基于PID控制的防抱死制动系统实现研究.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023文章编号：10 0 7-7 57 X（2 0 2 3)0 9-0 0 16 3-0 4研究与设计基于PID控制的防抱死制动系统实现研究微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期吕峰萌（烟台汽车工程职业学院，信息与控制工程系，山东，烟台2 6 550 0）摘要：为了避免汽车抱死现象的发生，提出一种基于PID控制的汽车防抱死制动系统（ABS)设计方案，该系统可有效提高汽车的行车安全。采用汽车的四分之一作为主要研究对象，建立了合理有效、简单适用的单轮车辆制动系统数据模型，有利于提升汽车的防抱死制动效果，符合系统的精度要求。通过对系统进行仿真可知该系统可实现汽车的防抱死制动，在测试过程中未发生抱死现象，较好地实现了汽车的制动控制。关键词：PID控制；汽车防抱死制动系统；逻辑门限值控制；制动仿真LU Yimeng中图分类号：U463.33Research on the Realization of Anti-lock Braking System Based on PID Control(Department of Information and Control Engineering,Yantai Automotive Engineering Vocational College,Abstract:In order to avoid the occurrence of lock braking,this study puts forward a design scheme of anti-lock braking system(ABS)based on PID control.The system can effectively improve the driving safety of the car.Taking the quarter of the vehicleas the main research object,a reasonable,effective,simple and applicable single-wheel vehicle braking system data model is es-tablished,which is beneficial to improve the anti-lock braking effect of the vehicle,and meets the accuracy requirements of thesystem.Through the simulation of the system,it can be seen that the system can realize the anti-lock braking of the vehicle,nolock phenomenon occurred in the testing process,and the braking control of the vehicle is better realized.Key words:PID control;automobile anti-lock braking system;logic threshold control;brake simulation0引言随着我国经济的飞速发展，人们的整体经济水平处于递增趋势，该现象使人们对生活质量的要求逐渐提高，并采用汽车代替传统的出行方式。但是汽车在行驶过程中易出现抱死现象，严重威胁着人类的生命安全以及财产经济，如何避免汽车防抱死现象的发生成为呕待解决的问题。汽车防抱死制动系统是一种科学有效的车用主动安全性部件，将该系统应用于汽车的紧急制动中，可有效消除汽车在制动过程中产生的不稳定因素。为此，本文利用PID控制建立防抱死制动系统，该系统可有效提高汽车的行车安全。