基于AMESIM的ABS液壓系統(tǒng)建模與仿真本科生畢業(yè)論文

黑龍江工程學院本科生畢業(yè)論文PAGEPAGE22第1章緒論1.1研究目的與意義隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，就必須進行汽車關(guān)鍵零部件的自主研發(fā)。汽車制動過程中的安全性也已成為人們關(guān)注的焦點。汽車防抱死制動系統(tǒng)(ABS)，關(guān)系著汽車制動的安全性。目前國內(nèi)許多汽車公司已經(jīng)開始進行汽車自主研發(fā)，要在商業(yè)的競爭中脫穎而出，要擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的汽車，要使我國由一個汽車大國變?yōu)橐粋€汽車強國，就必須進行汽車關(guān)鍵零部件的自主研發(fā)。汽車制動過程中的安全性也已成為人們關(guān)注的焦點，防抱死制動系統(tǒng)ABS是汽車關(guān)鍵的零部件之一，因此國家、企業(yè)和高校都投入了大量的人力和資源對ABS進行自主研發(fā)。汽車動力性能的提高和高速公路的延伸對汽車安全提出了越來越高的要求，許多國家都為此頒布了嚴厲的汽車安全法規(guī)，汽車在制動過程中的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操縱能力，已成為人們關(guān)注的焦點。因此，探討各種高性能的制動系統(tǒng)和完善制動系統(tǒng)的性能是減少交通事故和促進汽車工業(yè)發(fā)展的重要舉措[1]。而ABS可以在制動過程中自動、高頻地對制動系統(tǒng)壓力進行調(diào)節(jié)，從而對制動力進行調(diào)節(jié)，使車輪滑移率保持在理想滑移率附近，既防止車輪抱死，又充分利用了車輪與路面的附著能力，縮短了制動距離，提高了汽車制動過程中的方向穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向操作能力，達到了最佳制動效果的目的。ABS控制的關(guān)鍵之一就是控制制動過程中的滑移率，從而提高路面附著系數(shù)的利用率，縮短制動距離，提高制動的穩(wěn)定性。然而，滑移率和路面附著系數(shù)的關(guān)系又受到很多因素的影響，如車輛本身的結(jié)構(gòu)參數(shù)、車速、輪胎充氣壓力、輪胎垂直載荷、路面狀況等等[2]。因此，要求ABS保證汽車在短時間內(nèi)在各種路面上，各種情況下都能安全制動的難度是相當大的。還需要針對不同車型進行大量的參數(shù)匹配試驗，大概需要一年半到兩年的時間，并且需要大量的經(jīng)驗，不僅耗資巨大，而且延長了產(chǎn)品的開發(fā)周期。目前國內(nèi)外也有人應(yīng)用新的控制理論，進行ABS控制的探討。根據(jù)汽車制動過程的物理實質(zhì)及動力學分析，對ABS控制器的結(jié)構(gòu)原理、控制方法等方面進行分析和研究，利用AMESim軟件建立車輛防抱死制動系統(tǒng)模型，可以很容易分析液壓系統(tǒng)元件對整個系統(tǒng)的影響。1.2ABS防抱死系統(tǒng)國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢防抱死制動理論最早是1928年由英國人提出來的，基于防抱死制動理論的制動系統(tǒng)首先是應(yīng)用在火車和飛機上。最早官方記錄的汽車防抱制動系統(tǒng)是在英國1932年發(fā)布的專利382241，題目是“制動時防止車輪壓緊轉(zhuǎn)動車輪的安全裝置”。1936年，德國博世公司(BOSCH)申請一項電液控制的ABS裝置專利，促進了ABS技術(shù)在汽車上的應(yīng)用。汽車上開始使用ABS始于20世紀50年代中期福特汽車公司，1954年福特汽車公司在林肯車上裝配法國航空公司的ABS裝置，這種ABS裝置控制部分采用機械式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能相對單一，只有在特定車輛和工況下，防抱死控制才有效，因此制動效果并不理想。機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜使ABS裝置的可靠性差、控制精度低、價格偏高，使ABS技術(shù)在汽車上的推廣應(yīng)用舉步維艱。直到70年代后期，由于電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，為ABS技術(shù)在汽車上的應(yīng)用提供了可靠的技術(shù)支持。ABS控制部分采用了電子控制，其反應(yīng)速度、控制精度和可靠性都顯著提高[3]，制動效果也明顯改善，同時其體積逐步也變小，質(zhì)量也逐步減輕，控制與診斷功能不斷增強，價格也逐漸降低。這段時期許多家公司都相繼研制了形式多樣的ABS裝置。進入90年代后，ABS技術(shù)不斷發(fā)展成熟，控制精度、控制功能不斷完善?，F(xiàn)在發(fā)達國家已廣泛采用了ABS技術(shù)。ABS裝置制造商主要有:德國博世公司(BOSCH)，歐、美、日、韓國家的汽車采用的最多;美國德科公司(DELCO)，由美國通用及韓國大宇汽車采用；美國本迪克斯公司(BENDIX)，由美國克萊斯勒汽車采用;還有德國戴維斯公司(TEVES)德國瓦布科(WABCO)、美國凱爾西海斯公司(KELSEYHAYES)等，這些公司的ABS產(chǎn)品都在廣泛地應(yīng)用，而且還在不斷發(fā)展、更新和換代。