汽車電子液壓制動系統(tǒng)跟隨特性的實驗研究 ----EHB系統(tǒng)跟隨特性的實驗研究（二）

　　4.3基于PID的EHB制動壓力跟隨控制算法實驗驗證

　　EHB系統(tǒng)制動壓力跟隨特性的實驗系統(tǒng)如圖4.4所示主要可分為兩步，首先將編譯好的控制程序下載到MCU中，MCU發(fā)出壓力控制指令，經(jīng)驅(qū)動電路將控制信號輸出給液壓控制單元，通過控制高速開關(guān)閥的開關(guān)，最終實現(xiàn)增壓、保壓和減壓三種工作狀態(tài)及相互之間的轉(zhuǎn)換。其控制流程如圖4.5所示

　　然后應(yīng)用xPC數(shù)據(jù)采集設(shè)備，對目標(biāo)壓力與實際壓力進(jìn)行觀測。xPCTarget數(shù)據(jù)采集過程是通過目標(biāo)實時內(nèi)核來實現(xiàn)的。一方面目標(biāo)機(jī)用自己的RAM將應(yīng)用程序的實時信號數(shù)據(jù)存儲，另一方面將采集到的信號進(jìn)行可視化顯示在屏幕上，同時還可實時地將采集到的信號傳到主機(jī)上分析并進(jìn)行可視化。圖4.6為xPC數(shù)據(jù)采集設(shè)備的工作流程，主要步驟如下：

　　(1)啟動xPC Target平臺的宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)。在宿主機(jī)中運(yùn)行MATLAB R2006b，建立Simulink仿真模型。在Simulink模塊庫中將輸入信號模塊、輸出等模塊、目標(biāo)示波器等數(shù)據(jù)采集所需模塊添加到Simulink框圖中，然胡進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。通過Simulink模塊對參數(shù)對話框進(jìn)行定義及物理I/O板相對應(yīng)的參數(shù)值(如輸入輸出信號的通道數(shù)目、編號、輸入輸出電壓的范圍和采樣時間等)進(jìn)行定義。

　　(2)在使用工具條中的選擇RTW/Build命令(Ctrl+B)，自動完成程序代碼的生成、編譯、鏈接和下載。對模型進(jìn)行編譯并下載到目標(biāo)機(jī)中，待完成后選擇仿真外部模式連接到目標(biāo)機(jī)。

　　(3)運(yùn)用xPCTarget的信號采集方式同目標(biāo)應(yīng)用程序進(jìn)行交互式操作，如調(diào)整參數(shù)、實時的采集和跟蹤信號、顯示和控制目標(biāo)系統(tǒng)的狀態(tài)等。

　　試驗中如需要實時接收電磁閥控制板送來的4路輪缸壓力信號，需在MATLAB命令窗口中運(yùn)行xpcexplr命令打開xPC Target Explorer.連接目標(biāo)后，在Host Scope中添加示波器，并將需要觀測的信號添加到示波器中，即可在試驗過程中觀測變量。試驗結(jié)束后，可采用getxpcFileData()函數(shù)(變量為'EHB制動壓力跟隨文件名')從目標(biāo)機(jī)上載試驗結(jié)果，用于分析EHB綜合測試的性能。

　　在進(jìn)行壓力跟隨實驗的時候我們要對PID控制器參數(shù)進(jìn)行整定，應(yīng)用xPCTarge t數(shù)據(jù)采集實驗平臺觀測所得目標(biāo)壓力與實際壓力之間的關(guān)系，以此找出PID控制器的最佳參數(shù)，一般來講，PID參數(shù)的確定主要是根據(jù)試湊和調(diào)試經(jīng)驗來確定的。首先要了解各個參數(shù)對系統(tǒng)的影響，以純比例控制器(即KI = KD=0)來控制系統(tǒng)，大致確定Kp的范圍，然后在將其他兩個參數(shù)加到控制器中，反復(fù)運(yùn)行調(diào)試系統(tǒng)最終確定最優(yōu)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)超調(diào)量較大時，應(yīng)將比例環(huán)節(jié)Kp減小，同時增大積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD;當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)慢時，應(yīng)適當(dāng)增大比例環(huán)節(jié)Kp，減小積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD;當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差超過允許范圍時，應(yīng)增大積分環(huán)節(jié)KI和微分環(huán)節(jié)KD;當(dāng)系統(tǒng)振蕩嚴(yán)重時應(yīng)增大比例環(huán)節(jié)Kp，同時減小積分環(huán)節(jié)I K和微分環(huán)節(jié)KD.經(jīng)過調(diào)節(jié)確定最佳比例環(huán)節(jié)的范圍大致在0.1～0.3之間;最佳積分環(huán)節(jié)的范圍大致在20～30之間;最佳微分環(huán)節(jié)的范圍大致在0.0001～0.001之間。以左前輪缸為例，圖4.7~4.10為目標(biāo)壓力在3Mpa不同PID控制參數(shù)下輪缸壓力跟隨的響應(yīng)情況：

