（车辆工程专业论文）基于xpc目标的abs硬件在环仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着电子与软件技术的不断发展，在汽车系统动力学电子控制系统领域不 断有新的思路与解决方案出现。汽车防抱死制动系统( a n t i - l o c kb r a k i n g s y s t e m ) 在汽车整车系统动力学控制上是很典型也很核心的电子控制系统，一 方面由于整车系统的强非线性，另外由于防抱死系统控制系统起作用时间为紧 急制动的极限危险工况，如此使得控制系统的开发过程中的建模变得复杂，同 时也使得仿真手段的采用变得更加有必要性。 硬件在环仿真技术即借助高性能的软硬件接口卡将真实物理部件嵌入实时 运行的软件环境，以模拟控制系统的运行。当今实用化的防抱死控制策略即逻 辑门限控制方法由于缺乏足够的理论依据，从而使参数调试匹配的工作量变的 更加巨大，为了减少道路试验的工作量，采用相对准确的车辆动力学模型，建 立防抱死控制单元( e c u ) 的硬件在环测试平台变的相当必要。 在本论文的研究中借助计算机辅助工具建立了包括非线性轮胎模型、制动 系统模型、车身姿态模型以及考虑悬架特性对载荷转移影响的车辆动力学模型， 基于该模型实现了防抱死控制基本策略的仿真与参数调试，最后为了验证电子 控制单元实物的有效性，尤其需要完成e c u 在极限危险工况下的控制参数调试 以及在失效情况下的综合测试，建立了基于x p c 目标的控制器在环测试系统。 最后，在总结与借鉴国内外a b s 控制系统开发的基础上，结合自己逻辑门 限控制仿真过程中的经验，设计了基于车轮加速度与滑移率的的模糊控制器， 取得较理想的控制效果。 关键词：防抱死控制系统，x p c 目标，硬件在环仿真模糊控制 a b s t r a c t a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i c sa n ds o f t w a r et e c h n o l o g y , m a n ya d v a n c e d i d e aa n ds o l u t i o na r ea p p l i e do nt h et h ee l e c t r o n i cc o n t r o ls y s t e mf o rt h ev e h i d e d y n a m i c sc o n t r 0 1 a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) a sat y p i c a lc o n t r o ls y s t e m e q u i p p e do nv e h i c l ei sd i f f i c u l tt od e v e l o p m e n tf o rt h es t r o n gn o n l i n e a ro ft h ev e h i d e a n dt h ed a n g e r o u sa c t i o no c c a s i o n ，t h e r e f o r e ，a d v a n c e ds i m u l a t i o nm e t h o db e c o m e i n d i s p e n s a b i l i t yd u r i n gt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s w i t hh a r d w a r ei nt h el o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) t e c h n o l o g y , r e a lc o m p o n e n tc a nb e e m b e d e di n t ot os o f t w a r ee n v i r o n m e n tv i ah i g h - p o w e r e di n t e r f a c el a b c a r d t h e t h r e s h o l dc o n t r o ls t r a t e g yf o ra b si sh a r dt oc a l i b r a t et h ep a r a m e t e r sf o rl a c ko f e n o u g ht h e o r yf o u n d a t i o n ，s ot h ea c c u r a t ev e h i c l em o d e la n dh a r d w a r ei n t h el o o p s i m u l a t i o ns y s t e mf o rt e s ta n dc a l i b r a t i o ne c ub e c a m eu r g e n ta n ds i g n i f i c a n tf o rt h e c o n t r o ls y s t e