基于MATLAB的汽車制動(dòng)過程仿真

摘 要：在參考國內(nèi)外大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，文章建立了ABS制動(dòng)防抱死系統(tǒng)的單輪模型，對現(xiàn)代ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)的不起作用過程和起作用過程進(jìn)行了仿真分析，并運(yùn)用MATLAB語言編制了汽車制動(dòng)過程的仿真軟件，結(jié)合具體數(shù)據(jù)對汽車制動(dòng)過程進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，文章建立的汽車制動(dòng)系模型是可靠的、準(zhǔn)確的，可為汽車制動(dòng)系的設(shè)計(jì)提供理論參考。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)系統(tǒng)；防抱死制動(dòng)系統(tǒng)；仿真

中圖分類號(hào)：TP391.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2014）9-0003-03

近年來，隨著車輛技術(shù)的進(jìn)步和汽車行駛速度的提高，車輛制動(dòng)系統(tǒng)的重要性表現(xiàn)得越來越明顯，眾多的汽車工程師在改進(jìn)汽車制動(dòng)性能的研究中傾注了大量的心血；另一方面，隨著科技的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)越來越廣泛地應(yīng)用在各種設(shè)計(jì)領(lǐng)域，汽車設(shè)計(jì)也不例外。在汽車設(shè)計(jì)中使用動(dòng)力學(xué)仿真可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測產(chǎn)品性能，改善產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也能夠評價(jià)已有產(chǎn)品的質(zhì)量、性能等，優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，縮短產(chǎn)品的研制周期，節(jié)約開發(fā)費(fèi)用。目前，在國際上對汽車的開發(fā)設(shè)計(jì)和性能預(yù)測的要求越來越精確，要求新產(chǎn)品（新車型）的開發(fā)周期越來越短。那么，傳統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)方法已不適應(yīng)這些要求，而仿真軟件設(shè)計(jì)正是解決這些問題的。

1 ABS防抱死制動(dòng)系統(tǒng)建模

1.1 單輪模型

2 ABS防抱死系統(tǒng)仿真

2.1 ABS不起作用的制動(dòng)過程

在分析ABS之前，先分析ABS不起作用時(shí)的制動(dòng)過程，根據(jù)單輪模型、輪胎模型和制動(dòng)器模型，汽車的制動(dòng)控制過程可以細(xì)化成如圖2所示的流程。

當(dāng)駕駛員踩下制動(dòng)踏板，制動(dòng)器開始起作用，這時(shí)制動(dòng)器模型和輪胎模型分別將制動(dòng)力矩和地面附著系數(shù)傳給單輪模型，單輪模型計(jì)算出車輪的角速度，并把這個(gè)角速度傳給滑動(dòng)率模型，滑動(dòng)率模型在得到前時(shí)刻的汽車車身速度，計(jì)算出此時(shí)的滑動(dòng)率，然后將滑動(dòng)率傳給輪胎模型，輪胎模型一方面計(jì)算出車身的減速度，為計(jì)算下一時(shí)刻的車速做準(zhǔn)備，另一方面將得出的地面附著系數(shù)傳給下次仿真的輪胎模型，這樣不斷的作用，直到車身速度為0，汽車制動(dòng)完成。

將上述理論用MATLAB的SIMULINK仿真模塊實(shí)現(xiàn)，具體仿真過程如圖3所示。

程序的界面設(shè)計(jì)如圖4所示。軟件輸出的主要結(jié)果有：車身速度——時(shí)間關(guān)系曲線、車輪角速度——時(shí)間關(guān)系曲線、車輪速度——時(shí)間關(guān)系曲線、滑動(dòng)率——時(shí)間關(guān)系曲線、制動(dòng)力矩——時(shí)間關(guān)系曲線。

下面就以某輛貨車為例，仿真汽車的制動(dòng)過程。使用的主要參數(shù)見表1：

通過MATLAB仿真，很快可以得出沒有ABS制動(dòng)仿真結(jié)果。如圖5和6所示，從圖中可以看出，汽車的車輪很快就抱死，滑動(dòng)率迅速上升到1，此后汽車車輪抱死向前滑移，直到整車速度為零；整個(gè)制動(dòng)過程用了6.7334 s，制動(dòng)的距離為100.005 m。