1防抱死制动系统基本组成汽车防抱死制动系统（ABS)包括气压和液压两种形式，不同形式ABS之间的差异性可体现在制动压力方面，汽车防抱死制动系统在调整制动压力过程中，充分结合不同形式的ABS,采取了不同的制动方案。不同形式汽车防抱死制动系统的基本组成单元存在一定相似性，该系统由传感器、电子控制单元以及制动压力调节单元共同组成。1.1轮速/车速传感器汽车防抱死控制过程中最重要的两个参数为轮速和车作者简介：吕怪萌（1990 一），女，硕士，讲师，研究方向为计算机技术。文献标志码：AYantai 265500,China)163速，该参数可通过车载电子传感器进行实时获取。车速传感器只能应用于少数高端车辆中，产生该现象的主要原因为由于车速传感器对精准度的要求较高，将该传感器安装在汽车内部时，无法实现汽车车速的精准测量，并且该传感器在完成车速的测量过程中需要花费较高的成本。当前大部分车辆在安装汽车防抱死制动系统时，仅采用轮速传感器完成汽车轮速的获取，再经过相应的手段计算出汽车的车速，以此实现汽车的防抱死制动控制。1.2电子控制单元(ECU)该部分为汽车防抱死制动系统的核心单元，电子控制单元可充分利用传感器上传的数据信息，计算出汽车车轮的运动状态，同时可实时获取汽车的抱死倾向。为保证汽车动力输出的最大化以及汽车车轮的滚动状态，结合计算结果对汽车防抱死制动系统的制动策略进行调整，并将制动力施加在汽车轮毂门。通常情况下，电子控制单元内部包含16 位单片机，该单元为实现汽车的防抱死制动控制，使自身具有极强的计算能力，同时内部带有余备份，有利于提升电子控制单元的工作可靠性和处于速率。1.3制动压力调节单元该单元为汽车防抱死制动系统的关键部分，将该单元应Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023用于汽车防抱死制动系统中，可实现信号变化到制动压力变化的转变，为汽车防抱死制动系统的执行机构。汽车防抱死制动系统可通过对制动液的流和制动气室气体的压力进行调整，以此实现汽车制动力大小的调节，有利于提高汽车的稳定性。2防抱死制动系统模型构建为实现汽车的防抱死制动，构建出防抱死制动系统模型。当前车辆行驶状况仿真模型的常见类型包括单轮、双轮、四轮以及一般车辆模型，四种不同类型的仿真模型之间存在一定关系。其中一般车辆模型将整车运动情况作为主要研究对象，可实现整车运动情况的完全模拟，该模型具有精度高、功能全面等特点。但该模型在实际应用过程存在复杂程度过高的问题，更适用于车辆的整体设计或者整车行驶情况的评估。四轮车辆模型可在一般车辆模型的基础上建立，忽略一般车辆模型在实际应用过程中存在的影响因素，将一般车辆模型的车体部分作为质心，即可构建四轮车辆模型。四轮车辆模型可用于车辆运动特性的描述。而双轮车辆模型主要在四轮车辆模型的基础上构建，在实际应用过程中可将汽车的左右两轮合并成一个车轮，该情况下的四轮车辆模型等同于摩托车模型，可适用于直线驱动、载荷转移等问题的模拟。单轮车辆模型将车辆的制动性能作为主要分析对象，可研究汽车单轮的制动工况，该模型的建造过程较为简单，可适用于ABS的建模分析。2.1单轮车辆制动系统数学模型本研究对该模型进行设计时，为提升汽车的防抱死制动效果，将汽车的1/4作为主要研究对象，建立了合理有效、简单适用的单轮车辆制动系统数据模型，该模型可符合系统的精度要求。为更好地突出单轮车辆制动系统数学模型的研究重点，在建立模型之前，提出多个假设条件：假设汽车车身和底盘与运载物体之间的连接关系为刚性；汽车轮胎的属性为刚性，并且该轮胎无任何形状的改变；汽车行驶过程中经过路面均为平整状态，不存在任何颠簸的现象；车辆行驶方向为无侧向、偏转的直线；汽车车轮半径在制动过程中无任何形状的改变；车轮无陀螺效应的发生2。基于上述假设条件，本文完成了1/4模型的简化，单轮车辆制动系统数学模型如图1所示。