（计算机应用技术专业论文）abs控制系统开发平台中的建模、仿真和测试.pdf

重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 随着社会的进步和汽车工业的飞速发展，汽车的安全问题被提到一个 前所未有的高度。汽车防抱死制动系统( a n t i - l o c kb r a k i n gs y s t e m ，简称 a b s ) 是一种主动安全装置，它能够提高汽车的安全性能，减少交通事故的 发生率。重庆市道路交通安全实施方案明确规定9 座以上公交车辆必须安 装a b s ，其他城市也相继出台相关政策，今后一段时间我国a b s 开发与 生产将进入高速增长期。但国内a b s 的匹配主要依靠装车道路实验，需要 耗费大量财力、人力与时间，缺乏高效、准确的室内测试手段，难以满足 a b s 生产与开发的需要。因此，研究具有自主知识产权的a b s 控制系统 开发平台，对增强我国汽车工业的国际竞争力具有重要意义。 在简要介绍a b s 控制系统原理的基础上，采用面向对象的方法对a b s 控制系统开发平台进行设计，参与了a b s 控制系统开发平台的总体方案设 计，并对a b s 经典控制模型的数字仿真和a b s 控制系统自主建模组件进 行详细设计和实现。采用v i s u a lc + + 工具开发的a b s 控制系统开发平台， 实现了交互式用户界面，可以对在a b s 控制下的整个刹车过程进行仿真监 测，并提供给a b s 专业开发人员进行自主建模。同时建立基于c c p 协议 的汽车e c u 标定测试系统，主要包括c c pd r i v e r 和上位机标定软件两部 分。e c u 标定测试系统不直接与e c u 硬件交往，具有对各类e c u 电子控 制单元的普遍适用性： 通过将仿真和标定测试得到的结果与某公司的实际制动效果相比较， 验证了汽车a b s 控制系统开发平台总体设计和各个组件详细设计的可行 性和正确性，同时也验证了开发的a b se c u 控制性能的正确性和可靠性， 具有较高的实际应用价值。 关键词：a b s ，建模，仿真，标定，测试 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t hp r o g r e s so fs o c i e t ya n de x p e d i t i o u sd e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l e i n d u s t r y , s e c u r i t yo fa u t o m o b i l eb e c o m e saf o c u s a u t o m o b i l ea n t i - l o c k b r a k i n gs y s t e mi sa na c t i v es a f e t yd e v i c e i tc a nr a i s et h es a f e t yp e r f o r m a n c e a n dr e d u c ea c c i d e n tr a t e b u sw h i c hh a sn i n es e a t so rm o r ei sf i x e da b si n c h o n g q i n ga n do t h e rc i t i e s ，a b sw i l lf a c eah i g h - s p e e dg r o w t hi nc h i n ai n f u t u r e b u tt h ei n s p e c t i o no fa b sm a i n l yd e p e n d so nt h er o a de x p e r i m e n t w h i c hn e e d sm u c hm o n e y ，m u c ht i m ea n dm u c hm a n p o w e r i ti sl a c ko f e f f i c i e n ta n da c c u r a t et e s t i n gm e a n si nr o o mi nc h i n an o w a n di ti sn o t s a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fa b sd e v e l o p m e n ta n dp r o d u c t i o n i th a sm o s t i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t o d e v e l o pc o n t r o lt e s t i n gp l a t f o r mf o ra b sw i t h i n t e l l e c t u a lp r o p e r t yo fc h i n a i nt h i st h e s i s ，o nt h eb a s i co fab r i e fi n t r o d u c t i o no fa b sc o n t r o ls y s t e m t h e o r y ，o b j e c t o r i e n t e dm e t h o dw a su s e di nc o n t r o lt e s t i n gp l a t f o r mf o ra b s d e s i g n i n g c o n t r o lt e s t i n gp l a t f o r mf o ra b sd e s i g ns c h e m ew a sp r o p o s e d ， d e t a i ld e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nt od a t as i m u l a t i o nf o ra b sc l a s s i c a lc o n t r o l m o d a la n df r e