國內(nèi)對ABS的研究工作始于八十年代初，研制單位有東風汽車公司、交通部重慶公路所、重慶宏安ABS有限公司、陜西興平514工廠與西安交通大學等。東風汽車公司從80年代初開始研究ABS，該公司對Wabco公司的ABS產(chǎn)品進行了剖析、試驗、改進和消化吸收，將Wabco的ABS裝在EQ-145型車上并在各種路面上進行試驗。交通部重慶公路所研制的ABS適用于中型汽車，其第一代ABS電子控制單元(ECU)采用了Z80芯片，第二代ABS產(chǎn)品采用了MCS-96系列8098單片機，控制軟件、傳感器和執(zhí)行器都由自己研制，裝車試驗的主要問題是系統(tǒng)對于路況的識別不夠理想。1984年興平814廠研制的第一代防抱制動系統(tǒng)的主要缺點是不能自動適應(yīng)不同路況，以后該廠與西安公路交通大學合作研制了第二代防抱制動系統(tǒng)，增設(shè)了路面識別功能的電路，但對于長軸距的大客車則不是很理想。宏安公司是我國批量生產(chǎn)ABS的廠家。該公司于1993年投產(chǎn)，當年生產(chǎn)ABS5000套。重型汽車研究中心1995年6月對自制的ABS系統(tǒng)進行了道路試驗，但存在一些問題，隨后，課題組重新設(shè)計了軟件及硬件，所生產(chǎn)的ABS基本上己達到國外產(chǎn)品的性能。隨著車輛動力學與控制理論研究的不斷深入，以及計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、液壓技術(shù)和通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)測ABS技術(shù)將向以下幾個方向發(fā)展。ABS正在向小型車普及，但作為附加的安全裝置，它會增加整車的重量并占據(jù)安裝空間，因此要求其體積和重量盡可能小。減小ABS體積的主要途徑有優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(如減小壓力調(diào)節(jié)器)及增加集成度。目前，經(jīng)過優(yōu)化的ABS己可將主缸、壓力調(diào)節(jié)器和電控單元集成為一體，從而大大減小了體積和成本。由于技術(shù)的不斷改進，ABS的功能在不斷加強。ABS的作用是通過控制汽車的縱向制動力來使汽車在制動過程中保持最佳的縱向附著系數(shù)和較好的橫向附著系數(shù)，從而提高汽車的制動性能、方向穩(wěn)定性和操縱性。與此相類似的是汽車驅(qū)動防滑系統(tǒng)(ASR)，其作用是防止汽車在加速過程中打滑，以保證汽車加速時的方向穩(wěn)定性、操縱性，其控制機理仍然是通過控制縱向滑移率來控制縱向力，可見，ABS和ASR是密切相關(guān)的，因此常將它們結(jié)合在一起使用，構(gòu)成行使安全系統(tǒng)。這樣，它們可共用許多電子元件和系統(tǒng)部件來控制汽車車輪的運動，電子控制和保護裝置都被裝在同一個殼體內(nèi)。Bosch公司早在1987年就推出了ABS/ASR防滑控制系統(tǒng)。1996年，Bosch公司提出了車輛動力學系統(tǒng)(VDC)的概念，在ABS/ASR的基礎(chǔ)上，加入側(cè)向穩(wěn)定性控制等新內(nèi)容，以實現(xiàn)全工況內(nèi)的汽車運動狀態(tài)最佳[4]。1.3汽車ABS結(jié)構(gòu)與工作原理1.3.1傳感器汽車ABS輪速傳感器是ABS的信息感知元件，為了防止車輪抱死，控制程序必須知道單個車輪的實時速度。只有取得準確的車輪速度或加速度信號，控制系統(tǒng)ECU才能知道什么時候下達卸壓指令，什么時候下達保壓指令，什么時候下達增壓指令，從而使車輪不致抱死，并不斷減速直到停止，如圖1.1。圖1.1ABS輪速傳感器實時性ABS的防抱死控制大約在5-7ms就完成一個循環(huán)，因而對輪速處理過程的實時性要求就更高了。系統(tǒng)取得輪速所花的時間分為硬件轉(zhuǎn)換時間和軟件計算時間。這兩者之間又以軟件時間的開銷為大。最極端的情況是一個循環(huán)的時間都花在了輪速的計算上。由于有著這樣的限制，輪速算法不可能設(shè)計得很復(fù)雜。ABS輪速的精度對其以后的輪加減速度和參考車速的計算精度影響很大。所以輪速算法應(yīng)能對輪速原始信號中的粗大誤差加以識別、剔除，或者抑制粗大誤差的影響。實用的輪速算法采用測量脈沖的寬度，經(jīng)過數(shù)字濾波，從而對輪速的結(jié)果進行合理性的判斷修正。1.3.2電子控制單元ABS的電子控制單元(ElectronicControlUnit)，簡稱ECU。它的主要作用是接收輪速傳感器等輸入信號，計算出輪速、參考車速、車輪減速度、滑移率等，并進行判斷，輸出控制指令，控制制動壓力調(diào)節(jié)器等進行工作。ECU一般由以下幾個基本電路：輪速傳感器的輸入放大，整形電路、運算電路、電磁閥驅(qū)動電路、回油泵驅(qū)動電路、穩(wěn)壓電源、電源監(jiān)控電路和故障診斷電路。大多數(shù)電子控制單元是以微處理器為基礎(chǔ)，采用專用集成電路，一般至少有一個微處理器來確?？焖?、可靠地處理數(shù)據(jù)，如圖1.2。圖1.2ABS電子控制單元1.3.3壓力調(diào)節(jié)單元壓力調(diào)節(jié)單元(HydraulicControlUnit)，簡稱HCU，是ABS中的主要執(zhí)行機構(gòu)，也是ABS液壓系統(tǒng)的核心部件，如圖1.3所示。