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东南人学硕上学位论文 汽车e s p 控制策略及其硬件实现研究 研究生姓名：李晔导师：陈南教授 ( 东南大学) 摘要 e s p 系统( e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ，电子稳定程序，在欧洲称为e s p ，而在美国和日本则称为 v i ) c ，v e h i c l ed y n a m i c sc o n t r o l ，即车辆动力学控制系统) 是德国b o s c h 公司1 9 9 5 年推出的用于改善车辆 操纵稳定性的一种车辆动力学控制系统。本文所开发的e s p 控制系统它综合了制动防抱死系统和横摆力矩 控制系统，使行驶车辆的安全性得到很大的提高。应用硬件在环仿真技术，把汽车操纵稳定性研究传统的 虚拟仿真变成具有真实环境的实物仿真，实现了快速开发汽车上关键元件的功能，减少实车试验次数，缩 短研制周期，有效降低成本，为汽车设计制造提供了一种有效方法。 为了从总体上把握e s p 的控制算法，为e s p 技术的开发设计提供理论上的依据，本文进行了以下几个方 面的研究工作： 1 在e s p 控制回路中，起到执行机构作用的液压系统是最重要的部分之一，本文在介绍了新型反比例 压力阀的工作原理的基础上提出了新犁e s p 液压系统，并从原理上分析其可行性。然后建立了液压系统模 型以及制动器模型，同时给出了研究所使用车辆的基本物理参数。 2 分析了a b s 系统的工作原理和作用，详细的探讨了基于逻辑门限值的a b s 系统控制过程，给出了在工 程实施中这种控制方式的具体方案，特别是针对控制算法几个难点问题如轮加减速度信号处理，车速估计 问题提出了具体的解决办法。并利用m a t l a b s i m u l i n k 对控制算法的有效性和性能进行了仿真分析，仿真结 果表明算法是可行的。 3 建立横摆力矩+ 四轮转向( d y c + 4 w s ) 两自由度车辆模型，并进行了基于h 一控制理论四轮转向汽车 的直接横摆力矩的控制系统的研究，从理论上证明了四轮转向和直接横摆力矩控制对汽车稳定性作用明 显。并进行数字仿真，结果表明，该控制方法取得较好的效果。 4 文中搭建了可以用来装载测试元件的台架，开发了用于汽车操纵稳定性的控制算法。在此基础上， 把算法下载至u d s p a c e 系统板中，利用d s p a c e 系统的强大功能和自行设计的部分外围电路构建了e s p 控制器。 最后，本文将a b s 控制逻辑与d y c 控制逻辑相结合，通过液压系统嵌入的混合仿真试验对本文设计的控制逻 辑进行的验证。试验结果表明了本文设计的控制逻辑的有效性。这部分的研究是建立实用控制逻辑，指导 e s p 控制器开发的基础。 关键词： 车辆稳定性控制防抱死制动系统直接横摆力矩控制硬件在环仿真 东南大学硕上学位论文 s t u d yo n h a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no fc o n t r o lm e t h o d o fe l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m l i y ic h e nn a n ( s o u t h e a s tu n i v e 姻i 劬 a b s t r a c t e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m 厄s p , i nt h ea m e r i c aa n dj a p a n ：v c 蚵c l ed y n a m i cc o n t r o l s y s t e m ( v d c ) ) i sas y s t e mw h i c hc a l li m p r o v et h eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y o fv e h i c l e ，i tw a s i n t r o d u c e di n1 9 9 5b yb o s c h e s pw h i c hi sd e v e l o p e di nt h i sp a p e rc o n s i s t so fa n t il o c kb r a k i n g s y s t e ma n dy a wm o m e mc o n t r 0 1 c a ni m p r o v et h es a f e t yo f t h ev e h i c l eg r e a t l y as i m u l a t i o nw i m r e a ld e v i c e sf o rt h er e s e a r c ho fv e h i c l eh a n d l i n gi sd e v e l o p e di n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lv