md e v e l o p m e n t d u r i n gt h er e s e a r c h ，n o n l i n e a rt i r em o d e l ，b r a k i n gs y s t e mm o d e la n dc a r b o d y m o d e la r ee s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt h el o a dt r a n s f e rw i t ht h es u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s i n f e c t i o n c o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e da n dp a r a m e t e r sa r ec a l i b r a t e db a s e do nt h e m o d e l ，t h e nt h ee c ue m b e d d e dr e a l - t i m es i m u l a t i o ns y s t e ma r ec o n s t r u c t e dw i t h c a et o o l s a tl a s t ，c o m b i n e dt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sa b sr e s e a r c hw i t hm ye x p e r i e n c e o ns i m u l a t i o n ，f u z z yc o n t r o ls t r a t e g ya r ed e s i g n e dw i t hw h e e la c c e l e r a t i o na n ds l i p r a t ea si n p u ta n da l s oa c h i e v e di d e a ls i m u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ，x p ct a r g e t ，h a r d w a r ei nt h el o o p s i m u l a t i o n ，f u z z yc o n t r o l i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 舍 多月扩日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 沸夸 u i q , 棚年 妒 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 指导教师签名：学位论文作者签 年月日年 月日 第1 章绪论 1 1 汽车防抱死系统概述 第1 章绪论 安全、节能、环保为世界汽车工业发展的三大主题，随着汽车行驶高速化 的发展趋势，以及网络纵横延伸，全世界每年由于车辆交通事故造成巨大的人 身伤亡和巨额的经济损失，如此促进各国学者以及汽车公司对车辆安全性的研 究随着汽车工业的发展越来越被人们重视，汽车的安全性也成为人们选购汽车 的重要依据。传统的常规制动系统已经不能满足这种要求，随着电子技术的发 展，汽车防抱死系统在这种背景下逐渐发展起来。 汽车制动防抱系统( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ) ，简称为a b s ，是防止汽 车在制动过程中车轮抱死的重要机电装置，作为汽车主动安全技术的典型代表， a b s 已经成为世界上普遍认可的可以提高汽车安全性能的有效装置。 a b s 与常规的液压制动系统相比有三个显著的优点：1 ) 保证操纵稳定性一 一现在车辆上普遍采用的橡胶轮胎特性表现为在车轮抱死与地面发生纯滑动 时，轮胎侧向力变得非常小，当受到侧向力扰动，车辆容易失去转向性能甚至 发生侧滑。2 ) 减少制动距离保证车辆减速停止的最终制动力来自于车轮与 地面的摩擦，轮胎路面特性表现为在不同路面时，车轮的滑移率维持在5 一3 0 时，地面制动力最大，而防抱死系统恰恰能保证将车轮滑移率维持在这样一个 范围。3 ) 改善轮胎的磨损滑动摩擦对橡胶轮胎的磨损最为严重，装备有a b s 的车辆，防止车轮抱死产生纯滑动摩擦。 1 1 1a b s 的发展历程 汽车防抱死系统a b s 的发展可以追溯到2 0 世纪初期，早在1 9 2 8 年防抱死 制动理论即被提出。起初a b s 系统主要应用于对安全性要求比较高但是对价格 不敏感的轨道机车和飞机上。德国b o s c h 公司在1 9 3 6 年第一个获得了用电磁式 第1 章绪论 车轮转速传感器获取车轮转速的专利权。在4 0 年代末，a b s 被用于波音飞机， 6 0 年代末期到7 0 年代中期是a b s 探索性研制阶段。1 9 6 5 年伦敦汽车博览会上 出现的第一辆装有a b s 的样车标志着a b s 的诞生。