2.2 ABS由滑動(dòng)率控制的制動(dòng)過程

這種ABS控制方式是在上述介紹的常規(guī)制動(dòng)的基礎(chǔ)上，通過電子控制單元（ECU），使控制參數(shù)滑動(dòng)率和輸入制動(dòng)力矩之間形成一定的控制關(guān)系，這種控制方式的ABS具體的控制原理圖，如圖7所示。

分析這種ABS的控制過程，ABS能夠不斷對滑動(dòng)率進(jìn)行收集信息，時(shí)刻監(jiān)視車輪的旋轉(zhuǎn)情況，若車輪的滑動(dòng)成分太多，ECU發(fā)出降低制動(dòng)壓力控制信息，減小制動(dòng)器制動(dòng)力矩，使車輪的角速度不至于減少得太多，防止車輪抱死，同時(shí)可提高地面利用率；若車輪的滑動(dòng)成分適中或太小，ECU發(fā)出保持或增加制動(dòng)壓力控制信號(hào)，保證最佳的制動(dòng)器制動(dòng)力矩和地面利用率。這種動(dòng)態(tài)的制動(dòng)器控制模型能夠很好防止車輪抱死，保持汽車始終在最佳制動(dòng)狀態(tài)，直到制動(dòng)完成。

將上述理論用MATLAB的SIMULINK仿真模塊實(shí)現(xiàn)，具體仿真過程如圖8所示。

仍使用上述貨車進(jìn)行仿真分析，程序仿真的數(shù)據(jù)見表2：

通過MATLAB仿真，很快可以得出單參數(shù)控制的ABS制動(dòng)仿真結(jié)果，如圖9和10所示。從圖中可以看出，汽車在制動(dòng)初期，汽車的速度下降得很穩(wěn)定，但是到制動(dòng)后期，車速比較低時(shí)，車輪迅速抱死，滑動(dòng)率很快達(dá)到1，此后汽車采用常規(guī)制動(dòng)到停車。整個(gè)制動(dòng)過程用了4.6953 s，制動(dòng)的距離為66.3542 m。

2.3 ABS由滑動(dòng)率和車輪加、減速度控制的制動(dòng)過程

這種ABS控制方式，是在上述介紹的單參數(shù)控制的ABS的基礎(chǔ)上將車輪的角加、減速度信息也傳給ECU，ECU掌握更全面的車輪信息，可以對制動(dòng)器給出更為理想的控制信息，這種方式的控制原理圖，如圖11所示。

分析這種理想的ABS控制過程，就是在上述ABS制動(dòng)過程中，同時(shí)時(shí)刻監(jiān)視制動(dòng)車輪的角加、減速度，若制動(dòng)車輪的角減速度過大，會(huì)向制動(dòng)器發(fā)出降壓命令；若制動(dòng)車輪的角加速度過大，會(huì)向制動(dòng)器發(fā)出增壓命令。

將上述理論用MATLAB的SIMULINK仿真模塊實(shí)現(xiàn)，具體仿真過程如圖12所示。

仍使用上述貨車進(jìn)行仿真分析，程序數(shù)據(jù)見表3。

通過MATLAB仿真，很快可以得出三參數(shù)控制的ABS制動(dòng)仿真結(jié)果，如圖13和14所示。從圖中可以看出，汽車的制動(dòng)過程非常理想，整個(gè)制動(dòng)的滑動(dòng)率都保持在最佳水平的上下，整個(gè)制動(dòng)過程用了4.1285 s，制動(dòng)的距離為60.942 m。

3 結(jié) 語

ABS制動(dòng)明顯比常規(guī)制動(dòng)要好得多，仿真結(jié)果表明裝有ABS的汽車在同等條件下比不裝ABS的汽車的制動(dòng)距離減少了33.64%，制動(dòng)時(shí)間減少了30.26%；而三參數(shù)控制的ABS比不裝ABS的汽車的制動(dòng)距離減少了38.68%，制動(dòng)時(shí)間減少了39.05%。

參考文獻(xiàn)：

[1] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[2] 魯?shù)婪?汽車制動(dòng)系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[3] 方泳龍.汽車制動(dòng)理論與設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2005.