（光学工程专业论文）abs及自动变速箱的半实物仿真.pdf

摘要 本文所述的是基于f i a t l a b s i m u i i n k 开发的汽车电子半实物仿真系统。重点 包括a b s 和自动变速箱的仿真设计。 在汽车的各项性能中，安全性成为人们选购汽车的重要依据。目前已被广泛 采用的防抱死制动系统( a b s ) 能很好地满足人们对于安全性的要求。a b s 既有 普通制动系统的制动功能，又能有效地防止车轮锁死，使汽车在制动状态下仍有 转向能力，保证汽车的制动方向稳定性。同时由于车轮没被锁死，防抱死胄b 动系 统还能很大程度上防止侧滑和跑偏。是目前汽车上先进、制动效果最佳的制动装 置。 变速箱的功能就是通过变换发动机的输出，使作用于驱动车轮的转矩和转速 能够适应汽车载荷和道路条件的变化，并使发动机能够经常在输出功率高而油耗 较低的有利工况运转，还能控制汽车倒车和停车等。相对于早期的手动变速箱， 自动变速箱( a t ) 能够根据汽车的行驶条件和发动机的运转工况自动改变传动比， 使汽车的动力性能、舒适性和经济性更好。 由于a b s 和自动变速箱的工作都使用车用计算机( e c u ) 进行控制，而计算 机的工作需要预先编制程序，并设定合适的参数。所以，开发者事先都需要利用 计算机进行程序设计，并通过大量试验确定所需参数。 以往这些工作大多采用纯计算机仿真或试验的方法。本文所采用的半实物仿 真技术，又称为硬件在环仿真( h a r d w a r e i n t h e l o o p ) ，把相应的硬件放入仿 真环中进行设计。这样能兼有计算机仿真的高效性和实车试验的准确性。目前， 这种设计方法已被各大汽车公司所采用。 本文所开发的是教学用汽车电子半实物试验平台。在这个平台上，用计算机 模拟a b s 及自动变速箱的控制逻辑，使用者通过改变计算机模型的参数来模拟在 不同工况，通过与实际汽车的数据通讯，观察实物汽车的运行情况，以验证所设 计逻辑的可行性。同时，这个平台还能被用来设计新的控制逻辑。本系统在系统 理论分析的基础上，在r a t l a b s i m u l i n k 环境中建立a b s 及自动变速箱的仿真模 型，并利用r t w 工具箱生成实时模型，使用数据采集板与实际汽车进行数据交换。 本系统通过了在捷达轿车上的调试，试验结果达到预期的效果。 本系统的成功开发，一方面为汽车电子系统的教学提供了一个优秀的试验平 台，同时也验证了半实物仿真方法是高效的，经济的。 关键字：a b s 、自动变速箱、半实物仿真、m a t l a b 、si m u iin k a b s t r a c t a h a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t o rs y s t e mf o ra u t o m o b i l ee l e c t r o n i cd e v i c e i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ，i n c l u d i n ga b sa n da t a m o n g a l lt h ec a p a b i l i t i e so f a na u t o m o b i l e ，s a f e t yi s m o s ti m p o r t a n t n o w ，a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) i sw i d e l yu s e di nv e h i c l e s i tc a n m e e tt h er e q u e s to fs a f e t y h a sc a nn o to n l yu s e da sac o m m o nb r a k i n g s y s t e m ， b u ta l s oa v o i dt ol o c k w h e e l s i nt h i sw a y d r i v e rc a nc o n t r o lt h ev e h i c l e w e l lw h e na b sw o r k e d s i n c ew h e e l sa r en o tl o c k e d ，a b sc a na v o i ds i d e s i i p a n dt r a c kd e p a r t u r e a b si sm o s ta d v a n c e db r a k i n gs y s t e mn o w a d a y s a ti su s e dt ot r a n s m i tt h eo u t p u tt o r q u eo fe n g i n et om e e tt h en e e d o fd r i v i n gi nd i f f e r e n tr o a d i tc a nm a k et h ee n g i n ea l w a y sw o r ki nn i c e s i t u a t i o n ，o u t p u th i g hp o w e ri nl o wf u e