其作用接受ABS電子控制單元的指令，驅(qū)動調(diào)節(jié)器中的電磁閥動作(或油泵電機動作)，實現(xiàn)輪缸壓力的調(diào)節(jié)。其結(jié)構(gòu)原理及性能特征對ABS的控制性能產(chǎn)生及其重要的影響。圖1.3ABS液壓調(diào)節(jié)單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)HCU要按既定的壓力控制模式，有效地對制動壓力實施控制，又必須滿足以下基本要求：通常助力式和動力式液壓制動系的促動時間為0.36s。ABS的促動時間應(yīng)小于上述時間。目前，典型HCU的反應(yīng)時間僅為0.01s，而ECU每秒可進行200次左右計算。一般來講，HCU的頻率為5～10次/秒時，即可達到使用要求。HCU對制動壓力實施有效控制，應(yīng)使增壓和減壓速率適當。壓力調(diào)節(jié)速率決定了制動器摩擦力矩的調(diào)節(jié)速率和控制過程中加、減速度的大小。加、減速度絕對值小，則制動效能低下；加、減速度絕對值大，會使ABS難以控制，此時不僅影響制動效能，而且會使車輛制動時舒適性降低?？梢妷毫φ{(diào)節(jié)速率是否得當，將影響ABS控制質(zhì)量。合理的制動壓力取決于路面條件、氣象條件、車輛類別及承載情況等。制動壓力波動不宜太大，否則制動摩擦力矩波動范圍大，路面制動力波動范圍也增大，會使車輛傳動系的沖擊損傷也大。并且過大的制動壓力波動會引起制動管路的震動，影響ABS的控制效果。HCU主要有電磁閥、蓄能器、回油泵，以及一些輔助液壓閥等構(gòu)成。它與ECU封裝在一起。HCU中共有4對用于防抱死制動壓力調(diào)節(jié)的高速開關(guān)電磁閥。每對高速開關(guān)閥又由一個常開閥(又稱加壓閥)和一個常閉閥(又稱減壓閥)組成。每對電磁閥對一個控制通道進行獨立防抱死制動壓力控制。4個常開閥分別設(shè)置在制動主缸兩腔和液壓助力室至各制動輪缸的制動管路中；而另4個常閉閥分別設(shè)置在各個制動輪缸至蓄能器的制動液通路中。在防抱死制動過程中，通過HCU電磁閥的開關(guān)動作來實現(xiàn)制動壓力的調(diào)節(jié)。通常在制動開始時，系統(tǒng)中的各電磁閥均不通電，常開閥和常閉閥都處于斷電狀態(tài)，常開閥開啟，常閉閥關(guān)閉，主缸的高壓制動液經(jīng)常開閥進入制動輪缸而不能進入蓄能器。HCU從結(jié)構(gòu)上保證各制動輪缸的制動壓力與制動踏板行程，以及制動踏板力成比例關(guān)系，隨著制動壓力的增加，輪速迅速降低而趨于抱死狀態(tài)時，ECU根據(jù)輸入的輪速信號判斷出系統(tǒng)下一個控制周期應(yīng)進入減壓狀態(tài)，常開閥和常閉閥都通電，常開閥關(guān)閉，常閉閥打開，輪缸內(nèi)的制動液經(jīng)常閉閥進入蓄能器；隨著制動壓力的降低，當輪速逐漸恢復(fù)到一定值時，ECU判斷出當前需要處于保壓狀態(tài)，常開閥通電，常開閥關(guān)閉，常閉閥斷電，輪缸中的制動液被封閉在兩個電磁閥之間?；赜捅玫淖饔檬菍⑿钅芷髦械闹苿右罕没刂鞲?。經(jīng)過這樣幾個控制循環(huán)，汽車就完成制動過程，達到減速停車的目的。1.3.4ABS工作原理汽車在行駛過程中，車輪在路面上的縱向運動可有滾動與滑動兩種形式，車輪相對于路面的滑動又可分為滑移與滑動兩種形式.試驗表明，當輪胎在路面上滑移時，將改變輪胎與地面間的附著系數(shù)，因而也改變了汽車的制動力。隨著制動壓力的升高，在與輪速旋轉(zhuǎn)相反的方向上將產(chǎn)生地面制動力矩，輪速開始減小，隨著制動力的增加，車輪開始產(chǎn)生滑移，車輪滾動的成份越來越少，而滑動的成份越來越多，一般用滑移率S來描述制動時車輪的滑移程度，如公式（1.4）。(1.4)式中，V—汽車行駛速度；S—滑移率；ω—車輪的轉(zhuǎn)動角速度ABS的產(chǎn)生離不開前人對路面特性的研究。隨著人們對輪胎與路面間的互相作用機理和輪胎動力學認識的不斷加深，在研究中得到了如圖1.5所示的路面附著系數(shù)μ與車輪滑移率S的關(guān)系。在輪胎和地面的接觸面上還存在著另一個摩擦力，它作用在車輪的側(cè)向，稱為側(cè)向附著力。側(cè)向附著力越大汽車的方向穩(wěn)定性就越好。汽車在轉(zhuǎn)彎時，轉(zhuǎn)動方向盤使車輪產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)角，相應(yīng)的產(chǎn)生了側(cè)向附著力，使汽車持續(xù)曲線運動。決定側(cè)向附著力大小的摩擦系數(shù)稱為側(cè)向附著系數(shù)，側(cè)向附著系數(shù)隨滑移率的增大而減小。側(cè)向附著系數(shù)縱向附著系數(shù)Sc滑移率S側(cè)向附著系數(shù)縱向附著系數(shù)Sc滑移率S圖1.5車輪滑移率與路面附著系數(shù)的關(guān)系由圖1.5可知，隨著制動力的增加，車輪的滑移率也在不斷增加，隨著滑移率S的增加，縱向附著系數(shù)會達到一個峰值點μh，其對應(yīng)的滑移率為Sc。當滑移率繼續(xù)增加到S>Sc時，縱向附著系數(shù)開始減小，當S＝100％時，即車輪抱死拖滑，縱向附著系數(shù)降低到最小值μg，這時地面制動力最小，導致制動距離增加。由圖2.1可看出，隨著滑移率的增加，側(cè)向附著系數(shù)在不斷減小，當S＝100％時，汽車抗側(cè)向干擾的能力接近于零。