基于MATLABSimulink 的汽车ABS 的半实物仿真系统

基于 MATLAB/Simulink 的汽车 ABS 的半实物仿真系统 大连理工大学 潘炜 高镜惠 周雅夫 宋振寰 摘要：本文所研究的是一种基于 MATLAB/Simulink 的汽车防抱死刹车系统 （ABS）的半实物仿真的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。本方法利用 Simulink 提供的模型建立车辆的传 动系模型、自动变速箱模型和 ABS 模型等。所建成的这套半实物仿真系统既可 在软件环境下对汽车进行仿真，也可以通过 I/O 接口与 ABS 系统相连接以观察 系统的仿真效果，检验控制算法的合理性。通过合理改变相应参数，本系统还可 以模拟实际汽车在不同工况下的工作情况，极大提高了汽车电子设备的研发工作 的效率。同时，本系统也可用于教学演示。 关键词：Simulink，ABS,计算机仿真，半实物 1 引言 在汽车工业中，由于引进了大量 的电子技术，使整车动力性、安全性、 经济性、舒适性等性能得到大幅度提 高。为满足汽车电子设备研发的需要， 我们建立了这套汽车电子半实物仿真 系统。本系统可以用来辅助汽车电子 设备的设计、开发，减少实车实验的 工作量，提高工作效率。由于其良好 的可操作性，也可作为教学演示软件 使用。 2 半实物仿真 由于计算机仿真是基于数学模型 的仿真方法，虽然仿真成本较低，但 仿真的效果取决于所建模型的质量。 在实际操作中，由于实物仿真系统很 复杂，所以数学建模的难度较大。有 的系统甚至无法准确地建立数学模 型。而使用实物进行实验则受硬件设 备及环境等因素的影响，成本过高， 并且不容易模拟一些极限工况，所以 应用也受到一定限制，而把实物系统 放置在计算机仿真环节中进行仿真研 究就可以解决上述问题，并能很好地 综合以上两种方法的优点，所以，我 们提出半实物仿真的思想。 在本文介绍的汽车半实物仿真系 统中，既可以通过在计算机中建立数 学模型进行仿真，也可以把仿真输出 与实物汽车相连，以观察实际工作效 果，验证所建数学模型的合理性和实 物设备的效能。从而降低成本，提高 工作效率。 MATLAB 以复数矩阵作为基本编 程单元，集科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 计算、图形可 视化、图形处理和多媒体等于一身， 已在汽车工业等领域得到广泛的应 用。Simulink 则引入了基于框图的仿 真功能，为设计者提供了一个直观友 好的设计界面。同时，本系统还引入 有限状态机理论（finite state machine， 简称 FSM）的概念，并通过 MATLAB 工具箱中的 Stateflow 实现。Stateflow 提供了强大的框图编辑功能，业已在 它的编辑窗口中编辑所需的 Stateflow 模型，由此来描述很复杂的逻辑关系 式。 3 人机对话窗口的设计 一个成功的软件，内容和功能固 然是第一位的，但同时操作界面的优 劣也 决定 郑伟家庭教育讲座全集个人独资股东决定成立安全领导小组关于成立临时党支部关于注销分公司决定 着该软件的档次。虽然 Simulink 已经提供了许多数据和图形 的输入、输出模块，但可操作性不强。 GlobalMajic公司为MATLAB/Simulink 提供了一系列基于 ActiveX 技术的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 盘与量计显示部件，为建立友好的用 户界面带来了很大的方便。通过 Simulink 可以直接进入 Dials&Gauges 模块集。通过修改相应参数便可得到 所需模型。 设计完成的界面如图 1 所示： 1 图 1 汽车电子半实物仿真系统 对话窗口由以下几部分组成：（1） 控制模块：油门踏板、刹车踏板；（2） 计算模块：发动机模块、整车传动系 模块（包括 ABS 系统）；（3）输出部 分：车速表、转速表、当前档位显示、 根据滑移率等数据绘制的曲线等。 4 整车模型的建立 本系统主要描述车辆的制动性 能，所以采用单轮车辆模型，并以汽 车动力传输路线作为信号传输及反馈 的依据。传动系模块如图 2： （1） 由油门踏板输入一节气门开度 值给发动机模块的同时也输入 该模块（throttle）; （2） 发动机模块根据计算输入的信 号输出转速给该模块（rotate）; （3） 传动系模块通过计算输出当前 车速、发动机转速、当前挡位 等信号给对话窗口，并在相应 仪表或表格中显示出来(Out1); （4） 仿真运行过程中，如输入一刹 车信号（BRAKE），则发动机模 块使节气门开度置零，同时在 整车传动系模块中根据相应算 法计算滑移率等，并输出到界 面窗口绘制出相应曲线，如图 1 所示； 发动机输出扭矩由传动系模块根 据车辆力学模型算得输出给发动机模 块（load）。 