这期间美国三大汽车公司都 推出了自己的装有a b s 的高级轿车。但是c h r y s l e r 和f o r d 汽车公司也研制了 成动的单通道后轮a b s 系统，但是受到当时技术水平的限制，采用了模拟计算 机与真空作用的压力调节器，响应比较慢，控制效果差。但当时a b s 提高汽车 行驶稳定性的优势已经被证实。但由于当时a b s 系统体积大，重量大，在加上 昂贵的成本和低的可靠性，市场前景并不看好。美国汽车制造商在7 0 年代后期 停止了a b s 系统的生产。 到了7 0 年代后期，随着数字电子技术和大规模集成电路的迅速发展，a b s 走向实用化的发展阶段。b o s c h 公司在1 9 7 8 年率先推出了数字式电子控制装置 的制动防抱死系统b o s c ha b s 2 ，并且成功装备在b e n z 轿车上。从此真正意义上 的现代制动防抱死系统才开始发展起来。数字计算机抗干扰能力强，运算速度 快，指令循环数可以每秒达到十多次，微型控制器已经不是约束a b s 发展的因 素。这种现代化的a b s 体积小，重量轻，执行速度快，控制效果大大得到了改 善，从此，欧、美、日的零部件厂商和汽车公司相继研制出各种型式的a b s 产 品。在继b o s c h 公司成功推出液压a b s 系统后，美国w a b c o 公司与d i a m l e r 公 司合作，于1 9 8 1 年推出适用于大客车和载货汽车的气压式a b s 产品。另外b o s c h 公司在1 9 8 3 年推出的更具有代表意义的a b s 2 s 产品，首次采用大规模集成电路 和双微处理器冗余控制方法，大大提高了系统工作的可靠性；随后至1 9 8 5 年起， 包括美国d e l p h i 、w a b c o 、德国c o n t i n e n t a l 公司相继对a b s 大力投资，开发出 产品化的a b s 装置，并成功的应用于相关车型，其中w a b c o 公司是在气动a b s 产品方面处于国际领先水平。 1 1 2a b s 组成及工作原理 典型的a b s 系统主要山制动压力产生机构、压力调节模块、轮速传感器、 电子控制单元及其它辅助元件组成。图1 1 为典型轿车a b s 的组成以及在车上 2 第1 章绪论 布置，轮速传感器用于监测车轮转速。电子控制单元对车轮转速进行计算按 照控制逻辑不断对压力调节模块中的电磁阀发出控制信号，以产生增压，保压 以及减压信号，维持车轮在理想的滑移率附近。 二一 l 轮速传感器2 压力产生装置34 压力调俐奠块及电子控制 单元 图11 典型a b s 整车布置圈 现在汽车上轮速传感器多为磁电式。包括极针、永久磁铁、绕组，外壳以 及与之搭配的齿圈。极针直对齿圈，永久磁铁与极针相连，永久磁铁产生一个 磁场，向外延伸至传感器齿圈。当齿圈旋转时。齿罔金属部位与极针距离产生 变化，从而导致磁场不断变化，并在传感器绕组中产生出周期性变化的感应电 压其频率即为车轮转速的精确指标，其原理如图1 2 所示。 汽车在制动过程巾，车轮主要受到制动器制动力和地面制动力，制动器制 动力与地面制动力对车轮产生方向相反的制动力矩，当制动器制动力产生的力 矩大于地面摩擦力产生的力矩时，车轮减速，反之车轮加速运动。a b s 的制动过 程中，由于压力调节模块产生的不断的增压及减压的动作导致制动器的制动力 与路面摩擦力产生的制动力大小更替，如此导敛轮速度的波动将滑移率维持存 3 第1 章绪论 理想范围之内。制动过程中轮胎受力如图1 3 所示，车轮的力学转动平衡方程为： c r 一瓦j , o o r b ( 卜1 ) 其中：f x 一地面制动力，t b 一制动器制动力矩，j 1 一车轮转动惯量，一 车轮角速度。 e 、 ，夕、 。 j 地面力 一 1 电缆线2 永久磁铁3 外壳 4 绕组5 磁极6 齿圈 图1 2 轮速传感器工作原理图1 3 车轮受力平衡图 1 2 车辆电控系统开发方法的发展历程 在汽车控制系统开发方法的发展大致经历了三个阶段，第一阶段即纯代码 阶段，早期的控制系统仿真，无论对于控制模型还是控制逻辑，都采用手工编 写相应的代码，不同的子函数实现相应的功能，仿真过程中子函数相互调用完 成功能仿真。在这一阶段控制原型的概念还不够清晰，一般控制对象也不够复 杂，计算机充当运算的工具。第二阶段以s i m u l i n k 为代表的动力学模拟软件已 经发展起来并被广泛采用，在数字仿真阶段，借助相应软件已经能够建立相当 复杂的控制对象模型，实现复杂的控制逻辑。因此控制系统的数字仿真阶段采 4 第1 章绪论 用基于m a t l a b s i m u l i n k 的图形化语言实现，图形化语言与代码语言相比，在 模型实现上更准确，更高效，开发人员已经基本上不用编写复杂的代码语言。 在从数字仿真到硬件在环仿真的跨越过程中，一方面由于s i m u li n k 无法直接驱 动硬件系统，另一方面由于s i m u l i n k 本身算法的实现无法保证保证仿真的实时 性，所以仍然需要重新编写模型代码以及相应得硬件驱动程序，这样对之前 s i m u l i n k 仿真阶段的工作缺乏继承性，这样势必大大降低了工作效率，延长了 周期；而且可能由于编程者水平以及c 等代码语言本身实现某些功能的局限性， 使模型的准确性降低。