基于AMESIM的ABS液压系统建模与仿真设计

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1、. . . . 第 1 章绪论1.1 研究目的与意义随着我国汽车工业的发展，就必须进行汽车关键零部件的自主研发。汽车制动过程中的安全性也已成为人们关注的焦点。汽车防抱死制动系统(ABS)，关系着汽车制动的安全性。目前国许多汽车公司已经开始进行汽车自主研发，要在商业的竞争中脱颖而出，要拥有自主知识产权的汽车，要使我国由一个汽车大国变为一个汽车强国，就必须进行汽车关键零部件的自主研发。汽车制动过程中的安全性也已成为人们关注的焦点，防抱死制动系统ABS是汽车关键的零部件之一，因此国家、企业和高校都投入了大量的人力和资源对ABS进行自主研发。汽车动力性能的提高和高速公路的延伸对汽车安全提出了越来越高的

2、要求，许多国家都为此颁布了严厉的汽车安全法规，汽车在制动过程中的方向稳定性和转向操纵能力，已成为人们关注的焦点。因此，探讨各种高性能的制动系统和完善制动系统的性能是减少交通事故和促进汽车工业发展的重要举措1。而ABS可以在制动过程中自动、高频地对制动系统压力进行调节，从而对制动力进行调节，使车轮滑移率保持在理想滑移率附近，既防止车轮抱死，又充分利用了车轮与路面的附着能力，缩短了制动距离，提高了汽车制动过程中的方向稳定性和转向操作能力，达到了最佳制动效果的目的。ABS控制的关键之一就是控制制动过程中的滑移率，从而提高路面附着系数的利用率，缩短制动距离，提高制动的稳定性。然而，滑移率和路面附着系数

3、的关系又受到很多因素的影响，如车辆本身的结构参数、车速、轮胎充气压力、轮胎垂直载荷、路面状况等等2。因此，要求ABS保证汽车在短时间在各种路面上，各种情况下都能安全制动的难度是相当大的。还需要针对不同车型进行大量的参数匹配试验，大概需要一年半到两年的时间，并且需要大量的经验，不仅耗资巨大，而且延长了产品的开发周期。目前国外也有人应用新的控制理论，进行ABS控制的探讨。根据汽车制动过程的物理实质与动力学分析，对ABS控制器的结构原理、控制方法等方面进行分析和研究，利用AMESim软件建立车辆防抱死制动系统模型，可以很容易分析液压系统元件对整个系统的影响。1.2 ABS防抱死系统国外现状与发展趋势

4、防抱死制动理论最早是1928年由英国人提出来的，基于防抱死制动理论的制动系统首先是应用在火车和飞机上。最早官方记录的汽车防抱制动系统是在英国1932年发布的专利382241，题目是“制动时防止车轮压紧转动车轮的安全装置”。1936年，德国博世公司(BOSCH)申请一项电液控制的ABS装置专利，促进了ABS 技术在汽车上的应用。汽车上开始使用ABS始于20世纪50年代中期福特汽车公司，1954年福特汽车公司在林肯车上装配法国航空公司的ABS装置，这种ABS装置控制部分采用机械式，结构复杂，功能相对单一，只有在特定车辆和工况下，防抱死控制才有效，因此制动效果并不理想。机械结构复杂使ABS装置的可靠

5、性差、控制精度低、价格偏高，使ABS技术在汽车上的推广应用举步维艰。直到70年代后期，由于电子技术的迅猛发展，为ABS技术在汽车上的应用提供了可靠的技术支持。ABS控制部分采用了电子控制，其反应速度、控制精度和可靠性都显著提高3，制动效果也明显改善，同时其体积逐步也变小，质量也逐步减轻，控制与诊断功能不断增强，价格也逐渐降低。这段时期许多家公司都相继研制了形式多样的ABS 装置。进入90年代后，ABS技术不断发展成熟，控制精度、控制功能不断完善。现在发达国家已广泛采用了ABS 技术。ABS装置制造商主要有:德国博世公司(BOSCH)，欧、美、日、国家的汽车采用的最多;美国德科公司(DELCO)

6、，由美国通用与国大宇汽车采用；美国本迪克斯公司(BENDIX)，由美国克莱斯勒汽车采用;还有德国戴维斯公司(TEVES)德国瓦布科(WABCO)、美国凯尔西海斯公司(KELSEYHAYES)等，这些公司的ABS产品都在广泛地应用，而且还在不断发展、更新和换代。国对ABS的研究工作始于八十年代初，研制单位有东风汽车公司、交通部公路所、宏安ABS、兴平514工厂与交通大学等。东风汽车公司从80年代初开始研究ABS，该公司对Wabco公司的ABS产品进行了剖析、试验、改进和消化吸收，将Wabco的ABS装在EQ-145型车上并在各种路面上进行试验。交通部公路所研制的ABS适用于中型汽车，其第一代AB

7、S电子控制单元(ECU) 采用了Z80芯片，第二代ABS产品采用了MCS-96系列8098单片机，控制软件、传感器和执行器都由自己研制，装车试验的主要问题是系统对于路况的识别不够理想。1984年兴平814厂研制的第一代防抱制动系统的主要缺点是不能自动适应不同路况，以后该厂与公路交通大学合作研制了第二代防抱制动系统，增设了路面识别功能的电路，但对于长轴距的大客车则不是很理想。宏安公司是我国批量生产ABS的厂家。该公司于1993年投产，当年生产ABS 5000套。重型汽车研究中心1995 年6月对自制的ABS系统进行了道路试验，但存在一些问题，随后，课题组重新设计了软件与硬件，所生产的ABS基本上

8、己达到国外产品的性能。随着车辆动力学与控制理论研究的不断深入，以与计算机技术、传感器技术、液压技术和通讯技术的不断发展，可以预测ABS技术将向以下几个方向发展。ABS正在向小型车普与，但作为附加的安全装置，它会增加整车的重量并占据安装空间，因此要求其体积和重量尽可能小。减小ABS体积的主要途径有优化结构设计(如减小压力调节器)与增加集成度。目前，经过优化的ABS己可将主缸、压力调节器和电控单元集成为一体，从而大大减小了体积和成本。由于技术的不断改进，ABS的功能在不断加强。ABS的作用是通过控制汽车的纵向制动力来使汽车在制动过程中保持最佳的纵向附着系数和较好的横向附着系数，从而提高汽车的制动性

