汽车ABS系统的PID控制策略及仿真分析

硼穷与分析机械研究与应用汽车ABS系统的PID控制策略及仿真分析李香桂甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃武威733006摘要运用汽车动力学理论，建立了PID控制器模型、制动时整车动力学模型、车轮模型。提出了以滑移率为控制目标的ABS系统的控制仿真分析，将PID控制器应用于单个ABS系统控制研究，以车轮滑移率为控制目标，通过轮速与车速传感器采集汽车速度、车轮转速，计算出汽车各轮胎实际滑移率，与期望滑移率进行比较后，将二者的偏差作为PID控制器的输入量，反复调节控制器的控制参数，使其实际滑移率始终处于最佳滑移率附近，通过PID控制最终使汽车在最佳滑移率所对应的地面制动力下进行制动。关键词汽车；ABS；控制；仿真分析中图分类号U463文献标识码A文章编号10074414201105002003PIDCONTROLSTRATEGYANDSIMULATIONANALYSISOFABSSYSTERMLIXIANGGUIGANSUVOCATIONALANDTECHNICALCOLLEGEOFANIMALHUSBANDRY，WUWEIGANSU733006，CHINAABSTRACTINTHISTHESIS，USINGVEHICLEDYNAMICSTHEORY，PIDCONTROLLERMODEL，DYNAMICMODELOFVEHICLEBRAKING，THEWHEELMODELAREESTABLISHEDTHESIMULATIONOFABSCONTROLSYSTEMWHICHISAIMEDATTHESLIPRATIOISPROPOSEDPIDCONTROLLERISUSEDINTHEINDIVIDUALABSSYSTEM，THECONTROLOBJECTIVEISSLIPRATEOFWHEE1THEACTUALSLIPRATIOISCALCULATEDTHROUGHTHEWHEELSPEEDANDVEHICLESPEEDWHICHISACQUIREDBYTHESENSORCOMPAREDTHEACTUALSLIPRATEWITHTHEEXPECTEDSLIPRATIO，THEDEVIATIONOFTHEMISPUTINTHEPIDCONTROLLERINTHEEND，THEACTUALSLLPRATIOISALWAYSNEOXTHEBESTSLIPRATE，BYREPEATEDLYADJUSTINGTHECONTROLPARAMETERSATLAST，THEMOTORVEHICLEISBRAKEDWITHTHEBESTPOWERWHICHISCORRESPONDINGTOTHEBESTSLIPRATEKEYWORDSCAR；ABS；CONTROL；SIMULATIONANALYSIS1课题研究的必要性防抱制动系统ABSANTILOCKBRAKINGSYSTEM，在汽车制动时能根据轮胎与路面问附着力，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U2J。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。ILL图1PID控制原理图ERF一C1式中ET为控制偏差；RT为给定目标值；C为被控对象的实际控制输出量。PID控制器将偏差ET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，其控制规律为去卜。2式中为比例系数；为微分系数；为积分时间常数；为微分时间常数；为控制常量，即T0时的输出量，对绝大多数系统U。O。PID控制器包括比例、积分和微分三个环节，各收稿日期201I一0803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。20机械研究与应用环节的作用如下。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ER，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、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来表示积分作用的强弱，取值必须合适，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。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JP；一POAJRD3式中为车轮制动器制动力矩；PI为制动管路压力；P0为制动管路输出油耗；AI为制动分泵有效工作面积；由下式计算172AJ竹D4式中，7为分泵效率；B。为制动器制动效能因素；R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P4FLJPPBO一,RRD。5式中F为制动踏板力；为制动踏板机构传动比；叩为制动总泵效率；B。为助力器助力比；D为制动主缸直径；为轮胎符号，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，地面纵向制动力F。、垂向载荷以及制动器制动研究与分析力矩眠，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1WF。RMB6式中J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。为轮胎地面纵向制动力。24整车模型图2单轮车辆模型图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一7式中M为汽车整车质量；DVDT为汽车制动时纵向减速度；FI为地面纵向制动力；I为轮胎符号，IF，R，分别表示汽车前、后轮胎。