　　PWM調(diào)制信號的頻率f = 25HZ，輪缸目標(biāo)制動壓力為9Mpa時的輪缸實際制動壓力階躍響應(yīng)曲線如圖4.11所示。此時PID控制器的參數(shù)為：

　　Kp = 0.3

　　KI = 20

　　KD=0.0001

　　從圖可以看出通過PID控制策略控制進(jìn)液閥、出液閥的PWM調(diào)制信號的占空比，有效地控制輪缸流量，達(dá)到精確控制輪缸壓力效果。如圖4.12所示同一坐標(biāo)系下9Mpa工作點(diǎn)時四路輪缸壓力的階躍響應(yīng)曲線，我們可以看到，系統(tǒng)響應(yīng)時間小于0.2s，穩(wěn)態(tài)誤差最大不超過0.7，實際輪缸壓力對目標(biāo)輪缸壓力跟隨穩(wěn)定快速，滿足系統(tǒng)的要求。

　　4.4關(guān)于實驗影響因素的分析

　　本方法適用于一類系統(tǒng)，該類系統(tǒng)的特征是由于某些物理器件結(jié)構(gòu)上的限制，或者甚至擾動的不同從而導(dǎo)致當(dāng)工作點(diǎn)不同的時候，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)發(fā)生變化，進(jìn)而使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)不能用相同的模型來表達(dá)出來，因此不僅控制器的參數(shù)要相應(yīng)的發(fā)生變化，而且可能控制器在某些時候其結(jié)構(gòu)都需要做相應(yīng)的調(diào)整和改變。

　　對于本EHB系統(tǒng)來說就屬于這類系統(tǒng)。本EHB系統(tǒng)中包含有很多可能導(dǎo)致這種情況的物理器件，具體分析如下：

　　(1)液壓供給單元中的高壓蓄能器的影響

　　由于本系統(tǒng)選擇氣囊式高壓蓄能器來存貯能量，該蓄能器在工作過程中如同一個彈性元件，不停的減弱沖擊和波動的影響。當(dāng)在蓄能器臨界工作點(diǎn)壓力的時候，氣囊在提升閥的作用下發(fā)生變化，此時的壓力可能產(chǎn)生跳躍性的變化，而此時如果控制器的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)不能做出相應(yīng)的調(diào)整的時候，EHB系統(tǒng)的輪缸壓力就會發(fā)生不穩(wěn)定的情況，從而導(dǎo)致控制系統(tǒng)的不可控。

　　(2)液壓控制單元中的電磁閥閥坐結(jié)構(gòu)的影響

　　液壓控制單元的電磁閥閥座是用于固定不同功能電磁閥的基座，其上還裝有壓力傳感器等電子元器件。該閥座內(nèi)部不同的通路結(jié)構(gòu)，管路內(nèi)徑的大小也會導(dǎo)致在控制壓力的過程中產(chǎn)生跳變性的變化。另外在安裝過程中，由于加工精度或者壓力傳感器的安裝深度，內(nèi)部的空氣不能夠保證完全排空等一些不確定的原因，都對EHB系統(tǒng)輪缸壓力的控制器參數(shù)調(diào)整以及結(jié)構(gòu)變化提出了更高的要求。作為控制器本身來講，能否在復(fù)雜環(huán)境下作出相應(yīng)的參數(shù)甚至結(jié)構(gòu)調(diào)整都決定著EHB系統(tǒng)輪缸壓力控制的成敗。

　　(3)液壓控制單元中的高速電磁開關(guān)閥結(jié)構(gòu)的影響

　　EHB液壓系統(tǒng)是通過改變電磁閥的驅(qū)動電壓來調(diào)節(jié)輪缸壓力的，高速開關(guān)閥是EHB系統(tǒng)液壓控制單元的重要元件，理想的狀況下，輸入電壓的波形與閥芯位移的波形應(yīng)該保持一致。但是線圈通電時電磁鐵響應(yīng)和閥芯運(yùn)動需要一定時間，加上閥的內(nèi)部摩擦和阻尼等因素的影響，因此閥芯的運(yùn)動不是與輸入信號同步實時變化，帶有一定的滯后時間，波形也與輸入信號的波形不同，其動態(tài)特性對整個系統(tǒng)控制有很大影響。

　　第5章全文總結(jié)及研究展望

　　5.1全文總結(jié)

　　EHB系統(tǒng)作為一種多功能制動系統(tǒng)，將傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的所有制動功能集合在一個整體上，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的不足。傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)，制動主缸通過活塞運(yùn)動，將等量的制動液傳遞給各個制動輪缸，只能在一定程度上實現(xiàn)前后制動力的分配，不能很好地對各個制動輪單獨(dú)控制，難以充分利用地面制動力，EHB系統(tǒng)中高壓蓄能器作為液壓控制機(jī)構(gòu)的動力源，以PWM方式驅(qū)動高速開關(guān)閥控制輪缸壓力，通過閉環(huán)反饋的控制方式，對每個制動輪缸的壓力進(jìn)行單獨(dú)控制，它將傳感器所采集到的各種信息傳遞給電子控制單元ECU，ECU決策出各制動器所需的最佳制動力，充分利用了地面制動力，達(dá)到良好的制動效果，EHB系統(tǒng)的優(yōu)越性決定了在汽車技術(shù)飛速發(fā)展的今天必將有廣闊的發(fā)展前景。

