汽車ABS控制聯(lián)合仿真分析*

吳迪 郝亮 張芳芳 鄭利民 李浩 猶毅

（遼寧工業(yè)大學(xué)）

防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）是現(xiàn)代汽車普遍裝備的主動(dòng)安全裝置，ABS在汽車緊急制動(dòng)時(shí)能根據(jù)輪胎與路面間的附著力，自動(dòng)調(diào)節(jié)車輪制動(dòng)力大小，防止車輪抱死拖滑，保證汽車側(cè)向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱性，同時(shí)縮短制動(dòng)距離，從而取得最佳的制動(dòng)效果，減少制動(dòng)時(shí)交通事故的發(fā)生[1]。但是汽車制動(dòng)工況非常復(fù)雜，難以建立精確的汽車動(dòng)力學(xué)模型。目前，國(guó)內(nèi)外的ABS研究大多集中在MATLAB/Simulink軟件建立的1/4汽車仿真單輪模型與BANG-BANG算法、PID及模糊控制等控制算法結(jié)合進(jìn)行的ABS控制效果驗(yàn)證，工況和建模效率不高，導(dǎo)致了ABS模型驗(yàn)證工況不夠廣泛，整車建模不精確，不能對(duì)整車制動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行精確描述[2]，同時(shí)得出的結(jié)論有時(shí)候和實(shí)際有很大的偏差。因此，文章通過在CarSim中建立精確的整車動(dòng)力學(xué)模型與Simunlink中建立的PID控制算法模型進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，在CarSim中設(shè)定不同的仿真工況（低附著系數(shù)路面和對(duì)接路面），從而對(duì)更加廣泛路況下的ABS控制效果進(jìn)行了有效驗(yàn)證，這種CarSim/Simulink的ABS控制器聯(lián)合仿真分析方法，具有研發(fā)效率高、開發(fā)精度高及開發(fā)成本低等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也為后續(xù)的硬件在環(huán)平臺(tái)的實(shí)際驗(yàn)證奠定基礎(chǔ)。

1 PID（比例-積分-微分）控制模型的Simulink建立

PID控制是實(shí)際應(yīng)用中最成熟和最廣泛的一種控制方式[3]。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以不了解被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，并且實(shí)施容易，控制效果良好[4]。文章的仿真分析選用的控制器為經(jīng)典的PID控制器，其仿真模型，如圖1所示。

圖1 PID控制器模型圖

PID控制器以制動(dòng)時(shí)輪胎的期望滑移率為控制目標(biāo)，通過輪速與車速傳感器采集汽車速度和車輪轉(zhuǎn)速信號(hào)[5]，然后根據(jù)實(shí)際采集的速度信號(hào)計(jì)算出汽車各輪胎實(shí)際滑移率，再將實(shí)際滑移率與期望滑移率進(jìn)行比較，得出兩者的偏差，將其作為PID控制器的輸入量，控制器輸出其制動(dòng)力的大小。在控制的過程中要不斷地調(diào)整PID控制的各參數(shù)，從而調(diào)節(jié)制動(dòng)力的大小。輪胎受制動(dòng)器不同制動(dòng)力作用后，實(shí)際滑移率會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過反饋后，與期望滑移率的偏差也發(fā)生了相應(yīng)的變化，反復(fù)調(diào)節(jié)控制器的控制參數(shù)，最終使實(shí)際滑移率始終處于最佳滑移率附近，使汽車在最佳滑移率所對(duì)應(yīng)的地面制動(dòng)力下進(jìn)行制動(dòng)，制動(dòng)效果達(dá)到最佳。

2 聯(lián)合仿真模型分析

本次仿真車型的選擇為B級(jí)車，利用CarSim軟件建立整車動(dòng)力學(xué)仿真模型，包括車體模型、輪胎模型、轉(zhuǎn)向系模型、懸架模型、制動(dòng)系模型、傳動(dòng)系及空氣動(dòng)力學(xué)模型。特別針對(duì)整車制動(dòng)系模型，要定義與Simulink軟件可以進(jìn)行聯(lián)合仿真的輸入輸出接口的設(shè)計(jì)，其整車動(dòng)力學(xué)模型的輸入為4個(gè)輪的制動(dòng)力，輸出為4個(gè)輪的輪速和車速，為聯(lián)合仿真奠定基礎(chǔ)，搭建CarSim/Simulink聯(lián)合仿真模型，如圖2所示。

圖2 整車動(dòng)力學(xué)CarSim/Simulink聯(lián)合仿真模型

在CarSim軟件中分別選擇低附著系數(shù)路面和對(duì)開路面2種工況。聯(lián)合仿真模型的順利運(yùn)行需要對(duì)PID控制器的Kp，Ki，Kd3個(gè)參數(shù)進(jìn)行確定，3個(gè)參數(shù)的確定方法有多種[6]。本次分析采取試湊法，即對(duì)參數(shù)進(jìn)行多次設(shè)定，得到相應(yīng)的仿真曲線，通過對(duì)不同曲線的對(duì)比分析得到3個(gè)參數(shù)的合理數(shù)值。

