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防抱死制动系统的评估与全面的集成模型车辆系统动力学
摘要
防抱死制动系统（ABS），牵引力控制系统等被现代汽车使用以增强安全性和可靠性。自动ABS系统可以完全或部分地掌管车辆的牵引力控制。这里研究的是一种利用通断控制策略以保持车轮滑移在预定范围的防抱制动系统。该控制器的设计需要车辆动力学模型的集成。单轮或自行车整车模型考虑唯一不变的正常负荷在车轮上。另一方面，四轮车辆模型占动态正常装在车轮上，并产生正确的侧向力，适用于可靠的制动系透射电镜设计。本文介绍了一个集成的车辆制动系统动力学和四轮车辆的控制建模过程。车辆系统包括若干能源领域。跨学科建模技术称为键合图用于在不同的能量域和控制系统集成模型。键合图模型集成的车辆的动力系统的模块化和分层开发环境和模拟下，以评估在ABS系统在各种操作环境下的性能。
1.简介
在后面的车辆动力学和防抱死制动系统，这项工作的主要推动因素是印度道路条件，尤其是在城市，半城市和农村地区，道路基础设施差，交通糟糕。车辆的性能在这些条件下受到严重挑战，优化机械系统的性能要求的控制器也可以通过试验和误差，通过详尽的仿真和现场测试调整。这是为什么汽车工业一直在采用现代技术非常保守的原因。在ABS是被设计为不同的增加了制动系统的寿命在这些条件下变得重要.建模和物理现象和物理系统仿真起着理解科学非常重要的作用。参与造型必要的步骤被写入方程每个基本物理系统，排序这些方程，并在解算器执行它们。此方法变得费时当系统变得复杂和多学科性质。一个常见的工具，使不同学科的物理模型的统一方法是键图[1-4]。键合图技术也非常适合于大的物理系统的模块化建模。车辆动力系统是它涉及到机械，液压，气动，电子，电器，化工（电池或燃料电池），热域，仅举几例多能源领域的系统。键合图建模是建立这样一个系统的集成模型与几个能量域耦合的理想工具。多键合图，适用于复杂的多体系统模型[5,6]紧凑的表示。此外，有效的控制算法可以从分析上得到键合图的结构[7-10]。基于以上原因，键合图模型已被广泛用于机电系统[1,11,12]的设计。虽然本文只涉及少数能源领域，键合图建模已经在这里用来保持开放除了进一步动力学组件模型的可能性（例如，内燃机，电动马达驱动，燃料电池，传动系统等）。
命名法
a 前轴从车辆重心的距离
A 面积
B 从车辆重心后轴的距离是B
B 刚度系数
c 轮距的一半Ccedil;
C 形状因素
C1摩擦曲线的C 1最大值
C 2摩擦曲线形状
C3在r X = 1的最大值和值之间的C 3摩擦系数差
C 4湿度特征值
D 峰值
E 曲率因素
F 力
H 从悬架基准点车辆的重心高度h
J 极矩
Ķ 刚度
Ķ 摹连续控制器增益
l长度
m质量
M时刻
r 有效半径
R阻尼
V容积
V，V速度，速度矢量
x，y，z 在三个方向上的位移
_ X; _yuml;; _ž 在三个方向上的速度
euro;X; euro;yuml;; euro;ž在三个方向上的加速度
X 0输出变量
Y I输入变量
alpha;横向滑移角
gamma;外倾角
eth;转向角
theta;角速度，加速度
s转矩
sigma;滑移率
mu;摩擦系数
mu;m电机额定转矩
下标
a 臂
b制动
BC制动缸
BD制动鼓
Ccedil;车身
CFR，CRR前后转弯力
CA电缆
CX，CY，CZ x，y和z车体方向
e相当于
E引擎
FR前置
L左侧
LM机械损耗
M电机
NFR，NRR正常前后轮
R右侧
Re 重新回归
RR后
STX，STY，STZ 结构X.Y.Z方向
ST转向（前轴）
STW方向盘
SX，SY，SZ的x，y和z悬浮的方向
T 轮胎
TFR，TRR切向（前和后）
v车辆
W轮
WX，WY，WZ 轮子X.Y.Z的方向
1左悬架基准点
键合图建模已经在车辆动力学的研究中[13,14]被广泛使用。带有电控刹车和转向的四轮非线性车辆动态模型被马戈利斯和沉[15]开发。再加机构和多体系统模型所需的多种变换的三维动态是Pacejka开发的。与传动系统和车辆动力学模型与复杂性沿发动机模型是由Loucaet开发的。 [17]。在本文中，最初，与转向自行车模型被认为是基本的制动系统的设计。然后它具有和6自由度的车辆底盘还六自由度为每个车轮和包括轮胎力全车辆模型[18]是用于研究的垂直，纵向和横向的车辆动态。对于制动系统的键合图模型，然后用动态分析车辆模型集成。