9、能、方向稳定性和操纵性。与此相类似的是汽车驱动防滑系统(ASR)，其作用是防止汽车在加速过程中打滑，以保证汽车加速时的方向稳定性、操纵性，其控制机理仍然是通过控制纵向滑移率来控制纵向力，可见，ABS和ASR是密切相关的，因此常将它们结合在一起使用，构成行使安全系统。这样，它们可共用许多电子元件和系统部件来控制汽车车轮的运动，电子控制和保护装置都被装在同一个壳体。Bosch 公司早在1987年就推出了ABS/ASR防滑控制系统。1996年，Bosch公司提出了车辆动力学系统(VDC)的概念，在ABS/ASR的基础上，加入侧向稳定性控制等新容，以实现全工况的汽车运动状态最佳4。1.3 汽车ABS结

10、构与工作原理1.3.1传感器汽车ABS轮速传感器是ABS的信息感知元件，为了防止车轮抱死，控制程序必须知道单个车轮的实时速度。只有取得准确的车轮速度或加速度信号，控制系统ECU才能知道什么时候下达卸压指令，什么时候下达保压指令，什么时候下达增压指令，从而使车轮不致抱死，并不断减速直到停止，如图1.1。图1.1 ABS轮速传感器实时性ABS的防抱死控制大约在5-7ms就完成一个循环，因而对轮速处理过程的实时性要求就更高了。系统取得轮速所花的时间分为硬件转换时间和软件计算时间。这两者之间又以软件时间的开销为大。最极端的情况是一个循环的时间都花在了轮速的计算上。由于有着这样的限制，轮速算法不可能设计

11、得很复杂。ABS轮速的精度对其以后的轮加减速度和参考车速的计算精度影响很大。所以轮速算法应能对轮速原始信号中的粗大误差加以识别、剔除，或者抑制粗大误差的影响。实用的轮速算法采用测量脉冲的宽度，经过数字滤波，从而对轮速的结果进行合理性的判断修正。1.3.2 电子控制单元ABS的电子控制单元(Electronic Control Unit)，简称 ECU。它的主要作用是接收轮速传感器等输入信号，计算出轮速、参考车速、车轮减速度、滑移率等，并进行判断，输出控制指令，控制制动压力调节器等进行工作。ECU一般由以下几个基本电路：轮速传感器的输入放大，整形电路、运算电路、电磁阀驱动电路、回油泵驱动电路、稳

12、压电源、电源监控电路和故障诊断电路。大多数电子控制单元是以微处理器为基础，采用专用集成电路，一般至少有一个微处理器来确保快速、可靠地处理数据，如图1.2。图1.2 ABS电子控制单元1.3.3 压力调节单元压力调节单元(Hydraulic Control Unit)，简称 HCU，是ABS中的主要执行机构，也是ABS液压系统的核心部件，如图1.3所示。其作用接受ABS 电子控制单元的指令，驱动调节器中的电磁阀动作(或油泵电机动作)，实现轮缸压力的调节。其结构原理与性能特征对ABS的控制性能产生与其重要的影响。图1.3 ABS液压调节单元部结构HCU 要按既定的压力控制模式，有效地对制动压力实施

13、控制，又必须满足以下基本要求：通常助力式和动力式液压制动系的促动时间为0.36s。ABS 的促动时间应小于上述时间。目前，典型HCU的反应时间仅为0.01s，而ECU每秒可进行 200次左右计算。一般来讲，HCU的频率为510次/秒时，即可达到使用要求。HCU 对制动压力实施有效控制，应使增压和减压速率适当。压力调节速率决定了制动器摩擦力矩的调节速率和控制过程中加、减速度的大小。加、减速度绝对值小，则制动效能低下；加、减速度绝对值大，会使ABS难以控制，此时不仅影响制动效能，而且会使车辆制动时舒适性降低。可见压力调节速率是否得当，将影响ABS控制质量。合理的制动压力取决于路面条件、气象条件、车

14、辆类别与承载情况等。制动压力波动不宜太大，否则制动摩擦力矩波动围大，路面制动力波动围也增大，会使车辆传动系的冲击损伤也大。并且过大的制动压力波动会引起制动管路的震动，影响ABS的控制效果。HCU 主要有电磁阀、蓄能器、回油泵，以与一些辅助液压阀等构成。它与 ECU 封装在一起。HCU 中共有4对用于防抱死制动压力调节的高速开关电磁阀。每对高速开关阀又由一个常开阀(又称加压阀)和一个常闭阀(又称减压阀)组成。每对电磁阀对一个控制通道进行独立防抱死制动压力控制。4个常开阀分别设置在制动主缸两腔和液压助力室至各制动轮缸的制动管路中；而另4个常闭阀分别设置在各个制动轮缸至蓄能器的制动液通路中。在防抱死

15、制动过程中，通过 HCU电磁阀的开关动作来实现制动压力的调节。通常在制动开始时，系统中的各电磁阀均不通电，常开阀和常闭阀都处于断电状态，常开阀开启，常闭阀关闭，主缸的高压制动液经常开阀进入制动轮缸而不能进入蓄能器。HCU 从结构上保证各制动轮缸的制动压力与制动踏板行程，以与制动踏板力成比例关系，随着制动压力的增加，轮速迅速降低而趋于抱死状态时，ECU 根据输入的轮速信号判断出系统下一个控制周期应进入减压状态，常开阀和常闭阀都通电，常开阀关闭，常闭阀打开，轮缸的制动液经常闭阀进入蓄能器；随着制动压力的降低，当轮速逐渐恢复到一定值时，ECU判断出当前需要处于保压状态，常开阀通电，常开阀关闭，常闭阀