i r t u a l s i m u l a t i o nu s i n gh i l st e c h n o l o g y w er e a l i z et h ef u n c t i o no fd e v e l o p i n gt h ek e yc o m p o n e n to f v e h i c l e ，r e d u c et h et i m e so fe x p e r i m e n ta n dc y c l eo fd e v e l o p m e n t ，w h i c hp r o v i d eae f f i c i e n tw a y o f v e h i c l ed e s i g n i no r d e rt og r a s pt h ec o n t r o la l g o r i t h m si ng e n e r a l l yt os u p p l yt h e o r e t i c a la p p r o a c hf o re s p c o n t r o ld e s i g na n dp r o m o t et h ed e v e l o p m e n ti no u rc o u n t r y , t h ef o l l o w i n gs t u d yi sp r o c e e d e d ： 1 w o r k i n ga st h e a c t u a t o ro f a b s ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mi so n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp a r t si n a b sc o n t r o ll o o p t l l i sp a p e rd e s c r i b e st h en e w - t y p eh y d r a u l i cs y s t e mo fe s pw h i c hb a s e do nt h e i n t r o d u c t i o no f t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h ee l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lp r e s s u r ec o n t r o lv a l v e ， a n da n a l y z e si t sf e a s i b i l i t yf r o mp r i n c i p l e t h e na u t h o rs e t su pt h eb r a k em o d e la n dh y d r a u l i c s y s t e mm o d e la n dp r e s e n t st h eb a s i cp h y s i e a lp a r a m e t e r so ft h ev e h i c l ew h i c hi ss t u d i e di nt h i s p a p e r 2 t h ep a p e rf i r s td i s e a s s e st h ep r i n c i p l ea n df u n c t i o no f a b s t h ew h i l ec o n t r o lp r o c e s so f ab sb a s e do nl o g i cl i m i t si sd e s c r i b e d , a n dt h ep a p e ra l s od i s c u s st h ep r o b l e mo f h o wt op u tt h i s c o n t r o lt h e o f yi ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e t od e a lw i t ht h ep r o b l e m sw h i c ha r ep u tf o r w a r di nt h e c h a p t e r2 ，s u c ha s t h ep r o c e s so ft h ew h e e la c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o ns i g n a l sa n dt h e e s t i m a t i o no fv e h i c l ev e l o c i t y t ot e s tt h ee 塌c i e n c yo ft h ea l g o r i t h m s w er e a l i z et h ew h o l e a l g o r i t h m si nm a t i a b s i m u l i n ks y s t e m n 圮r