基于amesim的abs液壓仿真模型

預防傾斜剎車系統(tǒng)（abs）是車輛主動安全技術的一個重要領域。國外已經有成熟產品，但由于國外技術的保密，很難獲得壓控模型和具體的技術標準。然而，國內的abs技術并不成熟，主要取決于進口。目前，我國對abs動態(tài)系統(tǒng)的研究主要集中在郝氏控制理論和abs適應試驗上，但對abs-k系統(tǒng)的理論模型研究較少。因此，在理論模型中，許多重要的下肢參數(shù)的選擇和配置中缺乏系統(tǒng)的理論研究。本文以AMESim軟件為平臺,建立了完整的ABS液壓系統(tǒng)模型,設置相關參數(shù)并仿真了階梯增壓、減壓制動.其仿真結果與實驗結果基本一致.本文還通過實驗驗證了所建模型的正確性,并在此基礎上仿真了正常制動和常加常減制動.其結果為以后的ABS輪缸壓力的精細調節(jié)和精確理論建模提供了重要的實驗和理論依據(jù).1abs系統(tǒng)數(shù)學模型1.1制動板的放圖l為典型的ABS液壓系統(tǒng)結構組成.在制動時,制動踏板力經真空助力器的放大后作用在總泵上;總泵的2條輸出管路分別將壓力作用在交叉的2個車輪上.1.2兩組制動輪缸的控制原理ABS液壓系統(tǒng)的工作原理是利用電磁閥的開關動作實現(xiàn)輪缸內的增壓、保壓和減壓3種狀態(tài).ABS未動作時,增壓閥常開,減壓閥常閉;在緊急制動情況下,駕駛員踩下制動踏板,壓力很快上升,當車輪有抱死趨勢時,關閉增壓閥,進行保壓,如果車輪仍有抱死趨勢,則打開減壓閥,進行減壓.在圖1所示的減壓過程中,制動液的流動通道為:左前輪輪缸→回油電磁閥→ABS低壓儲液器→回油單向閥→ABS回油泵→回油單向閥→制動總泵→儲液室.隨著制動輪缸中的制動液流回儲液室,輪缸中的壓力降低,使車輪轉速充分恢復,然后再重新進入升壓階段.在升壓過程中,為了保持制動過程的平順性而防止出現(xiàn)振蕩,一般采用階梯升壓策略.這種壓力調節(jié)方式的特點在于:壓力的變化是非連續(xù)的,但通過3種壓力狀態(tài)的高速切換,可實現(xiàn)精細的壓力調節(jié),并且具有簡單、可靠和便于電氣控制的優(yōu)點.因此,這種壓力調節(jié)方式得到了廣泛應用.1.3系統(tǒng)數(shù)學模型根據(jù)流體力學的相關理論可以建立描述系統(tǒng)主要液壓元件動態(tài)性能的數(shù)學模型,為汽車ABS液壓系統(tǒng)動態(tài)性能仿真分析和液壓單元設計提供理論依據(jù).1.3.1動鐵和閥芯的動力學方程加壓閥主要由動鐵和閥芯、靜鐵、回位彈簧、隔磁管、閥座等零件組成,如圖2所示.高速開關電磁閥包括增壓閥和減壓閥.其中,增壓閥是常開閥,減壓閥是常閉閥.ABS液壓系統(tǒng)的高頻響應性能很大程度上取決于ABS電磁閥的動態(tài)響應特性,動鐵和閥芯可以視為有限位運動的質量塊,受電磁力、彈簧力、液壓力、沖擊力和粘滯力等作用.電磁閥的線圈通電后產生電磁力,用來控制電磁閥的開關狀態(tài).動鐵和閥芯的動力學方程為:{dvdt=1m[Fm(i,x)-k(x0+x)+Fp(x)-Ff-cv2]dxdt=v(1)???????dvdt=1m[Fm(i,x)?k(x0+x)+Fp(x)?Ff?cv2]dxdt=v(1)式中:m——動鐵和閥芯的質量和;x——動鐵和閥芯的位移;v——動鐵和閥芯的速度;x0——回位彈簧預壓縮量;i——線圈電流;k——回位彈簧剛度;c——速度阻尼系數(shù);Fp——閥芯組件液壓力;Fm——電磁力;Ff——摩擦力.