基于MATLAB/Simulink的汽车ABS半实物仿真 - 文章

基于MATLAB/Simulink的汽车ABS半实物仿真

作者：潘炜高镜惠周雅夫宋振寰

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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。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：

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）。

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：

图4 ABS控制逻辑

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。

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的系统仿真技术与应用清华大学出版社 2002
[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
[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

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(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/24/2005)


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