在傳統(tǒng)制動的情況下，汽車緊急制動時極易發(fā)生車輪抱死，即滑移率S＝100％，這樣不但沒有充分利用路面提供的縱向附著力，導致制動距離加長，而且更為嚴重的是，此時側(cè)向附著系數(shù)非常小，抗側(cè)滑能力非常低，也幾乎喪失了轉(zhuǎn)向能力[5]。如果汽車此時受到很小的側(cè)向干擾(如汽車重力的橫向分力、路面不平整產(chǎn)生的橫向力、橫向風力等)，就有可能使汽車發(fā)生側(cè)向滑動，跑偏或者甩尾掉頭等危險工況。另外，如果制動時車輪經(jīng)常抱死，會加劇輪胎的摩損，大大降低輪胎的使用壽命。汽車ABS通過自動調(diào)節(jié)制動力矩，使滑移率保持在最佳滑移率Sc附近，充分利用了輪胎與路面的附著能力，提高了制動性能，縮短了制動距離，同時又保持了較大的側(cè)向附著系數(shù)，提高了汽車的抗側(cè)滑能力和轉(zhuǎn)向能力，防止制動過程中側(cè)滑、跑偏和甩尾現(xiàn)象的發(fā)生，保證制動時的安全性，減少交通事故的發(fā)生。1.4AMESIM在汽車防抱死技術(shù)方面應(yīng)用汽車防抱死制動系統(tǒng)涉及到自動化、機械、液壓、氣動、電、磁以及熱等多學科領(lǐng)域的集成和相互作用，為了準確地仿真此類系統(tǒng)，就需要適合系統(tǒng)工程設(shè)計的仿真平臺。AMESim(AdvancedModelingEnvironmentforSimulationsofengineeringsystem)是法國IMAGINE公司自1995年推出的一種新型的高級建模仿真軟件。AMESIM系統(tǒng)仿真平臺，提供了系統(tǒng)工程設(shè)計的完整環(huán)境和多學科領(lǐng)域系統(tǒng)的各類模型庫，包括控制應(yīng)用庫、機械應(yīng)用庫、流體應(yīng)用庫、電磁應(yīng)用庫、熱分析應(yīng)用庫以及內(nèi)燃機應(yīng)用庫等。所有的應(yīng)用庫都提供了將信號端轉(zhuǎn)換成為結(jié)構(gòu)化的多通口功能模塊，方便工程師利用方塊圖靈活、迅速地建立物理系統(tǒng)的模型1.5研究的主要內(nèi)容1、建立ABS液壓系統(tǒng)數(shù)學模型，表示出所要建立模型對象的組成及工作過程的各個環(huán)節(jié)。2、從AMESIM模型庫中選取液壓元件模型，按照工作原理連接各個元件，對ABS液壓系統(tǒng)進行增壓、減壓，保壓種狀態(tài)下的仿真。分析ABS液壓系統(tǒng)響應(yīng)特性，及影響參數(shù)。3、通過對ABS原理的深入研究，對制動過程的深入分析以及對多種控制方法特點的分析，在MATLAB/Simulink中搭建ABS模型，將ABS對整車的性能影響進行仿真，并對仿真結(jié)果進行分析來證明方法的可行性。第2章ABS液壓系統(tǒng)數(shù)學建模2.1車輛模型2.1.1單輪車輛模型目前，常用的車輛模型主要有一般車輛模型、四輪車輛模型、雙輪車輛模型[10]以及單輪車輛模型。為簡化研究問題，選用的車輪動力學模型為單輪車輛模型，因為此模型只要描述的式制動性能，適合于汽車防抱死制動系統(tǒng)進行制動性能分析，同時也可簡化問題。車輛受力分析如圖2.4所示。車輛運動方程：(2.1)車輪運動方程：(2.2)車輪縱向摩擦力：(2.3)定義滑移率為：FxNTbVMFxNTbVM圖2.4單輪車輛模型式中，M－汽車的質(zhì)量；V－汽車的速度；Fx－地面制動力；I－車輪轉(zhuǎn)動慣量；ω－車輪角速度；r－車輪滾動半徑；Tb－制動力矩；Tg－輪胎和地面間的制動力矩；μ－附著系數(shù)；N－車輪對地面法向反力根據(jù)車輛的運動方程（2.1），（2.2），（2.3）建立Simulink仿真模型，輸入位置動力和縱向附著系數(shù)，輸出為車輛速度、車輪轉(zhuǎn)速及制動距離，仿真模型如圖2.5所示。圖2.5單輪車輛Simulink模型2.2簡化的四輪車輛模型忽略車輛側(cè)傾的影響，將簧上質(zhì)量、簧下質(zhì)量合為車輛整體質(zhì)量，忽略輪胎的滾動阻力和車輛風阻，考慮車輛縱向、橫向、繞Z軸的轉(zhuǎn)動和四個車輪繞其旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動，為研究方便，假定制動過程中前輪轉(zhuǎn)向角為零，前后車輪幾何中心在同一軸線上，橫擺過程中兩輪上的附著系數(shù)不變，令車輛坐標系原點與汽車質(zhì)心重合[9]，可建立一個7自由度的四輪車輛模型。由公式（2.6）可得在制動過程中的整車動力學方程為：(2.6)式中,Vx－汽車縱向速度；Vy－汽車橫向速度；第一個下標f－汽車前輪；第一個下標r－汽車后輪；第二個下標f－汽車左輪；第二個下標r－汽車右輪；rdF－汽車前輪滾動半徑；rdR－汽車后輪滾動半徑；Tbxx－車輪上的制動力；M－整車質(zhì)量；a－質(zhì)心到前軸的距離；b－質(zhì)心到后軸的距離；Iz－整車轉(zhuǎn)動慣量；Ixx－車輪轉(zhuǎn)動慣量；作為整車模型，還應(yīng)考慮汽車在縱向加速度和橫向加速度下引起的載荷轉(zhuǎn)移考慮到這些因素，作用在各個車輪上的垂直載荷如公式（2.7）。(2.7)式中，g—重力加速度；hg—汽車質(zhì)心高度；L—前后軸距離；c—車輛輪距2.3制動系統(tǒng)液壓元件模型制動液壓系統(tǒng)主要由制動主缸、輪缸，電磁閥組成，制動防抱死液壓系統(tǒng)的優(yōu)點是改善制動效能縮短制動距離；充分利用橫向附著系數(shù)，防止側(cè)滑改善汽車制動時的方向操縱性能；減小輪胎的局部磨損；減輕駕駛員的勞動強度，提高乘客的乘坐舒適性和安全性。