電磁閥線圈電流i的微分方程為:didt=[U-iR-iv?L(x,i)?x]/[L(x,i)+i?L(x,i)?i](2)didt=[U?iR?iv?L(x,i)?x]/[L(x,i)+i?L(x,i)?i](2)式中:U——線圈電壓;R——線圈電阻;L——線圈電感.閥起到節(jié)流作用,根據(jù)其流量特性,壓力變化率一般表述為:dpcdt=k1Δpk2(3)dpcdt=k1Δpk2(3)式中:k1k2——常系數(shù);Δp——閥口兩側壓差;pc——管路的當前壓力.電磁閥可視為一階延遲環(huán)節(jié),電磁閥響應比較快,在ABS工作過程中可以認為是階躍響應.一階系統(tǒng)單位階躍響應的時域表達式為:c(t)=1-e-t/T(4)其中,T為時間常數(shù),其值的大小反應了液壓系統(tǒng)的增壓、減壓能力.1.3.2制動盤抗壓剛度計算公式制動輪缸是一個作用有彈簧力、液壓力和阻尼力的液壓缸.制動鉗的微分方程為:md2xdt2=ps-ksin(x-xg)-fd[sin(x-xg)]dt-Fs-fric-fvisc(5)sin(x-xg)={x-xg,(x-xg>0)0,(x-xg<0)md2xdt2=ps?ksin(x?xg)?fd[sin(x?xg)]dt?Fs?fric?fvisc(5)sin(x?xg)={x?xg,(x?xg>0)0,(x?xg<0)式中:p——制動輪缸液壓壓力;m——制動鉗可動部分質量;x——制動鉗位移;Fs——制動鉗回位彈簧壓力;s——油液作用等效面積;fric——制動鉗移動中的摩擦力;fvisc——粘滯力;xg——摩擦塊與制動盤之間間隙;k——制動盤抗壓剛度;f——制動盤阻尼系數(shù).1.3.3管路壓力特性連接ABS液壓調節(jié)器和制動系統(tǒng)其他部件的管路分為硬管和軟管,如圖1所示.測量軟硬管的直徑、長度、管壁厚度,管路材料的楊氏模量由AMESimHelp文件獲取.軟管流速的計算與硬管基本相同,但由于管路材料不同,體積模量差異很大.軟管壓力特性的計算如下:?Ρ?t=-βA?q?x式中:β——管路和流體的有效體積模量.β=11βfluid+1βhose式中:βfluid——流體體積模量;βhose——管路體積模量.硬管中壓力流量特性的計算如下:?Ρ?t=-BA?Q?x式中:B——管路和流體的有效體積模量;A——管路截面積.流速計算為:v=√2D|ΔΡ-9.81ρLsin(θ)|Lρff(6)式中:v——流速;D——管路直徑;ΔP——計算步長終點和起點之間的壓降;ρ——油液密度;L——管路長度;θ——管路彎角;ff——摩擦系數(shù).2系統(tǒng)模型搭建AMESim作為多學科領域復雜系統(tǒng)高級建模和仿真的主流平臺,主要應用于液壓/機械系統(tǒng)的建模、仿真及動力學分析.它用直觀的圖標符號代表系統(tǒng)的各個元件,包括車輛所涉及的各個學科領域的基礎庫:機械、液壓、氣動及電磁等元件.AMESim仿真在汽車燃油噴射系統(tǒng)、潤滑回路、車輛懸掛系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、廢氣回流、熱管理和熱分配控制等方面都有很好的應用.AMESim系統(tǒng)模型搭建步驟如下:①依據(jù)ABS的工作原理,在草繪模式下從AMESim元件庫中選取合適的模塊,并按照圖3搭建;②定義整個系統(tǒng)的液壓參數(shù),如制動液的體積模量、動力粘度和溫度等,以及各個元器件的內部結構參數(shù)等;③設定仿真參數(shù)、運行仿真并查看結果.根據(jù)系統(tǒng)組成和控制原理建立液壓ABS模型,主要包括制動主缸、增壓閥模型、減壓閥模型、泵模型、單向閥模型、低壓蓄能器模型和緩沖腔模型,它們也都來自液壓元件庫;控制信號采用控制信號庫中的模型;電動機模型來自機械元件庫;制動輪缸采用AMESim制動系統(tǒng)給出的車輛輪缸模型.