16、断电，轮缸中的制动液被封闭在两个电磁阀之间。回油泵的作用是将蓄能器中的制动液泵回主缸。经过这样几个控制循环，汽车就完成制动过程，达到减速停车的目的。1.3.4 ABS工作原理汽车在行驶过程中，车轮在路面上的纵向运动可有滚动与滑动两种形式，车轮相对于路面的滑动又可分为滑移与滑动两种形式.试验表明，当轮胎在路面上滑移时，将改变轮胎与地面间的附着系数，因而也改变了汽车的制动力。随着制动压力的升高，在与轮速旋转相反的方向上将产生地面制动力矩，轮速开始减小，随着制动力的增加，车轮开始产生滑移，车轮滚动的成份越来越少，而滑动的成份越来越多，一般用滑移率 S 来描述制动时车轮的滑移程度，如公式（1.4）。

17、(1.4)式中，V汽车行驶速度；S滑移率； 车轮的转动角速度ABS的产生离不开前人对路面特性的研究。随着人们对轮胎与路面间的互相作用机理和轮胎动力学认识的不断加深，在研究中得到了如图1.5所示的路面附着系数与车轮滑移率S的关系。在轮胎和地面的接触面上还存在着另一个摩擦力，它作用在车轮的侧向，称为侧向附着力。侧向附着力越大汽车的方向稳定性就越好。汽车在转弯时，转动方向盘使车轮产生一个转角，相应的产生了侧向附着力，使汽车持续曲线运动。决定侧向附着力大小的摩擦系数称为侧向附着系数，侧向附着系数随滑移率的增大而减小。侧向附着系数纵向附着系数Sc滑移率S图1.5车轮滑移率与路面附着系数的关系由图1.5可

18、知，随着制动力的增加，车轮的滑移率也在不断增加，随着滑移率S的增加，纵向附着系数会达到一个峰值点h，其对应的滑移率为Sc。当滑移率继续增加到SSc时，纵向附着系数开始减小，当S100时，即车轮抱死拖滑，纵向附着系数降低到最小值g，这时地面制动力最小，导致制动距离增加。由图2.1可看出，随着滑移率的增加，侧向附着系数在不断减小，当S100时，汽车抗侧向干扰的能力接近于零。在传统制动的情况下，汽车紧急制动时极易发生车轮抱死，即滑移率S100，这样不但没有充分利用路面提供的纵向附着力，导致制动距离加长，而且更为严重的是，此时侧向附着系数非常小，抗侧滑能力非常低，也几乎丧失了转向能力5。如果汽车此时受

19、到很小的侧向干扰(如汽车重力的横向分力、路面不平整产生的横向力、横向风力等)，就有可能使汽车发生侧向滑动，跑偏或者甩尾掉头等危险工况。另外，如果制动时车轮经常抱死，会加剧轮胎的摩损，大大降低轮胎的使用寿命。汽车ABS通过自动调节制动力矩，使滑移率保持在最佳滑移率Sc附近，充分利用了轮胎与路面的附着能力，提高了制动性能，缩短了制动距离，同时又保持了较大的侧向附着系数，提高了汽车的抗侧滑能力和转向能力，防止制动过程中侧滑、跑偏和甩尾现象的发生，保证制动时的安全性，减少交通事故的发生。1.4 AMESIM在汽车防抱死技术方面应用汽车防抱死制动系统涉与到自动化、机械、液压、气动、电、磁以与热等多学科领

20、域的集成和相互作用，为了准确地仿真此类系统，就需要适合系统工程设计的仿真平台。AMESim(Advanced Modeling Environment for Simulations ofengineering system)是法国IMAGINE公司自1995年推出的一种新型的高级建模仿真软件。AMESIM系统仿真平台，提供了系统工程设计的完整环境和多学科领域系统的各类模型库，包括控制应用库、机械应用库、流体应用库、电磁应用库、热分析应用库以与燃机应用库等。所有的应用库都提供了将信号端转换成为结构化的多通口功能模块，方便工程师利用方块图灵活、迅速地建立物理系统的模型1.5研究的主要容1、建立A

21、BS液压系统数学模型，表示出所要建立模型对象的组成与工作过程的各个环节。2、从AMESIM模型库中选取液压元件模型，按照工作原理连接各个元件，对ABS液压系统进行增压、减压，保压种状态下的仿真。分析ABS液压系统响应特性，与影响参数。3、通过对ABS原理的深入研究，对制动过程的深入分析以与对多种控制方法特点的分析，在MATLAB/Simulink中搭建ABS模型，将ABS对整车的性能影响进行仿真，并对仿真结果进行分析来证明方法的可行性。第2章ABS液压系统数学建模2.1车辆模型2.1.1单轮车辆模型目前，常用的车辆模型主要有一般车辆模型、四轮车辆模型、双轮车辆模型10以与单轮车辆模型。为简化研

22、究问题，选用的车轮动力学模型为单轮车辆模型，因为此模型只要描述的式制动性能，适合于汽车防抱死制动系统进行制动性能分析，同时也可简化问题。车辆受力分析如图2.4所示。车辆运动方程： (2.1)车轮运动方程：(2.2)车轮纵向摩擦力： (2.3)定义滑移率为：FxNTbVM图2.4单轮车辆模型式中，M汽车的质量； V汽车的速度； Fx地面制动力； I车轮转动惯量； 车轮角速度；r车轮滚动半径；Tb制动力矩；Tg轮胎和地面间的制动力矩；附着系数；N车轮对地面法向反力根据车辆的运动方程（2.1），（2.2），（2.3）建立Simulink仿真模型，输入位置动力和纵向附着系数，输出为车辆速度、车轮转速与

23、制动距离，仿真模型如图2.5所示。图2.5 单轮车辆Simulink模型2.2简化的四轮车辆模型 忽略车辆侧倾的影响，将簧上质量、簧下质量合为车辆整体质量，忽略轮胎的滚动阻力和车辆风阻，考虑车辆纵向、横向、绕Z轴的转动和四个车轮绕其旋转轴的转动，为研究方便，假定制动过程中前轮转向角为零，前后车轮几何中心在同一轴线上，横摆过程中两轮上的附着系数不变，令车辆坐标系原点与汽车质心重合9，可建立一个7自由度的四轮车辆模型。由公式（2.6）可得在制动过程中的整车动力学方程为： (2.6)式中,Vx汽车纵向速度； Vy汽车横向速度； 第一个下标 f汽车前轮； 第一个下标 r汽车后轮； 第二个下标 f汽车左