第三阶段即现阶段，微型计算机性能已经大大提高，e c u 开发流程是完全采用计算机辅助工具来进行的，可以支持从需求定义直到最终 产品的全过程。国外著名的汽车电子开发商( 如：a u d i ，a v l ，b m w ，b o s c h ， r i c a r d oe n g ，s i e m e n sv d o ，f o r d 等) 普遍采用这一设计开发流程： 需求定 义一离线功能仿真一自动代码生成一硬件在环仿真一台架及装车实验所构成的 “v 模式 。“v 模式 符合国际汽车行业标准( a s a m a s a p ) ，构成统一的从 匝亟 区圃 o 图1 4 “y ”模式开发流程 开发、测试到标定的一体化方案。 在汽车行业，日益严格的法规及对安全与舒适性的更高要求使得电控单元 ( e c u ) 软件的丌发越来越复杂，车辆的动力性、舒适性和排放等性能在很大 程度上依赖于e c u 的质量。现在一般的发动机管理系统的功能多达3 0 0 个，三 5 第1 章绪论 维图表也达到1 0 0 个，同时还需要对数千个参数进行标定。控制系统参数的相 互影响，工作状态的变化，传感器与执行器的失效，加大了自动诊断系统设计 的难度，对软件的测试也变得越来越困难。面对电控系统功能不断增强而开发 周期却不断缩短的要求，对汽车电控系统的开发过程提出了更高的要求。 车辆防抱死系统属于车辆动力学控制的范畴，但其开发过程涉及到车辆系 统动力学、机械、计算机软件及电子等多学科的交叉。在开发第一阶段即数字 仿真阶段需要考虑模型的准确性，但是由于车辆的非线性特性，尤其是轮胎以 及液压或气压系统的非线性，使车辆动力学的模拟变得复杂。在开发过程的第 二阶段，即硬件在环仿真阶段，如果没有相当优化的模型代码或者采用合理的 任务调度机制，在计算机运算速度有限的情况下又很难保证运算的实时性。另 外为了缩短开发周期，必须要尽量避免开发过程中重复性的劳动过程。在该课 题中a b s 控制器的开发过程中采用基于计算机辅助工具m a t l a b s i m u l i n k s t a t e f l o w r e a l - t i m ew o r k s h o p x p ct a r g e t 的一体化开发方法进行。 1 3 论文背景 汽车防抱死系统a b s ( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 作为现代汽车的一项主 动安全性装置，在提高车辆制动稳定性和减少制动距离方面，具有显著的作用。 该系统一经问世，便迅速成为国内外各大汽车公司和科研机构的研究热点，并 很快成为现代汽车的一项重要安全装置，虽然a b s 已经作为成熟的产品装备于 各种车辆上，但是国内外科研机构和汽车公司对a b s 控制效果以及开发方法的 改进上从未停止过。 国内a b s 的研发也有相当一段时间，约起始于2 0 世纪8 0 年代中期，代表 性的科研机构包括吉林大学、清华大学、济南程军电子科技公司，研究主要侧 重于a b s 的控制算法仿真、参考车速估计方法、执行电磁阀的动态响应分析等 方面。虽然现代控制方法，包括模糊控制、鲁棒控制，最优控制已经被引入a b s 控制中，但这些控制方法多还停留在仿真阶段，真证产品化的控制方法还是基 6 第1 章绪论 于车轮加、减速度逻辑门限和滑移率辅助门限的控制方法。在国内a b s 的生产 上，液压a b s 多为和国外著名汽车电子公司合作的方式，核心技术为国外公司所 拥有。但在气动a b s 上，有多家公司拥有完全自主开发生产的a b s 产品，包括 济南程军电子科技公司、西安博华机电股份有限公司、东风电子科技股份公司 等，这些公司的a b s 产品在制动性能指标上已经接近或达到了国外同类产品， 在国内占有一定的市场份额。 对于济南程军电子科技公司，其建立了一个基于p c 机的实时硬件闭环模拟 系统。用微型机模拟汽车的动态运行过程，通过p c 总线将轮速度输出，用硬件 接口板将轮速转化为相应的频率信号，模拟实际车速传感器信号。a b s 实际控制 器和气动系统嵌入系统中，控制器接收脉冲信号按照内部软件逻辑发出控制命 令给电磁阀，气动系统中电磁阀调节制动系统压力，压力通过传感器被采集进 入微型计算机，结合车辆模型，轮胎模型，制动器模型完成a b s 制动过程的仿 真。另外吉林工大郭孔辉领带的课题组在9 0 年代得到机械工业技术发展基金项 目“汽车防抱死制动系统动态仿真与设计方法”的支持，主要建立了适于进行 a b s 评价与控制方法研究的多功能混合仿真试验台，并进行了液压系统动态特性 的研究。这些早期的开发方法的都将硬件在环仿真技术作为开发的主要手段， 但是在系统的试验台构建都基于v b 或者v c 语言，在搭建过程中会耗费大量的 人力去完成代码的编写和软硬件调试，而且在动态特性的建模准确性与实时性 方面很难达到理想的效果，其功能扩展性也相当有限。 