e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ea l g o r i t h m sa r e f e a s i b l e 3 1 1 1 ev e h i c l em o d e lo f f o u rw h e e ls t e e r i n gw i t hd i r e c ty a w m o m e n tc o n t r o “sb u i l t , a n dt h e f e e d b a c kc o n t r o l l e rb ym a t l a b - l m it o o l b o xb a s e do nt h em o d e l m a t c h i n gt e c h n o l o g ya n dh o o t h e o r yi sd e s i g n e d t h e na u t h o rs i m u l a t e st h eb e h a v i o rw i t ht h ec o n t r o l l e ra n dt h er e s u l t ss h o w t h a tt h i ss y s t e mh a sg o o dp e r f o r m a n c e 4 at a b l eo nw h i c ht h et e s t i n gc o m p o n e n ti si n s t a l l e di sd e v e l o p e d t h ec o n t r o la l g o r i t h mi s a l s od e v e l o p e d 1 1 l e nw el o a dd o w nt h ea l g o r i t h m sf r o ms i m u l i n kt od s p a c ea n db u i l da ne s p c o n t r o l l e r 谢t hp a r to fp e r i p h e r a lc i r c u i tb ys e l f - d e s i g n f i n a l l yt h ea b sc o n t r o ll o g i ca n dd y c c o n t r o ll o g i ca r ec o m b i n e d t op r o v et h ed e s i g n e dc o n t r o ll o g i c ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mi n s i m u l a t i o nl o o pt e s t i n gi sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t e s tr e s u l t sv e r i f i e dt h ev a l i d i t yo ft h ed e s i g n e d l o 百c 1 1 1 j sp a r to fw o r ki st h ef o u n d a t i o nf o rt h ed e s i g no fp r a c t i c a lc o n t r o ll o g i ca n de l e c t r o n i c c o n t r o l l i n gu n i t k e yw o r d s ：e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m ( e s p ) ，a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ( a b s ) d i r e c t - y a w - m o m e n tc o n t r o l ( d y c ) ，h a r d w a r e i n l o o ps i m u l a t i o n ( h i l s ) 东南大学硕士学位论文 符号说明 ( 按毒节顺序排列) 整车质量( 1 ( g ) 车辆质心处转动惯量( k g m 2 ) 汽车纵向速度( m - s - 1 ) 质心到前轴的距离( m ) 质心到前轴的距离( m ) 两前轮侧偏刚度( n m - 1 ) 两后轮侧偏刚度( n m 。) 地面侧向力( n ) 地面纵向力( n ) 前后轴距( m ) 前轮转角( r a d ) 后轮转角( r a d ) 侧偏角( r a d ) 前轮侧偏角( r a d ) 后轮侧偏角( r a d ) 横摆率( r a d s 。) 制动器制动盘半径( m ) 制动器有效半径( m ) 制动轮缸活塞扫掠面积( m 2 ) 制动器轮缸直径( m ) 轮胎半径( m ) 制动器制动盘摩擦系数 压力源油压( p a ) 制动轮缸油压( d a ) 低压蓄能器压力( p a ) 流入制动轮缸的制动液流量( m 3 s - 1 ) 液压系统沿程阻力系数 压力油圆管长度( m ) 压力油圆管直径( m ) 液压油密度( 蚝m 。) 