24、轮； 第二个下标 r汽车右轮； rdF汽车前轮滚动半径； rdR汽车后轮滚动半径； Tbxx车轮上的制动力； M整车质量； a质心到前轴的距离； b质心到后轴的距离； Iz整车转动惯量； Ixx车轮转动惯量；作为整车模型，还应考虑汽车在纵向加速度和横向加速度下引起的载荷转移考虑到这些因素，作用在各个车轮上的垂直载荷如公式（2.7）。(2.7)式中，g 重力加速度；hg 汽车质心高度； L 前后轴距离 ； c 车辆轮距2.3制动系统液压元件模型制动液压系统主要由制动主缸、轮缸，电磁阀组成，制动防抱死液压系统的优点是改善制动效能缩短制动距离；充分利用横向附着系数，防止侧滑改善汽车制动时的方向操纵性

25、能；减小轮胎的局部磨损；减轻驾驶员的劳动强度，提高乘客的乘坐舒适性和安全性。由于ABS是一种快速反应机构，执行机构的动态特性起着至关重要的作用。2.3.1雷诺数雷诺数是个无量纲比值，它代表惯性力与粘性力之比，但雷诺数较小支配流动的主要因素是粘性力。雷诺数其定义如下： (2.8)液体密度(Kg/m3)；液体的平均流速(m/s)；不同流动状态下的特征尺寸；液体绝对粘度(Pa)2.3.2 阀口流量液体流动状态为层流状态，通过阀体的体积流量： (2.9)通过阀体的体积流量(m3)；层流时阀口流量系数；阀口截面积(m2)；液体密度(Kg/m3)；阀口两端压力差；层流系数；雷诺数绝对粘度与液体密度的比值称

26、为运动粘度，其定义为： (2.10)流体的运动粘度(m2/s)；流体的绝对粘度；流体的密度(Kg/m3)2.3.3 制动主缸中模型(2.11)制动主缸中压力； ksp制动主缸中回位弹簧刚度2.3.4 真空助力器模型真空助力器阀口中的气体流动可以看作是气体在喷嘴中的流动，假定气体为理想气体，在真空助力器阀口中的气流速度远大于气体与外界进行热交换的速度，气体流过时的能量损失远小于它具有的总能量，可以忽略。因此，真空助力器阀口中的气体流动可视为等熵流动。真空助力器阀口中的气流为亚声流速状态。这时以声速传播的外界压力扰动波能达到和传出口界面去影响口的流动。此时通过阀口的气体流量为： (2.12)流过阀

27、口截面积的流量(m3/h)；阀口流通截面的有效面积(mm2)；阀口上游绝对压力(Pa)；绝对温度(K)；2.3.5制动轮缸模型(2.13) i分别代表四个车轮的制动轮缸； Q2i+1流入电磁阀的流量；Q2i流出电磁阀的流量2.3.6蓄能器模型(2.14)气体质量；初始气体压力；初始气体体积；气体体积；气体常量；初始气体质量2.3.7 回油泵模型 (2.15)叶片宽度；转子和定子间的偏心量；定子径制动开始时（不考虑油液的可压缩性），由流量连续方程可求得活塞的运动速度为： (2.16)油缸作用面积设制动器的间隙为S0，则消除间隙所需时间为td。即制动器响应滞后时间。 (2.17)进入制动轮缸的油液

28、会呈现三种状态：增压，保压，减压 a.增压变化规律： (2.18)VD油缸与管路容积油液的体积弹性模量在增压过程，制动缸体积变化情况：(2.19)b.减压的变化规律：在减压过程，由制动缸排除的油液为： (2.20)PR 回油压力;油缸压力下降变化率为：(2.21)c.保压时的变化规律为： (2.22)将三种状态按统一的公式描述，并进行线性化处理，有增压减压 (2.23)保压k0阀的显性化系数由油压的变化所引起的车轮上制动力矩的变化为： (2.24)kb是与制动器的结构参数和线性化系数k0有关的常数2.4本章小结本章主要建立了单轮车辆模型和简化的四轮车辆模型，并进行了受力分析，求解出车辆运动方程

29、、车轮运动方程、车轮纵向摩擦力方程。并且建立了ABS液压系统的数学模型，包括制动主缸、轮缸、蓄能器、回油泵等液压系统元件模型，汽车液压制动系统的建模比较真实全面地反映了防抱死制动系统中执行元件特性，所建立的微分方程组，通过求解，可以应用于实际参数下的ABS模拟系统。第3章基于AMESIM的ABS液压系统建模3.1 AMESIM简介3.1.1 AMESIM 软件功能简介AMESim（Advanced Modeling and Simulation Environment for Systems Engineering）是世界著名的工程系统高级建模与仿真平台，它提供了一个系统级工程设计的完整平台，

30、使得用户可以在单一的平台上建立复杂的一维多学科领域的机电液一体化系统模型，并在此基础上进行仿真计算和深入的分析12。工程师在一个基于工程应用的AMESim友好环境下可研究任何元件或者系统的稳态和动态性能。AMESim的图形化用户界面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建复杂各种系统的模型。建模仿真过程一般分为四个步骤：构建方案的模型；选择模型复杂程度；设定模型的参数；仿真计算分析。而且简便易用的操作使得用户可以迅速有效地进行产品的设计开发。大量的用户群使得AMESim已经成为世界围的车辆，发动机，越野设备，航天航空，船舶，轨道交通，冶金设备，海洋工程以与重型设备等工业领域的多学科

31、专业，包括控制、流体、机械、热分析、电、磁以与能源等复杂工程系统建模与仿真的首选平台11。工程设计师完全可以应用集成的一整套AMESim应用模型库来设计一个系统或一个流体元件，所有的这些来自不同物理领域的模型都是经过严格的测试和实验验证的13。AMESim使得工程师迅速达到建模仿真的最终目标,分析和优化工程师的设计，从而帮助用户降低开发的成本和缩短开发的周期。AMESIM液压元件设计库包含了机液系统的基本结构单元模块，它被看作是液压元件建模的工程语言，可以对喷油器、液压锤、柱塞泵、叶片泵、半主动缓冲器以与其他类型的液压阀建模。由于是基于结构单元建模，因此可以非常直接和直观地理解模型层次。AME