lc o n s u m e a l s o ，a tc a nb eu s e d f o rp a r k i n ga n db a c k i n g r e l a t i v e dt oc o n v e n t i o n a lt r a n s m i s s i o n ，a tc a n c h a n g et h et o r q u eo u t p u ta u t o m a t i c a l l y ，m a k et h ev e h i c l em o r ec o m f o r t a b l e p o w e r f u la n de c o n o m i c a l s i n c ea b sa n da ta r ec o n t r o l l e db ye c u ，t h ep r o g r a ms h o u l db ec o m p i t e b e f o r e h a n d d e v e l o p e rh a st oc o m p i l et h ep r o g r a mi nc o m p u t e r ，a n dc o n f i r m t h ep a r a m e t e r s f o r m e r l y ，d e v e l o p e r s u s e o n l yc o m p u t e r t os i m u l a t et h ew o r ko f e l e c t r o n i cd e v i c e s t h em e t h o d p r e s e n t e d i nt h i s p a p e r i s h a r d w a r e i n t h e l o o ps i m u l a t i o n i nt h i sm e t h o d ，h a r d w a r ei sp u ti n t ot h e l o o p n o wt h i sm e t h o di sa d o p t e db ym a n yf a m o u sa u t o m o b i l em a n u f a c t u r e s t h e s y s t e mw h i c h b e e n p r e s e n t e d i nt h e p a p e r isak i n do f h a r d w a r e i n t h e l o o p s i m u l a t i o n p l a t f o r m f o ra u t o m o b i l ee l e c t r o n i c d e v i c e s i nt h i sp l a t f o r m ，u s e rc a ns i m u l a t et h e l o g i cb o t ho fa b sa n d a t ，a l s o ，c a no b s e r v et h ew o r ko ft h ev e h i c l e a tt h es a m et i m e t h e p l a t f o r mc a nb eu s e dt oh e l pt od e s i g nn e wl o g i c t h em o d e li sb u i l ti n n a t l a b s i m u l i n k ，t h e n ，c o m p i l e dt or e a l t i m ec o d ei nr t wt o o i b o x t h ei o c a r di su s e dt oc o m m u n i c a t e t h es y s t e m h a sp a s s e di nj a t t eo a r t h er e s u lt i s s a t i s f y i n g o nt h eo n eh a n d ，t h ed e v e l o p m e n to ft h es y s t e mi s ag o o dt e a c h i n g p l a t f o r m ，o nt h eo t h e rh a n d ，i tv a l i d a t et h a t h a r d w a r e i n t h e 1 0 0 p s i m u l a t o ri s e f f i c i e n c ya n de c o n o m i c a l k e y w o r d s ：a b s 、a t 、h a r d w a r e - i n - t h e - l o o p 、m a t l a b 、s i m u l i n k 1绪论 1 1半实物仿真技术 当今世界汽车工业通过采用大量电子技术，大幅度提高了整车的动力性、 安全性、排放性、经济性和舒适性。但目前我国的汽车产品，电子设备的普及 率还不高，在教学和科研方面都需要加强。 以往对于汽车电子系统的设计开发，采用的方法多为在计算机中设计算 法，再做成楣应的硬件装配上汽车进行试验。