基于AMESim的防抱死制动系统控制研究

李冰林　吕立亚　赵奉奎　张涌

摘 要：为了提高ABS制动模型的准确性，提出液压数值模拟的方法，并结合Simulink软件环境，建立车辆单车轮ABS动力学模型。采用PID控制和有限状态机相结合的控制方法，实现对ABS液压系统的制动控制。应用AMESim与Simulink对系统进行联合仿真，分析不同动力黏度的液压油对ABS的影响。结果表明，所采用的控制策略能使车轮滑移率稳定在最佳滑移率0.2附近，实现了对ABS的有效控制;随着液压油动力黏度由0.725 Pa·s增加到1.425 Pa·s，制动距离由24.28 m增加到25.51 m，说明油液黏度增加会使制动距离加长。因此，所建立的车辆单车轮ABS动力学模型比线性化制动模型更能体现参数的特性变化，研究方法可应用于ABS液压系统设计中的参数选择与匹配。

关键词：车辆工程;防抱死制动系统控制;液压系统建模;有限状态机;联合仿真

中图分类号：U463.54

文献标识码：A

doi： 10.7535/hbgykj.2020yx02008

Abstract：In order to improve the accuracy of ABS braking model， a hydraulic numerical simulation method was proposed， and a single wheel ABS dynamic model was established by combining Simulink software. As for the control method， the combination of PID control and finite state machine method was used to realize the brake control of ABS hydraulic system. The influence of hydraulic oil with different dynamic viscosities on ABS was analyzed by AMESim and Simulink of simulation. The results show that the control strategy can stabilize the wheel slip ratio near the optimal slip ratio of 0.2， and realize the effective control of ABS. As the dynamic viscosity of hydraulic oil increases from0.725 Pa·s to 1.425 Pa·s， the braking distance increases from 24.28 m to 25.51 m， which indicates that the braking distance will increase with the viscosity of hydraulic oil. It can be seen that the dynamic model of single wheel ABS can reflect the change of parameters better than the linear braking model. The method proposed in the paper can be applied to parameter selection and matching in ABS hydraulic system design.

Keywords：vehicle engineering; ABS control; modeling of hydraulic system; finite state machine; joint simulation

ABS是非线性时变系统，难以建立完整准确的制动模型。液压系统的元件和参数对整个系统的性能和动静态特性非常关键，对其进行建模分析常采用传统的传递函數、状态空间等方法。这些建模通常会对液压系统进行简化，或者采用经验的一、二阶经验模型，忽略了电磁阀弹簧的非线性因素及压力传送的延迟，使仿真都过于理想，与实际情况有偏差[1]。金智林等[2]对电子液压制动系统的关键部件进行了建模，并用线性回归理论对模型的参数进行了辨识，但是很少考虑液压系统的固有特点，以及液压油对系统的影响。目前针对ABS控制的大多数研究均基于制动力矩可以连续精确调节的假设[34]，这与实际情况不符。刘志强等[5]为了研究方便，将制动系统模型由液压传动系统和制动力矩两部分组成，将液压传动系统简化为一个电子阀环节和一个积分环节，这与真实的液压系统存在较大的差别。张安静等[6]讨论了不同制动器的结构对制动性能的影响。针对ABS的控制算法，除了熟知的逻辑门限控制方法外，还有模糊控制、滑模变结构控制、主缸定频调压式控制等方法能实现对系统的控制[710]。对于ABS这些非线性时变特性，本文采用理论建模与数值建模相结合的方法，对ABS关键部件（ABS 液压调节单元、真空助力器、制动主缸等）进行建模，同时建立整车动力学模型，组成一套制动系统动态仿真平台。对于ABS的制动控制研究，采用有限状态机理论，在Simulink中建立控制策略模型，利用该方法可以对控制策略进行验证和改进，对条件不成熟还未实现的控制策略进行理论研究，为ABS控制系统实验平台建设提供理论基础。本文最后也从另外的角度，分析了不同动力黏度的液压油对于ABS制动性能的影响。

1 ABS的动力学模型

为便于分析，暂不考虑空气阻力、车轮滚动阻力及加速阻力等因素，只考虑车体纵向运动和车轮转动，可得二自由度模型[1112]。单轮车辆模型如图1所示。

2 基于AMESim的ABS液压系统建模

AMESim软件内部包含有复杂的液压元件和结构参数化模块，可以对车辆动力学、液压系统、制动系统进行建模、仿真及动力学分析。同时可以将Simulink控制系统仿真功能模块与AMESim进行结合，对制动系统实现联合仿真功能。ABS液压模型主要包括制动主缸模型、ABS液压调节单元模型和制动轮缸模型。