32、SIM液压元件设计库通过细分结构单元来处理液压元件的多样性，使工程师可以用最少的图标和单元模块来构建最多的工程系统模型，齐全的分析工具、多种仿真运行模式以与开放的结构，使得AMESim在汽车液压系统、操纵系统、燃油系统、润滑系统与车辆热分析等方面都有很好的应用，并在法国雷诺、雪铁龙汽车的设计过程中有过实际应用，是目前国际上流行的汽车设计与仿真方面的理想工具。3.2 ABS液压系统结构ABS液压系统主要由主缸、轮缸，控制阀组成。制动压力调节器串联在制动主缸和轮缸之间，通过电磁阀直接或间接地控制轮缸的制动压力，此系统属于循环式制动压力调节器，电磁阀的开关根据传感器测得的轮速信号与车速信号， ECU

33、经过处理得出控制信号，控制相应的电磁阀，通过改变电磁阀的开启或关闭，来调节各制动轮缸实施制动压力。具体的ABS液压系统工作过程分析：1、常规制动过程：电磁阀不通电，增压阀常开，减压阀常闭。主缸和轮缸管路相通，制动主缸可随时控制制动压力的增减，此时回液泵不工作。2、减压过程：控制器发出控制指令，增压阀关闭，减压阀开启。制动主缸和制动轮缸的通路被截断，制动轮缸和蓄能器接通，轮缸的制动液流入蓄能器，制动压力降低。与此同时，ABS电机带动回液泵工作，把流回蓄能器的制动液加压送回制动主缸。3、保压过程：控制器发出控制指令，增压阀关闭，减压阀关闭。所有通路都被截断，制动器制动压力保持不变。4、增压过程：控

34、制器对电磁阀断电后，增压阀开启，减压阀关闭。制动主缸和制动轮缸再次接通，制动主缸的高压制动液再次进入制动轮缸，增加制动压力。增压和减压的速度可直接通过调节增压阀和减压阀的进、出油口开启程度来控制。3.2.1 AMESim模型搭建步骤1、依据ABS的工作原理，从 AMESim模型库中选取合适元件并按照原理图连接好。2、设定ABS液压系统参数，如制动液的体积模量、密度、动力黏度和工作温度等，定义各个液压元件的关键尺寸与部参数。3、设定仿真参数，运行仿真，查看结果。3.3 ABS系统模型的 AMESim 实现3.3.1车辆ABS模型根据ABS液压系统的结构图，在AMESim中搭建出单轮车辆ABS液压

35、系统模型，如图3.1所示。图中模型包括：ECU即信号处理装置，PID控制装置，线性信号源，信号转换装置，助力器，液压调节器，制动主缸，制动轮缸。模型的工作原理如下:在系统进入工作状态后，首先由控制信号源提供工作信号，ECU根据控轮速信号进行控制，系统制动轮缸模型进入增压状态。此状态制动轮缸中制动压力持续上升，增压持续一定时间后，由控制信号源对系统提供工作信号，系统进入减压状态。图3.1 ABS系统结构图3.3.2液压调节器模型液压ABS系统主要由控制器(ECU)、液压调节器和轮速传感器3部分所组成。其工作性能的好坏不仅与控制器的控制逻辑和传感器有关，还与液压调节器的性能密切相关。在确保控制器和

36、传感器性能的条件下，ABS系统的性能由液压调节器决定。如图3.2。图3.2液压调节器AMESIM模型液压调节器作为ABS系统的重要组成部分，它的性能好坏直接影响ABS的制动效果。因而研究和评价ABS液压调节器是十分重要的，下面由以上元件依照实际工作原理连接，组成ABS液压调节模型。3.3.3控制器模型对于防抱死控制系统，首先应该确定期望滑移率。理论上取最优滑移率点作为期望滑移率，选取AMESIM软件中的控制信号单元，搭建控制单元模型，将滑移率转化为车速与轮速的差值。由于所采用的PID控制算法是不依赖于数学模型的，所以为得到最优的PID控制效果就要对参数进行整定，其目的是使系统获得满意的制动效果

37、，即系统稳定，对给定量变化能迅速跟踪，不同干扰下，系统输出能保持给定值，控制性能保持稳定。如图3.3、3.4。图3.3控制器部结构模型 图3.4AMESIM超级元件模型3.3.4主缸模型为了提高汽车行驶的安全性，根据交通法的要求，现代汽车的行车制动系统都采用了双回路制动系统，采用了串列双腔主缸。本文也采用了串列双腔主缸模型，主缸的 AMESim 模型如图3.5所示。首先在草图模式(Sketch Mode)中根据主缸的物理结构，和其物理意义，选择合适的元件，构建出主缸的AMEsim模型，主要包括液压元件设计库中的活塞缸子元件，带弹簧的活塞缸子元件和考虑摩擦的运动质量块子元件等，然后再进入子模型模

38、式为各元件选择合适的子模型，再进入参数模式，根据主缸的实际结构确定相应子模型的参数，前、后缸活塞直径 22.2mm；前、后缸活塞杆径 3.25mm；前缸运动部件等效质量 0.3kg；后缸运动部件等效质量 0.2kg；后缸弹簧刚度 3.8N/mm，设置完参数之后就可以进入运行模式进行模型仿真。图3.5制动主缸模型3.3.5轮缸模型制动器采用钳盘式制动器。在防抱死制动过程中，制动压力的反复变化，使轮缸活塞的受力和运动状态不断变化，因此在建立轮缸活塞模型时，应考虑动态特性的影响，图3.6为轮缸模型。图3.6制动轮缸模型根据轮缸的结构和数学模型，在 AMESim 中搭建轮缸的模型，该模型包括机械模块库