防抱死制动系统（ABS）是一个电子控制的制动系统，该系统在定向保持控制在湿滑路面上通过防止车轮刹住紧急制动或制动时车辆的稳定性。另一个采用ABS的优势是在湿滑路面上紧急制动或制动时减少制动距离。这是通过利用可用的最大制动功率的量，车轮不会被锁定[19]来实现的。但是软河畔砾石组成面或表面能提高制动距离。传统的ABS在控制性能上有一定的局限性。常规的ABS的一种主要的缺点是，其中的支路被保持在一个可接受的滑移控制策略能范围[20]而不是在最佳值。车辆加速或制动过程中产生的摩擦力正比于在车辆上的车轮上的正常负载。研究表明，该摩擦系数是的一个非线性函数车轮打滑[21]。 ABS控制器被开发，以保持车辆滑移在特定范围内的量，车轮的摩擦系数是最高的，以达到最佳性能。得到的ABS的精确数学模型是非常困难控制器在不稳定的平衡点工作。它也很难通过使用识别实际路面任何可用的传感器。因此，道路状况信息不能在ABS控制器的优化中使用。各种控制算法，如滑动模式控制[22]，模糊逻辑[23]，和神经网络报告在文学优化ABS性能。
人们发现多篇解决本季度汽车ABS的模型。但是，本季度汽车模型是不合适的曲线谈判中评估ABS性能。这需要使用车辆中一辆自行车模型转向或处理模型。虽然自行车模型提供了比单一的改进响应特性车轮模型，它并不代表在ABS装备车辆的真实动态。当车辆制动时，车辆倾斜从后轮至前轮向前和负载转移。当车辆加速时的逆反应。明智的，在转弯时，在车辆负载从内轮的外轮传送。峰值ABS的制动力取决于摩擦的轮胎和地面，而这又取决于法线之间的系数的值装载在轮胎和其它因素。因此，负荷传递的适当的会计需要精确地预测在ABS系透射电镜性能。制动和转弯时的负荷传递机构不能在自行车模型来表示。因此，四轮车辆模型应该被用于最终性能评价，虽然单轮和自行车模型可能在最初的设计阶段使用
本文的结构如下：一，整车模型的各个子系统的模型与ABS控制算法一起解释。然后双循环模式和全车辆模型的详细键图表是基于各种运动学关系构成。最后，提供并与防抱死制动系统以及车辆动力学的仿真结果。
2.制动系统模型
该轮由它们的质量，转动惯量，半径和轮胎刚度建模。轮胎是车轮组件之间的最重要的，因为轮胎力和力矩发挥车辆动力学具有重要作用。轮胎力是必要的，以控制该车辆。作为轮胎的道路和车辆之间的接触的唯一手段，它们的关键因素确定车辆的操控性能。轮胎模型被广泛地划分为物理模型，分析模型和经验模型。的物理模型的构造来预测轮胎的弹性变形和轮胎力[25]。在这种模型中，需要复杂的数值方法来解决运动分析方程模型的公式是不是在大滑和滑组合非常有用。根据实验的相关性实证模型一般都比较准确的[26]。神奇的Pacejka式[18]是与哪个可以计算纵向和转弯力和自对准时刻一种广泛使用的经验模型。
2.1。轮胎打滑的力和力矩
从在轮胎的路面行为的轮胎力和力矩，如图 1.沿x，y和z轴的作用力分别是纵向力Fx，横向力F y和法向力F Z，。类似地沿x，y和z轴作用在力矩倾覆力矩的Mtimes;，滚动阻力矩M y和自我调心的力矩M Z [27]。在实际情况下，轮速和线性加速度[28]被测量并用于计算纵向滑移。纵向滑移率被定义为圆周速度和车轮[29]的平移速度之间的归一化。
对于小的打滑比，纵向力F x和横向力F y可能被近似为：F X = RXCcedil;x和˚FY = RYCcedil;y其中，C X和C y是纵向轮胎刚度（系数）和转弯系数，分别与Rx和Ry是纵向滑移率和横向打滑比[30]。然而，这些线性关系为大打滑比无效。根据实验数据的实证妙方采用了轮胎与路面摩擦模型的发展。
魔术公式给出更精确的结果对于较大滑移角，并且也可以适用于宽范围的操作条件。 向滑移速度开发的纵向力Fx而横向或侧滑速度YW和外倾角ccedil;产生侧力F y和自我调心力矩状态。Pacejka神奇的公式指出纵向力，侧向力和自调心时刻分别为纵向滑行滑功能。
其中，输出变量，Y 2 O 2：F X，˚Fyuml;或M z和输入变量，X I，R x或RYuml;。