液体平均流速( m s - 1 ) 液压系统局部阻力系数 液压系统沿程阻力系数 液压系统集中等效液容 液压系统集中等效液阻 制动器等效到轮缸活塞上的运动质量( k g ) 等效的制动器刚度( n m 1 ) 粘性阻尼( n s m 4 ) 为活塞横截面积( m 2 ) 为系统干摩擦力( n ) 附加横摆力矩( n m ) v m 。u a b 盯盯b r l 4五p岛如嘶，s由r，凡一石。d p v f卣q&脚砩q气t 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：导师签名： 锏日期”弋 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代汽车工业和汽车技术的发展，以及高速公路网络的纵横延伸，汽车主动安全性川越来越受到 人们的普遍关注。自从德国博世( b o s c h ) 公司在1 9 7 8 年开发出世界上第一套汽车a b s 系统以来，目前 新生产的汽车多数都已经配备了a b s 系统。据统计。2 0 0 4 年欧盟生产的新车a b s 装备率已达8 5 ，而欧 洲汽车生产协会更保证2 0 0 4 年7 月起生产的新车1 0 0 装备a b s 系统。去年我国生产的新车a b s 系统装 备率也达到了6 6 ，可以预计在不久的将来，中国生产的新车a b s 装备率也将达到1 0 0 。 a b s 是a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m 的英文缩写，翻译过来就叫做“防抱死制动系统”。顾名思义，防抱 死制动系统就是在汽车制动时防止车轮被抱死。在没有装备a b s 系统时，如果驾驶员紧急刹车一般都会 使车轮抱死，由于抱死后车轮与地面是滑动摩擦，所以制动距离会变长。而且如果前轮抱死，前轮将失去 侧向转向力，汽车就容易跑偏；如果后轮抱死，后轮将失去侧向抓地力，汽车就易发生甩尾。特别是在积 雪路面上，当驾驶员紧急制动时，就更容易造成上述状况。因此a b s 就是通过控制制动轮缸油压的收放， 来达到对车轮抱死的控制。其工作过程实际上就是抱死一松开一抱死一松开的循环工作过程，使车辆始终 处于临界抱死的间隙滚动状态。防抱死制动系统起作用时，车轮与路面的摩擦属于滚动摩擦，这样就可以 充分利用车轮与路面之间的最大附着力来进行制动，从而提高制动减速度，缩短制动距离，同时保证汽车 行驶时的方向稳定性。 虽然a b s 系统能防止车轮抱死，避免了汽车在紧急制动时冈车轮抱死而导致失控的状况，从而有效地 提高了汽车制动时的安全性能，但是a b s 系统并不能解决汽车在湿滑路面起步或加速时出现的车轮打滑闯 题，更不能避免车辆发生侧滑，因此，人们在a b s 系统的基础上，进一步发展出了汽车电子稳定程序e s p ， e s p 能防止汽车操纵失控，提高汽车在极限工况下的操纵稳定性，对高速行驶时汽车动力学性能的改善尤 其显著【2 j 。 图l1e s p 工作流程图1 - 2e s p 对不足转向和过度转向的纠正 e s p 是e l e c t r o n i cs t a b i l i t yp r o g r a m 的英文缩写，中文名字叫做电子稳定程序。也有些汽车公司采用自己 的称谓，比如沃尔沃公司n t d s t c ，宝马车上被叫作d s c ，而车田凌志又称其为v s c 。但它们的基本原理 和所起到的作用跟e s p 是一致的。e s p 整合 a b s 和t c s ( 驱动防滑系统，又称牵引力控制系统) 的功能，并 大大拓展了其功能范围。它能降低汽车在各种场合下发生侧滑的危险，并自动采取措施，通过有针对性地 单独制动各个车轮，使汽车保持稳定行驶，从而避免了重大意外事故的发生。e s p 系统工作原理为：在汽 车行驶过程中，转角传感器感知驾驶者转弯方向和角度，车速传感器感知车速、油门开度和转速力矩，刹 东南大学硕七学位论文 车传感器感知刹车力，而摆角传感器则感知车子的倾斜度和侧倾速度，e c u ( 电控单元) 在了解这些信息 之后，通过计算判断汽车按正常安全行驶和驾驶员操纵意图之间的差距，然后，由e c u 发出指令，通过调 整发动机的转速和车轮上的制动力( 如图1 一l 所示) ，以修正汽车的过度转向或转向不足。其具体控制策略 如下l jj ( 如图1 2 所示) ： ( 1 )过度转向( o v e r s t e e r ) 当车辆行驶时，由于外在意外造成转向过度，而使后轮打滑，而使车辆抛出车辆转弯曲线，此时e s p 利用制动力晕将前轮外侧车轮煞住，而车辆前轮会有瞬间向外的力量，而使在转弯的力量减少，同时使后 轮打滑现象减少。 ( 2 ) 不足转向( u n d e rs t e e r ) 当车辆行驶时，由于车辆转弯时发动机功率过大致使车辆前轮打滑，此时e s p 电控单元会作制动前轮 内侧车轮，而使车轮向内侧移动，使车辆依据驾驶员行驶路线行驶。 