NVTbF图1单轮车辆制动系统数学模型采用单轮车辆制动系统数学模型对汽车进行防抱死制动控制时，将模型车体的行驶方向和齿轮绕主轴方向作为核心自由度，在此基础上完成动力学方程的建立，并将牛顿定研究与设计律和达朗伯原理作为主要依据，可得到车辆的运动方程：Mv=-F,-Fa汽车车轮的运动方程为Ia=FR-F,R-Tb车轮的纵向摩擦力公式为F,=Nu式(1)式（3)中，M代表的含义为汽车车体的总质量（kg），V代表的含义为汽车车轮的中心速度（m/s），F，代表的含义为汽车车轮在行驶过程中受到的纵向阻力（N），Fa 代表的含义为汽车车轮在行驶过程中受到的空气动力学阻力（N），I代表的含义为汽车车轮的转动惯量（kgm），w 代表的含义为汽车车轮的角速度（rad/s),F,=F，代表的含义为轮胎与地面之间产生的附着力（N),Ff代表的含义为车轮的滚动阻力（N)，T，代表的含义为制动力矩（Nm）,R代表的含义为汽车车轮的有效半径（m），N代表的含义为汽车车轮对地面施加的法向反力（N)，代表的含义为汽车车轮与地面之间的附着系数3。F。为汽车1/4车体在行驶过程中受到的空气动力学阻力，其公式为F=1.(号 CaAdru)4（2式中，p代表的含义为空气的密度（kg/m）,Ca 代表的含义为空气动力阻碍系数，Adr代表的含义为汽车对空气阻力的受力面积（m）。本研究对汽车车轮的滚动阻力进行计算时，其计算公式为F,=fo+3.24f.(KmphX)2.5式中，f。代表的含义为基础系数，f，代表的含义为速度影响系数，Kmph代表的含义为比例因子。2.2车轮轮胎模型轮胎实际上是一种复杂黏弹性的结构，该结构具有非线性特性。学者将轮胎模型作为主要研究对象，对该模型进行深人研究，并取得了一些成果。常见的轮胎模型可划分为三大类：其一，将轮胎试验数据作为主要依据，以此建立可描述轮胎侧偏特性的模型，例如Magic Formula模型；其二，对轮胎与路面之间的关系以及作用机理进行深入研究，研究得出的理论基础可为模型提供理论支撑，例如Fiala模型、Gim模型等；其三，将试验数据作为核心，拟合出相应的理论模型，通过对模型的参数和理论充分结合，以此构建出半经验模型，例如MF-Tyre模型。通过对上述模型进行分析可知，理论模型的精度较低，但该模型在实际应用过程中，无需进行试验数据的拟合。经Fa验模型和半经验模型的精度远高于理论模型的精度，但经验Ff模型和半经验模型在实际应用过程中，均需进行试验数据的拟合。不同类型的模型适用的领域存在差异性，由于车轮轮胎模型在仿真过程中需要重复调用。因此，本文在选用模型时，应充分考虑模型的计算效率与精度。本文对该模型进行设计时，选用Pacejka HB的魔术轮胎模型作为该模型的设计基础，有利于提高计算的效率和精度4。在Magic Formu-la魔术公式的基础上，设计车轮轮胎模型。对汽车进行防抱.164微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期(1)(2)(3)(4)(5)Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023死制动时，汽车车轮的滑移率和纵向附着系数之间的函数关系为(a)=f+Dsin(CarctanB入-E(B-arctan(B )J)式中，f代表的含义为轮胎的静摩擦系数,D代表的含义为峰值因子,B为刚度因子,C代表的含义为曲线形状因子,E代表的含义为曲线曲率因子，入代表的含义为滑移率，代表的含义为纵向附着系数。2.3制动系统模型本文对汽车制动系统的模型进行构建时，选用液压式制动系统作为研究对象。制动器包含3种状态，不同的状态均可与液压控制阀的不同位置之间进行对应。当制动器的回油路处于相通状态时，制动缸为减压模式；当控制阀处于关闭状态时，制动缸为保压模式；当制动器的油源与轮缸接通时，制动缸为增压保压模式。假定油源的压力为常数，油源进入制动缸的流量Q公式为(7)式中，,A代表的含义为控制阀的过流面积,Ca代表的含义为控制阀的流量系数，代表的含义为油液密度,P代表的含义为制动缸压力，P，代表的含义为油源压力。对活塞的运动速度进行计算时，可忽略油液的可压缩性，其公式为Vp=APQ式中，Ap代表的含义为油缸作用面积。油液被压缩的变化率公式为(9)Bdt式中，。代表的含义为油液体积的弹性模量，Vp代表的含义为油缸和管路的容积。