建立四輪車輛模型時,為了與實驗相匹配,仿真時取左前輪進行仿真.2.1階梯加、轉化實驗利用AMESim軟件在液壓建模和動態(tài)仿真方面的優(yōu)勢,對ABS液壓調節(jié)器的工作過程,實現(xiàn)增壓、保壓及減壓工作過程進行仿真分析,探討相關參數(shù)對ABS液壓響應特性的影響.設定主缸壓力為6MPa,根據(jù)上述理論設定模型參數(shù),給定ABS電磁閥脈沖控制信號,周期為0.5s,脈寬為6ms.通過加、減壓閥的配合,使制動壓力升至最高后,先階梯形下降11個周期,保持2s,再階梯形上升11個周期.仿真時間共20s,步長0.0001s.試驗與仿真采用相同脈沖控制信號,試驗數(shù)據(jù)采集時間也為20s.得到的仿真與試驗結果如圖4所示.階梯加、減壓實驗是為了研究實際工況中猛踩剎車下ABS和制動系統(tǒng)的特性.由圖4可以看出:開始主缸壓力為6MPa,并保持了1.74s;隨著11個階梯形減壓而下降到最小壓力為1.58MPa,需要5.01s,并保持2s;之后再階梯形上升11個周期,增到最大壓力5.98MPa.同樣設定正常制動和常加常減壓主缸壓力為6MPa,根據(jù)上述理論設定模型參數(shù),給定ABS電磁閥脈沖控制信號(正常制動程序中對ABS輸入的信號都為0值),周期為0.5s,脈寬為6ms,設定正常制動模型和常加常減制動模型信號,其仿真結果如圖5、圖6所示.正常制動實驗是為了檢測制動系統(tǒng)本身的特性,即制動加壓能達到的最高壓力和減壓能達到的最小壓力.模擬駕駛員遇到障礙踩下踏板時的主缸壓力變化為6MPa并保持6s,然后稍松踏板使主缸壓力達到最低壓力約為0.68MPa,并保持3.5s,之后駕駛員再次踩下踏板使主缸壓力達到最高壓力約為5.8MPa,并一直保持到最后總時間20s.此過程中,ABS一直未工作.常加常減壓是在ABS作用下制動能達到的最大和最小壓力.可以驗證在ABS作用下制動壓力能不能達到正常制動的水平.同樣是模擬駕駛員在踩踏踏板過程中,在ABS的作用下主缸壓力的變化.由圖6可以看出,主缸能達到的最大壓力為5.63MPa,最低達到0.31MPa.2.2實驗誤差和試驗結果不統(tǒng)一,出現(xiàn)的主要原因從以上仿真和實驗結果對比可以看出,所建ABS液壓系統(tǒng)模型以及參數(shù)的設置是比較準確的,但也存在誤差(見表1).表1反映了上述3種不同工況在主缸為6MPa時,實驗與仿真結果存在的誤差.分認為析誤差存在是由幾個方面引起的.(1)ABS控制系統(tǒng)的控制存在滯后環(huán)節(jié).主缸壓力與輪缸壓力的變化要經過加壓閥和減壓閥,而加壓閥和減壓閥打開和關閉的時間則影響輪缸壓力的變化.兩閥打開和關閉的時間越長,則系統(tǒng)的滯后性就越大,引起實驗和仿真的誤差也就越大.(2)本系統(tǒng)是采用脈沖信號控制的,一次脈沖壓力的誤差非常小,但多次累計以后,仿真結果會與試驗結果有明顯的差異.階梯制動圖6越到后期,誤差也就越大.(3)電磁閥節(jié)流口徑大小不一致和形狀不一樣.單向閥泄漏,電磁閥閥桿行程不一致性,電磁閥節(jié)流指數(shù)的設計,制動管路長度以及沿程壓力損失,管路的傳輸延遲,壓力波傳播速度等,都會使仿真和實驗結果產生誤差.這主要是因為理論模型基本上忽略了這些實際存在的東西.3abs模型仿真的意義通過AMESim建立完整的ABS液壓制動系統(tǒng)仿真模型.經試驗驗證,該模型正確可靠,并且選擇的各部模型參數(shù)比較準確.在此基礎上,