基于+SIMPACK和+MATLAB的+ABS联合仿真

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工业仪表与自动化装置　　　　　　　　　　　　　　　　２０１３年第３期

基于ＳＩＭＰＡＣＫ和ＭＡＴＬＡＢ的ＡＢＳ联合仿真

黄鼎友，张德华

（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江２１２０１３）

　　摘要：不论是采用逻辑门控制算法还是采用ＰＩＤ控制算法，目前汽车制动防抱死系统ＡＢＳ的研究往往都没有考虑到路面的不平度。为了提高ＡＢＳ的精度，降低开发成本，提高匹配效率，首先必须获得车辆各子系统的拓扑结构，再用多体动力学软件ＳＩＭＰＡＣＫ建立整车模型。为了更加逼真的模拟实际道路情况，采用Ｂ级道路谱，在ＭＡＴＬＡＢ中搭建４通道ＡＢＳ的滑模控制器，进行了联合仿真。该仿真模型，可以用于模拟分析不同工况、不同控制参数对制动性能的影响，可以方便快捷地验证不同控制策略的有效性。结果显示：该方法可以逼真地模拟实际车辆制动过程，有效地缩短了制动时间和制动距离，提高了车辆的安全性，同时为ＡＢＳ的研发提供了一种新途径。

关键词：制动性能；ＭＡＴＬＡＢ；ＡＢＳ；联合仿真中图分类号：ＴＰ３９１．９；Ｕ４６１．６　文献标志码：Ａ　文章编号：１０００－０６８２（２０１３）０３－００２０－０４

Ｃｏ－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＡＢＳｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｓｂａｓｅｄｏｎＳＩＭＰＡＣＫａｎｄＭＡＴＬＡＢ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅａｎｄＴｒａｆｆｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＪｉａｎｇｓｕＺｈｅｎｊｉａｎｇ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）

ＨＵＡＮＧＤｉｎｇｙｏｕ，ＺＨＡＮＧＤｅｈｕａ

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＷｈｅｔｈｅｒｕｓｉｎｇｔｈｅｌｏｇｉｃｇａｔｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｒｕｓｉｎｇＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔｕｄｙｄｉｄｎｏｔｔａｋｅｉｎｔｏｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏａｄｓｕｒｆａｃｅｒｏｕｇｈｎｅｓｓ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅａｃｃｕｒａｃｙ，ｍａｔｃｈｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅｃｏｓｔｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．Ｆｉｒｓｔａｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙｄｙｎａｍｉｃｍｏｄｅｌｏｆａｆｕｌｌｖｅ－ｈｉｃｌｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙＳＩＭＰＡＣＫ，ｔｈｅｎ，ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｆｏｕｒ－ｗｈｅｅｌｖｅｈｉｃｌｅｂｒａｋｉｎｇｗａｓｄｅ－ｓｉｇｎｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅＭＡＴＬＡＢ／ｓｉｍｕｌｉｎｋｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ａｔｌａｓｔｃｏ－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗａｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｉｔ摧ｓｅａｓｙｔｏｅｍｕ－ｌａｔｅｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｄｅｆｅｒｅｎｔｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｂｒａｋｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅｍｏｄｅｌｃａｎｗｅｌｌｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｔｒｕｅｂｒａｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｓｈｏｒｔｅｎｂｒａｋｉｎｇｄｉｓ－ｔａｎｃｅａｎｄｔｉｍｅ，ｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅａｎｄａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｓａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｏｆＡＢＳ．

　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｂｒａｋｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ＭＡＴＬＡＢ；ＡＢＳ；ｃｏ－ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

０　引言

汽车制动防抱死系统（ＡＢＳ）是汽车上的一种安全装置，主要功能是在汽车制动过程中将滑移率控制在一定的范围内，以防止车轮抱死，提高汽车制动时的稳定性和安全性，缩短制动距离，延长轮胎的使