2.1 低附著系數(shù)路面的仿真分析

在低附著系數(shù)路面上，進(jìn)行ABS的PID控制器仿真驗(yàn)證，所得仿真曲線，如圖3所示。

圖3 低附著系數(shù)路面參數(shù)對(duì)比曲線

從圖3a可以看出，帶有ABS的汽車模型制動(dòng)距離為54 m，制動(dòng)時(shí)間為4.5 s；相反，不帶ABS的汽車模型制動(dòng)距離為70 m，制動(dòng)時(shí)間為5.3 s，從而使得制動(dòng)距離縮短了16 m，制動(dòng)時(shí)間縮短了0.8 s。從圖3b中可以看出，由于低附著系數(shù)路面制動(dòng)時(shí)，帶有ABS的汽車由于要對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，所以橫擺角速度在制動(dòng)過程中4 s處會(huì)發(fā)生2（°）/s的波動(dòng)，隨著制動(dòng)時(shí)間的增長(zhǎng)，最終橫擺角速度趨于穩(wěn)定狀態(tài)為0，說明制動(dòng)過程是穩(wěn)定的，無失穩(wěn)現(xiàn)象發(fā)生。從圖3c的曲線可以看出，帶有PID控制的ABS制動(dòng)器的汽車，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)滑移率，對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保證車輪與車速曲線較為接近，使車輪接近于純滾動(dòng)狀態(tài)，不斷地將車輪速度減緩到0，其波動(dòng)比較小，制動(dòng)過程比較平穩(wěn)，達(dá)到了比較理想的制動(dòng)效果。從圖3d可以看出，不帶PID控制器的汽車模型4個(gè)車輪輪速快速下降到0，發(fā)生了抱死拖滑現(xiàn)象，這是一種極其不穩(wěn)定的狀態(tài)。從圖3e可以看出，4個(gè)輪的滑移率在0～3 s內(nèi)可以迅速調(diào)節(jié)到理想的滑移率（0.06）附近并保持穩(wěn)定，與預(yù)先設(shè)定的滑移率幾乎吻合，而在3 s后，由于整車行駛到低速的時(shí)候，車速過小，導(dǎo)致滑移率計(jì)算波動(dòng)較大，從而導(dǎo)致制動(dòng)力矩和車輪速度都在低速時(shí)波動(dòng)較大，但此時(shí)整車基本已趨于穩(wěn)定，故對(duì)制動(dòng)效果不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

2.2 對(duì)開路面的仿真分析

在對(duì)開路面上進(jìn)行ABS的PID控制器的仿真驗(yàn)證，所得仿真曲線，如圖4所示。

圖4 對(duì)開路面參數(shù)對(duì)比曲線

從圖4a可以看出，帶有ABS的汽車模型制動(dòng)距離為50 m，制動(dòng)時(shí)間為3.8 s，不帶PID控制器的汽車模型制動(dòng)距離為46 m，制動(dòng)時(shí)間為4 s。采用PID算法設(shè)計(jì)的ABS控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)后制動(dòng)距離有所增加，但不超過10%，滿足標(biāo)準(zhǔn)。從圖4b可以看出，不帶有ABS的汽車模型橫擺角速度曲線有較大的波動(dòng)，說明汽車在制動(dòng)過程中有很大的擺動(dòng)，出現(xiàn)了失穩(wěn)現(xiàn)象；而帶ABS的汽車橫擺角速度為0，極其穩(wěn)定，說明制動(dòng)過程非常平穩(wěn)。從圖4c可以看出，輪速與車速的曲線較為接近，ABS的PID控制器對(duì)滑移率進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)制動(dòng)器的制動(dòng)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，使車輪處于純滾動(dòng)狀態(tài)，并將車輪的速度緩緩減到0，其波動(dòng)比較小，制動(dòng)過程比較平穩(wěn)，達(dá)到了比較理想的制動(dòng)效果。從圖4d可以看出，不帶PID控制器的汽車模型4個(gè)車輪輪速快速下降到0，發(fā)生了抱死拖滑的現(xiàn)象。從圖4e可以看出，4個(gè)車輪的滑移率在0～4 s內(nèi)可以迅速調(diào)節(jié)到理想的滑移率（0.06）附近并保持穩(wěn)定，與預(yù)先設(shè)定的滑移率幾乎吻合，而在4 s后，由于整車行駛到低速的時(shí)候車速過小，導(dǎo)致滑移率計(jì)算波動(dòng)較大，從而導(dǎo)致制動(dòng)力矩和車輪速度都在低速時(shí)波動(dòng)比較大，但此時(shí)整車基本已趨于穩(wěn)定，故對(duì)制動(dòng)效果不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

3 結(jié)論

采用聯(lián)合仿真的方式，通過2種路面制動(dòng)仿真分析，充分驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的ABS的PID控制器在低附著系數(shù)和對(duì)開路面上都能將車輪的滑移率控制在相應(yīng)的最佳滑移率附近，縮短了制動(dòng)距離，制動(dòng)過程平穩(wěn)，明顯地提高了汽車制動(dòng)效能。通過這種方式可以大大提高實(shí)車匹配驗(yàn)證效率，有助于節(jié)省開發(fā)成本和開發(fā)時(shí)間，為后續(xù)相關(guān)仿真分析提供了思路。