39、中的一个接触式弹簧阻尼系统，线性弹簧系统和液压元件设计库中的活塞缸以与考虑摩擦的运动质量块，轮缸活塞直径54mm；轮缸活塞质量 0.4kg。3.3.6电磁阀模型调节器的增压阀为常开阀，减压阀为常闭阀，二者都为二位二通电磁阀，电磁阀自然频率为50Hz，阀的阻尼比率为0.8，电磁阀最大流量2.5L/min，如图3.7。增压阀连接在从制动主缸到制动轮缸的管路中，减压阀连接在制动轮缸与低压蓄能器之间。在防抱制动过程中，通过上述的电磁阀开关切换，改变制动液的通路，从而形成增压、保压和减压3种压力状态。图3.7电磁阀模型3.3.7液压泵模型在液压系统中，液压泵把驱动电动机的机械能转换成液压系统中油液的压力

40、能，供系统使用。在此系统中选择了叶片泵作为减压回路的动力源，叶片泵具有结构紧凑、涌动平稳、输油均匀等优点，通过叶轮高速运转产生离心力吸油的。泵排量为0.1cc/rev，泵的转速为3000rev/min，如图3.8。图3.8液压泵模型3.3.8蓄能器模型蓄能器在流体动力系统中非常有用，它用来储存能量、消除脉冲。此系统采用的是气囊式蓄能器，目前应用得最广泛，它的主要结构由充气阀、壳体、皮囊和进油阀组成，如图3.9，气囊被固定里面充满惰性气体。这种蓄能器可用于吸收由于液流速度和方向急剧变化所产生的液压冲击，使其压力幅值大大减小，以避免造成元件损坏。图3.9蓄能器模型3.4本章小结本章主要分析了ABS

41、液压系统的工作特点，由电磁阀、液压泵和蓄能器等共同组成液压调节单元，并根据传感器将车轮转速和车速信号传给给电子控制装置，经过计算得出控制信号，控制相应的电磁阀、电动泵和储压器等组成的制动压力调节装置，通过制动管路对各制动轮缸实施制动压力的调节，使车轮制动力始终保持在较好的制动状态。并运用AMESim软件根据系统实际原理搭建了ABS系统模型，包括制动主缸模型，轮缸模型和液压调节器模型和控制器模型，AMESim的图形化用户界面使得用户可以在完整的应用模型库中选择需要的模块来构建复杂系统的模型。建模仿真过程分为四个步骤：构建方案的模型；选择模型复杂程度；设定模型的参数；仿真计算分析，为下一章的仿真提

42、供了系统模型。第4章 ABS液压系统仿真4.1 仿真车辆参数本文采用的是海域MB防抱死制动系统进行分析，该车制动系统为液压驱动、前盘后鼓制动方式。盘式制动器为浮钳式制动器，鼓式制动器为领、从蹄式制动器。驻车制动采用手拉杆式机械制动于后轮。具体参数见表4.1。利用AMESim软件在液压建模和动态仿真方面的优势，模拟ABS实际工作过程，实现增压、保压与减压工作过程的模拟。在实际工作过程中，对于调节器液压特性有主要影响的是制动液、制动管路与控制阀(增、减压阀)开度大小。选取AMESim控制库的线性信号元件作为增减压阀和ABS电机的控制源，仿真时间步长设为0.001 s，仿真时间设定为1s，对系统进行

43、仿真。表4.1 车辆参数最大踏板力500(N)空气阻力系数0.315轿车迎风面积1.946(m2)车轮静力半径268(mm)前后制动器的转动惯量前 42(Kg.m ),后 20(Kg.m )轮缸活塞的直径22.2(mm)制动工作容积11.77(cm)制动管路最大液压12(MPa)制动踏板机构传动比4.1制动踏板机构与主缸机械效率0.86增压阀节流面积0.4mm2工作温度39.85回油泵排量0.1cc/rev蓄能器容量3ml液压介质密度850kg/m3液压介质体积弹性模量17000bar4.2基于AMESIM汽车ABS液压系统仿真4.2.1制动力曲线制动力输入为系统关键部分，作为系统的输入，经过

44、信号放大装置传递给系统，各个部件根据信号源的输入量的大小，决定输出的值所以尤为关键。因为这次主要仿真ABS液压系统在增压减压情况，所以定义为3个阶段，第一阶段制动力大小0500null，第二阶段为500500null，第三阶段为5000null，每段仿真阶段时间为0.5s。如图4.2为制动力仿真曲线。制动力（N）图4.2制动力曲线4.2.2制动轮缸压力曲线根据仿真结果得到整个仿真过程中制动缸的压力变化曲线，设定增压、减压信号输出时间分别为0.5s，由图4.3，4.4可以看到一组制动压力的增减曲线，在此模型的算法中得到的是一组非线性的压力曲线，调整两个电磁阀模块的若干特征参数，可得到不同的制动压

45、力响应曲线和制动液流量曲线，从而了解各参数对ABS液压阀工作压力动态响应和制动液流量的影响。压力(bar)压力(bar)压力(bar)压力(bar)图4.3制动轮缸压力曲线4.2.3 制动轮缸流量曲线流量（L/min） 流量（L/min） 流量（L/min） 流量（L/min） 图4.4 各个制动轮缸流量曲线4.2.4制动轮缸活塞位移曲线制动轮缸，单活塞杆缸进、出油口的布置为缸筒固定，由于单杆活塞杆左右两腔的有效工作面积不相等，因此，它在左右方向所产生的推力和速度不相等，液压油进入无杆腔，活塞开始不断移动，随着腔压力增大，活塞位移增加，随着压力不断减小，工作腔活塞又逐渐向初始位置移动。如图4.