合股转向，滚动阻力，锥度效应可能会导致在式中的函数稍有不同。 （3），但这些变化可能被忽略。恒定的参数（B，C，D，E）可以通过设备精良测量轮胎的力和力矩来确定。当冰雪开始显著影响车辆性能的Pacejka神奇的公式是合适的。此外，它不考虑摩擦的速度依赖性，在设计的制动系统是关键的。因此，另一种通过布克哈特[21]开发的配方通常在制动系统的设计研究中。布克哈特该公式的详细信息在接下来的部分中给出。
图 1.轮胎力和力矩。
2.2防抱死制动系统
防抱死制动系统（ABS），其为车辆的自主系统可以用于提高稳定性并减少纵向制动距离，而制动条件下机动。在参考文献。 [31]，它已经显示，防抱死制动系统接近最佳的制动性能。防抱死制动系统适用于危险的制动条件如在结冰或潮湿的沥青路面或紧急制动情况下制动。在制动开始，纵向滑移率开始增加，因为车轮的角速度减小比在车辆的线速度的减少更快。它是已知的，在的滑移率时，轮胎和道路减少，从而率decel-之间的抓地力高值车辆的累加器减小。因此，随着滑移率达到最大阈值时，所施加的制动转矩是降低。其结果，车轮的增加的角速度和纵向滑移率减少。在滑价值低比，如在滑移率很高的价值，在轮胎与路面之间的抓地力降低。因此，当滑移率达到最小阈值时，制动扭矩增加。这样，打滑比正不断维持上部之间并通过调制制动转矩[32]一个较低的阈值。的ABS控制是打滑和车轮加速的组合关合作的控制。在车轮加速控制中，车轮角速度测量和滑移通过间接控制改变车轮的速度。滑不能保持在一个常规的ABS的准确最佳值。这是主要的退税这个系统。测试和调优的地段都需要专为特定车辆每ABS控制器。该测试通常是通过软件合的环和硬件在环仿真[33]进行。液压阀控制通常是用于调节在防抱死制动系统中的制动压力。旷等。 [34]有水力模型用键合图技术的制动系统。在参考文献。 [35]，滑模控制器已经被提出来改善ABS的性能。 Corno等 [36]已经表明，有必要考虑对速度的模型依赖性和车轮打滑制定一个强大的ABS控制器。在参考文献。 [36]，这种依赖是通过一个线性变参数建模（LPV）系统，用于两轮车辆的车轮滑移控制器的直线行驶条件下的发展。综合ABS控制技术已在文献中使用。 [37]对于具有四个电驱动车轮的车辆。复合ABS控制结合液压ABS控制电动马达的ABS控制。对于较低的制动转矩要求，只有电机ABS控制工程，而无论是电动和液压ABS控制工作，更高的扭矩要求[37]。ABS的主要部件是制动伺服，杠杆臂，线缆，回位弹簧，拉杆，凸轮，转子和制动衬块[20]。架构一种ABS的示于图。 2A。 ABS控制器控制被供给到马达的电压。电阻是与串联电机。杠杆臂被连接到电机。电缆被连接到臂的一端，而另一个被连接与凸轮杠杆。返回弹簧用于获取回到初始阶段。其中，纵向力F x和侧力F y可能从最广泛使用的魔术公式线性和角速度的恒定值的特定条件来确定（式（3））通过的Pacejka[18]和F中给出z是正常 力。然而，这种模式的一个主要缺点是它无法描述低滑动效果和车轮锁死在大前锋和侧滑的效果。
经常用于轮胎力模型的另一个摩擦模型是由布克哈特如下给出[21]
图2.（a）一种ABS[20]和（b）的流程图的ABS算法的图式
表格1
轮胎路面摩擦参数[21]。
表面条件 C1 C 2 C3 C 4
沥青，干 1.029 0.523 17.16 0.03
沥青，湿 0.857 33.822 0.347 0.03
鹅卵石，干1.3713 6.4565 0.6691 0.03
雪 0.1946 94.129 0.0646 0.03
其中，常数参数C 1，C2，C3和C4被从实验确定。这些参数对于各种路况[21]在表1中给出从该模型获得的滑动摩擦曲线示于图4.本文中所使用的ABS算法4.流程图如图所示。
的车轮用的各种路面条件10米/秒的线性速度行进的滑动摩擦曲线示于图3.从该图是摩擦系数与滑动到最大值的增加而增加，然后单调下降看出。如果轮被锁定（R X = 1），然后摩擦系数的值低，在车轮开始打滑和转向控制可能会丢失，这完全是不希望的。以提高操纵性和车辆的横向稳定性和制动过程中，以减少制动距离，滑值必须的范围内被保持，以得到的摩擦力的高值。作为滑移动力学是非常快的，并在摩擦曲线的峰值之后的任何值是开环不稳定，滑移值保持在一定的范围，也称为最佳点（参照图中的阴影区域3）内。可达到的最大摩擦系数是在不同的车辆的速度（参照图4）不同。制动系统被设计以更高的速度以得到最大的制动
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