摘 要

汽车防抱死系统（Anti-lock Braking System，ABS）是汽车主动安全技术的一项重要组成部分，主要的目的是在汽车进行紧急制动时，通过系统控制制动压力，避免车轮抱死，确保轮胎在“轮胎横/纵向力—滑移率”曲线的最佳工作区间工作，在保证车轮有足够的制动力的同时还具备转向的能力，提升制动安全性。作为一种有效且普遍的主动安全技术，对防抱死系统的研究就显得非常重要了。

本文通过研究防抱死系统的发展历史，探索其基本组件构成和控制方法的演变，采用PID控制策略，对防抱死系统进行仿真研究。PID控制能够通过比例-积分-微分三个环节共同作用，把车辆滑移率控制在理想的范围附近，确保车辆获得充足的制动力，并尽可能减小制动距离。以滑移率控制为基础，在PID控制中加入压力控制环节，主环和副环共同完成控制过程。以车辆动力学为基本原理，在Carsim工作平台建立了仿真车辆的动力学模型，并联合Simulink软件完成了PID串级控制系统的搭建和多工况制动仿真测试。并在仿真分析中加入“无ABS控制”和“有ABS无压力控制”两种控制方式，通过对比来验证所设计控制策略（PID串级控制策略）的有效性。结果表明，在三种典型路面工况下，本文所设计的ABS控制系统的适应性更高，抗干扰性更强，取得的制动效果也更为理想。

关键字：防抱死控制系统；PID控制；滑移率；联合仿真；

Abstract

Anti-lock braking system is an important part of active safety technology. The purpose is to control the braking pressure of each wheel. In this way, wheels can be prevented from getting locked. So wheels can get enough arresting force from road surface, and ABS control strategy has the ability to keep the direction stability well in braking. As an effective active safety technology for automobiles, the research of anti-lock braking system is also very important.

This paper studies the development of ABS. The structure and design principle are analyzed, and cascade PID control system is also introduced. PID control can control the vehicle slip rate near the ideal range through the combined action of proportional-integral-differential three links. Based on slip rate control, pressure control is added to PID control. The main loop and the secondary loop complete the control process together. Based on the basic principle of vehicle dynamics, the dynamic model of vehicle simulation is established on Carsim platform. Combined with Simulink software, the control system was built and multi-condition braking simulation test was completed. Vehicle parameters under several simulation conditions are analyzed. The effectiveness of the designed control strategy (PID cascade control strategy) is verified by comparing the two control modes of "no ABS control" and "no pressure control with ABS" in the simulation analysis. The simulation results show that the ABS control system designed in this paper has good control effect. In addition, after adding the pressure control, the adaptability and anti-interference of the system are improved.

Key words: Anti-lock braking system, PID control, slip rate, co- simulation

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2研究现状分析 1

1.2.1国外研究现状分析 1

1.2.2国内研究现状分析 2

1.3研究内容及方法 2

第二章 ABS的结构与工作原理分析 4

2.1车轮制动分析 4

2.1.1地面制动力、制动器制动力与附着力之间的关系 5

2.1.2滑移率与附着系数的关系 5

2.2汽车前后制动力分配 6

2.3 ABS的结构和工作原理分析 9

2.3.1 ABS的组成结构 9

2.3.2 液压制动系统分析 9

2.3.3 ABS常用控制策略分析 11

2.4本章小结 12

第三章 车辆动力学仿真模型的建立 13

3.1基于参数化的Carsim车辆建模 13

3.2联合仿真输入输出接口设置 16

3.3本章小结 17

第四章 PID控制理论及控制器设计 18

4.1 PID控制方法 18

4.1.1 PID的概述 18

4.1.2 PID控制的基本理论 18

4.1.3 串级控制系统的介绍 19

4.2 PID控制器设计 20

4.3 PID控制参数的确定 21

4.4本章小结 22

第五章 联合仿真及结果分析 23

5.1建立联合仿真模型 23

5.1.1 仿真路面类型 23

5.1.2 建立基于PID控制策略的联合仿真模型 23

5.2高附着系数路面仿真分析 24

5.3高低附着对接路面仿真分析 27

5.4高低附着对开路面仿真分析 31

5.5本章小结 35

第六章 总结与展望 36

6.1主要工作与结论 36

6.2未来展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪论

1.1研究目的及意义

随着我国经济社会持续快速发展，机动车保有量继续保持快速增长态势。据公安部统计，截至交通安全日前，全国机动车保有量达3.25亿辆；机动车驾驶人达4.07亿人，与2017年底相比增加2236万人。在汽车工业飞速发展的同时，环保经济、安全节能是21世纪汽车技术的重要发展趋势。其中汽车安全技术也获得了许多的关注，因为它是在交通事故中，人们生命健康安全的保障。据统计2018年中国共接报交通事故864.3万起，其中涉及人员死亡的道路交通事故212846起，造成63093人死亡、226430人受伤，直接财产损失12.1亿元。研究表明大多数事故和制动距离太长，紧急刹车车辆出现甩尾现象有关。故通过提升汽车安全技术，改善汽车制动性能是汽车安全技术发展的主要几个方向之一^[1]。汽车安全技术包括主动安全和被动安全技术两个大类^[2]。被动安全技术是指一旦事故发生时,能保护车辆内部乘员及外部人员,使直接损失降到最小的技术^[3]。为保护驾驶员以及乘客的缓冲、稳定和固定结构等技术，如安全气囊、安全带等都属于这一范围。但是被动安全技术只能作用于汽车出现事故之后，对于汽车规避风险能力没有任何提升因此其作用能力有限。主动安全技术最主要的特点就是能够规避风险，能在车辆发生事故前进行预测并做出一系列响应，因此其作用范围巨大。

2018年纯电动汽车产销量分别是98.6万辆和98.4万辆，同比增长均在45%以上，增长速度迅速。随着纯电动汽车的保有量持续上升，电动汽车安全技术特别制动技术将要面对更多的挑战。目前针对纯电动汽车的制动需要进行更多研究。20世纪70年代，美国威斯康星大学研制出了液压式、飞轮式和蓄电池式三种制动能量再生系统。经过多年的发展，现在已用于许多纯电动汽车中。由于再生制动技术受到电机性能与电池容量的限制，单独作为主要制动效果不理想。现在多采用的是再生制动与ABS制动相结合的制动模式。在这种模式下，制动过程会根据ABS系统调节进行轮速控制，同时再生制动系统进行制动能量回收，转换制动能量为其他能量进行储存。在结构与原理方面电动汽车的防抱死系统与传统汽车的防抱死系统无太大区别，因此在单独进行防抱死系统的研究的时候可与传统汽车研究进行类比。汽车防抱死系统（Anti-lock Braking System，ABS）是目前运用得最广泛和成功的一项主动安全技术。传统制动系统为开环控制系统，制动力矩由驾驶员控制，在紧急制动情况下，往往会由于驾驶员紧张施加了过大的制动力，车轮将会瞬间抱死，车轮与地面之间的附着力会发生突变，失去大量的纵向附着力以及横向附着力。导致车辆易失去方向稳定性和发生甩尾而引发事故。ABS系统的作用便是防止这些现象发生。作为一个闭环控制系统，每个车轮的状态通过传感器传递到ECU中，ECU根据传入的信息作为控制参考，输出控制信号到执行器，调节制动时的压力以避免规免车轮抱死的风险，也能够有效的利用地面附着力缩短制动距离。因此为了提高汽车安全技术水平，减少交通事故产生，增强驾驶的安全性，开展深入的ABS及其他相关技术的研究是十分有必要的^[1]。