［１］

用寿命。目前ＡＢＳ研究的主要控制算法有逻辑门限、模糊控制、ＰＩＤ控制、滑模变结构控制、神经网

［２－６］

络控制等等，但主要是采用单轮模型，忽略了汽车的运动状态对制动性能的影响，且没有考虑到路

　　收稿日期：２０１２－１２－０５

作者简介：黄鼎友（１９６３），男，江苏南通人，副教授，主要从事车辆工程研究。

面的不平度，使得控制效果不理想。该文运用多体动力学软件ＳＩＭＰＡＣＫ建立虚拟样机模型；采用ＳＩＭＰＡＣＫ中的Ｔｒａｃｋ在Ｚ轴方向上设置Ｂ级道路谱；在ＭＡＴＬＡＢ／ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建了４通道ＡＢＳ滑模变结构控制器对汽车的制动防抱死性能进行了研究。该方法为ＡＢＳ控制策略的研究提供了一条新的途径。

１　整车模型建立

不同于物理样机，虚拟样机在设计时不必像物理样机那么复杂，虚拟设计中假设

［７－８］

：１）各铰链之

间的摩擦忽略不计；２）除轮胎、橡胶衬套、减振器看作柔性体外，其余均看作为刚性体；３）忽略动力装

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置及其振动；４）整车简化成由前后悬架、转向系、轮胎、制动盘、车身等子系统组成。

ＳＩＭＰＡＣＫ建模时可以通过哑体来定义子结构。子结构中已经定义了各个运动构件的约束、力、铰，因此在组建整车模型时就将各个子结构之间重新定义约束。这样整车模型就定义好了。

１）悬架模型：其中前悬架为麦弗逊独立悬架，后悬架为单纵臂非独立悬架。

２）转向系：采用齿轮齿条式转向系。

在ＳＩＭＰＡＣＫ中汽车在路面上行驶时，通过汽车专用铰记录下汽车的行驶状态。汽车专用铰实际上是汽车和路面固定参考系之间的一个传感器，它记录了汽车相对于固定参考系，在ｘ，ｙ，ｚ（车辆行驶方向为正ｘ轴，行驶方向左侧为正ｙ轴，垂直ｘ，ｙ平面向上为正ｚ轴）各方向的位移、速度、加速度以及绕

ｘ，ｙ，ｚ的转角、角速度、角加速度。即它可以记录车辆的纵向位移、侧向位移、横摆角速度、侧倾角、俯仰角等等。并且预瞄前方路径，将路径偏移量输入驾驶员传感器，经运算驱动齿条移动实现转向，汽车专用铰时刻记录汽车的运动姿态。

３）轮胎模型：ＳＩＭＡＰＣＫ中提供ｄｅｌｆ＿ｍｆ、ｈｓｒｉ、ｐａｃｅｊｋａ＿ｍａｇｉｃ＿ｆｏｒｍｕｌ、Ｐａｃｅｊｋａ－ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ以及用户自定义轮胎。但是各个轮胎都有自己的使用范围，该文研究的是制动防抱死，因此选用经典的Ｐａｃｅｊｋａ－ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ轮胎。

４）制动器：ＳＩＭＰＣＫ为用户提供了钳盘式制动器子结构。制动器由制动盘和摩擦衬块组成。

由此建立的整车拓扑结构如图１所示，整车模型如图２所示。

图１　整车拓扑结构

２　路面及路径设置

ＳＩＭＰＡＣＫ中提供了用户自定义轨道编辑器（Ｔｒａｃｋ），用户可以方便的定义道路轨迹。因为文中研究的是整车制动性能，为了更加逼真的接近实际情况采用了Ｂ级路面，轨道在Ｔｒａｃｋ中进行编辑，而

图２　整车模型

路面激励则需要通过对路面激励文件的编辑实现，这里仅考虑垂直方向的激励，最后经ＳＩＭＰＡＣＫ中提

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工业仪表与自动化装置　　　　　　　　　　　　　　　　２０１３年第３期