通过对式（5）式（7)进行整理，可得到的公式为染=K(P,-P)dt式中,K代表的含义为开关阀常数，K=岛VD对系统进行减压操作，其中油压的变化率可表示为-KRVP-P(KR=P.CuARdt若忽略系统受非线性因素和温度因素的影响，可将制动力矩T，看作制动压力P的线性函数：T,=(P-Pout)AurnBpr,式中，Po为推出压力，Aur代表的含义为轮缸面积，n代表的含义为机械效率，Br代表的含义为制动因子，r,代表的含义为有效转子半径。通过对式（10）进行简化可得到：T,=(KpP-Pout0为实现制动力的调节，本文对制动系统进行设计时，将控制器的电磁阀指令作为主要依据，并对控制器进行保压、研究与设计减压、增压等操作，使汽车车轮的滑移率维持在最佳值。3PID控制基本原理(6)3.1PID控制基本原理PID控制与逻辑门限值控制之间存在一致性，在实际控制过程中均不依赖汽车防抱死制动系统的数学模型，并且该控制方式的原理较为简单，可在不受任何应用场合限制的情况下，实现汽车的防抱死控制，具有生命周期长、可靠性高等特征。PID控制内部控制量u和误差e之间的传递函数公式为U(s)=(K,+Ki+Kas)E(s)(14)S式中,U(s)代表的含义为控制量u的拉氏变换，E(s)代表的含义为误差e的拉氏变换，Kp代表的含义为比例（P)系数，K，代表的含义为积分（I)系数,Ka代表的含义为微分（D)系数7。在PID控系统制中，控制量u主要由误差e的比例、积2(P,-P)分、微分等分量经过线性组合而形成的，3个分量对汽车防抱死制动系统均含有调节作用，不同分量的调节作用各不相同。对误差e进行计算时，可预先计算出给定值r(t)和实际值y(t)，二者之间的差即为误差值。PID控制结构如图 2所示。比例P(8)比例比例DVpdpQ：VDP-Pout 01区是计算当前滑移率计算附着系数计算地面附着力计算轮加速度和车加速度结束1D1.20.81.02.32.33.0-轮速一车速微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期当前滑移率在参考范围之内制动器减压制动器保压制动器增压计算制动器力矩图4基于PID控制的防抱死制动系统控制逻辑图中湿沥青路面对应的入min=0.1108，入max=0.1508，最佳滑移率的参考值为入R=0.1308。逻辑门限控制的ABS制动仿真曲线如图5所示。0.200.150.100.050500（b）滑移率震荡仿真150010005000500100015002002500时间/ms（d）振动力矩变化趋势100015002002500时间/ms1Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023表2 中，参与比较的三菱设备与所研制的新型设备应用场景有所差异，三菱设备需要被识别节点以不超过1.4m/s的低速通过识别区，且识别距离小于7.5m，而该研究设计的新型设备允许识别节点以不超过8.3m/s的高速通过识别区，识别距离可达30 m，但表中未给出三菱设备可同时识别16 个十六进制数据，而所研制的新型设备可仅可同时识别1个十六进制数据。所以，三菱设备多用于民用射频卡识别，如智能门禁、考勤识别、快递识别等。所研制的设备主要用于多机器人协同过程中对通过识别区的行走式机器人类型进行高效率识别，另外可作为16 选一的动态口令用于涉密区域身份识别。4总结与常规射频识别设备相比，所研制的射频识别设备，提供的识别分类较少，但识别范围更大，被识别节点的自由度更高，在多机器人协同系统中，该设备可最多区分16 种工作场地内行走机器人类型，为其数据采集提供稳定的探头设备支持。未来研究中，会进一步扩展识别类型数量，革新方向之一为增加十六进制码位数，革新方向之二为实现串行可编程通信。1J LUOZQ,JING C F,CHEN Y,et al.A New Un-derdetermined NMF based anti-collision algorithm forRFIDSystemsJ.ISATransactions,2022,123:472-481.2 M O ND A L S,K U M A R D,CH A H A L P.Re c e n t A d-333333333333333333333333333533533333353333333338（上接第16 6 页）死制动系统研究J.