图 2 车辆传动系模型 5 自动变速箱 因为 Stateflow 可以计算复杂的逻 辑关系式，所以自动变速箱换挡逻辑 子系统采用 Stateflow 模块建立。逻辑 判断中所用到的换挡规律由一查表子 系统查得，如图 3。现在的自动变速箱 多采用车速和发动机负荷（节气门开 度）来控制换挡，故换挡逻辑模块的 输入量有两个：车速（velocity）和节 气门开度（throttle）。车速由刹车模块 计算得到，节气门开度则由油门踏板 信号输入。计算后输出量为当前档位 （gear）。 发动机转速、档位和刹车模块计算 得到的车速信号输入自动变速箱模 块， 根据所编制的算法，计算得液力变矩 器的输入扭矩（既发动机的输出扭矩， 反 馈给发动机模块）和自动变速箱的输 出扭矩（输出到刹车模块，用以计算 下一仿真时刻的车速）。 图 3 换档逻辑 6 刹车模块的建立 刹车模块的作用，除了在接收到 刹车信号时计算滑移率等量以外，在 2 仿真车辆正常行驶时还可以计算车 速、自动变速箱输出转速等量。 当对话窗口给出一个刹车信号， 该算法被激活。 目前的 ABS 系统主要采用参考门 限值控制的方式，即 Bosch 控制逻辑。 这是当今被广泛采用的一种逻辑。这 种方式将车轮角减速度、角加速度和 滑移率组合作为控制参数。 这种方式需要预先设定 4 个门限 值：车轮角减速度 a1(角加速度的下 限)、车轮角减速度 a2（角加速度的中 限）、角加速度 A（角加速度的上限） 和滑移率门限 s1。这四个值可以在 MATLAB 的工作区间设定，所以，此 算法也可用于设计 ABS 系统时合理设 置门限值。这样给 ABS 产品的设计带 来了很大的方便。制动过程的仿真算 法如图 4： 此算法也使用 Stateflow 框图来判 断刹车系统的状态，输出 1（增压）、0 （保压）和-1（减压）。状态信号通过 一传递函数并积分得到制动压力；另 外，用上一仿真时刻算得的滑移率查 滑移率—附着系数表得到地面的附着 系数，再由车轮动力学模型算得车轮 转速，根据车辆动力学模型算得车速， 并由此计算该时刻的滑移率。如此循 环，直至车速为零时，算法输出一停 止信号，结束整个仿真过程。仿真过 程中输出滑移率、车速、轮速等量 （Out）,根据需要输出到相应模块或者 在对话窗口绘制相应的变化曲线。 图 4 ABS 控制逻辑 7 与实物的连接 本系统采用 PCI 数据采集卡与实 物汽车系统连接，包括 A/D、D/A、DI、 DO 卡。利用 MATLAB 中 S 函数所构 造的 S 函数模块就可以调用数据采集 卡的驱动程序，将模型输出的信号输 入实物系统，同时将实物系统的输出 信号反馈给计算机模型进行计算。各 子系统中的输入、输出模型都可根据 需要通过构造的 S 函数模块与实物汽 车相连。例如，本系统中，刹车模块 就是从实际汽车中采集制动器状态信 号（增压、保压或减压）输入到计算 模型，模型输出轮速信号给实际 ABS 控制器，一观察不同是道路状况下实 物汽车 ABS 的反应。所有数据皆传递 到界面窗口绘制相映曲线。同时， MATLAB 还支持打印输出。 8 结语 本系统所进行的汽车电子系统的半实 物仿真，可以让使用者很直观地观察 汽车电子设备的工作原理，同时本系 统还允许使用者根据需要合理改变模 型的参数，这 就使得本系统可以仿真 不同的车型及不同的使用工况，也为 汽车电子设备的成品化开发带来很多 便利，加上友好的界面，本系统也非 常适合于教学演示。同时实践证明， 本系统所使用的控制逻辑是合理的、 高效的。 参考书目 [1] Mathworks. MATLAB -The Language of Technical Computing. Release12.1,2001 [2] Mathworks. Dial & Gauges blockset user’s guide. Version 1,2001 [3] Mathworks. Stateflow - For state diagram modeling, user’s guide. Version 4,2001 [4] Mathworks. Simulink – Model-Based and System-Based Design, using Simulink.Version 4, 2001 [5] 薛 定 宇 陈 阳 泉 . 基 于 MATLAB/Simulink 的系统仿真技术与 3 应用 清华大学出版社 2002 [8] 程军. 汽车防抱死制动系统的理论 与实践 北京理工大学出版社 1999[6] 司利增. 汽车计算机控制 人民交 通出版社 2000 [7] 过学讯. 汽车自动变速箱—结构 原理 机械工业出版社 1999 作者简介 潘炜，男，1979 年 9 月 24 日生，汉族。现在大连理工大学攻读汽车工程专 业硕士研究生。正在从事的工作为在 MATLAB/Simulink 环境中进行汽车整车系 统的半实物仿真。 地址：大连理工大学内燃机研究所，邮编：116024。Email：p_wei@netease.com. Tel: 13898606528 4