供的ｐｒｏｄｕｃｅ＿ｆ２ｕｎｆ生成二进制文件。ＳＩＭＡＰＣＫ的轮胎文件提供了轮胎所接触地面的附着系数。根据上述要求进行设置可以研究汽车在不同附着系数上的行驶情况，路面谱如图３所示。

又可以减小“抖振”。

４　ＭＡＴＬＡＢ分析

仿真参数如表１所示。

图３　Ｂ级路面

３　控制器设计

速经过实时估测得到车轮滑移率ＡＢＳ的滑模控制器就是根据汽车的车速和轮

，将理想滑移率与

实际滑移率的差值设计成滑模面，通过滑模控制算法得到制动力矩。

以单轮汽车模型推导出滑模控制函数ｖ：

ｍ

ｄ＝－ＦＪｄｄｄωｔｘ（１）ｔ＝Ｆｘｒ－Ｔｂ

（２）λ＝１－ωｖｒ（３）

为实现对滑移率的跟踪，滑移率误差作为滑模函数：

ｓ＝λ－λｉ

（４）为了减小到达滑模面的抖动，加快逼近速度选用指数趋近率。

?

ｓ＝－εｓｇｎ（ｓ）－ｋｓ（５）将式（４）求导后联合式（１）、式（３）、式（５）代入式（２）求出制动力矩表达式：

Ｔｂ＝Ｆｘｒ＋Ｊｒ［（－εｓｇｎ（ｓ）－ｋｓ）ｖ－（１－λ）?ｖ］

（６）式中：Ｔｂ为制动力矩，Ｆｘ为轮胎纵向力，Ｊ为轮胎绕ｙ轴的转动惯量，ｒ为车轮半径，λ为滑移率，ｖ为车速，ｓ为滑移率差值，ε，ｋ为控制参数，Ｆｘｒ－Ｊｒ（１－

λ）?

ｖ为等效控制项，

Ｊｒ［（－εｓｇｎ（ｓ）－ｋｓ）ｖ］为设计的监督环节，以保证状态轨迹迅速到达滑模平面而表１　仿真参数参数数值质量／ｋｇ１３３０轴距／ｍｍ２３３５前轮距／ｍｍ１３６０后轮距／ｍｍ１３５５横摆转动惯量／ｋｇ?ｍ２

１５９１．２侧倾转动惯量／ｋｇ?ｍ

２

２９３俯仰转动惯量／ｋｇ?ｍ２

１０７４前悬架刚度／（Ｎ／ｍ）１６０００后悬架刚度／（Ｎ／ｍ）

１３０００轮胎绕旋转轴线的转动惯量／ｋｇ?ｍ

０．７轮胎自由半径／ｍ０．２７２轮胎垂直刚度／（Ｎ／ｍ）１５９０００轮胎侧偏刚度／（Ｎ／ｍ）

３５０００滚动阻力系数０．０２膨胀压强／ｋＰ２１０名义截面宽度／ｍ０．１６５车速／（ｍ／ｓ）１８附着系数０．５最佳滑移率

０．１５

　　ＳＩＭＰＡＣＫ在建立好的整车模型中定义输入输出变量和控制模型连接在一起中提供的ｓｉｍａｔ，

。通过从ＳＩＭＰＡＣＫＩＰＣ接口将机械模型中输出车速、４ＭＡＴＬＡＢ个车轮的轮速仿真结果如图中输出制动力矩、４个轮胎纵向力４～图６。

、车身纵向加速度，所示。

（ａ）

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（ｂ）

（ｃ）

（ｄ）

图４　车速、轮速对比

图５　制动距离对比

（ａ）

（ｂ）

图６　滑移率

　　从图４中可以看出，在滑模控制下，汽车在制动过程中车轮没有立刻抱死，轮速值低于车速值；在制动过程中车速、轮速存在一定量的波动，这主要是因为汽车在Ｂ级路面上行驶轮胎受到的道路激励出现波动。从图５中可以看出，汽车制动距离为３８．５ｍ，制动时间为４．７ｓ，而没有装备ＡＢＳ的汽车的制动距离为４７ｍ，制动时间为５．８ｓ，制动距离缩短了８．５ｍ，制动时间缩短了１．１ｓ，提高了车辆的制动效