这种方法需要较长的设计周期， 及大量的人力物力，而且在逻辑没有得到有效验证的时候，实车试验还有一定 的危险性。另一方面，当新型控制系统设计结束，并已制成产品型控制器，需 要在闭环下对其进行详细测试。但由于种种原因如：极限测试、失效测试，或 在真实环境中测试费用较昂贵等，使测试难以进行，例如：在积雪覆盖的路面 上进行汽车防抱死装置( a b s ) 控制器的小摩擦测试就只能在冬季有雪的天气 进行；有时为了缩短开发周期，甚至希望在控制器运行环境不存在的情况下 ( 如：控制对象与控制器并行开发) ，对其进行测试。口 征对传统设计方法的缺陷，一种基于半实物仿真的汽车电子控制系统开发 理念正在逐步形成，这种设计方法又称为v 型框架。如下图所示： 图 f i g l l ，1v 型框架示意图 在实际控制中，半实物仿真通常有两种情况：其一是控制器用实物，而受 控对象使用数学模型。这种情况多用于航天航空领域，例如导弹发射过程中， 由于各种因素考虑不可能每次发射实弹，而需要用其数学模型来模拟导弹本身 的过程；另一种半实物仿真的情况更常见于一般工业控制，可以用计算机实现 其控制器，而使受控对象作为实物直接放置在仿真回路中，构造起半实物仿真 系统。本文所涉及到的局限于后一种情况。 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 1 2制动防抱死系统( a b s ) 1 2 1a b s 理论基础f 1 1 2 1 1 轮胎路面附着特性 在良好的硬路面上制动时汽车车轮受力状况如图1 2 所示。图中瓦是制动 器制动鼓与制动蹄之间的摩擦力矩，民是车轮轮胎胎面与地面之间作用的地 面制动力，矿是汽车车体的垂直载荷，是车轴作用于车轮的推力，只是地 面对车轮的法向反作用力。滚动阻力偶矩和减速时车轮自身的惯性力、惯性力 偶矩均忽略不计。 墨。厂 羚 袖 ；r 一矿 g夕 ”7 甲”霹 慧t 猎i | 攀j 譬i f 2 图1 2 汽车车轮受力 f i 9 1 2 v e h i c l e st i r ef o r c em a p 从车轮的受力平衡可得： 瓦= l r 式中：r 一一车轮的滚动半径。 若定义制动器制动力巴为作用于车轮周缘上克服制动器摩擦力矩l 所需 要的力，则 巴= r 竺! 墨! 垫壅望笪塑兰壅竺堕塞 制动器制动力相当于把汽车车轮架离地面踩下制动踏板，在车轮周缘沿切 向推动车轮直至它能转动所需的力。制动器制动力仅由制动器结构参数所决 定，其大小取决于制动器的形式、结构尺寸、制动器摩擦副的摩擦系数、踩下 制动踏板的制动踏板力( 既制动传动系中的液压力或空气压力) 以及车轮半径 尺寸等。真正直接使汽车减速停止的外力是地面作用于汽车车轮轮胎胎面上的 地面制动力，曲。 轮胎与地面间的最大摩擦力即为地面附着力。在汽车制动时当制动踏板力 较小且未达到莱一极限值时，制动器摩擦力矩不大，地面与轮胎间的摩擦力( 地 面制动力) 足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动，此时地面制动力的值与制 动器制动力的值相等，且随制动踏板的增长成比例地增长。当制动踏板力或制 动系压力上升到某一足够大的值时，地面制动力达到地面附着力，车轮即抱死 不转而出现拖滑现象，且地面制动力不再增加，但制动器制动力可以随着制动 踏板力或制动系压力的增加而继续增大。 由上可知，使汽车减速停车的地面制动力首先取决于制动器制动力，但同 时地面又受到地面附着条件的限制。只有当汽车具有足够的制动器制动力，同 时地面又能提供高的附着力时，才能获得足够的地面制动力。 汽车被施以制动时，车体速度由于轮胎与路面问摩擦力的作用而减小，车 轮转动线速度( 车轮速度) 则由于制动蹄与制动鼓间的摩擦力矩而减小。这两 种速度产生一定的差值，车体与车轮产生速度差即为滑移现象，一般用滑移率 来表示滑移的程度，即 五：墼尝壅x 1 0 0 = _ 一l u u w o 从上式可以看出，当车速等于轮速时滑移率为零，汽车开始制动后，两者 差别越大，滑移率越大，停车之前车轮抱死时，轮速为零，滑移率达到1 0 0 。 不同滑移率时所对应的附着系数值是不一样的，描述这一关系的是轮胎附 着力曲线( 一五曲线) 。如图1 3 所示。 汽车制动时的纵向附着系数屯及侧向附着系数 。与滑移率 之间存在着 密切的关系。当车轮自由滚动时( 且= o ) ，纵向附着系数为零而侧向附着系数 最大，而后随着滑移率增大，纵向附着系数急剧增大。一般情况下，在 五“1 5 2 0 时纵向附着系数达到最大值，此时的滑移率叫做，与之对应的最 大纵向附着系数叫做峰值附着系数鳓滑移率再增加时出现不稳定状态，纵向 些! 墨! 垫壅望塑竺兰壅塑堕墨一 附着系数有所下降，而侧向附着系数则一直下降，2 = 1 0 0 时，纵向附着系数 的值称为滑动附着系数以，侧向附着系数降到零值附近。 口 b 弘 s 稳定逛l不稳定区 p h 图1 3轮胎附着力曲线 f i 9 1 3 t h ea d h e s i o no ft i r e 1 2 1 2 理想的制动过程 汽车制动的理想目标是：保持制动时车轮滑移率始终在侧向附着系数较 大、纵向附着系数最大的滑移率值领域，从而得到能维持转向能力和方向稳定 性的充分大的侧向力及产生最大地面制动力( 纵向力) 。 