除了a b s 和t c s 的优点之外，e s p 还可以在以下几方面进一步改善主动驾驶安全性： ( 1 ) e s p 虽然也是调节纵向力，但a b s t c s 只把车轮作为控制系统，而e s p 是把整个车辆作为一个控 制系统来调节各个车轮的纵向力大小及匹配； ( 2 ) 在汽车处于侧向临界状态时，能够主动辅助驾驶员操纵车辆； ( 3 ) 汽车在任何行驶状态f 如紧急制动、部分制动、滑行、加速等均可使汽车的稳定性和按预定轨迹行 驶的能力提高； ( 4 ) 当驾驶员由于惊慌而过度转向或过多制动时e s p 系统能有效地阻止汽车急转； ( 5 ) 汽车轮胎与路面附着系数得到更有效地利用； ( 6 ) 由于汽车在极限行驶状态下易于操作驾驶员可将注意力集中到处理可能山现的交通事故上。 图1 - 3e s p 系统组成 e s p 系统一般需要安装转角传感器、轮速传感器、侧向加速度传感器、横摆率传感器等( 如图1 3 所 示) 。它可以实时监控汽车的行驶状态，并自动向一个或多个车轮施加制动力，以保持汽车按正常的轨迹 运行，甚至在某些情况下可进行每秒1 5 0 次的制动1 2 j 。目前e s p 主要有3 种类型：能向4 个车轮独立施加 制动力的四通道或四轮系统：能对两个前轮独立施加制动力的双通道系统；能对两个前轮独立施加制动力 和对后轮同时施加制动力的三通道系统。e s p 晟重要的特点就是它的主动性，如果说a b s 是被动地作出 反应，那么e s p 就可以做到防患于未然，e s p 是世界上最先进的主动安全技术之一，搭载e s p 系统会大 大提高汽车的安全性，这也是今后刹车控制系统发展的方向。目前只有在高档车上才配备这种系统，但随 着汽车工业的进一步发展，必将有更多的汽车采_ i j 这项技术。 2 第一章绪论 1 2 汽车a b s 与e s p 技术发展的历史与现状 1 2 1 汽车a b s 技术的历史与发展 a b s 的发展可追溯到上世纪初，早在1 9 2 8 年防抱死制动理论就被提出。a b s 最早应用于对安全性能要 求高而对价格不十分敏感的航空工业上，为客机起降而研制的。1 9 5 0 年，世界上第一套防抱制动系统( a b s ) 研制成功并首先被应用于航空领域的飞机上 4 1 p j 。德国博世公司( b o s c h ) 是最早从事汽车a b s 发明、研制 的单位，早在1 9 3 6 年博世公司就第一个获得了用电磁式车轮转速传感器获取车轮转速的a b s 专利1 6 1 。直到 上世纪6 0 年代末和7 0 年代初，美国三大汽车公司才分别推出了装有a b s 的高级轿车”j ，但由于受当时技术 条件的限制，a b s 采用了模拟计算机与真空作用的压力调节器，在控制精度和可靠性上出现了很多问题， 美国汽车制造厂家不得不在7 0 年代终i 2 t a b s 轿车的生产口1 。但随着数字计算机和调节器技术的发展，a b s 的性能和抗干扰能力不断增强，a b s 在欧洲又重新兴起。在上世纪8 0 年代中后期和9 0 年代，a b s 在世界范 围内得到了广泛地推广和应用，成为在汽车上应用最成功的电子控制产品之一，大大改善了汽车在制动时 的稳定性。在9 0 年代中期以后，世界上主要汽车生产厂家生产的轿车几乎全部配备了a b s ，使n a b s 成为 现代汽车的标准装备。 上世纪9 0 年代后，a b s 的发展经历了t c s ( t r a c t i o n c o n t r o ls y s t e m ，牵引力控制系统) 、e s p ( e l e c t r o n i c s t a b i l i t yp r o g r a m ，电子稳定程序) 阶段。e s p 是通过调节汽车纵向制动力大小及匹配，旨在提高汽车在极 限工况下的操纵稳定性的主动安全系统，并且还可以控制汽车的横向运动。该系统包含了a b s 和t c s 系统， 是这两种系统功能的延伸，并且可以起到强# a a s 和t c s 功能的作用，从而极大地提高汽车行驶的主动安 全性。 我国对a b s 的研究始于8 0 年代初，国内研* f l a b s 的单位主要有东风汽车公司、交通部重庆公路研究所、 重庆宏安a b s 有限公司、陕西兴平5 1 4 厂、西安公路学院等单位和部门。东风汽车公司从8 0 年代初就开始 研究a b s ，是较早研究a b s 的厂家之一，现研究工作的主要目标是对国外的产品进行消化吸收，如将德国 瓦布科公司的a b s 装于e q l 4 5 型汽车上进行各种试验。重庆公路研究所相继开发出了两代a b s 产品，第一 代a b s 的e c u 采用了2 8 0 芯片。第- - 4 9 a b s 产品为f k x a ci 型，该装置的e c u 中的c p u 微处理器采用了美 国i n t e l 公司的m c s 9 6 系列8 0 9 8 单片机，但距离满足实际应用仍有一定的差距pj 。1 9 9 8 年，重庆聚能汽车 技术有限公司在国内首家推出适合中国国情的电子式a b s 防抱装置，现已达到年产5 0 万套的生产能力，是 我国国内最大的a b s 生产基地i j 0 1 l j ”。 随着车辆动力学与现代控制理论研究的不断深入，以及计算机技术、传感器技术、液压技术和通信技 术的不断发展，a b s 技术的发展方向可作如下预测i j q ： ( 1 ) 与牵引力控制系统形成一体化的控制方式。a b s 是以防止车轮抱死为目的，为取得最佳的制动效果； 而t c s 是防止车轮打滑、空转，为取得最佳的驱动效果。