目前，国际上a b s 在汽车上的应用越来越广泛，己成为绝大多数类型汽车 的标准装备，北美和西欧的各类客车和轻型火车的a b s 装备率已经达到9 0 以 上，轿车a b s 的装备率在6 0 左右，运送危险品的货车a b s 装备率为1 0 0 。 国内a b s 虽然起步晚，但国家相关部门一直注重于为a b s 成为标准配备制 订相应的法规，包括1 9 9 3 年4 月1 同起开始实施的g b l 3 5 9 4 9 2 汽车防抱死制 动系统性能要求和试验方法，1 9 9 9 年1 0 月1 日起实施的( ( g b l 2 6 7 6 1 9 9 9 汽车 制动系统结构、性能和试验方法规定2 0 0 3 年1 0 月1 同以后，大型客车和大 7 第1 章绪论 型货车必须安装符合g b l 3 5 9 4 中规定的一类a b s ，这一法规为国内a b s 的普及提 供了法律保障，必将大大促进车辆尤其是大型客车和大型货车装车率的上升。 鉴于a b s 控制理论的趋于成熟，国内外在a b s 开发方面已经积累了大量经 验，现在a b s 开发过程已经不需要进行大量的理论研究，在实用化的控制策略 上已经具有明确的方向。但同时由于国内汽车保有量的持续增加以及法规要求 对车辆防抱死系统的需求量增加，寻求更周期更短，费用更低的开发方式依然 有必要，并且可以以汽车防抱死系统的开发过程为切入点，引申到其它汽车电 子控制系统的开发当中。 1 4 论文主要工作 本文以汽车系统动力学控制理论为依据，以国内外成熟的a b s 产品为导向， 以数学力学理论为工具，以计算机仿真技术为手段，以现代汽车电控系统e c u 的开发流程为参照。按照理论研究、数字仿真、硬件在环仿真以及最终的实车 参数标定的学术构想和技术路线，主要研究内容包括以下几个方面： 1 ) 整车动力学数字仿真模型的建立。建立车辆动力学仿真模型以模拟车辆 实际行驶状态，利用图形化建模语言s i m u l i n k 实现包括车身姿态、路面轮胎作 用力以及制动系统动态特性的仿真模型。 2 ) 控制算法的设计分析。对实用化的基于加减速度逻辑门限值控制的算法 的实现与参数调整。算法将采用m a t l a b 的s t a t e f l o w 工具箱加以实现，并结合 车辆动力学模型进行数字仿真。 3 ) 构建e c u 嵌入式硬件在环仿真系统。借助计算机辅助工具r e a l - t i m e w o r k s h o p 完成c 代码的自动生成与优化，借助x p ct a r g e t 工具箱完成双机模 式的实时仿真系统，设计并调试了工控机内运行的车辆模型与控制单元的接口， 并在主机上设计了重要数据的的虚拟仪器仪表观测界面。 关键技术： 首先，开发系统要实现宿主机和目标机的通信，能通过宿主机修改相关参 r 第1 章绪论 数，而在目标机上实现对所需要信号的监测和仿真结果数据的上载分析。 另外由于开发系统需要嵌入用单片机实现的e c u 硬件，为了保证目标机的 输入信号在准确代表物理含义的前提下更接近实际车辆信号特征，编写相应的 软件模块模拟传感器信号、设计调试完善的软硬件接口程序以实现目标机与e c u 的通信是开发系统解决的第二个问题。 在a b s 控制器的开发过程中，控制逻辑中参数的确定至关重要，在课题的 研究中通过初期的数字仿真以寻求适合特定车辆参数的一套控制参数，并通过 e c u 嵌入式仿真验证其实现的可能性，从而也通过仿真的过程找到参数调试的思 路，为汽车防抱死系统的开发过程降低成本，缩短周期。 9 第2 章车辆动力学模型 第2 章车辆动力学模型 2 1 车辆动力学系统建模概述 车辆系统是一个涉及多物理领域交叉的复杂非线性系统。按照车辆的各个 总成划分，又包括由动力总成、制动系、转向系、行驶系等构成的各个子系统。 系统是为了实现某一功能而存在，每个系统都具有相应的输入与输出，对系统 的描述与研究我们借助于对系统建立模型的方法，它是对系统实体特征及变化 规律的抽象，而且往往是对系统实体中那些所要研究特征的抽象，所以模型是 经过适当简化了的实体研究对象的代表，并且通过合适的形式来表达。 模型作为研究系统的一种有效工具，而且为了适应各种研究目的，模型按 照形式通常被分为三类：物理模型、结构模型和数学模型。其中物理模型着眼 于与实际对象保持行为和工作规律，结构模型借助约定符号，表示系统或功率 传递中参变量数据结构关系的一种图形，如方框图，信号流图，键合图等。数 学模型是一种用数学形式把系统的物理信息或规律描述出来的表达式。数学模 型虽然不等于系统实体本身，同时也缺乏直观性，但是它是反映系统本质的最 简洁明了的表达，而且具有相当的灵活性，可以按照我们的要求或者简单或者 复杂，其具体形式也灵活多样，如代数方程、微分方程、偏微分方程、差分方 程、状态方程都是数学模型常用的数学形式。如今随着计算机硬件处理速度及 软件功能的同益强大，数学模型的重要性和优势更为突出。 如今车辆动力学模拟主要借助计算机辅助软件平台实现，目前已经发展起 来的被用于产品开发的“功能化虚拟样机”技术根据其研究目的可以大致将其 分为两类：基于多体有限元理论的功能化虚拟样机和基于多领域物理的功能化 虚拟样机技术。