由于ABS是一種快速反應(yīng)機構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)特性起著至關(guān)重要的作用。2.3.1雷諾數(shù)雷諾數(shù)是個無量綱比值，它代表慣性力與粘性力之比，但雷諾數(shù)較小支配流動的主要因素是粘性力。雷諾數(shù)其定義如下：(2.8)—液體密度(Kg/m3)；—液體的平均流速(m/s)；—不同流動狀態(tài)下的特征尺寸；—液體絕對粘度(Pa)2.3.2閥口流量液體流動狀態(tài)為層流狀態(tài)，通過閥體的體積流量：(2.9)—通過閥體的體積流量(m3)；—層流時閥口流量系數(shù)；—閥口截面積(m2)；—液體密度(Kg/m3)；—閥口兩端壓力差；—層流系數(shù)；—雷諾數(shù)絕對粘度與液體密度的比值稱為運動粘度，其定義為：(2.10)—流體的運動粘度(m2/s)；—流體的絕對粘度；—流體的密度(Kg/m3)2.3.3制動主缸中模型(2.11)—制動主缸中壓力；ksp—制動主缸中回位彈簧剛度2.3.4真空助力器模型真空助力器閥口中的氣體流動可以看作是氣體在噴嘴中的流動，假定氣體為理想氣體，在真空助力器閥口中的氣流速度遠大于氣體與外界進行熱交換的速度，氣體流過時的能量損失遠小于它具有的總能量，可以忽略。因此，真空助力器閥口中的氣體流動可視為等熵流動。真空助力器閥口中的氣流為亞聲流速狀態(tài)。這時以聲速傳播的外界壓力擾動波能達到和傳出口界面去影響口內(nèi)的流動。此時通過閥口的氣體流量為：(2.12)—流過閥口截面積的流量(m3/h)；—閥口流通截面的有效面積(mm2)；—閥口上游絕對壓力(Pa)；—絕對溫度(K)；2.3.5制動輪缸模型(2.13)i—分別代表四個車輪的制動輪缸；Q2i+1—流入電磁閥的流量；Q2i—流出電磁閥的流量2.3.6蓄能器模型(2.14)—氣體質(zhì)量；—初始氣體壓力；—初始氣體體積；—氣體體積；—氣體常量；—初始氣體質(zhì)量2.3.7回油泵模型(2.15)—葉片寬度；—轉(zhuǎn)子和定子間的偏心量；—定子內(nèi)徑制動開始時（不考慮油液的可壓縮性），由流量連續(xù)方程可求得活塞的運動速度為：(2.16)—油缸作用面積設(shè)制動器的間隙為S0，則消除間隙所需時間為td。即制動器響應(yīng)滯后時間。(2.17)進入制動輪缸的油液會呈現(xiàn)三種狀態(tài)：增壓，保壓，減壓a.增壓變化規(guī)律：(2.18)VD—油缸及管路容積—油液的體積彈性模量在增壓過程，制動缸體積變化情況：(2.19)b.減壓的變化規(guī)律：在減壓過程，由制動缸排除的油液為：(2.20)PR—回油壓力;油缸壓力下降變化率為：(2.21)c.保壓時的變化規(guī)律為：(2.22)將三種狀態(tài)按統(tǒng)一的公式描述，并進行線性化處理，有增壓減壓(2.23)保壓k0—閥的顯性化系數(shù)由油壓的變化所引起的車輪上制動力矩的變化為：(2.24)kb—是與制動器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和線性化系數(shù)k0有關(guān)的常數(shù)2.4本章小結(jié)本章主要建立了單輪車輛模型和簡化的四輪車輛模型，并進行了受力分析，求解出車輛運動方程、車輪運動方程、車輪縱向摩擦力方程。并且建立了ABS液壓系統(tǒng)的數(shù)學模型，包括制動主缸、輪缸、蓄能器、回油泵等液壓系統(tǒng)元件模型，汽車液壓制動系統(tǒng)的建模比較真實全面地反映了防抱死制動系統(tǒng)中執(zhí)行元件特性，所建立的微分方程組，通過求解，可以應(yīng)用于實際參數(shù)下的ABS模擬系統(tǒng)。第3章基于AMESIM的ABS液壓系統(tǒng)建模3.1AMESIM簡介3.1.1AMESIM軟件功能簡介AMESim（AdvancedModelingandSimulationEnvironmentforSystemsEngineering）是世界著名的工程系統(tǒng)高級建模與仿真平臺，它提供了一個系統(tǒng)級工程設(shè)計的完整平臺，使得用戶可以在單一的平臺上建立復(fù)雜的一維多學科領(lǐng)域的機電液一體化系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上進行仿真計算和深入的分析[12]。工程師在一個基于工程應(yīng)用的AMESim友好環(huán)境下可研究任何元件或者系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。AMESim的圖形化用戶界面使得用戶可以在完整的應(yīng)用模型庫中選擇需要的模塊來構(gòu)建復(fù)雜各種系統(tǒng)的模型。建模仿真過程一般分為四個步驟：構(gòu)建方案的模型；選擇模型復(fù)雜程度；設(shè)定模型的參數(shù)；仿真計算分析。而且簡便易用的操作使得用戶可以迅速有效地進行產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)。大量的用戶群使得AMESim已經(jīng)成為世界范圍內(nèi)的車輛，發(fā)動機，越野設(shè)備，航天航空，船舶，軌道交通，冶金設(shè)備，海洋工程以及重型設(shè)備等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的多學科專業(yè)，包括控制、流體、機械、熱分析、電、磁以及能源等復(fù)雜工程系統(tǒng)建模與仿真的首選平臺[11]。