两者采用了相同的技术，只是控制的车轮滑移方 向相反。所以牵引力控制系统总是和防抱死制动系统密切相关，结合在一起应用，通常成为a b s t c s 系统， 目前a b s t c s 的组合装置已经得到应用； ( 2 ) 汽车稳定性控制系统( e s p ) 。a b s f f c s 系统成功地解决了汽车在制动和驱动时的方向稳定性问题， 但不能解决转向行驶时的方向稳定性问题。为此汽车工业发达国家在a b s ，r c s 系统的基础上研制开发了 e s p 系统。该系统把汽车的制动、驱动、悬架、转向、发动机等主要总成的控制系统在功能上、结构上有 机地组合在一起，可使汽车在各种恶劣工况下时，都有最佳的行驶性能； ( 3 ) 向自动制动系发展。自动制动系是自动驾驶系统的一部分，可以在汽车行驶过程中，自动检测到前 方障碍物而进行制动，与a b s 结合起来能够进一步提高行驶安全性； h ) 小型轻量化。为了提高汽车的安全性能，增加一些装置，汽车的质量也会随之增加，这将不利于燃 料经济性。因而各种装置在保证安全性的前提下应尽量地减轻质量。此外，无论对何种车型，发动机的安 装空间都是非常紧凑的，故而要求a b s 的体积尽可能小些。 东南大学硕士学位论文 1 2 2 汽车e s p 技术的历史与发展 在国外，汽车电子稳定程序e s p 是在a b s 和t c s 的基础上发展起来的。最初的汽车稳定性控制的概念 是在a b s 和t c s 的基础上在算法上加以改进，使之能部分解决汽车的稳定性问题，但此时的系统还不能称 之为汽车稳定性控制系统，它只是在a b s 和t c s 基础上的改进。直至上世纪9 0 年代初，人们通过对车辆稳 定性的理论分析，提出了直接对汽车横摆运动进行控制的概念( 如d y c ：d i r e c t y a w m o m e n t c o n t r 0 1 ) ，它通 过采集方向盘转角的信息来判断驾驶员的转向意图，并通过制动力或驱动力在车轮上的分配来调节汽车的 横摆运动，以保障汽车的稳定性这标志着汽车稳定性控制概念的出现”j 。”j 。但考虑到系统的成本，最早 出现的稳定性控制系统所采用的传感器很少，汽车的横摆角速度大多是通过内外车轮的转速差间接估计得 到的，因此在一些汽车行驶的复杂工况下很难保证系统控制的精度和可靠性。1 9 9 5 年之后，随着b o s c h 、 b m w 、f o r d 、t o y o t a 等公司相继推出了使用横摆角速度和侧向加速度传感器的新一代汽车稳定性控制 系统，汽车稳定性控制的基本形式才得已确认。在这一时期，基于上述结构的汽车稳定性控制算法开始大 量出现 1 6 - 1 7 】，其中b o s c h 的v d c 是其中比较典犁的控制方法之一，它采用汽车实际运行状态与汽车理想运 行状态的误差反馈来控制汽车的横摆力矩，并通过差动制动或对发动机的控制实现对汽车横摆运动的调节 【1 ”“，这一控制方法也是现在汽车稳定性控制中较为常用的方法。由于在汽车稳定性控制中所需要的车辆 运行状态无法完全由传感器直接测量得到，因此如何通过传感器测量的车辆状态信息推测出不易被测黾的 车辆状态或路面的状态信息一真是近几年汽车稳定性控制的研究热点，目前已经有不少的状态估计方法出 现，一定程度上改善了控制系统的可靠性。近几年来，有一些学者开始尝试用现代控制理论的些控制方 法进行汽车稳定性控制，并取得了一定的控制效果f2 - 2 2 1 。随着汽车底盘动力学控制的不断发展，集成控制 是今后发展的必然趋势，汽车稳定性控制将综合考虑对制动系统、悬架系统和转向系统的协调控制，并共 享传感器信号，进一步提高控制效果。 国内对汽车稳定性控制系统的应用与研究起步较晚，到目前为止，只有少数汽车( 如奥迪a 6 、帕萨特) 上安装了汽车稳定性控制系统，并且没有自己的实际研发能力，而且由于缺少试验条件，研究还不十分深 入。现在吉林大学、清华大学、上海交通大学、西北工业大学、东南大学等高校和中国重汽集团、上海汇 众汽车制造有限公司等企业也正在开展这方面的研究工作。而且大多数学者只是基于理论研究，刘彩志等 人口基于轮胎和汽车动力性试验的控制策略，采_ 【 3 寅接横摆力矩来提高了汽车的操纵稳定性和主动安全 性。程军l 用模拟的方法研究了汽车动力学控制系统，采用闭环的横摆角速度及汽车侧偏角控制，用它们 之间的相平面来确定稳定性区域，采用p i 控制算法，并且讨论了汽车动力学稳定性控制和a b s 的结合与切 换问题。郭孔辉口”以纵滑一侧偏联合工况的稳态轮胎模型为基础，分析了汽车极限转向条件下制动力作用 于不同车轮时对汽车横摆力矩的影响，并通过接车动力学仿真进行了验证。赵治国 2 6 1 对汽车动力学稳定性 控制的基本原理进行了分析，推导出两自由度汽车横向动力学方程，视实际汽车前后轮胎侧偏刚度为有界 不确定参数，为跟踪线性两自由度理想车辆模型的稳态输出响应，并设计了汽车动力学稳定性变结构控制 策略。从收集到的资料来看，在控制方法上主要有采用横摆角速度和侧偏角为控制变量的逻辑门口7 j 叫1 控制， 以横摆角速度为单控制变量的p i d 控制j1 2 9 1 。 