em o d e l i n gf o ra b sc o n t r o ls y s t e mw a sp r o p o s e d t h ec o n t r o l t e s t i n gp l a t f o r mf o ra b sw a sd e v e l o p e db yt h et o o l o fv i s u a lc + + i t s c o n s u m e ri n t e r f a c ec o u l dc o m m u n i c a t eb e t w e e np e r s o na n dp c a n di tc o u l d c o n d u c ts i m u l a t i o nt e s tt op r o c e s so fb r a k i n gc o n t r o l l e db ya b s ，p r o f e s s i o n a l d e v e l o p e rf o ra b sw a sa l l o w e dt of r e em o d e l i n g e c uc a l i b r a t i o nt e s ts y s t e m b a s e do nc c pw a sd e v e l o p e d ，i n c l u d i n gc c pd r i v e r sa n dc a l i b r a t i o ns o f t w a r e e c uc a l i b r a t i o nt e s ts y s t e md i dn o tt o u c hh a r d w a r e d i r e c t l y ，s ot h es y s t e m w a sa p p l i e dt od i f f e r e n tk i n d so fe c u t h er e s u l t ss i m u l a t i o nt e s ta n dc a l i b r a t i o nt e s ta r ec o m p a r e dw i t ht h e a c t u a le f f e c tw h i c hi sp r o v i d e db yac o m p a n y t h er e s u l t sp r o y et h a tc o n t r o l t e s t i n gp l a t f o r mf o ra u t o m o b i l ea b ss y s t e md e s i g na n dd e t a i ld e s i g nt oe a c h m o d u l ei sf e a s i b l ea n dv a l i d ，s h o wt h ea b se c ud e v e l o p e di sc o r r e c ta n d c r e d i b l e ，i n d i c a t et h a to u rp l a t f o r mi so fs o m ea p p l i c a t i o nc o s t k e yw o r d s ：a b s ，m o d e l i n g ，s i m u l a t i o n ，c a l i b r a t i o n ，t e s t i n g l i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，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，也不包含为获得重庆 邮电太堂或其他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昵确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：陶，锈级签字日期： 沙7 年么月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮电太堂有关保留、使用学位论 文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权重鏖塑电太堂可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：1 暂，镌够、导师签名：务 签字日期： 沙。7 年z 月7 b 签字日期： 司年6 月7 日 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志之一。目前每辆汽车采用电子 装置的情况已成为衡量汽车档次高低的主要标准。未来汽车市场的竞争是 汽车电子化的竞争。八十年代以来，国外应用计算机技术和微电子技术推 出了具有多种检测和控制功能的汽车电子系统，使汽车的性能和质量得到 很大的提高，并且还解决了汽车环保生态问题。使用这些电子控制装置后， 明显地改善了汽车的动力性、可靠性、安定性、舒适性、便利性和经济燃 油性。 汽车电子化建立在电子学的发展基础之上，从真空管、晶体管、集成 电路、大规模集成电路到超大规模集成电路的技术进步，出现了计算机等 各种各样的电子装置，汽车电子化也随之深化与发展。2 0 世纪5 0 年代， 人们开始在汽车上安装电子管收音机，这是电子技术在汽车上应用的雏 形。1 9 5 9 年晶体管收音机问世后，很快在汽车上得到了应用。6 0 年代， 汽车上应用了硅整流交流发电机和晶体管调节器，到6 0 年代中期，汽车 上开始采用晶体管电压调节器和晶体管点火装置。但更多的应用电子技术 则是在7 0 年代以后，主要是为解决汽车安全、污染和节油3 大问题。进 入7 0 年代后期，电子工业有了长足的进步，特别是集成电路、大规模集 成电路和超大规模集成电路技术得到了巨大发展，微机在汽车上的应用， 给汽车工业带来了划时代的变革。2 0 世纪9 0 年代，汽车电子技术进入了 其发展的第三个阶段，这是对汽车工业的发展最有价值、最有贡献的阶段， 超微型磁体、超高效电机及集成电路的微型化，为汽车上的集中控制提供 了基础。