工程設(shè)計師完全可以應(yīng)用集成的一整套AMESim應(yīng)用模型庫來設(shè)計一個系統(tǒng)或一個流體元件，所有的這些來自不同物理領(lǐng)域的模型都是經(jīng)過嚴格的測試和實驗驗證的[13]。AMESim使得工程師迅速達到建模仿真的最終目標,分析和優(yōu)化工程師的設(shè)計，從而幫助用戶降低開發(fā)的成本和縮短開發(fā)的周期。AMESIM液壓元件設(shè)計庫包含了機液系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)單元模塊，它被看作是液壓元件建模的工程語言，可以對噴油器、液壓錘、柱塞泵、葉片泵、半主動緩沖器以及其他類型的液壓閥建模。由于是基于結(jié)構(gòu)單元建模，因此可以非常直接和直觀地理解模型層次。AMESIM液壓元件設(shè)計庫通過細分結(jié)構(gòu)單元來處理液壓元件的多樣性，使工程師可以用最少的圖標和單元模塊來構(gòu)建最多的工程系統(tǒng)模型，齊全的分析工具、多種仿真運行模式以及開放的結(jié)構(gòu)，使得AMESim在汽車液壓系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、燃油系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及車輛熱分析等方面都有很好的應(yīng)用，并在法國雷諾、雪鐵龍汽車的設(shè)計過程中有過實際應(yīng)用，是目前國際上流行的汽車設(shè)計及仿真方面的理想工具。3.2ABS液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)ABS液壓系統(tǒng)主要由主缸、輪缸，控制閥組成。制動壓力調(diào)節(jié)器串聯(lián)在制動主缸和輪缸之間，通過電磁閥直接或間接地控制輪缸的制動壓力，此系統(tǒng)屬于循環(huán)式制動壓力調(diào)節(jié)器，電磁閥的開關(guān)根據(jù)傳感器測得的輪速信號與車速信號，ECU經(jīng)過處理得出控制信號，控制相應(yīng)的電磁閥，通過改變電磁閥的開啟或關(guān)閉，來調(diào)節(jié)各制動輪缸實施制動壓力。具體的ABS液壓系統(tǒng)工作過程分析：1、常規(guī)制動過程：電磁閥不通電，增壓閥常開，減壓閥常閉。主缸和輪缸管路相通，制動主缸可隨時控制制動壓力的增減，此時回液泵不工作。2、減壓過程：控制器發(fā)出控制指令，增壓閥關(guān)閉，減壓閥開啟。制動主缸和制動輪缸的通路被截斷，制動輪缸和蓄能器接通，輪缸的制動液流入蓄能器，制動壓力降低。與此同時，ABS電機帶動回液泵工作，把流回蓄能器的制動液加壓送回制動主缸。3、保壓過程：控制器發(fā)出控制指令，增壓閥關(guān)閉，減壓閥關(guān)閉。所有通路都被截斷，制動器制動壓力保持不變。4、增壓過程：控制器對電磁閥斷電后，增壓閥開啟，減壓閥關(guān)閉。制動主缸和制動輪缸再次接通，制動主缸的高壓制動液再次進入制動輪缸，增加制動壓力。增壓和減壓的速度可直接通過調(diào)節(jié)增壓閥和減壓閥的進、出油口開啟程度來控制。3.2.1AMESim模型搭建步驟1、依據(jù)ABS的工作原理，從AMESim模型庫中選取合適元件并按照原理圖連接好。2、設(shè)定ABS液壓系統(tǒng)參數(shù)，如制動液的體積模量、密度、動力黏度和工作溫度等，定義各個液壓元件的關(guān)鍵尺寸與內(nèi)部參數(shù)。3、設(shè)定仿真參數(shù)，運行仿真，查看結(jié)果。3.3ABS系統(tǒng)模型的AMESim實現(xiàn)3.3.1車輛ABS模型根據(jù)ABS液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，在AMESim中搭建出單輪車輛ABS液壓系統(tǒng)模型，如圖3.1所示。圖中模型包括：ECU即信號處理裝置，PID控制裝置，線性信號源，信號轉(zhuǎn)換裝置，助力器，液壓調(diào)節(jié)器，制動主缸，制動輪缸。模型的工作原理如下:在系統(tǒng)進入工作狀態(tài)后，首先由控制信號源提供工作信號，ECU根據(jù)控輪速信號進行控制，系統(tǒng)制動輪缸模型進入增壓狀態(tài)。此狀態(tài)制動輪缸中制動壓力持續(xù)上升，增壓持續(xù)一定時間后，由控制信號源對系統(tǒng)提供工作信號，系統(tǒng)進入減壓狀態(tài)。圖3.1ABS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3.3.2液壓調(diào)節(jié)器模型液壓ABS系統(tǒng)主要由控制器(ECU)、液壓調(diào)節(jié)器和輪速傳感器3部分所組成。其工作性能的好壞不僅與控制器的控制邏輯和傳感器有關(guān)，還與液壓調(diào)節(jié)器的性能密切相關(guān)。在確?？刂破骱蛡鞲衅餍阅艿臈l件下，ABS系統(tǒng)的性能由液壓調(diào)節(jié)器決定。如圖3.2。圖3.2液壓調(diào)節(jié)器AMESIM模型液壓調(diào)節(jié)器作為ABS系統(tǒng)的重要組成部分，它的性能好壞直接影響ABS的制動效果。因而研究和評價ABS液壓調(diào)節(jié)器是十分重要的，下面由以上元件依照實際工作原理連接，組成ABS液壓調(diào)節(jié)模型。3.3.3控制器模型對于防抱死控制系統(tǒng)，首先應(yīng)該確定期望滑移率。