　　快速穩(wěn)定的輪缸壓力的跟隨特性是實現(xiàn)ABS、EBD、TCS等控制功能的基礎(chǔ)，本文對EHB系統(tǒng)輪缸壓力跟隨特性進(jìn)行了研究，通過PID控制器調(diào)節(jié)控制各個輪缸壓力，反饋的實際輪缸壓力信號與目標(biāo)給定的輪缸壓力信號不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來實時地調(diào)整輸出的電磁閥的PWM值，以調(diào)整管路中的制動液的流量，最終使輪缸的壓力值達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)值上。使實際輪缸壓力可以快速穩(wěn)定響應(yīng)，為后續(xù)實車試驗獲得某些基本參數(shù)和算法打下堅實的基礎(chǔ)。

　　本文所研究內(nèi)容包括以下幾個方面內(nèi)容的成果：

　　(1)構(gòu)建了EHB系統(tǒng)總體方案。

　　本文提出了EHB系統(tǒng)總體方案。針對其中的電子制動單元、液壓制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行功能性設(shè)計。分析了EHB系統(tǒng)的工作過程，高壓蓄能器為整個液壓控制系統(tǒng)的動力源，以PWM方式控制高速開關(guān)閥從而控制輪缸壓力，實現(xiàn)了對各個輪缸的獨(dú)立控制。并應(yīng)用Solidworks軟件繪出了EHB系統(tǒng)各個元件的三維圖，并對實驗臺架各個單元進(jìn)行了安裝布置，為EHB實驗臺實際搭建奠定良好的基礎(chǔ)。

　　(2)電液線控制動系統(tǒng)臺架系統(tǒng)研制

　　EHB臺架系主要可分為液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)和電子控制系統(tǒng)。本文通過研究分析EHB系統(tǒng)中各個元件的作用和特性，分別對兩個單元進(jìn)行了設(shè)計和選型，其中液壓制動執(zhí)行機(jī)構(gòu)研制包括：液壓供給單元(電動液壓泵、高壓蓄能器)的選型，液壓控制單元(高速開關(guān)閥)的選型與設(shè)計，及輔助單元(儲油箱、制動管路、空氣濾清器及壓力傳感器)等的選型與匹配。電子制動控制單元研制包括：ECU單片機(jī)CPU芯片的選擇、單片機(jī)數(shù)據(jù)采集輸入通道設(shè)計、單片機(jī)輸出通道的確定等。最后通過第二章所設(shè)計的實驗臺架布置方案搭建起了實驗臺。

　　(3)電液線控制動系統(tǒng)臺架試驗研究

　　EHB系統(tǒng)由于取消了傳統(tǒng)制動系統(tǒng)的制動踏板與制動卡鉗間直接的液壓鏈接，與傳統(tǒng)液壓制動系統(tǒng)在性能以及時間響應(yīng)上存在巨大差異。因此EHB的成功開發(fā)必須進(jìn)行大量的實車試驗，才能將系統(tǒng)的性能調(diào)整到最佳的工作狀態(tài)。僅僅通過經(jīng)驗值的摸索方式調(diào)試會造成可信度的降低，并且導(dǎo)致在短時間內(nèi)無法完成。而過長的開發(fā)周期會消耗大量的財力，人力和物力。因此在其設(shè)計開發(fā)過程中，臺架試驗是一個非常重要的手段，也是十分必要的。通過對EHB系統(tǒng)輪缸壓力跟隨特性的實驗研究，可以為后續(xù)獲得某些基本參數(shù)和算法打下堅實的基礎(chǔ)。本文首先對EHB系統(tǒng)輪缸壓力跟隨的控制算法進(jìn)行了研究，并對基于PID的EHB系統(tǒng)輪缸壓力跟隨控制算法進(jìn)行了實驗驗證，用xPC數(shù)據(jù)采集設(shè)備對跟隨情況進(jìn)行了監(jiān)測，最后整定了PID控制器參數(shù)確定了最佳的參數(shù)范圍。通過觀察證明基于PID控制的輪缸壓力跟隨情況良好，實際反饋輪缸壓力信號能夠穩(wěn)定快速的對給定信號進(jìn)行跟隨。

　　5.2研究展望

　　由于時間和條件有限，本文只是針對輪缸壓力的跟隨情況進(jìn)行了研究，今后可以根據(jù)不同的工況通過EHB試驗臺試驗，更好的實現(xiàn)傳統(tǒng)制動功能：如ABS(制動防抱死系統(tǒng))功能;EBD(電子制動力分配)功能;ESP(電子穩(wěn)定性控制)功能;TCS(牽引力控制系統(tǒng))功能;主動防側(cè)翻功能等

　　基于此試驗平臺，可以進(jìn)一步研究相應(yīng)的控制策略及狀態(tài)估計算法(如車速及路面估計)。在條件許可情況下，還可以加入踏板力模擬及應(yīng)急制動模塊，進(jìn)而研究踏板力反饋、EHB容錯及駕駛員制動意圖識別等。