46、5。位移（m）位移（m）位移（m）位移（m）图4.5制动轮缸活塞位移曲线以0.0s0.1s一个循环为例分析，在0.00s0.50s增压过程中，增压阀保持开启，减压阀保持关闭，液压回路在回油泵的工作下，将液压介质导入制动轮缸。轮缸流量在增压阀开启后，前期流量迅速增加，0.1s流量由0增至0.18L/min，轮缸体积得到快速的液压介质补充，轮缸压力达到10bar；增压后期轮缸压力趋于饱和，流量降低，但液压系统具有延迟现象，所以压力有小幅上升，压力可达到12bar。增压过程中，减压阀处于关闭状态。 0.5s1.0s减压过程中，增压阀关闭，减压阀打开，制动轮缸中液压介质通过减压阀流回回路，部分介质储存

47、在蓄能器里，蓄能器液体迅速增加如图4.6，减压阀打开后，此时轮缸中的压力处于高压状态，富余的介质迅速建立流量，轮缸压力急剧下降，减压过程中，回油泵将液压油泵回，如图4.7，泵流量增加。此时蓄能器，一个作用是消除压力的冲击和脉动，消除系统噪声；另一个重要作用是储存减压所排出的液压介质，作为下次增压的油源。流量（L/min）流量（L/min）图4.6蓄能器流量变化曲线图4.7回油泵流量变化曲线4.2.5制动管路流量曲线压力控制回路是利用压力控制阀作为回路主要控制元件，控制系统全局或系统局部压力，以满足执行元件输出压力所需要的力或力矩要求的回路，ABS制动液从制动主缸流向各个制动分缸，此ABS系统液

48、压管路中，左前轮、左后、右前右后轮管路长度分别为5m，1.5m，4.75m，2.25。仿真曲线如图4.8。流量（L/min）流量（L/min）流量（L/min）流量（L/min）图4.8各个制动管路流量4.3 ABS液压特性分析4.3.1压力状态切换过程中的滞后特性受电磁阀的开关响应能力、阀芯运动时间、制动管路长度和压力波传播速度等因素的影响，在压力状态切换时轮缸的压力对控制指令的响应存在一定得滞后。从理论上对具体的滞后时间进行标定，不但复杂而且可信度低，所以，通过试验曲线来得到各切换动作滞后时间的方法显得更为方便。图4.9为电磁阀输入信号曲线，图4.10为电磁阀切换时轮缸压力的变化曲线。根据

49、曲线可看出电磁阀切换滞后约25ms。压力(bar)信号(null)图4.9增压阀信号输入曲线 图4.10增压阀压力变化曲线4.3.2主缸压力对轮缸增压速率的影响主缸的压力不同，则常开阀口上下游得压力差不同，轮缸的压力增压速率就不同，如图4.11和4.12。主缸的压力是由制动踏板的行程(即驾驶员实施制动时的操纵性)决定的，所以，对ABS车辆进行制动时，要求驾驶员将制动踏板踩到底，以保证轮缸增压特性的稳定性。压力(bar)压力(bar) 图4.11主缸压力曲线图4.12轮缸压力曲线4.3.3制动液的体积弹性模量和粘度对液压系统的影响分析系统进行增压、减压阶段时调节器压力变化情况。液体在外力作用下流

50、动时，分子间的聚力要阻止分子相对运动而产生一种摩擦力，这种现象称为液体的粘性。液体只有在流动时才会呈现出粘性，液体的粘度随液体的压力变化而变化。对液压油来说，压力增大时，粘度增大；但是在一般液压系统使用的压力围，增大的数值很小，液压油粘度对温度的变化十分敏感。由图，4.13，4.14，4.15看出压力体积弹性模量10000pa，粘度42.5cp的制动液表现的压力曲线最为平滑，并且按照设定的增压，保压时间完成压力变化，所以制动液的体积弹性模量越小，粘度越小，调节器表现的液压特性越好。压力（bar）图4.13体积弹性模量 20000pa 粘度42.5cp压力（bar）图4.14体积弹性模量1000

51、0pa 粘度42.5cp压力（bar）图4.15体积弹性模量 10000pa 粘度60cp4.3.4 阀节流系数和通流面积对液压系统的影响对系统在增压，减压阶段时进行分析，在液体流经阀口时，通过改变节流口通流截面积的大小或通流通道的长短来改变液阻，从而控制通过阀口德流量，阀口大小对流量稳定性的控制质量影响极大。通流截面积大，通道短，水力半径大，通流能力强，孔口不容易被堵塞，流量稳定行就好，最小稳定流量越小；反之，流量稳定性就差。由图4.16，4.17，4.18看出，通流面积1mm2节流系数1.0时，压力变化曲线比较正常，按照规定完成增压，减压过程。所以节流系数和通流面积越大，表现的液压特性越好

52、。容积（cm3）图4.16通流面积0.4mm2节流系数1.0容积（cm3）图4.17通流面积1mm2节流系数1容积（cm3）图4.18通流面积1mm2 节流系数0.4 通过对ABS液压控制系统中电磁阀动态响应的研究，基于AMESIM软件建立了系统仿真模型，并建立了系统中模块的数学模型，为模型分析提供了理论依据。通过对制动过程中制动主缸、轮缸压力变化情况和对几组不同电磁阀通流面积、节流系数的分析，可以得到不同制动液体积模量、粘度和不同的电磁阀参数对系统工作压力动态响应的影响，进而可以使设计者能够方便合理的设计ABS 系统中的关键参数。 4.4基于Simulink车辆制动过程分析Simulink是

53、MATLAB的一个附加组件，为用户提供建模和仿真的平台17。它是一种用来实现计算机仿真的软件工具。Simulink是采用模块组合的方法来创建动态系统的计算模型，其特点是快速准确。根据第三章建立的单轮车辆Simulink模型进行分析如图4.19。图4.19单轮车辆Simulink模型通过仿真，可以得到车辆制动时有、无ABS作用下的制动时间的差别，当汽车以70Km/h的速度做减速行驶时，可将实际的车体速度v折算为此时车轮所对应的角速度r,在实际情况中，由于制动力的存在，车轮并没有做纯滚动，而是以r做滑动滚动，此时的r总是小于v,这与仿真出来的结论是一致的如图4.21。图4.20有ABS作用时的滑移

54、率曲线图4.21有ABS作用时的车速与轮速曲线在车辆制动模型中，将控制信号的值分别设置为1和0，就可到车辆在有、无ABS作用下的滑移率和车轮角速度曲线。从图4.21中可以看出，在有ABS作用时，车轮的角速度并不是很快下降直至抱死，而是随着v缓慢下降，从而大大减少了车轮抱死的可能性，从滑移率曲线上看，在有ABS的作用时，滑移率控制在0.2左右，使附着系数保持在最大值附近；而无ABS作用时，滑移率很快上升到最大值，使附着系数急剧下降如图4.23。而滑移率在0.2附近时，可以提供这与大的附着系数，从而提供最大的地面制动力，这时保持车辆行驶的稳定性有实际意义。图4.22无ABS作用时的滑移率曲线图4.

