汽车ABS系统的PID控制策略及仿真分析.docx

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汽车ABS系统的PID控制策略及仿真分析

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:

1007－4414（201105－0020－03

PIDcontrolstrategyandsimulationanalysisofABSsysterm

LiXiang－gui

（Gansuvocationalandtechnicalcollegeofanimalhusbandry,WuweiGansu733006,China

Abstract:

Inthisthesis,usingvehicledynamicstheory,PIDcontrollermodel,dynamicmodelofvehiclebraking,thewheelmodelareestablished．ThesimulationofABScontrolsystemwhichisaimedattheslipratioisproposed．PIDcontrollerisusedintheindividualABSsystem,thecontrolobjectiveissliprateofwheel．Theactualslipratioiscalculatedthroughthewheelspeedandvehiclespeedwhichisacquiredbythesensor．Comparedtheactualslipratewiththeexpectedslipratio,ThedeviationofthemisputinthePIDcontroller．Intheend,theactualslipratioisalwaysnearthebestsliprate,byrepeatedlyadjustingthecontrolparameters．Atlast,themotorvehicleisbrakedwiththebestpowerwhichiscorrespondingtothebestsliprate．

Keywords:

car;ABS;control;simulationanalysis

1课题研究的必要性

防抱制动系统ABS（Anti－lockBrakingSystem,

在汽车制动时能根据轮胎与路面间附着力,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

2．1

PID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

[1,2]

。

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

。

图1

PID控制原理图

e（t=r（t－c（t（1

式中:

e（t为控制偏差;r（t为给定目标值;c（t为被控对象的实际控制输出量。

PID控制器将偏差e（t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:

W（t=Kp

e（t+

1

Ti

∫e（tdtKd

+Td

de（td[

]t

+u

（2

式中:

KP为比例系数;Kd为微分系数;Ti为积分时间常数;Td为微分时间常数;u0为控制常量,即t=0时的输出量,对绝大多数系统u0=0。

PID控制器包括比例、积分和微分三个环节,各

·

02·研究与分析

欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘·机械研究与应用欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘

·*

收稿日期:

2011－08－08

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。

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e（r,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Ti来表示积分作用的强弱,T

i

取值必须合适,Ti

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。

2．2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:

Tbj=（P

j

－P

A

j

ηBfjRgj（3

式中:

Tbj为车轮制动器制动力矩;P

j

为制动管路压

力;P0为制动管路输出油耗;A

j

为制动分泵有效工作

面积;由下式计算:

Aj=

1

4

d2（4

式中:

η为分泵效率;Bfj为制动器制动效能因素;Rgj

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:

P=4F

p

j

p

ηpBp

πD2m

（5

式中:

Fp为制动踏板力;j

p

为制动踏板机构传动比;

ηP为制动总泵效率;Bp为助力器助力比;Dm为制动主缸直径;j为轮胎符号,j=f,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。

2．3车辆模型

首先对轮胎进行受力分析,轮胎受地面法向反力

Fz、地面纵向制动力F

s

、垂向载荷M以及制动器制动

力矩M

b

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:

Iω·=F

s

R－M

b

（6式中:

I为车轮转动惯量;ω

·

为车轮角加速度;R为轮

胎半径;M

b

为制动器制动力矩;F

s

为轮胎地面纵向制动力

。

图2单轮车辆模型

2．4

整车模型

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:

M

dv

dt

=－∑Fxi（7式中:

M为汽车整车质量;dv/dt为汽车制动时纵向减

速度;F

xi

为地面纵向制动力;i为轮胎符号,i=f,r,分别表示汽车前、后轮胎。

制动力F

x

是轮胎纵向附着系数与地面法向反力的乘积,表示为:

F

xi

=φ

xi

·F

zi

（8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。

2．5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响较大的几个因素加·12·

欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘

研究与分析·机械研究与应用欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘欘·

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[3]

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:

φxi=f+Dsin{Carctan[

BS－E（BS－arctan（BS]}

（9

式中:

φxi为纵向附着系数;f为摩擦系数;D为峰值因

子,

D=0．95－0．003V－0．000011M;B为刚度因子,B=7．527+0．07V;C为曲线形状因子,C=1．65;E为

曲线曲率因子,

E=0．5;V为汽车纵向速度;M为汽车整车质量;i为轮胎符号;B,D,C,

E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

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