基于多体有限元理论的功能化虚拟样机着重于解决产品的动力 学、变形、强度和寿命等问题：基于多领域物理的功能化样机着重解决产品的 1 0 第2 章车辆动力学模型 动力学与控制，机电热化学能等能量流传递与控制及产品的控制策略问题。前 者的代表性有美国m s c s o f t w a r e 公司的系列产品包括m s c a d a m s ，n a s t r a n ， a n s y s 等。m s c a d a m s 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建 完全参数化的机械系统几何模型，其求解器的工作采用多刚体系统动力学理论 中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、 运动学和动力学分析，最后输出位移、速度、加速度和反作用力曲线，该软件 的一个优势在于在机械系统的分析开发方面具有不错的仿真精度。n a s t r a n 和 a n s y s 为广泛采用的有限元分析软件，用于静力分析，屈曲分析、结构动力学分 析、电磁分析、多物理场耦合计算等，显然无法完成系统动力学模型的仿真分 析上。 基于多领域物理系统功能化虚拟样机的代表性软件平台包括m s c e a s y 5 和 m a t l a b s i m u l i n k 软件，最初为美国m a t hw o r k s 公司开发，它具有强大的矩阵 运算能力，后来在信号处理、应用数学等学科加入各种实用的专用工具箱，使 功能越来越完善。尤其在开发了控制系统工具箱( c o n t r o lt o o l b o x ) 和图形化 建模环境s i m u l i n k 后，几乎成为控制系统建模、仿真和设计的标准工具，近些 年来，为了适应在控制系统开发过程中实时仿真的需求，一种能够实现与 s i m u l i n k 实现无缝连接的用于实时代码生成的工具箱r e a l t i m ew o r k s h o p 使 s i m u l i n k 的功能又得到了一次革命性的提升。基于r e a t - t i m ew o r k s h o p 工具箱 的多种平台产品和第三方软硬件平台被广泛的用于控制系统开发中的快速原型 和硬件在环路仿真，以及各个领域嵌入式控制系统的测试开发中。 本章首先在对车辆各系统进行物理分析的基础上进行数学描述，为下一步 借助m a t l a b 的s i m u li n k 工具箱完成车辆动力学系统的二次建模作铺挚。 2 2 整车动力学模型 在现有的计算机硬件处理水平上，参照现有的车辆动力学理论研究现状， 建立既能反映研究问题本质需要，有能满足实时仿真需要的a b s 动力学模型系 1 1 第2 章车辆动力学模犁 统仿真模型是控制逻辑开发和硬件在环仿真的基础。 在确定车辆模型的复杂程度考虑上，我们通常采用模型的自由度数目作为 衡量指标，但是在计算机处理速度和数值计算方法确定的情况下，由此会引发 出两个相互制约的影响因素：仿真精度和实时性。即我们除了要求仿真系统与 所研究系统的状态和行为一致性之外，还要求其与所研究系统的时间一致性。 考虑的力学约束越多，车辆模型自由度越多，在描述车辆运动状态的精度上必 然会越高，但是同时对模型的计算必然会花费更多的计算时间，虽然现在计算 机运算速度大大提高，但是借助个人计算机平台实现实时仿真也是近几年来才 随着软硬件水平发展起来。所以对于需要实现实时仿真系统的建模，只有在满 足其实时性要求的前提下提高模型的精度才有意义。 按照上述理论要求和实际问题研究需要，参照国内外文献资料小5 m 1 瑚m 别， 忽略车轮滚动阻力；视汽车车身为刚性体，簧载质量集中在簧载质量质心处； 假设悬挂部分和非悬挂部分在水平面没有相对转动；忽略侧向风作用力。 建立了7 自由度车辆a b s 系统仿真模型，包括车身的纵向、侧向、横摆三 个运动，四个车轮绕轮轴的转动。同时将模型划分为三大子系统包括车身( 簧 载质量) 、路面轮胎系统、制动系统。制动系统包括压力动态特性模型和制动器 模型 车辆模型简图及其坐标系的设定如图2 - 1 所示。根据牛顿运动定律，对车 辆纵向、侧向、横摆以及侧倾运动进行受力分析，可以得出各自由度的动力学 微分方程如下： 4一 聊q = 如一2 c d a f p 。犷 ( 2 1 ) m ( ，) 也办p2 善凡 1 2 ( 2 - 2 ) 第2 章车辆动力学模型 图2 1 车辆动力学模型 l ，：= 口( e 。+ c ，) 一6 ( ：+ o 。) + 吾( e 。+ 只：) 一三( e ，+ e 。) i 。p + m s h j a y 。= m s g h js i n b k 汐一c 和 1 3 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 柠 蛾 嘏 也 幔 叱 以 一 一 一 一 n 以 奶 “ m m m m = = = = 堕出堕出亟出亟班 彤 缈 缈 以 第2 章车辆动力学模型 式中，驴为车辆悬挂质量关于侧翻轴线的侧倾角，并在推导方程( 2 - 4 ) 时 假设侧倾轴线始终保持水平，a x 和口。