理論上取最優(yōu)滑移率點作為期望滑移率，選取AMESIM軟件中的控制信號單元，搭建控制單元模型，將滑移率轉(zhuǎn)化為車速與輪速的差值。由于所采用的PID控制算法是不依賴于數(shù)學模型的，所以為得到最優(yōu)的PID控制效果就要對參數(shù)進行整定，其目的是使系統(tǒng)獲得滿意的制動效果，即系統(tǒng)穩(wěn)定，對給定量變化能迅速跟蹤，不同干擾下，系統(tǒng)輸出能保持給定值，控制性能保持穩(wěn)定。如圖3.3、3.4。圖3.3控制器內(nèi)部結(jié)構(gòu)模型圖3.4AMESIM超級元件模型3.3.4主缸模型為了提高汽車行駛的安全性，根據(jù)交通法的要求，現(xiàn)代汽車的行車制動系統(tǒng)都采用了雙回路制動系統(tǒng)，采用了串列雙腔主缸。本文也采用了串列雙腔主缸模型，主缸的AMESim模型如圖3.5所示。首先在草圖模式(SketchMode)中根據(jù)主缸的物理結(jié)構(gòu)，和其物理意義，選擇合適的元件，構(gòu)建出主缸的AMEsim模型，主要包括液壓元件設(shè)計庫中的活塞缸子元件，帶彈簧的活塞缸子元件和考慮摩擦的運動質(zhì)量塊子元件等，然后再進入子模型模式為各元件選擇合適的子模型，再進入?yún)?shù)模式，根據(jù)主缸的實際結(jié)構(gòu)確定相應(yīng)子模型的參數(shù)，前、后缸活塞直徑22.2mm；前、后缸活塞桿徑3.25mm；前缸運動部件等效質(zhì)量0.3kg；后缸運動部件等效質(zhì)量0.2kg；后缸彈簧剛度3.8N/mm，設(shè)置完參數(shù)之后就可以進入運行模式進行模型仿真。圖3.5制動主缸模型3.3.5輪缸模型制動器采用鉗盤式制動器。在防抱死制動過程中，制動壓力的反復(fù)變化，使輪缸活塞的受力和運動狀態(tài)不斷變化，因此在建立輪缸活塞模型時，應(yīng)考慮動態(tài)特性的影響，圖3.6為輪缸模型。圖3.6制動輪缸模型根據(jù)輪缸的結(jié)構(gòu)和數(shù)學模型，在AMESim中搭建輪缸的模型，該模型包括機械模塊庫中的一個接觸式彈簧阻尼系統(tǒng)，線性彈簧系統(tǒng)和液壓元件設(shè)計庫中的活塞缸以及考慮摩擦的運動質(zhì)量塊，輪缸活塞直徑54mm；輪缸活塞質(zhì)量0.4kg。3.3.6電磁閥模型調(diào)節(jié)器的增壓閥為常開閥，減壓閥為常閉閥，二者都為二位二通電磁閥，電磁閥自然頻率為50Hz，閥的阻尼比率為0.8，電磁閥最大流量2.5L/min，如圖3.7。增壓閥連接在從制動主缸到制動輪缸的管路中，減壓閥連接在制動輪缸與低壓蓄能器之間。在防抱制動過程中，通過上述的電磁閥開關(guān)切換，改變制動液的通路，從而形成增壓、保壓和減壓3種壓力狀態(tài)。圖3.7電磁閥模型3.3.7液壓泵模型在液壓系統(tǒng)中，液壓泵把驅(qū)動電動機的機械能轉(zhuǎn)換成液壓系統(tǒng)中油液的壓力能，供系統(tǒng)使用。在此系統(tǒng)中選擇了葉片泵作為減壓回路的動力源，葉片泵具有結(jié)構(gòu)緊湊、涌動平穩(wěn)、輸油均勻等優(yōu)點，通過葉輪高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力吸油的。泵排量為0.1cc/rev，泵的轉(zhuǎn)速為3000rev/min，如圖3.8。圖3.8液壓泵模型3.3.8蓄能器模型蓄能器在流體動力系統(tǒng)中非常有用，它用來儲存能量、消除脈沖。此系統(tǒng)采用的是氣囊式蓄能器，目前應(yīng)用得最廣泛，它的主要結(jié)構(gòu)由充氣閥、殼體、皮囊和進油閥組成，如圖3.9，氣囊被固定里面充滿惰性氣體。這種蓄能器可用于吸收由于液流速度和方向急劇變化所產(chǎn)生的液壓沖擊，使其壓力幅值大大減小，以避免造成元件損壞。圖3.9蓄能器模型3.4本章小結(jié)本章主要分析了ABS液壓系統(tǒng)的工作特點，由電磁閥、液壓泵和蓄能器等共同組成液壓調(diào)節(jié)單元，并根據(jù)傳感器將車輪轉(zhuǎn)速和車速信號傳給給電子控制裝置，經(jīng)過計算得出控制信號，控制相應(yīng)的電磁閥、電動泵和儲壓器等組成的制動壓力調(diào)節(jié)裝置，通過制動管路對各制動輪缸實施制動壓力的調(diào)節(jié)，使車輪制動力始終保持在較好的制動狀態(tài)。并運用AMESim軟件根據(jù)系統(tǒng)實際原理搭建了ABS系統(tǒng)模型，包括制動主缸模型，輪缸模型和液壓調(diào)節(jié)器模型和控制器模型，AMESim的圖形化用戶界面使得用戶可以在完整的應(yīng)用模型庫中選擇需要的模塊來構(gòu)建復(fù)雜系統(tǒng)的模型。建模仿真過程分為四個步驟：構(gòu)建方案的模型；選擇模型復(fù)雜程度；設(shè)定模型的參數(shù)；仿真計算分析，為下一章的仿真提供了系統(tǒng)模型。