1）制动主缸模型

为了增加行驶的安全性，在现代汽车的双回路制动系统中普遍采用串列双腔主缸。本文采用了双回路制动系统串列双腔制动主缸模型，如图2所示。

由图可以看出，单轮车辆 ABS 液压系统主要有真空助力器、制动主缸、制动轮缸、压力控制阀、联合仿真接口等组成。联合仿真的接口模块可利用Matlab/Simulink的控制模块实现数据交换。

本文所用到的液压系统参考已有车型上安装的ABS系统，确定液压系统模型中的参数（见表1）。

3 高速电磁阀的响应特性

高速开关电磁阀的响应特性主要由电气环节与机械环节的响应特性组成，电气环节的响应速度与机械环节响应速度的因素相比要小很多。而影响机械环节响应速度的因素主要有阀芯质量m和黏性阻力系数D[15]。选取m=0.02 kg，分别取D=10，15，20 N/（m2·s-1），阀芯开度响应结果如图5所示，结果表明，随着D的加大，系统响应速度变慢，超调量减少。

4 控制策略实现

在AMESim中已经建立了ABS液压系统模型，车辆模型和控制策略在Matlab/Simulink环境下建立。

1） 单轮车辆模型

根据前述理论，在Simulink中搭建单轮ABS的动力学模型如图6所示。

2）有限状态机控制

根据有限状态机理论，可以依据由一种状态转换至另一种状态的条件，并将每对可转换的状态均设计出状态迁移的事件，从而构造出状态迁移图。针对制动过程中出现的制动压力增压、保压、减压等过程的切换，采用有限状态机理论对其进行事件驱动。

通过对输入的偏差信号判断，当Stateflow控制策略判断后的结果满足进入下一个逻辑状态时，则进行跳转。这样，使系统在不断加压、减压、保压这3个状态之间工作，通过调节制动器制动力使系统滑移率达到期望值。Stateflow控制策略流程如图7所示。

图8为单轮车辆ABS的Simulink仿真模型，采用PID控制器对实际滑移率与参考滑移率的偏差进行控制，通过状态机对不同的输出结果作出决定，选择采取增压、保压或者减压的动作来制动。

5 仿真结果分析

制动开始时，给定制动踏板400 N的踏板制动力。主缸活塞的压力如图9所示。初速度为60 km/h，汽车的1/4质量为300 kg，车轮转动惯量为2.2，车轮半径为0.3 m，在路面进行仿真，得到的滑移率、车轮转速、车身速度的变化曲线如图10—图11所示。由图可知，系统达到了期望的最佳滑移率（0.2），同时，轮速很好地跟踪了车速，达到了理想控制状态，验证了控制算法的正确性。同时，对不同动力黏度下的制动分析，随着动力黏度的增加，制动距离也相应增加，这表明黏度增加使系统的响应变慢。

液压油的动力黏度分别为u=0.725，1.025，1.425 Pa·s时，制动距离分别为24.28，24.72，25.51 m，制动时间也随着动力黏度的增加而相应增加（如图12所示）。这表明，制动液压油的黏度会使ABS系统的响应时间延迟。

制动器的制动力矩如图13所示。随着液压油动力黏度的增加，制动力矩大小上升偏缓慢，同时也使得相应的制动距离增加。

6 结 语

为了获得更精确的ABS数学模型，采用数值模拟的方法建立了液压系统模型，并结合PID与有限状态机相结合的方法对防抱死制动系统实现控制，得到以下结论。

1）制动液压油的黏度会影响系统高速电磁阀的响应，随着油液黏度的加大，系统响应速度变慢，超调量减少。当液压油动力黏度由0.725 Pa·s增加到1.425 Pa·s，ABS的制动力矩上升速度减慢，同时对应的制动距离由24.28 m增加到25.51 m。

2）所采用的控制方法能使轮速很好地跟踪车速，车轮滑移率稳定在最佳滑移率0.2附近，实现了对ABS的有效控制，验证了控制方法的可行性。

论文只研究了车辆单轮的防抱死制动情况，当汽车的每个轮胎都采取相同的控制策略时，对整车的控制稳定性、操纵性的影响值得进一步研究。

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