分别为车辆质心绝对加速度在车辆坐标系 x 方向和y 方向的分量，得 a ，- 五一订，a 叫一矿+ “， ( 2 9 ) 瓦和凡分别为各车轮所受的在x 方向和y 方向的作用力，它们均表示为轮 胎牵引力和侧向力的函数，表达式为 j 一ec o s 6 n es i n6 ni 一1 , 2 ，3 , 4 ( 2 1 0 ) j 二一只s i n t s n + 瓦c o s 6 嚣i 一1 ，2 ，3 ，4 ( 2 1 1 ) 考虑车辆的静态质量及由车辆的运动所引起的载荷转移，各车轮所受的法 向载荷表达式为 和书荆+ 阻引鲁) 阶n 和带矧廿，阴州( m 叫( h 丁，咖 沿m 咖牛矧一磁 警( 引洲争 】 弦 耻雒+ 矧廿， 等( 州训铲妒】 亿 其中k r 为前悬侧翻刚度占整车侧翻刚度的比率，它决定着侧向载荷转移在 前后轴上的分配，a 。为悬挂质量的侧向加速度 口。：p + u ，+ 堕幽 ( 2 1 3 ) 另外，因为车辆坐标系和惯性坐标系之间存在如下的变换关系 j 石= x c o s 妒一y s n 妒 ( 2 1 4 ) 【y5 - xs i n 妒一ys i n 缈 第2 章车辆动力学模型 所以，车辆在惯性坐标系的速度表达式为 p 郇c o s 炉粥m 妒( 2 - 1 5 ) i 夕。叫s i n 妒- v c o s 妒 以上各式中，a ，一车辆迎风面积，a 一质心至前轴的距离，b 一质心至后轴 的距离，z 一轴距，口，一纵向加速度，口，一侧向加速度，q 一空气阻力系数，q 一 侧翻阻尼系数，e 一车轮纵向力，e 一侧向力，只一车轮法向力，只一轮胎侧偏 力，e 一轮胎驱动力，g 一重力加速度，h 一悬挂重量质心的高度，h 一悬挂重量 质心至侧翻轴线的距离，荭一车辆关于z 轴的转动惯量，k 一悬挂质量关于x 轴的转动惯量，一一前悬侧翻刚度比例系数，吒一车辆侧翻刚度，m 一整车质 量，一车辆悬挂质量，p 一侧倾角速度，一横摆角速度，z 一轮距，u 一车辆 纵向速度， ，一车辆侧向速度，一车重，r 一车轮半径，6 一转向角，矽一侧翻 角，成一空气密度，妒一横摆角。 2 3 轮胎路面模型 汽车所受外力来源于轮胎与地面的作用力、空气阻力、坡道阻力。但是汽 车在平直道路上制动时，轮胎与地面的作用力成为影响车辆运动状态的主要因 素，所以轮胎一路面模型对车辆动力学的仿真计算起着决定性的作用。在汽车防 抱死系统的模拟过程中，轮胎作为制动系统与整车的连接部分，是一个比较特 殊的环节，它既可以当作系统的控制对象，但同时也视为执行机构考虑。由于 轮胎结构、材料复杂，导致其高度非线性的力学特性，所以它也是a b s 系统仿 真中最不稳定的环节，路况与车辆运动状态的变化使轮胎的外特性复杂多变且 难以预测。多年来国内外许多学者对轮胎进行了深入研究。包括国内学者郭孔 辉提出的e 指数半经验轮胎模型，荷兰d e l f t 工业大学p a c e j k a 教授提出的魔 1 5 第2 章车辆动力学模型 术公式。另外还有g i m 提出的纯理论模型。 魔术公式形式简洁，统一性强，用一套公式即可表达出轮胎的各向力特性， 编程方便，拟合的参数较少，而且精度非常高，所以在世界范围内得到了广泛 的应用。 魔术公式的核心内容是用三角函数的组合及一组系数对轮胎在静态载荷表 现出的外特性，即轮胎纵向力，横向力和回正力矩分别与轮胎侧偏角，车轮滑 移率以及轮胎法向反力之间的映射关系进行描述，变量之间的关系如图2 - 2 所 示。图中口为侧偏角，a 为纵向滑移率，为轮胎外倾角，疋为轮胎垂向载荷， b 为纵向力，e 为横向力，m z 为回正力矩。 图2 2 魔术公式轮胎模型原理图 2 3 1 单一工况轮胎模型 在纯侧偏、纯纵滑工况下，作用在轮胎上的轮胎力可以表述为： 纵向力： e = d s i n ( ca r c t a n b ( 1 - e ) ( s + s ) + ea r c t a n b ( s + s ) ) + 跏 其中s 为纵向滑移率：s ：1 一丛 v 式中，一车轮转速 y 一车轮轮心速度 1 6 第2 章车辆动力学模型 尺一车轮滚动半径 c - b o ，曲线形状因子 d 一脚互，峰值因子 作一2 j l e + 也 b c j ) 一他e 2 + b ：d e k e e 一吃z + 钆+ 魂 s 一只+ 6 1 。 鼠一0 c 一车轮垂向载荷，单位：k n 侧向力： ei l l d s i n ( c a r c t a n b ( 1 - e x a + s ) + e a r c t a n b ( a + s ) 】) ) + 跏 式中口一侧偏角，单位：度 ，一侧倾角，单位：度 c a 。，曲线形状因子 d 一跏c ，峰值因子 妒= 岛e + 吃 b c d = t la 3s i n 2a r c t a n ( f ：a 4 ) l ( 1 - a 5i ) ，1 ) e = a 6 e z + 口 s h = a s y + 口9 互+ a l o s v = a l l y t + 口1 2 c + a 1 3 a 1 12 以1 l l t + a 1 1 2 l7 第2 章车辆动力学模酗 f 一车轮垂向载荷，单位：k n 在该论文a b s 控制逻辑的研究过程中，仍然以实际车辆行驶工况中最常见 的直线制动为仿真工况，在车轮直线制动过程中，车轮纵向力对车辆的运动状 态改变起着主导作用，对于汽车防抱死系统，主要通过将车轮的滑移率限制在 特定范围来维持车辆的稳定以及保持较大的路面制动力，在该论文的车辆模型 中路面轮胎模型的纵向特性即轮胎路面纵向力与车轮纵向滑移率的关系如图 2 3 所示。 