从1 9 9 5 年至今，由于性能的不断改进以及成本的不断降低，e s p 获得了很快的发展，并开始作为选装 件装备于一些中、高档轿车上。从2 0 0 0 年起，德国大众公司在其几乎所有轿车车型上均可选装e s p 系统。 通用、福特和戴姆勒一克莱斯勒公司也开始在其新车型中选装汽车稳定性控制系统。随着先进底盘控制技 术的不断发展，将四轮转向控制和车辆稳定性控制系统有机结合起来，获得晟佳的综合控制效果将是汽车 技术发展的一个重要方向。 1 3 混合仿真技术在汽车电子控制系统开发中的应用 汽车行驶状态是一个复杂的、本质强非线性的系统，并且易受到外界不确定因素的影响。汽车电子控 制系统开发涉及剑机械、电子、液压、车辆建模、软硬件的开发以及最终的实车试验验证等许多方面。所 以开发性能优良的e s p 产品困难是相当大的，其原因主要有以下几点【2 ”3 】： 4 第一章绪论 ( 1 ) e s p 技术涉及到机械、电子，液压、车辆建模、软硬件的开发以及最终的实车试验验证等许多方 面，所以e s p 技术的开发是一个系统工程，需要电子行业、计算机行业、汽车行业、科研院所等各方面的 有效协调。国外的许多厂家也是经过了多年的开发合作，才取得了现有的成果。 ( 2 ) e s p 系统是一个与汽车动力学系统、液压动态特性、传感器系统、路面不确定输入等因素都紧密 相关的参数分布、本质非线性的控制系统。系统的动态特性复杂、多变，表现出强非线性特性。特别是轮 胎和液压调节系统的动力学模型等基础理论研究还不完善。所以在进行a b s 理论研究时，模型化误差不可 避免。 ( 3 ) 目前车辆稳定性控制产品的性能评价主要采用实车道路试验。然而，全面进行实车试验的性能评 价耗费大量的时间和资金。 针对上述e s p 理论研究和系统开发中存在的难点，混合仿真技术作为一种新的汽车电子控制系统开发 理念正在形成，并逐渐得到国际汽车制造商的认可。混合仿真技术成为实现开发新思路的重要环节和工具， 实车试验已不再是获取控制规律的必要途径，而是成为控制规律验证的手段。这种快速开发的理念已经成 为国内外汽车工程师研究的热点，并且在车辆先进电子控制系统开发中逐渐得到广泛的应用。 混合仿真是一种硬件在环的实时仿真技术，它把部分实际产品利用计算机接口嵌入到软件环境中去， 并要求系统的软件和硬件都要实时运行，从而模拟整个系统的运行状态。它是一种具有系统开发、调试、 检测及性能评价等综合功能的车辆电子系统开发和改进的重要工具，大大促进了车辆电子系统的研究和开 发。特别是在产品开发初期，无论是控制逻辑的确定，还是执行机构的设计开发都是先从仿真研究入手， 此时实车试验的应用范围减小到了用于验证仿真模犁的正确性和为改进模犁提供数据的最低程度。研究人 员还可利_ 【 j 混合仿真技术对所开发的系统进行调试和改进，而实车试验只是作为对仿真结果的验证。 传统的汽车电子控制产品开发往往包括许多研发小组，有控制算法设计小组，软件设计小组，硬件设 计小组，产品试验小组等。首先控制算法设计小组根据产品功能设计要求进行分析和控制算法的设计。然 后通知软件设计小组进行手工编制程序代码，软件设计小组编制控制算法执行软件并由此提出详细的硬件 资源要求，并通知硬件设计小组，硬件设计小组根据要求进行相应的硬件设计。这几个小组反复协调后把 样机交给产品试验小组进行产品试验。由于手工编制代码错误率较高，必然导致研发周期加长。控制算法 设计与硬件设计的割裂有可能导致软件与价格昂贵硬件的不匹配而造成资金浪费等，所有这些必然导致了 产品开发周期加长，费用增加。而基于m a t l a b s i m u l i n k 混合仿真技术汽车电子控制系统快速开发过程 则涵盖了控制算法设计、软件设计和硬件设计，并且控制算法设计工程师可以直接看到系统控制的模拟结 果，在费用较高的硬件设计之前根据模拟结果直接修改控制算法，节约了对间和资金。总之，混合仿真研 究的手段虽然还不能完全代替实车试验，但对于高效、低成本地进行汽车电子控制系统开发和研制起到相 当重要的作用。所以国内外学者目前研究的焦点是如何把混合仿真技术更加深入地、系统地应用在汽车电 子控制系统开发中。统计近年来关于基于混合仿真技术汽车先进电子控制系统快速开发的典型文献，可以 发现，到目前为止，如何利用混合仿真技术系统地对车辆e s p 控制系统进行开发和实车试验验证的文献还 没有发现公开发表过。 1 4 本文基本思路和主要研究内容 本文的研究工作是结合东南大学机械系和南京汽车集团有限公司“先进车辆稳定性控制系统和e c u 快速仿真开发平台”的科技攻关项目展开的，旨在通过研究车辆操纵稳定性控制系统快速开发方法和建设 一个既经济又高效的车辆操纵稳定性控制系统快速开发平台，将其应用到车辆稳定性实用化控制逻辑研究 与开发之中，完成对e s p 关键控制技术的系统开发。按照这个目标，本文研究的基本思路是：首先设计了 基于新犁反比例压力阀的e s p 液压控制单元并建立了液压系统动态模型、制动器模型，然后进行车辆a b s 控制算法研究并利用h o o 控制理论进行d y c 控制器的设计，最后建立了e s p 快速开发系统平台，并利用该 系统平台进行e s p 控制逻辑的混合仿真，为新开发的e s p 控制器进行实车试验做好充分准备。