能。在紧急制动过程中，制动时间、制动距离直接关系到驾驶员的人身安全，因此车辆的主动安全性得到显著的提高。从图６可以看出，在ＡＢＳ控制过程中由于道路不平度以及滑模变结构自身存在的“抖振”的影响，使得实际滑移率在设定的最佳滑移率附近波动，在ＡＢＳ作用下车辆即将停止时由于车速过小导致车速和轮速存在大的差异使得滑移率出现大幅波动，此时车辆已经处于稳定状态，对制动效果不会产生大的影响。整个制动过程中滑移率不等于

１，即车辆未出现抱死现象，而且保证了制动过程中方向稳定性。

该模型可以逼真地模拟车辆制动过程中存在的问题，通过改变控制策略、控制参数验证其有效性，节省了控制策略的验证、匹配时间，为ＡＢＳ开发提供了一条新方法。

（下转第２９页）

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ＲＦ９０５模块为接收模式，数据接收工作由ＲＦ９０５模块自动完成，接收完成后ＲＦ９０５模块通知ＡＴ－ＭＥＧＡ８Ａ读取接收数据。

ＤＳ１８Ｂ２０等芯片初始化、多点ＤＳ１８Ｂ２０测温、ＲＦ９０５射频发送、ＲＦ９０５射频接收、数据处理和显示等。其对应的程序流程如图３所示。

４　结论

通过ＲＦ９０５射频模块完成温度信息的传送，采用ＤＳ１８Ｂ２０构成多点温度测量网络，设计出了基于ＲＦ９０５模块和ＤＳ１８Ｂ２０的多点温度测量系统。该多路温度采集系统成本低、可靠性高、维护方便，便于系统扩展为多个多点温度测量系统的组网。实际测试结果表明，多点温度测量系统运行情况良好，具有较好的实用价值。

参考文献：

［１］　潘勇，孟庆斌．基于ＤＳ１８Ｂ２０的多点温度测量系统设

计［Ｊ］．电子测量技术，２００８（９）：９１－９３，１１６．［２］　蒋鸿宇，王勇，植涌．由ＤＳ１８Ｂ２０构成的多点温度测量

系统［Ｊ］．单片机及嵌入式系统应用，２００７（１）：５９－６１．［３］　ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩＡＳＡ．ｎＲＦ９０５ＰｒｏｄｕｃｔＳｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ［Ｓ］．［４］　ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎ１－ＷｉｒｅＤｉｇｉｔａｌＴｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ

［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｄａｔａｓｈｅｅｔｓ．ｍａｘｉｍｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ．ｃｏｍ／Ｎｏｒｗａｙ：ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩＡＳＡ，２００５．

