基于PID控制的汽车液压ABS的建模与仿真

 2023-01-12 08:01

论文总字数:13442字

摘 要

本文首先回顾了ABS技术的背景和研究现状以及ABS的组成部份和工作原理,接着阐述了基于PID控制的汽车ABS仿真原理,然后以滑移率为控制目标,运用PID控制方法在Matlab/Simulink环境下建立起汽车制动仿真模型,包括汽车动力学模型、轮胎模型和制动系统模型,以获得与制动距离、制动时间、制动性能有关的数据曲线。并且与开关控制的ABS制动过程相比较,最后得出PID控制方法优于开关控制方法,可以有效地提高ABS系统的制动性能的结论。

关键词:车辆制动防抱死系统;制动效能;PID控制

Modeling and Simulation of Automotive Hydraulic ABS Based on PID Control

ABSTRACT

This article first reviewed the background and research status of ABS technology and the components and working principles of ABS, and then explained the principle of automotive ABS simulation based on PID control, and then used the slip control rate as the control target, using PID control method in Matlab / Simulink Under the environment, a vehicle braking simulation model is established, including vehicle dynamics model, tire model and braking system model, to obtain data curves related to braking distance, braking time, and braking performance. Compared with the switch-controlled ABS braking process, it is concluded that the PID control method is superior to the switch control method, which can effectively improve the braking performance of the ABS system.

Keywords: ABS;Braking performance;PID control

目 录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 引言 1

1.1 ABS技术的发展与应用现状 1

1.2 ABS的工作原理 2

1.3 汽车ABS的组成 2

1.3.1 轮速传感器 3

1.3.2 压力调节装置 3

1.3.3 电子控制单元(ECU) 3

1.4 ABS的控制策略 4

1.5 本章小结 5

第二章 汽车PID控制算法与制动系统设计 6

2.1 PID控制算法 6

2.2 以滑移率作为控制目标的控制策略 6

2.3 建立PID控制仿真模块 7

2.4 本章小结 7

第三章 汽车制动系统仿真 8

3.1 汽车动力学模型的建立 8

3.2 汽车轮胎模型的建立 8

3.3 制动系统模型的建立 9

3.4 本章小结 9

第四章 ABS系统制动过程仿真分析 10

4.1 建立ABS防抱死制动系统仿真模型 10

4.2 角速度随时间变化的曲线分析 10

4.3 滑移率随时间变化的曲线分析 11

4.4 制动距离随时间变化的曲线分析 12

全文总结 13

致谢 14

参考文献 15

第一章 引言

1.1 ABS技术的发展与应用现状

ABS理论基础早在二十世纪五六十年代就已经建立,二十世纪八十年代后,电子控制技术快速发展,ABS得以运用在汽车上。汽车防抱死制动系统(ABS)由轮速传感器、电控单元(ECU)和执行器三部分组成。

冯谣提出PID控制算法是最早发展的ABS控制策略之一,因为其算法简单,稳定性好,可靠性高,被广泛的运用于工业上的过程控制以及运动控制。通过比例P、积分I和微分D的线性组合构成控制量,调节不同的比例、积分、微分系统,对被控对象进行控制[1]。虽然PID控制算法有着以上优点,但是不同的控制策略适用于不同的控制系统,除了PID控制器外还有PD、PI等控制算法。需结合不同的设计需求运用相应的算法。李劲松等学者提出以逻辑门限为控制的算法,以车轮的减速度(或角减速度)和加速度(或角加速度)作为主要控制门限,车轮的滑移率作为辅助控制门限[2]。因此单独采用其中一种门限进行车轮防抱死控制,都有较大局限,将二者结合有利于路面情况的识别,提高系统对车轮的控制能力。此外在文献[2]中,还提出了以滑移率控制的算法。通过测量车速和轮速得到滑移率S的大小与目标滑移率S0比较,从而控制电磁阀的输出,以此实现对车轮状态的控制。马付雷提出尽管国内外已经针对汽车防抱死制动系统开发了许多控制策略,例如PID控制、滑块变结构控制、最优控制、神经网络控制以及模糊控制等,但是目前主流的控制方法还是逻辑门限控制[3]。因为逻辑门限控制不涉及具体的数学模型,对制动系统的非线性控制有很好的效果,所以逻辑门限控制还是ABS控制方法的主流。李慧敏等学者运用了基于PID控制和模糊逻辑控制的两种控制策略,通过对比控制效果得出了模糊逻辑控制具有良好的鲁棒性和PID控制简单实用的结论[4]。所以为了达到最佳的控制效果,可以在同一控制系统中使用不同的控制策略。

由此可见ABS的控制策略有许多种方法,我们需要结合汽车轮胎实际工况下的特性,运用不同的控制策略得到数据并比较制动效能、制动效能的恒定性以及制动时汽车的方向稳定性,得到最佳的控制策略。

在ABS建模方面,张亮提出ABS控制策略的基础是建立汽车防抱死制动系统模型,模型一定要在满足系统实际特性的基础上对所研究的问题进行一定的抽象与简化[5]。王甜甜等学者采用了“魔术公式”建立轮胎仿真模型。“魔术公式”是由Pacejka教授提出的,通过公式来表达轮胎的侧向力、纵向力、翻转力矩、回正力矩、阻力矩以及纵向力、横向力联合作用时轮胎的工作状况[6]。因此在建立模型时,要充分考虑各种因素对模型的影响,既要简明易懂,又要体现出模型的真实情况。钱兆刚解释了制动器仿真模型的建立,汽车在制动过程中,制动轮缸中的制动液压力经历着一系列增压、减压、保压的工作循环[7]。因此决定了制动器压力模块的受力和运动状态不断变化,所以在对制动器仿真模型进行设计时,要充分考虑电磁阀分配各缸流量以及压力过程中的动态性能。

随着电子计算机软件的发展,我们可以在计算机上完成建模,然后输入参数,并进行实验。建立了以上的仿真模型,需要在Matlab环境下进行仿真实验,以此达到汽车ABS最佳的制动效果。张新等学者阐述了基于Matlab环境的防抱制动模型,该模型由三部份组成,分别是驾驶员模块、车辆模块以及控制器模块。驾驶员模块只有输出的模块没有输入的模块,车辆模块由车体系统、制动系统以及驱动系统组成。控制器模块主要是ABS控制器[8]。无论哪一种模块,都需要我们充分考虑其对整体的影响,经过计算与分析方可建模。李柏华提出在Simulink环境下,可以明显的观察到现实世界中的外界因素对系统的影响,尤其是复杂的非线性系统[9]。刘化伟首先提出了单轮车辆模型仿真图,然后又提出了四轮车辆模型仿真图[10],由简单到复杂。对以上学者提出的建模方法,需要针对课题适当采用,加入自己的想法,考虑到汽车制动时实际动态性能,建立合适的模型。由于课题要求,本篇只建立单轮车辆的制动力学数学模型。

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