要达到上述目标，必须是如图1 4 所示的理想制动过程：【4 】 ( 1 ) 在制动过程中，当车轮的转动状态越过稳定界限厶，( 车轮滑移率从 稳定区进入不稳定区的瞬间) 时，迅速而又适度地减小制动器制动 力矩，使制动器制动力略低于车轮于地面间的附着力。从而使车轮 的转动回复到稳定界限附近的稳定区域内。 ( 2 )又一点点地增加制动器制动力直至车轮转动状态再次越过稳定界限 为止，尽量长时间地保持车轮于稳定界限的最佳滚动状态。使受制 动车轮始终在厶，附近的狭小滑移率范围内滚动，实现既充分保证转 向操纵性和方向稳定性，又可获得制动距离的理想制动效果。 4 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 鼹虚 图1 4理想制动过程 f i 9 1 4 i d e a l b r a k i n gc o u r s e 实际中，汽车轮胎在制动过程中的纵向附着系数值p b p 是随道路状况而在 较大范围内变化的，在结冰道路上时约为0 1 ，在干燥混凝土道路上时为0 8 ， 在变化范围如此大的道路条件下行驶，想靠驾驶员的人为动作来控制制动系统 使汽车处于理想制动过程是不可能的，必须依靠先进的机电控制技术。能使汽 车的制动过程接近于理想制动过程的机电一体化控制装置目前即是汽车防抱 死系统( a b s ) 。 1 。3 自动变速箱( a t ) 1 3 1 液力变矩器 由于变矩器的转矩变化范围较小，所以一般都同三档或四档自动变速箱串 联使用。液力变矩器位于自动变速箱的最前端，安装在发动机的飞轮上，起作 用与采用手动变速器的汽车中的离合器相似。它利用液体循环流动过程中动能 的变化将发动机的动力传递给自动变速箱的输入轴，并能根据汽车行驶阻力的 变化，在一定范围内自动的、无级地改变传动比和转矩比，具有定的减速增 矩功能。f 5 j 7 】 采用液力变矩器的原因并不着眼于改善汽车在良好路面上的动力性，而是 因为其操作简便，起步、换档平顺，且发动机不容易熄火。 通常用液力变矩器的无因次特性来表征液力变矩器的特性( 如图1 5 ) 。 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 图l5 液力变矩器的无困次特性f 1 】 f i g1 5t h ec h a r a c t e r i s t l co ft o r q u ec o n v e r t e r 无因次特性给出了变矩比k 、效率口及泵轮转矩系数厶随速比i 变化的规 律。无因次特性由变矩器的台架试验测得。 变矩比丘为涡轮输出转矩耳与泵轮输入转矩0 之比，即 足：至 耳 变矩器速比为涡轮转速脚与泵轮转速n e 之比，即 j ：生 ”p 在变矩器的试验中，测得0 、耳、酢、惕，即可找出变矩比世、速比f 等。 1 3 2 自动换档控制系统 自动换档控制系统能根据发动机的负荷( 节气门开度) 和汽车的行驶速度， 按照设定的换档规律，自动地接通或切断某些换档离合器和制动器的供油油 路，使离合器结合或分开、制动器制动或释放，以改变齿轮变速器的传动比， 从而实现自动换档。 液压控制系统是由阀体和各种控制阀及油路所组成的，阀门和油路设置在 一个板块内，称为阀体总成。不同型号的自动变速器阀体的安装部位有所不同， a b s 及自动变速箱的半实物仿真 有的装置于上部，有的装置于侧面，纵置的自动变速器一般装置于下部。 在液压控制系统中，增设控制某些液压油路的电磁阀，组成了电子控制的 换档控制系统，若这些电磁阀是由电子计算机控制的，则成为电子控制的换档 系统。 典型的计算机控制自动变速箱的系统框图如图1 6 所示。吲 图1 6 系统框图 7 a b $ 及自动变速箱的半实物仿真 2m a t l a b s ir n ui in k 仿真环境 2 1 m a t l a b 软件介绍 m a t l a b 的一种高性能的工程计算语言，它是一种基于矩阵计算的一种交互 式的系统，具有非常强大的矩阵计算能力。加上其强大的绘图功能，优秀的编 程用户界面，b i a t l a b 已成为当今国际科学与工程领域中应用最广泛的软件环 境。使得用户可以用自己熟悉的数学符号来进行复杂的计算，特别是在工程中 以矩阵或向量形式表示的公式。在某些时候，如果用户需要，也可以用基于标 量的非交互性语言，如c 、f o r t r a n 写程序。m a t l a b 现已成为一个高度集成的软 件系统，它集科学与工程计算、图形可视化、图像处理、多媒体处理于一身， 并提供了实用的w i n d o w s 图形界面设计方法。 8 1 4 1 m a t l a b 的主要应用包括以下几方面 夺数学计算； 审逻辑的设计和开发； 夺数据采集和分析； 数学建模、仿真、仿真原型的开发； 夺科学计算及其图形化； 用户界面的开发。 2 2 常用工具箱 m a t l a b 个很重要的特点就是把许多常用的解决方案做成工具箱供用户 使用。本节中就介绍一下本文所使用到的常用的工具箱。 2 2 s j l t u li n k s i m u l i n k 是用于在m a t l a b 下建立、分析和仿真各种动态系统框图的交互 环境，包括连续系统，离散系统和混杂系统。s i m u l i n k 提供了采用鼠标拖放的 方法建立系统框图模型的图形交互晃面。