基于C8051F單片機直流電動機反饋控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的嵌入式Web服務(wù)器的研究MOTOROLA單片機MC68HC（8）05PV8/A內(nèi)嵌EEPROM的工藝和制程方法及對良率的影響研究基于模糊控制的電阻釬焊單片機溫度控制系統(tǒng)的研制基于MCS-51系列單片機的通用控制模塊的研究基于單片機實現(xiàn)的供暖系統(tǒng)最佳啟停自校正（STR）調(diào)節(jié)器單片機控制的二級倒立擺系統(tǒng)的研究基于增強型51系列單片機的TCP/IP協(xié)議棧的實現(xiàn)基于單片機的蓄電池自動監(jiān)測系統(tǒng)基于32位嵌入式單片機系統(tǒng)的圖像采集與處理技術(shù)的研究基于單片機的作物營養(yǎng)診斷專家系統(tǒng)的研究基于單片機的交流伺服電機運動控制系統(tǒng)研究與開發(fā)基于單片機的泵管內(nèi)壁硬度測試儀的研制基于單片機的自動找平控制系統(tǒng)研究基于C8051F040單片機的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)基于單片機的液壓動力系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測儀開發(fā)模糊Smith智能控制方法的研究及其單片機實現(xiàn)一種基于單片機的軸快流CO〈,2〉激光器的手持控制面板的研制基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究基于CYGNAL單片機的在線間歇式濁度儀的研制基于單片機的噴油泵試驗臺控制器的研制基于單片機的軟起動器的研究和設(shè)計基于單片機控制的高速快走絲電火花線切割機床短循環(huán)走絲方式研究基于單片機的機電產(chǎn)品控制系統(tǒng)開發(fā)基于PIC單片機的智能手機充電器基于單片機的實時內(nèi)核設(shè)計及其應(yīng)用研究基于單片機的遠程抄表系統(tǒng)的設(shè)計與研究基于單片機的煙氣二氧化硫濃度檢測儀的研制基于微型光譜儀的單片機系統(tǒng)單片機系統(tǒng)軟件構(gòu)件開發(fā)的技術(shù)研究基于單片機的液體點滴速度自動檢測儀的研制基于單片機系統(tǒng)的多功能溫度測量儀的研制基于PIC單片機的電能采集終端的設(shè)計和應(yīng)用基于單片機的光纖光柵解調(diào)儀的研制氣壓式線性摩擦焊機單片機控制系統(tǒng)的研制基于單片機的數(shù)字磁通門傳感器基于單片機的旋轉(zhuǎn)變壓器-數(shù)字轉(zhuǎn)換器的研究基于單片機的光纖Bragg光柵解調(diào)系統(tǒng)的研究單片機控制的便攜式多功能乳腺治療儀的研制基于C8051F020單片機的多生理信號檢測儀基于單片機的電機運動控制系統(tǒng)設(shè)計Pico專用單片機核的可測性設(shè)計研究基于MCS-51單片機的熱量計基于雙單片機的智能遙測微型氣象站MCS-51單片機構(gòu)建機器人的實踐研究基于單片機的輪軌力檢測基于單片機的GPS定位儀的研究與實現(xiàn)基于單片機的電液伺服控制系統(tǒng)用于單片機系統(tǒng)的MMC卡文件系統(tǒng)研制基于單片機的時控和計數(shù)系統(tǒng)性能優(yōu)化的研究基于單片機和CPLD的粗光柵位移測量系統(tǒng)研究單片機控制的后備式方波UPS提升高職學生單片機應(yīng)用能力的探究基于單片機控制的自動低頻減載裝置研究基于單片機控制的水下焊接電源的研究基于單片機的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于uPSD3234單片機的氚表面污染測量儀的研制基于單片機的紅外測油儀的研究96系列單片機仿真器研究與設(shè)計基于單片機的單晶金剛石刀具刃磨設(shè)備的數(shù)控改造基于單片機的溫度智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)基于MSP430單片機的電梯門機控制器的研制基于單片機的氣體測漏儀的研究基于三菱M16C/6N系列單片機的CAN/USB協(xié)議轉(zhuǎn)換器基于單片機和DSP的變壓器油色譜在線監(jiān)測技術(shù)研究基于單片機的膛壁溫度報警系統(tǒng)設(shè)計基于AVR單片機的低壓無功補償控制器的設(shè)計基于單片機船舶電力推進電機監(jiān)測系統(tǒng)基于單片機網(wǎng)絡(luò)的振動信號的采集系統(tǒng)基于單片機的大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的應(yīng)用研究基于單片機的疊圖機研究與教學方法實踐基于單片機嵌入式Web服務(wù)器技術(shù)的研究及實現(xiàn)基于AT89S52單片機的通用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于單片機的多道脈沖幅度分析儀研究機器人旋轉(zhuǎn)電弧傳感角焊縫跟蹤單片機控制系統(tǒng)基于單片機的控制系統(tǒng)在PLC虛擬教學實驗中的應(yīng)用研究基于單片機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信研究與應(yīng)用基于PIC16F877單片機的莫爾斯碼自動譯碼系統(tǒng)設(shè)計與研究基于單片機的模糊控制器在工業(yè)電阻爐上的應(yīng)用研究基于雙單片機沖床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)基于Cygnal單片機的μC/OS-Ⅱ的研究基于單片機的一體化智能差示掃描量熱儀系統(tǒng)研究基于TCP/IP協(xié)議的單片機與Internet互聯(lián)的研究與實現(xiàn)變頻調(diào)速液壓電梯單片機控制器的研究基于單片機γ-免疫計數(shù)器自動換樣功能的研究與實現(xiàn)HYPERLINK"/det