55、23无ABS作用车速与轮速曲线通过Simulink平台对车辆制动时进行了分析，得到汽车的制动稳定性与ABS装置的密切关系。在急刹车时ABS能够防止车轮锁死，并适应轮胎和路面之间的摩擦系数，制动稳定的制动力，以保证制动时车辆的稳定性。4.5 本章小结试验结果表明，轮缸的压力状态切换过程存在一定的滞后，滞后特性对防抱死制动效果将产生不利影响，并分析了电磁阀和制动液体积弹性模量和粘度参数对系统性能的影响，制动液的体积弹性模量越小，黏度越小，调节器表现的液压特性越好。基于AMESim的汽车ABS液压系统建模与分析，仿真结果可信度较高。AMESim建模为调节器的研究提供了一种行之有效的方法。将AMESi

56、m用于液压系统产品设计，使仿真功能得到了极大扩展，缩短了产品开发周期，可有效地利用现有产品的设计成果，使得仿真结果图形的分析更加方便。本章在Simulink建立汽车ABS模型，对车辆在制动过程中进行了分析，无ABS作用时，滑移率很快上升到最大值，使附着系数急剧下降，而在有ABS作用时，车轮的角速度并不是很快下降直至抱死，而是随着v缓慢下降，从而大大减少了车轮抱死的可能性，从滑移率曲线上看，滑移率控制在0.2左右，使附着系数保持在最大值附近；从而提供最大的地面制动力，这对保持车辆行驶的稳定性有实际意义。结论本文通过AMESIM软件，根据汽车ABS系统实际工作情况，进行了建模与仿真分析，并得出了A

57、BS系统各个部件在进行增压，减压时的压力、流量等变化曲线。通过改变ABS液压系统参数的变化，分析了制动液体积弹性模量和增压、减压阀开启节流面积变化对液压系统的影响状况。本文的主要容和结论可以归纳为以下几点：（1）在阅读了大量文献的基础上，阐述汽车ABS研究现状和现实意义，并介绍了ABS的发展前景。（2）通过分析汽车ABS系统工作状况，建立了ABS系统的数学模型，为下面运用软件建立ABS模型提供理论依据。（3）从AMESIM模型库中选取液压元件模型，按照工作原理图连接各个元件。但由于ABS系统需要在增压、保压、减压三种状态下工作，根据一定的控制逻辑进行切换，运行AMESIM软件对ABS液压系统模

58、型进行仿真，分析ABS液压系统响应特性，得出制动液的体积弹性模量越大，粘度越小，调节器表现的液压特性越好，并且节流系数和通流面积越大，表现的液压特性越好。（4）通过对ABS原理的深入研究，对制动过程的深入分析以与对多种控制方法特点的分析，在MATLAB/Simulink中搭建汽车ABS模型，对车辆在制动过程中进行了分析，无ABS作用时，滑移率很快上升到最大值，使附着系数急剧下降，而在有ABS作用时，车轮的角速度并不是很快下降直至抱死，而是随着v缓慢下降，从而大大减少了车轮抱死的可能性，从滑移率曲线上看，滑移率控制在0.2左右，使附着系数保持在最大值附近；从而提供最大的地面制动力，这对保持车辆行

59、驶的稳定性有实际意义。至此，对ABS液压系统的仿真基本完成，虽然仿真完成，但还存在一些不足：ABS液压系统是非线性的，各环节的延迟等动态特性使工作过程非常复杂，建立其精确的模型并不是很理想，并且在AMESIM环境中建立的ABS液压系统需要在增压、保压、减压三种状态下循环工作，需要根据一定的控制逻辑进行切换，在控制信号的调整方面还存在不足。参考文献1程军车辆防抱系统控制的研究J汽车技术，2000，21（3）：15-55.2徐达汽车防抱死制动系统J.汽车工业大学学报，2002，7（1）：11-106.3程伟涛ABS的发展与研究现状J商用汽车杂志，2002，4（5）：21-44.4朝禄，荣华译.汽车

60、制动防抱死装置构造与理论M .：机械工业，1995：21-126.5郭健忠，果继辉制动防抱死系统与其正确使用J公路与汽运，2002，（5）：14-48.6司利增汽车防滑控制系统ABSM.：人民交通，2001：18-957新汽车液压防抱死制动系统(ABS)的理论与实践M.：中南大学,2005：22-80.8何宇平汽车制动性能的研究J理工大学学报，2002（5）：19-1539郭辛ABS液压系统建模研究J师学院学报，2003（4）：11-10610有义液力传动M.：工业大学，2001：1-59.11霍夫曼液压元件与系统的动态仿真M.大学，2004：4-5512余佑官AMESim仿真技术与其在液压系

61、统中的应用J液压气动与密封，2005,(3):28-31.13王春行液压控制系统M.机械工业，2000：22-45.14钱学森，宋健工程控制论M.科学，2002：4-5515江玲玲，俊俊基于AMESim的液压位置伺服系统动态特性仿真J.机床液压，2001,(3):12-106.16俊AMESim建模与仿真M.电子科技大学，2002，5-90.17辉精通Simulikn系统仿真与控制M.大学，2003，9-80.18LefflerElectronic Brake Management EBM-Prospects of an Integration of Brake System and Driving Stability ControlJ.SAE 960954，2000,4(2)：5-22.19JonnerWinner，Dreilick，Schunck，Electrohydraulic Brake System-The First Approach to Brake by Wire TechnologyJ.SAE 960991，2000,4(2):11-24.致大学生活马上就要结束了，我首先感大学学院的老师们，特别是我的指导老师，金柱老师，从他身上我学到了许多宝贵的知识。他在学业上