制动力，是轮胎纵向附着系数与地面法向反力的乘积，表示为FIIFI8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、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IL向较大的几个因素加21研究与分析机械研究与应用以考虑。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】，它是利用制动过程中的地面制动力矩、车速、纵向减速度及轮速等数据，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II，DSINCARCTANBSEBSARCTANBS9式中为纵向附着系数为摩擦系数；D为峰值因子，DO950003V0000011M；B为刚度因子，B7527007V；C为曲线形状因子，C165；E为曲线曲率因子，E05；V为汽车纵向速度；为汽车整车质量；为轮胎符号；，D，C，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控制策略匿K蕈卜一臣圈L一一一一一一一L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率，再将实际滑移率与期望滑移率进行比较，得出二者的偏差，将其作为PID控制器的输入量，控制器输出控制量用以调节制动器制动压力的大小，在控制的过程中要不断地调整PID控制的各参数，从而调节制动力的大小，轮胎受制动器不同制动力作用后，实际滑移率会发生相应的变化，通过反馈后，与期望滑移率的偏差也发生了相应的变化，反复调节控制器的控制参数，最终使实际滑移率始终处于最佳滑移率附近，汽车在最佳滑移率所对应的地面制动力下进行制动，制动效果达到最佳。根据以上控制策略，设计控制器仿真模块图如图5所示。期图5控制器仿真模块图4制动防抱死过程仿真分析22出在前述制动系统模型建立的基础上，根据基于滑移率的PID控制策略思路，对汽车制动防抱死系统进行总体仿真研究如图6所示。图6汽车制动防抱死系统的总体仿真模型车辆系统包括整车模型、轮胎模型及垂向载荷模型。制动系统即制动器模型，控制器采用的是PID控制器。制动时由踏板输出模块给一个阶跃输人，即输入给制动系统一个设定制动压力，进人求和模块，另一个进入求和模块的是来自控制器的输出变量，求和后输出给伺服系统的是实际给定系统的目标压力值，通过限值模块，输入给液压系统及伺服系统，求得系统的动态制动力矩，它输入给车辆模块使车辆进行制动，同时计算实际滑移率，它输入给PID控制器模块，实际滑移率与设定期望滑移率构成误差，由PID控制器算出控制液压力，反馈给制动系统，这构成了典型的反馈控制，以达到控制汽车制动系统防止抱死的目标，最终使制动处于最佳状态。汽车制动防抱死系统进行总体仿真研究是在MATLAB65SIMULINK环境下将上述系统模型运动响应进行仿真计算，为了对控制效果进行比较，选取仿真所需的参数如下14汽车质量M3900KG，车轮半径R03M，车轮转动惯量，17KGM，重力加速度G98MS，制动初速度20MSO期望滑移率SO02，图7为滑移率曲线图，图8为车速与轮速变化曲线图，图9为制动距离曲线。图7滑移率曲线图图8车速与轮速变化曲线图【下转第25页寻流速对短节冲蚀作用的影响。图5取剖面上4条速度直线机械研究与应用研夯与分析、的速度图得知在流量一定的情况下，过流面积越小，速度越大，与流体力学控制方程一致。6结语1由防刺短节节流阀的压降曲线走向和实际工作环境基本一致，压差和速度差几乎为0，这说明流体经过防刺短节后理论值符合实际情况。2从防刺短节的结构可以看出，当流道内环形空间增大，可以降低速度造成的冲蚀，但流场流线复杂，出现了很多漩涡，可能会产生振动和噪声。3根据控制方程，在最大速度和最大压强同时存在的情况下，流体对短节合金头的冲击较小，基本不会造成对短节本体的失效。从防刺短节在现场应用情况来看，还没有失效的案例。防刺短节腔体内流速较低，短接合金头没有必要采用硬质合金材料，本文建议，该零件采用普通碳钢材料，对其表面进行特殊硬化处理即可，这样可以极大的降低成本。图6与图5对应的4条直线上的速度分布图参考文献从图6可看出速度线中的速度值由小增大然后变小，最大冲击速度发生在合金头弧面最上部，由于出口端的截面积由小变大且最终流出时出口端的截面积和人口端截面积相同，和可看出，流体进人进出口端时，L。上的速度明显比L，的速度大，最后1陶文铨数值传热学M西安西安交通大学出版社，20012BAIL，MITRANK，FIEBIGMCOMPUTATIONOFUNSTEADY3DTURBULENTFLOWANDTORQUETRANSMISSIONINFLUIDCOUPLINGSCFOURTEENTHINTERNATIONALCONFERENCEOILNUMERICALMETHODSINFLUIDDYNAMICSHEIDELBERGSPRINGERBERLIN，19954354403练章华，刘干，易浩，等高压节流阀流场分析及其结构改趋于相等，由于短节中部过流面积最大，所以其速度4值比速度线。、上的值要小，在据冲蚀机理，从、上接第22页图9制动距离曲线根据仿真图，可以得出以下结论。1采取PID控制后，当设定望滑移率为020时，较短的控制时间内约在控制开始后03S时，滑移率就达到期望值，在以后的持续时问内车轮的滑移率始终在期望滑移率附近波动，而且波动的幅度很小，基本上与期望滑移率一致，控制效果比较理想。2从车速与轮速比较可以看出，制动一开始由于受到制动器摩擦力矩的作用，轮速的降比车速快，滑移逐渐增大，控制器反复调节后，当滑移率达到期望值时，轮速的下降速度变得较为平缓，基本与车速进J石油机械，2004，3292224刘干节流阀结构研究与流场数值模拟分析D重庆西南石油大学，2003的变化速度相一致，整个过程中车轮滚动情况较好，未出现侧滑。3从图7和图8来看，采用PID控制器进行调节后，制动力的变化和制动减速度的比较稳定，缩短了制动距