通过s i m u l i n k 提供的丰富的功德块， 你可以迅速地创建系统的模型，不需要书写一行代码。s i m u l i n k 还支持 s t a t e f l o w ，用来仿真事件驱动过程。s t a t e f l o w 将在下面的段落中介绍。 s c m u l i n k 框图提供了交互性很强的非线性仿真环境。用户可以通过下拉菜 单执行仿真，或使用命令行进行批处理。仿真结果可以在运行的同时通过示波 器或图形窗口显示。有了s i m u l i n k ，用户可以在仿真的同时，采用交互或批处 理的方式，方便地更换参数来进行”w h a t - i f “分析，s i m u l i n k 的开放式结构允 许你扩展仿真环境的功能： a b s 及自动变速箱的半实物仿真 采用m a t l a b ，f o r t r a n 和c 代码生成自定义块库，并拥有自己的图标和 界面。 将用户原有f o r t r a n 或c 编写的代码连接进来。 由于s i m u l i n k 可以直接利用m a t l a b 的数学，图形和编程功能，你可以直 接在s i m u i n k 下完成诸如数据分析，过程自动化，优化参数等工作。工具箱 提供的高级的设计和分析能力可以通过s i m u l i n k 的屏蔽手段在仿真过程中执 行。 2 2 2s 七a t e f io w s t a t e f l o w 提供了图形工具帮助你设计和分析事件驱动系统。s t a t e f l o w 基于有限状态机理论，能够建立和仿真复杂的反应和事件驱动系统。这样， s i m u l i n k 的用户可以在他们的模型之中描述事件驱动行为。通过s i m u l i n k 和 s t a t e f l o w 你可以在统一的环境下设计，建立和仿真整个嵌入式系统的行为。 图2 1 有限状态机示意图 s t a t e f l o w 、s i m u l i n k 和m a t l a b 联合使用生成独特的集成的仿真环境， 可以建模，仿真和分析复杂系统。s t a t e f l o w 是个创建和仿真复杂响应系统 的工具，以独特的方式将有限状态机理论、状态图、流程图符号等结合起来， 使使用者能够快速将事件驱动系统利用图形的方式表达出来。可以用漉程图方 便地对程序结构进行描述，如f o r 循环和i f - t h e n e l s e 语句，而这往往超出 了其他图形编程环境的能力。s i m u l i n k 使用图形方式建立系统框图，支持对连 续和离散动态系统的仿真。而m a t l a b 提供了数据访问，高级编程和可视化工 具。 用户可以选择代码生成工具s t a t e f l o wc o d e r 来单独使用s t a t e f l o w c o d e r 生成的代码，也可以将其同随后介绍的r e a l t i m ew o r k s h 。p 生成的代码 集成起来。 s t a t e f l o w 直观的图形符号和丰富的语义表达使你能够优化代码生成的质 量。通过调整系统的图形表达，你可以优化s t a t e f l o w 图，从而影响所生成代 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 码的速度，大小或花费的内存。 2 2 3r t w r t w 即为上文提到的r e a l t i m ew o r k s h o p 。它直接将用s i m u l i n k 、 s t a t e f l o w 等建立的模型自动生成代码( 若模型包含s t a t e f l o w 图对还需要有 s t a t e f l o wc o d e r ) 。r e a l - t i m ew o r k s h o p 支持绝大多数的计算平台，对计算动 态系统模型进行分析。它所支持的快速原型的方法能够使你在设计的早期纠正 设计缺陷以及定位过程的瓶颈。通过r e a l - t i m ew o r k s h o p ，你能够为嵌入式控 制系统和d s p 应用迅速生成c 代码。它支持连续时间，离散时间和混杂系统， 带触发功能的子系统，带事件驱动行为的系统。图2 1 描述了r t w 在系统设计 中的地位和作用。 2 0 j 一旦通过s i m u l i n k 或d s pb l o e k s e t 设计好系统，就可以为实时控制器或 数字信号处理器生成代码，交叉编译，连接并下载到目标处理器上。r e a l t i m e w o r k s h o p 支持自制或商用硬件。通过r e a l t i m ew o r k s h o p ，你可以为整个系 统生成代码，进行硬件在回路仿真。本文所采用的就是这种方法。 图2 2r t w 的地位和作用 f i g2 2 u s eo fr t w r e a l t i m ew o r k s h o p 与很多第三方软件和硬件产品完全兼容。例如，在本 文中使用的i o 板，就是r e a l t i m ew i n d o w st a r g e t 支持的研华公司的 p c i 1 7 l3 和p c i 一1 7 2 0 。 