图３　多点温度测量系统程序流程图

　　由上面的系统工作过程分析可知，系统软件设

计的核心工作是对ＤＳ１８Ｂ２０芯片进行读写和ＲＦ９０５射频芯片的控制和功能配置。因此，在软件设计过程中，采用模块化设计方法，主要包括（上接第２３页）

［５］　高玉芹．基于ＡＶＲ单片机和ＤＳ１８Ｂ２０的多点温度测

量系统［Ｊ］．仪表技术，２００５（３）：１５－１８．

［６］　余威明．ＤＳ１８Ｂ２０高精度多点温度检测显示系统［Ｊ］．

仪表技术，２００７（３）：３７－３９．

ｅｎ／ｄｓ／ＤＳ１８Ｂ２０．ｐｄｆ．

５　结论

运用多体动力学软件ＳＩＭＰＡＣＫ建立样机模型，

在ＭＡＴＬＡＢ建立了４通道ＡＢＳ的滑模控制器并进行了联合仿真，结果显示采用滑模变结构算法的ＡＢＳ，车辆滑移率维持在最佳滑移率附近，避免了抱死拖滑现象的发生，与没有装备ＡＢＳ的汽车相比，制动距离和制动时间都减少较多，可以在大范围保证汽车的制动稳定性、主动安全性。通过改变控制策略以及控制参数可以模拟不同控制策略的优劣，方法简单易行，可以极大的缩短ＡＢＳ开发时间，节约开发成本。研究结果为ＡＢＳ控制系统的研发提供了一条新途径。

参考文献：

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［３］　毛艳娥，井元伟，曹一鹏，等．基于ＲＢＦ神经网络的汽

车ＡＢＳ滑模控制器的设计［Ｊ］．东北大学学报：自然科学版，２００９，３０（３）：３０９－３１２．

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［８］　刘大维，刘伟，陈焕明，等．基于多体模型的重型车辆对

路面动载特性［Ｊ］．农业机械学报，２００９，４０（１１）：７－１２．

基于 SIMPACK和 MATLAB的 ABS联合仿真

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

黄鼎友， 张德华， HUANG Dingyou， ZHANG Dehua江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏镇江,212013工业仪表与自动化装置

Industrial Instrumentation & Automation2013(3)

参考文献(8条)

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6.唐国元;宾鸿赞 ABS的模糊滑模变结构控制方法及仿真研究[期刊论文]-{H}中国机械工程 2007(13)

7.刘伟;刘大维;陈焕明 基于联合仿真的半主动悬架车辆行驶平顺性研究[期刊论文]-{H}农业机械学报 2009(06)8.刘大维;刘伟;陈焕明 基于多体模型的重型车辆对路面动载特性[期刊论文]-{H}农业机械学报 2009(11)

引用本文格式：黄鼎友.张德华.HUANG Dingyou.ZHANG Dehua 基于 SIMPACK和 MATLAB的 ABS联合仿真[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2013(3)

基于 SIMPACK和 MATLAB的 ABS联合仿真

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

黄鼎友， 张德华， HUANG Dingyou， ZHANG Dehua江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏镇江,212013工业仪表与自动化装置

Industrial Instrumentation & Automation2013(3)

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1.张云清;熊小阳;陈伟 基于ADAMS与 Matlab 的ABS模糊控制仿真研究[期刊论文]-{H}公路交通科技 2007(11)2.张向文;王飞跃 汽车ABS自适应模糊滑模控制算法研究[期刊论文]-{H}汽车技术 2009(10)

3.毛艳娥;井元伟;曹一鹏 基于RBF神经网络的汽车ABS滑模控制器的设计[期刊论文]-东北大学学报(自然科学版)2009(03)

4.沈俊;宋健 基于ADAMS和Simulink联合仿真的ABS控制算法研究[期刊论文]-{H}系统仿真学报 2007(05)5.徐中明;余烽;张志飞 基于ADAMS和Simlink的车辆转弯制动 ABS 联合仿真[期刊论文]-{H}中国机械工程2009(07)

6.唐国元;宾鸿赞 ABS的模糊滑模变结构控制方法及仿真研究[期刊论文]-{H}中国机械工程 2007(13)

7.刘伟;刘大维;陈焕明 基于联合仿真的半主动悬架车辆行驶平顺性研究[期刊论文]-{H}农业机械学报 2009(06)8.刘大维;刘伟;陈焕明 基于多体模型的重型车辆对路面动载特性[期刊论文]-{H}农业机械学报 2009(11)

引用本文格式：黄鼎友.张德华.HUANG Dingyou.ZHANG Dehua 基于 SIMPACK和 MATLAB的 ABS联合仿真[期刊论文]-工业仪表与自动化装置 2013(3)

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