这将大大 有助于研发人员以较少的资金投入在短时期内开发出合格的汽车e s p 电子产品，以迅速占领市场。全文紧 紧围绕该基本思路，主要对以下内容进行了深入的研究和探讨。 1 新型e s p 液压控制单元设计及液压系统建模 5 东南大学硕士学位论文 设计了基于新型反比例压力阀的e s p 液压控制单元，其输出压力随输入电流的增人而降低，并可减少 元件数，简化液压控制单元结构；建立具有一定精度，能反映研究问题本质的液压系统动态模型、制动器 模型。 2 a b s 控制策略及其实现研究 介绍了a b s 的基本工作原理，并建立了可满足a b s 硬件在环仿真要求及后续研究工作的a b s 系统模 型。在此基础上结合项目开发需要，在参照实际产品化的防抱死制动控制逻辑后，设计了以车轮加减速度 和参考滑移率为控制参数的a b s 控制器，并对该控制器进行了数字仿真。仿真结果表明该控制算法符合 系统开发要求。 3 汽车e s p 控制器设计及数字仿真 依据汽车动力学理论，按照跟踪f w s 车辆横摆角速度稳态值的控制策略，建立了基于h 一理论的直 接横摆力矩的d y c + 4 w s 控制器，并进行纯数字仿真。从理论上证明直接横摆力矩加四轮转向控制对提高 汽车的行驶稳定性有明显效果。 4 汽车e s p 系统开发及硬件在环仿真 先进行车辆稳定性控制系统的总体方案设计和功能设计，并以此为指导从软件、硬件分别详细论述了 车辆稳定性控制系统平台的搭建，并结合项目研究需要，利_ j 建立的e s p 快速开发系统，对e s p 实用化 控制逻辑一逻辑门限值控制策略进行了深入的研究和开发，然后基于该系统平台进行e s p 控制系统的液压 系统嵌入式实时混合仿真，从而完成对e s p 控制逻辑的研究和开发并取得了较满意的结果。同时也证明了 文中建立的e s p 快速开发系统平台在系统开发中具有高效性和可信性。 6 第二章新型e s p 液压控制单元设计及液压系统建模 2 1 引言 第二章新型e s p 液压控制单元设计及液压系统建模 我们知道，目前市场上常见的a b s 和e s p 液压控制单元都是通过一对电磁开关阀的频繁组合动作来控制 制动轮缸的压力，但它无法对车轮上的制动压力进行连续调节和控制，这就容易引起制动轮缸压力的脉动， 电磁开关f 陶这样频繁启闭不仅造成制动踏板的抖动，而且容易使控制过程复杂化，造成制动过程中无法总 是利用轮胎与地面间的最大附着系数，因而无法达剑更好的制动效果，因此研制使制动压力能够连续调节 的压力调节阀就成为进一步提高a b s 性能的一项重要措施。本章设计了基于新型“常开”型电液“反比例” 压力控制阀1 的e s p 液压控制单元，在该液压控制单元中一个反比例电磁阀可取代目前常见的a b s 和e s p 液 压控制单元中的常开、常闭两个开关阀，因而可简化液压控制单元结构，并且可对制动轮缸压力进行连续、 精确调节。1 。这将为a b s 液压系统性能的优化创造条件，同时可减轻防抱死制动时开关阀频繁启闭产生的 振动，提高乘坐舒适性。 2 2b o s c he s p 5 3 液压控制单元 液压控制单元是汽车a b s 、e s p 系统的主要执行机构，因此其结构设计的好坏将直接影响到a b s 、 e s p 系统的性能。博世e s p 5 3 是在a b s 5 3 的基础上发展起来的，其基本结构与a b s t c s 液压控制单元 相似，但为了提高响应速度，b o s c h 公司e s p 5 3 系统的液压控制单元比a b s t c s 多了预压泵和压力生 成器。 图2 - 1b o s c h 公司h u 5 3 液压拧制单元结构框图 图2 - 1 即为b o s c h 公司h u 5 3 液压控制单元结构框图1 3 0 l 。该系统由h u 5 3 液压单元和e v l p 预压泵 蛆成。h u 5 3 液压单元分m c i 和m c 2 两套独立的管路，分别控制前轮和后轮。每个制动轮缸通过两个 电磁开关阀e v 和a v 的通断来产生升压、降压和保压三种工况。当e v 和a v 都处于断电状态时为升压工 况，都处于通电状态时为降压工况，当e v 处于通电状态而a v 处于断电状态时为保压工况，e v 处于断电 7 东南大学硕上学位论文 状态而a v 处于通电状态的组合是禁止出现的。s p k 为低压储油器，用于维持低压状态；s r f p 为回油泵， 它把低压蓄能器中的制动液送回主油路，用于补偿降压过程中损失的制动液，保持油路的连续性；d 为串 联的阻尼器，用于吸收液压调节造成的压力脉动。以上部分与普通a b s 液压单元的结构基本一致。汽车 电子稳定程序的液压系统要求在驾驶员没有踩制动踏板时也要产生足够大的轮缸压力，因此在a b s 液压 单元的基础上又增加了两种电磁控制阀( h s v 和u s v ) 以产生这种功能。当h s v 和u s v 均断电，预压 泵也未启动时e v 阀前端的压力是由回油泵和驾驶员踩制动踏板共同产生的，此时系统实现的是a b s 功能， e s p 未作用。当h s v 和u s v 均通电时，h s v 与主油路相连，u s v 切断与主油路通路，这时回油泵s r f p 启动，使得制动管路产生汽车稳定性控制所需要的压力。由于在低温条件下制动液