某型车辆防抱死控制系统设计与分析

姚东强+谭永营+吴文文

摘 要：针对某型车辆常规制动时制动力不足，高速制动时稳定性差的问题，设计了一套PID防抱死控制系统。基于汽车单轮模型，对比分析了装有防抱死系统前后车轮的滑移率和制动距离，结果表明该PID防抱死控制系统能够较好地改善汽车的制动效能。为进一步验证该控制系统的有效性，建立了汽车双轮模型，模拟了车辆直线制动工况，结果表明该控制系统能够同时保证两车轮都具有理想的滑移率，可使车辆具有较大的制动力和良好的制动稳定性，对于该车防抱死系统的设计具有一定的参考价值。

关键词：PID控制；防抱死系统；滑移率；单轮模型；双轮模型

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.21.018

0 引言

汽车防抱死系统（ABS）是一种主动安全装置。可防止车辆在制动过程中车轮抱死，避免车辆后轮侧滑和前轮丧失转向能力，提高汽车的方向稳定性和转向操纵能力，缩短制动距离。防抱死系统就是汽车在制动过程中自动控制制动器制动力的大小，使车轮不被抱死，从而实现滑移率始终位于最佳滑移率附近，以保证车轮和地面的附着力在最大值，进而确保车辆具有较好的方向稳定性和制动效能。

夏利A+轿车在湿滑路面制动时，经常出现刹车较软，刹不住车的情况；在高速转向制动时，时常伴随有后轮侧滑和前轮转向困难的情况。以上情况出现的主要原因是制动力矩过大以致于超过了地面的可利用附着力， 针对夏利A+轿车存在的制动问题，设计一套基于PID的防抱死控制系统，以提高车辆的制动性能和行驶安全性。

1 汽车防抱死系统单轮模型

汽车防抱死制动系统的数学模型由车辆动力学模型、轮胎模型、制动系统模型和控制系统模型四个部分组成。

1.1 车辆动力学模型

为了描述车辆制动性能和直线制动工况，分别建立了单轮制动模型和双轮制动模型，建模过程中忽略空气阻力和轮胎滚动阻力。

1.2 轮胎模型

轮胎模型可分为理论模型和经验模型。理论模型是对轮胎结构和变形机理的数学描述，建立剪切力和回正力矩与相应参数的函数关系。经验模型是通过大量的轮胎力特性试验数据进行回归分析，将轮胎力特性参数进行拟合后得到的轮胎受力表达式。在进行防抱死系统性能分析时可用简化的双线性模型来表示轮胎受力。

1.3 制动系统模型

2 夏利A+轿车防抱死系统制动过程仿真

2.1 模型建立

假设车轮具有的初速度，基于车轮的滑移率信号和理想滑移率信号的差值，可得到车轮的制动力矩。通过simulink建立单轮模型和双轮模型，如图2-1所示。

2.2 夏利A+轿车防抱死系统仿真分析

2.2.1 制动力矩对比仿真

根据设定的车辆初始速度25m/s，车轮直线制动，直到速度减为零。基于建立的单轮模型，当车轮未装有ABS时候，选择一个斜坡函数模拟踩刹车时制动力矩的增加过程，斜坡函数斜率的合理选择直接关系到驾驶员制动过程踩刹车快慢的模拟。斜率过大，表明驾驶员刹车越急，车辆越危险，车轮越容易抱死；斜率选择过小，车轮制动时间过长，车辆难以实现短距离制动的目的。本处在进行斜坡函数的选择时，通过了多次仿真对比，选择了制动时间最短，且车轮未抱死的理想斜坡函数，如图2-2所示。车轮防抱死系统PID控制参数经过反复调试后，车轮滑移率始终处于最佳，此时车轮制动力矩如图2-3所示。

通过图2-2和2-3對比可知，安装ABS后车轮制动力较快升高，之后迅速回到稳定值，然后保持不变，直到制动结束。该过程是通过控制系统对比车轮实际滑移率与理想滑移率之间的差值进行实时调节而实现的。对于未安装ABS的车轮需要驾驶员非常好的操纵技巧和驾驶经验才能保证使车轮制动力达到理想情况。

2.2.2 制动性能对比仿真

设定车轮初速度为25m/s，车轮常规制动力矩输入为图2-3， 进行直线制动仿真。车轮直线制动仿真结果显示安装ABS前后车轮的制动距离分别为39.03m和33.75m，但安装ABS前车辆需要进行非常良好的操纵才能达到39.03m的制动距离。安装ABS前后车轮的滑移率如图2-4和图2-5所示。

由图2-4和图2-5对比可知：安装ABS后，车轮滑移率经过约0.3s后始终保持为理想值0.2，由汽车理论可知此时不仅车轮具有较好的纵向利用附着系数，而且车轮的侧向利用附着系数也很大，车辆的稳定性很好。因此，设计的PID控制系统能够使车轮始终保持在最佳的滑移率附近，效果较好。

3 结论

针对夏利A+轿车常规制动时制动力不足，高速制动时稳定性不好的问题，本文设计了一套车辆防抱死控制系统。基于单轮模型分析了该防抱死控制系统的制动效能，结果显示该系统能够较好地控制车轮滑移率，能够使得车轮始终保持在较为理想的滑移率附近，制动效果较好。基于双轮模型，模拟了车轮直线制动工况，结果显示该系统能够保证双轮同时处于较好的附着状态，车辆制动效能好，对于解决该夏利A+轿车抱死问题具有一定的参考价值。

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作者简介：姚东强（1992-），男，河南信阳人，在读硕士研究生，研究方向：车辆总体技术。endprint