2 2 4d ia l & g a u g e sb lo c k s e t s i m u l i n k 提供了各种各样的曲线和数据输出模块，然而在实际使用中为了 使界面更加友好，操作更为方便，常常需要以另外的形式显示结果，如在实际 过程控制等需要用各种各样的仪表来显示信号。g l o b a lm a j ic 公司为 m a t l a b s i m u l i n k 提供了一系列基于a c t i v e x 技术的表盘和量计显示部件。 1 4 1 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 3 a b s 建模 3 1 a b s 模型 3 1 1 概述 前文已经提到，本文所建立的平台的主要目的是使得教学试验更加直观， 所以，在这里a b s 模型侧重于对于a b s 工作原理的仿真，所采用的是单轮车辆 系统模型( 如图3 1 ) 。忽略空气阻力和车轮滚动阻力。 图3 1 单轮车辆系统模型印 f i g3 1s a n g et i r ev e h i e l es y s t e mm o d e l 车辆运动方程： 车轮运动方程 车轮纵向摩擦力 式中 m 一车辆质量： v 一车辆速度； 只车轮摩擦力； ，一车轮转动懊量 m y = - v , i = f s r m b f s = n l a b s 及自动变速箱的半实物仿真 尺车轮滚动半径； 一车轮与地面间附着系数； 车轮对地面的法向反力。 3 1 2 防抱死控制过程 以车轮角减速度、角加速度和滑移率作为控制参数进行防抱死制动控制 时，控制过程分为在高附着系数路面上的控制过程、在低附着系数路面上的控 制过程和在附着系数高低过渡路面上的控制过程，路面附着系数的高低可以根 据车轮在制动压力增大过程中的角减速度变化和在制动压力减小过程中的角 加速度变化率进行判定。各种路面情况下的车轮角减速度门限值、角加速度门 限值和滑移率门限值都是根据大量试验获得的经验数据。c 4 1 s 1 1 在高附着系数路面上的控制过程 在高附着系数路面上的控制过程如图3 2 所示。 + 兰黄量趱。 譬 一一一一一誊- 上一黼! ， ， 二二o 殳正醚i 、叶粕啕、誓：f 弋 l ，一 图3 2 在高附着系数路面上的控制过程 f i g3 2 t h ec o n t r o l c o u r s eo n h i g ha d h e s i o nr o a d 。型翌开始后，随着制动压力的增大( 第l 阶段) ，车轮和汽车开始减速， 车轮角减速度也随之增大。 当车轮角减速度达到设定的角减速度门限值一口，且车轮滑移率未超过设 定门限值墨时，电控单元将使调压器转入压力保持阶段( 第2 阶段) ，使车轮 端锵蟠谶 竺! 墨! 垫奎堕塑塑兰塞竺堕塞 进行充分制动。 当车轮角减速度超过门限值一口，且车轮滑移率也超过门限值s 。时，表明 己进入不稳定区域，电控单元将使调压器转入压力减小状态( 第3 阶段) 。随 着车轮制动压力的减小，在汽车惯性作用下，车轮的角减速度开始减小。 在车轮角减速度回到门限值一d 时，电控单元将使调压器转入压力保持状 态( 第4 阶段) 。在制动压力保持阶段，由于汽车惯性的作用，车轮将加速转 动。如果车轮角加速度在设定的压力保持时间内不能达到第一角加速度门限值 + 口，电控单元就判定车轮处于低附着系数路面，并将控制过程转到在低附着 系数路面上的控制过程。如果车轮角加速度在设定的压力保持时间内超过了门 限值+ 口，调压器将继续处于压力保持状态，直到车轮角加速度超过第二角加 速度门限值+ 4 。时，电控单元才使调压器转入压力增大状态( 第6 阶段) ，随 着车轮制动压力的增大，车轮的角加速度又开始减小。 当车轮角加速度回到第二角加速度门限值+ 4 时，电控单元又使调压器转 入压力保持状态( 第6 阶段) ，直到车轮角加速度减小到+ 口，使车轮回到稳定 区域。 当车轮回到稳定区域后，为使车轮在较长的时间段处于稳定状态，电控单 元将使调压器在压力保持状态和压力增大状态之间快速转换( 第7 阶段) ，车 轮的制动压力将以较小的斜率增大。 随着车轮制动压力的增大，车轮的角减速度将进一步增大，当车轮的角减 速度再次超过门限值一口时，电控单元又使调压器转入压力减小状态( 第8 阶 段) ，控制过程将进入新一轮的在高附着系数路面上的控制过程。 2 在低附着系数路面上的控制过程 汽车在低附着系数路面上制动时，车轮发生抱死时的制动压力较低，要求 防抱死压力调节过程中制动压力增大和减小的速率也较小。 在低附着系数路面上的控制过程如图3 3 所示。 在低附着系数路面上控制的第1 阶段和第2 阶段与在在高附着系数路面上 控制过程相同。 当控制过程进入压力保持状态后，由于路面的附着系数较小，车轮角加速 度的增大速率较小，以至在设定的压力保持时间内不能达到第加速度门限值 + d ，电控单元将使调压器在压力减小状态和压力保持状态之间快速转换，使 车轮的制动压力以较小的斜率减小( 第3 阶段) ，直到车轮角加速度超过门限 值+ 口。 竺! 墨! 塾墼堕塑兰壅竺笪墨 一 图3 3 聪榭着系数路面上的控制过程 f i g3 3 t h ec o n t r o lo o n r s eo i ll o , a d h e s i o nr o a d 当车轮角加速度超过门限值+ 口时，电控单元将使调压器转入压力保持状 态( 第4 阶段) ，在制动压力保持的状态下，车轮将开始减速转动。 