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，對目標壓力與實際壓力進行觀測。xPCTarget數(shù)據(jù)采集過程是通過目標實時內(nèi)核來實現(xiàn)的。一方面目標機用自己的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上分析并進行可視化。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平臺的宿主機和目標機。在宿主機中運行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、目標示波器等數(shù)據(jù)采集所需模塊添加到Simulink框圖中，然胡進行參數(shù)設(shè)置。通過Simulink模塊對參數(shù)對話框進行定義及物理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。對模型進行編譯并下載到目標機中，待完成后選擇仿真外部模式連接到目標機。

　　(3)運用xPCTarget的信號采集方式同目標應(yīng)用程序進行交互式操作，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命令窗口中運行xpcexplr命令打開xPC Target Explorer.連接目標后，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')從目標機上載試驗結(jié)果，用于分析EHB綜合測試的性能。

　　在進行壓力跟隨實驗的時候我們要對PID控制器參數(shù)進行整定，應(yīng)用xPCTarge t數(shù)據(jù)采集實驗平臺觀測所得目標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)運行調(diào)試系統(tǒng)最終確定最優(yōu)參數(shù)。當系統(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;當系統(tǒng)響應(yīng)慢時，應(yīng)適當增大比例環(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;當系統(tǒng)振蕩嚴重時應(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，達到精確控制輪缸壓力效果。如圖4.12所示同一坐標系下9Mpa工作點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)致當工作點不同的時候，系統(tǒng)的傳遞函數(shù)發(fā)生變化，進而使得系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)不能用相同的模型來表達出來，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。當在蓄能器臨界工作點壓力的時候，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行單獨控制，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給定的輪缸壓力信號不斷地進行比較，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到預(yù)期的目標值上。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)行機構(gòu)進行功能性設(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，分別對兩個單元進行了設(shè)計和選型，其中液壓制動執(zhí)行機構(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CPU芯片的選擇、單片機數(shù)據(jù)采集輸入通道設(shè)計、單片機輸出通道的確定等。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行了實驗驗證，用xPC數(shù)據(jù)采集設(shè)備對跟隨情況進行了監(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，進而研究踏板力反饋、EHB容錯及駕駛員制動意圖識別等。