江苏理工学院学报，2 0 2 0，2 6通过对逻辑门限控制的仿真结果进行分析可知，该算法(4):95-102.可有效进行ABS控制，在汽车进行制动过程中汽车的车轮2王国微，尹安东.基于神经网络路面识别的电动汽车可随着车速的变化而变化，并且汽车车轮为发生抱死现象，ABS控制研究J.合肥工业大学学报（自然科学版），较好地实现了制动控制。2020,43(7):878-883.35总结凌滨，宋梦实，邢键，等.基于模糊PID的汽车防抱死制动系统J.计算机仿真，2 0 18，35（10）：16 6-17 0.本文为提升汽车的防抱死制动效果，将汽车的1/4作为4尹安东，李聪聪.电动汽车ABS最优滑移率滑模控制主要研究对象，建立了合理有效、简单适用的单轮车辆制动研究J.汽车科技，2 0 18（2）：8-14.系统数据模型，该模型可符合系统的精度要求。为实现制动5F陈哲明，马万力，白恒星，等.基于变论域模糊PID控力的调节，本研究对制动系统进行设计时，将控制器的电磁制动力总成主动悬置分析J.重庆理工大学学报（自阀指令作为主要依据，并对控制器进行保压、减压、增压等操然科学）,2 0 2 1，35（6）：50-55.作，使汽车车轮的滑移率维持在最佳值。为验证ABS系统6王琳，业红玲，王鹏飞.半主动悬架模糊PID控制器设的有效性，将逻辑门限值作为ABS系统的核心算法，在该算计及仿真分析J.重庆科技学院学报（自然科学版），法的基础上完成ABS控制器的建立，并在相同条件下对处2021,23(4):116-120.于湿沥青路面的ABS系统的制动过程进行仿真。逻辑门限7滑杨莹，夏光，唐希雯，等.拖拉机液压机械式变速器控制的仿真结果表明，该系统可实现汽车的防抱死制动，并小波神经网络PID控制J.合肥工业大学学报（自然且在测试过程中汽车车轮未发生抱死现象，较好地实现了汽科学版），2 0 2 0，43（1）：2 6-30.车的制动控制。8 徐艺方.新能源汽车制动防抱死系统研究与优化J.参考文献微型电脑应用，2 0 2 1,37（3）：12 4-12 7.1毛湘文，李广军.基于模糊免疫PID控制的汽车防抱174研究与设计vances and Applications of Passive Harmonic RFIDSystems:a ReviewJ.Micromachines,2021,12(4):420.3那尔斯.网络通信节点抗干扰技术研究J.微型电脑应用,2 0 2 1,37(4)：17 3-17 6.4冯国辉，文东展，邹宇华，等.无线射频识别技术在医疗设备管理中的应用J.医疗装备，2 0 2 1，34（14）：8-10.5翟维.无线射频技术和邻域定位算法的搜索定位系统研究J.计算机与数字工程，2 0 2 1，49（7）：1310-1314.6BILIM M.Dual-branch SC Wireless Systems withHQAM for Beyond 5G over r Fading ChannelsJJ.Peer-to-Peer Networking and Applications,2021,14(1):305-318.7 EVANS A M,QUAZI T,XU H J.BER Perform-ance of an MRT-HQAM System over Rayleigh FadingChannelsJ.IET Communications,2016,10(17):2473-2479.8 葛伟，陈瑞，曹雪虹.基于HQAM的视频传输不等保护方法J.计算机技术与发展，2 0 14，2 4（10）：241-245.参考文献9朱朱光旭，李航.面向高效通信边缘学习网络的通信计算一体化设计J.中兴通讯技术，2 0 2 0,2 6（4)：2 3-30.10高维，张永翼，苏爱东.并行组合扩频通信系统的自适应变速率数据传输模型J.现代电子技术，2 0 2 0，43(13):32-35.（收稿日期：2 0 2 1-12-0 6）（收稿日期：2 0 2 2-0 1-2 4）微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期