当车轮角加速度回到门限值+ a 时，电控单元将使调压器在压力增大状态 和压力减小状态之间进行快速转换，使车轮的制动压力以较小的斜率增大( 第 5 阶段) 。当车轮角减速度再次超过门限值一口对，控制过程将进入新一轮在低 附着系数路面上的控制过程。 3 在附着系数由高到低过渡路面上的控制过程 在制动过程中会遇到路面尉着系数由毒到低突然变化的情况，例如，当车 轮从沥青或水泥路面进入结冰路面时，附着系数就会发生突然变化。 防抱死制动系统在附着系数由高到低过渡路面上的控制过程如图3 4 所 示。 如果车轮在制动压力增大过程中( 第l 阶段) 由高附着系数路面进入到低 附着系数路面。由于车轮制动压力仍保持在与高附着系数路面相适应的较高水 平，车轮角减速度就会迅速增大。 当车轮角减速度超过门限值一d 时，电控单元将使调压器转入压力减小状 态( 第2 阶段) ，由于路面的附着系数较小，尽管制动压力在减小，但车轮滑 移率仍会迅速增大，会超过设定的第一滑移率门限值s 。 1 4 些! 墨! 塾壅望塑塑兰壅塑堕墨 司 、毒 赛燕 啦 隋彳 一a t 图3 4由高到低过渡路面上的控制过程 f i g3 4t h ec o n t r o lc o u r s ef r o mh i g ha d h e s i o l lr o a dt ol o w 当车轮滑移率超过设定的第二滑移率门限值s ，时，表示车；轮已经处于不 稳定区域，电控单元将使调节器仍然处于压力减小状态( 第3 阶段) ，直到车 轮角加速度超过门限值+ 口。 当车轮角加速度超过门限值+ 口时，电控单元将使调节器转入压力保持状 态( 第4 阶段) ，使车轮滑移率继续减小。 当车轮角加速度达到门限值+ 口，电控单元将使调压器在压力增大状态和 压力减小状态之间快速转换，直到车轮角减速度再次达到门限值一时，控制 过程将转入在低附着系数路面上的控制过程。 3 2 a b s 模型解释和各模块功能 路。 在这一节中，按照模型的层次分别介绍a b s 模型的功能及各模块的设计思 一 竹沙尊 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 能。 图3 5 a b $ 的s i m u l i n k 模型 f i g3 5 s i m u l i n km o d e lo fa b s 图3 5 所示的是a b s 模型的s i m u l i n k 模型。下面分别解释每一模块的功 m p h 输出模块。用d i a l g a u g e sb l o c k s e t 建立的速度表盘，用来显示仿真 运行时的车速变化。 二s p e e d 输入模块。同样使用d i a l g a u g e sb l o c k s e t 建立。通过拖动滑块，可 在设计范围内输入所要仿真的制动初速度。 三m o d e l 子系统。输入为印e 日d 模块设定的制动初速度，输出为由理论模型计算得 的理论车速变化曲线、理论轮速变化曲线、理想滑移率变化。输出值可在表盘 或是示波器w h e e l 、s l i p 中观察。内部框图如图3 7 所示： 1 该框图的理论基础 ( 1 ) 期待滑移率为0 2 ： ( 2 ) 基于以下两个方程联解 1 6 a b s 及自动变速箱的半宴物仿真 m v = 一只 l ，国= e m b 车辆运动方程 车轮运动方程 ( 3 ) b a n g - b a n gc o n t r o l l e r 为一子系统，用来比较计算得的滑移率与期待滑 移率相比的结果。如果计算得的滑移率小于期待滑移率，则输出l ，模拟继续 增加制动压力的过程；反之则输出一1 ，模拟减压的过程。如图3 6 ： c o n s j m n t r t l j u 口n a l o p er a t or q 图3 6 b a n g b a n g 控制 f i g3 6b a n g b a n gc o nt r o l ( 4 ) h y d r a u l i cl a g 为一传递函数，用来模拟制动油路中制动力传输的滞后， 如果改变其参数绉，可以模拟不同的制动油路。 ( 5 ) 册一s l i p ，j c t i o nc u l v o 是一查表模块，实际上是“滑移率一附着系数” 曲线。输入为上一时刻的滑移率，通过插值算法，输出此时刻的附着系数，由 此可以算出车辆所受的外力。通过改变该模块中的数据，就可以模拟高、中、 低附着系数等各种类型的路面。 ( 6 ) 同时，模型中很多参数还可以根据需要进行修改，如车的质量聊、转动 惯量，等，以模拟不同的车型。 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 图3 7m o d e l 内部框图 f i g3 7f r a m eo fm o d e l 四c a r 子系统a 输入也是s p e e d 模块设定的制动初速度，输出为经实际车辆a b s 计算得出的轮速和滑移率变化曲线。 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 c o n , r a n t 图3 8c a r 予系统 f i g3 8 s u b s y s t e mo f 口u 该子系统历用理论模型同m o d e l 。 ( 1 ) a n a l o g i n p u t 为模拟输入模块。本平台采用研华公司p c i 一1 7 i 3 作为模拟 输入卡。从实际车辆中采集制动压力信号。 ( 2 ) a n a l o go u 印“t 为模拟输出模块。所用的模拟输出卡为研华公司 p c i 1 7 2 0 。输出模型计算所得的轮速信号给实际车辆。 ( 3 ) c a _ t 模块的一个重要功能是模拟车辆的轮速传感器。 现在的车辆上通常使用是的电磁式车轮转速传感器，它由与车轮、一同转 动的齿圈和靠近齿圈固定安装的感应线圈构成。当齿圈随车轮转动时，感应线 圈将感生频率与车轮转速成正比的交变电压信号。这里所要模拟的就是将表征 轮速的数量值转化为相应频率的正弦波。 皿一s l i p 行j c t i o nc l l 2 v e 是查表模块，表示滑移率与路面附着系数的关 系，通过改变不同的数值，就可以模拟不同的路面。 w h e e l 劫e e d 模块产生的是当前的轮速，将轮速积分，乘以2 z ，再求其正 弦值。这样就可得到以轮速值为当前频率的正弦波。用p c i - 1 7 2 0 将此正弦波 输出到车辆的轮速传感器。车辆e c u 得到这个正弦波以后，就可以据此作出增 压或减压的反应。这样，不断跳动的压力值可以通过安装在制动油路中的压力 传感器体现出来。 1 9 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 五w h e e l 、s l i p w h e e l 和s j 劫是两个示波器。理论的和实际的轮速和滑移率变化衄线一同 输入相应的示波器，如图3 9 所示。这样，理论计算所得的曲线和实际测量的 曲线就可以进行比较，从而验证所设计的模型的正确性。 图3 9 速度和滑移率曲线 f i g3 9 s p e e da n ds l i pc u r v e a b s 及自动变速箱的半实物仿真 4自动变速箱 4 1自动变速箱控制方式 自动变速控制系统的控制功能决定了变速器和汽车的特征，要想使汽车获 得良好的动力性、经济性和换档平顺性，就需要对变速器的换档点和换档过程 进行优化控制，并使变速器控制系统与发动机控制系统建立通讯联系。 l 换档点控制 电控变速控制系统是根据汽车的行驶工况控制变速器档位变换的，汽车的 工况参数主要是汽车速度、节气门开度、发动机转速、变矩器涡轮转速和汽车 加速度等。目前，广泛采用汽车速度和节气门开度作为换档的工况控制参数， 变速器换档时的汽车行事工况成为换档点，换档点一方面要受到发动机最高转 速和最低的限制，另一方面受到换档平顺性和噪声排放的限制。变速器在不同 工况下的档位状态称为换档规律，电控单元的存储器中存储有多种换档规律， 供进行换档控制时选择，图4 1 是典型四挡变速器的换档规律。p i 经耪携稽黔p r 。耵脚) _ 搀 嚣 簧s 乳 、 2 嚏i ， l 一 卜l k 。l j 一。秸越41 | 黼 。孽点拶卢秽 、r潲 影淡义。 ”砭靴r 椎 0 参 34 。 5 67 一，裳韵毹蔑鬻“矗攀 鳓 ；。r m n 图4 1 典型四挡变速器的换档规律 为了避免变速器在加速踏板振动或车速稍有变化时进行频繁的档位变换， 电控单元中设定的升档规律和降档规律并不相同，其间的差异由变速器换档特 性和要求的汽车性能来决定，电控单元通过控制相应电磁阀实现换档特性时， 根据变速器的结构既可以采用直接换入目标档位的方式，也可以采用一系列特 定步骤换入目标档位的方式。 在换档点基本控制的基础上增加换档点自适应控制功能可以避免换档点 停留在临界工作状态，更好地解决汽车在爬坡和重载情况下出现的频繁换档问 a b s 及自动变速箱的半实物仿真 题，电控单元增加换档点自适应控制功能并不需要再增加其他的控制信号。 2 电控单元的通讯 变速器与发动机共处于汽车的动力传动系统中，交速器控制系统与发动机 控制系统之间有着最为密切的联系。例如，在变速器控制系统进行压力控制时， 变速电控单元需要获得发动机负荷、转速和节气门开度等信号，这些信号就可 以通过与发动机电控单元进行通讯获得；在换档过程中，减小发动机输出转矩 可以改善挨档过程的平顺性，并有利于延长换档离合器的寿命，为此，变速电 控单元可以通过通讯方式将换档杆位置、离合器锁止条件和换档指令等提供给 发动机电控单元，由发动机电控单元根据这些信息控制发动机的输出转矩，使 汽车的换档平顺性得到显著改善。因此，变速电控单元和发动机电控单元进行 功能合并和信号交换很有必要。 变速控制系统在进行行驶状态自适应控制时，变速电控单元需要获得车轮 转速信号，而在进行巡行控制、悬架控制系统与制动防抱死系统和驱动防滑转 控制时也需要变速控制系统予以配合，所以，变速控制系统与悬架控制系统、 制动防抱死系统和驱动防滑转控制系统等建立的通讯联系将使汽车的总体性 能得到迸一步优化。 4 2 所建模型的目的 自动变速箱使用两个s i m u l i n k 模型。 d l s p l a y _ a t 模型 图4 2 d i s p l a y a t 模型 f i g4 2m o d e lo fd l s p i a y _ a ，