纵向滑移率( ) 图2 3 轮胎路面附着系数与滑移率曲线 从图中所示三种典型路面的特性曲线来看，附着系数约在滑移率为1 8 左右 时达到最大值。在仿真模型的程序编写过程中，设计了一个比例因子以连续改 变路面峰值附着系数，这样可以构造出无数多组路面的特性曲线，以验证控制 参数在不同路面上的适应性。 2 3 2 联合工况轮胎模型 在制动和转弯联合工况下，速度矢量图如图2 4 所示。 1r 第2 章车辆动力学模型 令 仃。鳖 5 k ，卵 q i 专 图2 4 联合工况下速度矢量图 当口。0 时，定义。二鳖，则纵向滑移率和侧向滑移率为： 吼。惫2 硼- - 0 “一，#l + i 口i 旷毒一蹦 纵向滑移率和侧向滑移率的修正值为 = 嚣t a n i 口j。 盯删2 百丽钿口 其中， 仁量一去 定义 o t o t2 心o ：t o t + ( t y t o t l， 则轮胎力学特性为： 1 9 第2 章车辆动力学模型 e ，t x t o t f y 。o y t o t m 。堕 e ( ) e ( ) m ：p 厶 2 4 制动系统模型 2 4 1 气压系统动态模型 在整个气动a b s 系统中，气压系统作为制动器制动力产生的直接能量源， 同时压力变化也作为电磁阀动作的直接效果，其动态特性直接影响a b s 控制系 统的控制结果，尤其在现有的成熟的a b s 产品中，由于采用逻辑门限值控制方 法，液压或气压系统的响应速度和压力动态特性与a b s 控制策略中的参数的匹 配有直接的关联。所以建立相对准确的气压系统动态模型是保证对后续的策略 设计仿真有效性的基础。在对物理对象的建模中，通常有采用三种途径，包括 理论建模、试验建模以及系统辨识建模。 ( 1 ) 理论建模 通过物理学原理建立研究系统的物理方程是一种被广泛采用的建模方式。 在制动系统模型中，我们忽略制动系统其它部件如制动真空助力器，只提取其 对仿真过程具有意义的物理变量制动压力，而主要对制动气室的压力动态特性 进行分析。其思路如下：先通过气体流量方程求出制动气室的气体质量，再利 用气体状态方程求解相应的压力，这就是充气过程，放气过程也是如此。充放 气过程由于时间短，速度高，可以将整个过程看成绝热过程。 1 ) 根据气体连续方程，气体通过制动气室入口小孔的瞬间流量表达为： 龟= 鱼r o t lf k 三k + l h 2 川k r o t i ，础t 姗8 2 0 第2 章车辆动力学模型 龟= 轰 r 互西2 k 1 k x 一k l ，p 2 p l 0 5 2 8 其中：q 卅一瞬态质量流量；a 一气室入口最小截面积； k 一绝热常数；互一气室绝对温度； 一气体常数；p l 、p ：一分别为气室上下游压力。 这里的瞬态流量有两个表达式，在充气的初始阶段压差较大，气体流速以 音速流动，当p ：a o 5 2 8 时气体以亚音速流动，根据上、下流的压力比p ：p 1 的大小，确定采用不同的计算公式。 2 ) 阀芯动力学方程 电磁阀通电时候，其阀芯运动时满足如下关系： 巴+ 研g + m a p 。( 4 + 4 ) + p ：4 】- - m y + 缈一七( y 。一y ) 其中：巴一电磁力，m 一阀芯与弹簧等效质量之和， g 一重力加速度，a 一压力转换系数， 4 一膜片上腔作用面积，4 一膜片下腔作用面积， b 一粘性摩擦系数，y 一阀芯位移， 一弹簧调压预压缩量，k 一弹簧刚度 3 ) 阀芯毛细管流量公式 q = 警 其中：d 一阀芯毛细管直径，一动力性粘性系数， z 一毛细管长度 4 ) 理想气体状态方程 2 1 第2 章车辆动力学模型 理想气体状态方程符合下述关系： p p r o t , 其中：p 一压力，p 一制动气室密度 由流体力学质量守恒定律可知：在制动气室的充放气过程中，从节流口流 进或流出的气体质量，应等于气室内气体的质量的增加或减少量，即 v d p 统d t 一0 式中第一项表示制动气室内气体质量的变化，第二项表示由节流口流进或 流出的气体质量，对上式进行整理可得： 咖瓯r 瓦 出y 由上述物理方程以及制动气室的动态微分方程可见理论模型比较复杂，考 虑变量也比较多，由此需要测量的物体参数繁多，对方程求解编程也比较困难， 不适合在实时仿真模型中被采用。 ( 2 ) 试验建模 随着传感技术以及计算机测试技术的发展，试验建模的也逐渐得到广泛应 用，由于该建模方法的思路主要是利用传感器及计算机数据采集设备对物理参 量直观记录，实现了对真实物理过程的再现，所以这种建模方法是模型准确， 模型与实际物理系统具有一一对应的关系；对a b s 气动系统，我们关注的是压 力动态特性，可以利用压力传感器测量充气过程和压力释放过程的压力时间历 程。但该方案复杂，需要整套压力系统包括压力源及管路。另外由于实用化的 a b s 控制策