīng)過(guò)兩次積分獲得輪缸壓力。模型中還采用零階保持器以加快仿真速率。

2.3 仿真結(jié)果分析

2.3.1 基于不同控制策略的ABS制動(dòng)效果比較

由圖7中可以看出，無(wú)ABS的車(chē)輛，制動(dòng)后不久就達(dá)到抱死狀態(tài)。而有ABS的車(chē)輛，無(wú)論用哪種控制策略，都沒(méi)有在車(chē)輛停止前抱死拖滑，驗(yàn)證了ABS具有預(yù)防車(chē)輪抱死的效果?；谶壿嬮T(mén)限值控制策略的車(chē)輛滑移率在理想值0.2附近反復(fù)波動(dòng)；而模糊控制策略仿真的滑移率曲線平緩接近0.2，這是因?yàn)槟：刂破髦袛M定的制動(dòng)壓力變化規(guī)律受到滑移率誤差和其變化率的影響，不會(huì)出現(xiàn)很大的波動(dòng)，仿真曲線和控制規(guī)律相一致。

由圖8所示，比較其制動(dòng)距離曲線可以看出，有ABS的車(chē)輛制動(dòng)距離較短，這是因?yàn)橹苿?dòng)曲線在理想值附近，充分利用了路面附著力的緣故，所以裝載ABS的車(chē)輛制動(dòng)性能也較好。上圖中還可以發(fā)現(xiàn)，采用邏輯門(mén)控制的ABS制動(dòng)距離要比模糊控制的ABS制動(dòng)距離更短，效果更好。

2.3.2 基于不同附著系數(shù)路面的ABS制動(dòng)效果比較

將干瀝青路面模型換為疏松積雪路面。附著系數(shù)和滑移率的關(guān)系為：

在邏輯門(mén)控制下的ABS制動(dòng)效果曲線比較如圖9和圖10所示。

由仿真結(jié)果可知，因?yàn)槭杷煞e雪路面的附著力比干瀝青路面低，因此更容易打滑，滑移率曲線的波動(dòng)較大，制動(dòng)距離較長(zhǎng)，所以即使安裝了ABS的車(chē)輛，在冰面、雪地等低附著路面行駛時(shí)，駕駛員需要注意行車(chē)安全，低速行駛。

圖7 兩種控制策略下的滑移率比較

圖8 兩種控制策略下的制動(dòng)距離比較

圖9 干瀝青路面和疏松積雪路面滑移率比較

3 結(jié)論

ABS是提高汽車(chē)主動(dòng)安全性能的重要裝置，雖然ABS有極其成熟的市場(chǎng)，但份額基本被國(guó)外公司壟斷，國(guó)內(nèi)對(duì)于ABS的研究還處在起步階段，在ABS的結(jié)構(gòu)和控制策略的設(shè)計(jì)上還需不斷的深入。本文主要介紹了目前應(yīng)用于ABS的不同的控制策略，分析了ABS制動(dòng)過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)模型，使用Matlab中的Simulink模塊分別對(duì)基于邏輯門(mén)限值控制策略和模糊控制策略的ABS進(jìn)行了建模仿真，從滑移率和制動(dòng)距離入手討論了不同控制策略對(duì)車(chē)輛制動(dòng)性能的影響，以及不同路面下ABS性能的差異。從而得到了ABS系統(tǒng)的工作規(guī)律，為深入開(kāi)展汽車(chē)ABS的研究提供了有價(jià)值的參考和指導(dǎo)意義。

圖10 干瀝青路面和疏松積雪路面制動(dòng)距離比較

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