目前汽车电子技术已发展到第四代，即包括电子技术( 含微机技 术) 、优化控制技术、传感器技术、网络技术、机电一体化耦合交叉技术 等综合技术的小系统，并且早己从科研阶段进入了商品生产的成熟阶段。 汽车电子工业是一个潜力巨大的产业。据美国通用汽车公匍报道，至 八十年代末，美国平均每辆汽车装备的电子产品价值8 6 1 美元，若按此水 平对我国2 0 1 0 年轿车所装汽车电子装备进行计算，则年需2 8 0 亿元人民 币的电子产品装备。目前国外汽车电子系统在汽车价格中所占比例已达 2 0 ，而且这一比例还在不断扩大。为了加强市场竞争能力，国外在提高 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 电子系统所占比例的同时，广泛采用1 6 位、3 2 位微处理器，以及广泛采 用更先进的传感器，使汽车的功能从对汽车自身的控制管理扩大到“汽车 一人一环境”这样一个大系统的信息获取、处理和控制”1 。 伴随着全球汽车市场的飞速发展，汽车电子产业在中国也进入到一个 跳跃式增长期。汽车工业将成为我国经济的支柱产业。近几年中国汽车电 子产业的年增长率超过5 0 ，成为拉动汽车工业发展的重要因素，人们普 遍看好汽车产业和电子信息产业的结合将为汽车制造业带来新的增值空 间。 汽车电子产品可以分为两类：一类是车载汽车电子装置，例如汽车音 响等，它们和汽车本身的性能无直接关系，属于汽车的附加值部分；另一 类是汽车电子控制系统，例如电子燃油喷射系统、制动防抱死控制( a b s ) 系统、电子控制悬架系统等，它们直接影响着汽车的性能。 就车载汽车电子装置而言，目前国内有较好的开发基础，今后关键是 要进一步形成经济规模来降低成本，以提高在全球市场的竞争力。而汽车 电子控制系统还没有形成产业化，因此这一行业还没有发展起来。特别是 如今市场上面对的都是国外实力强大的跨国汽车电子公司，加上国内电子 行业对汽车电子控制系统所知有限，先天不足加上后天“营养”不足，这 些都会影响国内汽车电子产业化进程1 。所以，开发拥有自主知识产权的 汽车电子控制系统，具有重要意义。 随着汽车控制系统的日益先进和复杂化，软件开发工程师所面临的工 作量和压力也越来越大；随着汽车电子系统设计复杂度的提高，汽车的安 全性被提到一个前所未有的高度，汽车a b s 控制系统的研究被许多汽车制 造厂商所重视。 1 2 面向汽车a b s 控制系统发展现状及趋势 a b s 是防抱死制动系统的英文缩写，其全称是a n t i - 1 0 e kb r a k i n g s y s t e m 。使用该系统在制动过程中自动调节制动力的大小，防止车轮抱死， 以取得最佳制动效果。当传感器探测车轮抱死时，在每条制动管路上的电 动机启动以控制阀1 3 的大小，从而调节制动压力。 随着汽车行驶速度的提升及人们对安全性的要求越来越高，以及重庆 市道路交通安全实施方案明确规定9 座以上公交车辆必须安装a b s ，其他城 市也相继出台相关政策，a b s 在汽车上的应用逐渐得到政府及有关部门的 高度重视。八十年代，a b s 技术逐渐成熟，许多a b s 投入市场，可靠性也得 2 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 到了提高。最具有代表性的是1 9 8 1 年b o s c h 公司与b e n z 公司合作研制出带 有数字式微处理器控制器的三通道四轮a b s ，并批量加装于奔驰轿车上， 这是a b s 开发中一个突破性的发展，奠定了a b s 发展的基本模式。八十年代 末九十年代初，国外加大对a b s 理论研究，对a b s 基于现代控制理论进行研 究与设计，如把最优控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制应用于 a b s 控制逻辑的研制与开发，并试图解决a b s 控制机理问题“1 。现代的a b s 系统也正与其他汽车电子控制系统相融合，并有一体化的趋势。如a b s 与 a s r ( a c c e l e r a t i o ns 1 i pr e g u l a t i o n ) 加速防滑系统一体化，a b s 与电子全 控式悬挂、电子控制四轮转向、电子控制自动变速等行驶系统和动力传动 系统相结合等。 与汽车在中国发展相同，国内a b s 的研究比起国外来起步较晚。我国 对a b s 的研究开始于8 0 年代初，现已进入快速发展阶段。目前国内有多家 单位正从事a b s 的研究和开发工作。从九十年代开始，一些学者开始研究 a b s 的原理和控制逻辑，对制动过程进行了计算机仿真，并开始研制自己 的a b s 软硬件系统，但由于起步晚，又受财力的限制，a b s 的实用研究现阶 段进展缓慢”1 。 a b s 产品研制费用较高，试验费用昂贵，如汽车制动性能试验需要专 用实验场道路或专用的汽车制动性能试验台，一个新产品的试验费用往往 在数万元至数十万元以上，道路试验过程也存在一定风险。传统的开发 方法一般从产品设计开始，到样件试制，装车，试验，再试产，历时往往 半年以上，开发周期长，投资较大，技术难度大，且对开发过程存在的风 险很难预防。 怎样降低汽车a b s 控制软件开发的复杂度、降低工作量而且要提高a b s 控制系统的安全性，是行业多年来寻求解决的难题。为解决这个难题，a b s 控制系统开发平台被应用到了汽车电子行业中，应用于汽车电子的控制开 发平台的研究与开发正在汽车领域如火如荼的开展起来。 1 3a b s 控制系统开发平台 1 3 1 国内外研究现状 现今国外已经拥有了较成熟的a b s 控制策略和对应的开发平台，且汽 车动力学通用的仿真软件主要有著名的a d a m s 和m a t l a b 。 3 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 a d a m s 软件被证明是一种十分适用于车辆动力学模拟的工具“1 。它采 用多刚体力学的方法，将系统分成多个刚体，对刚体的质量和各个方向的 转动惯量及连接方式进行定义和赋值。它从物理系统的刚体结构出发，定 义每一个构件的形状、质量、受力、约束和连接情况，可以在三维状态下 建立模型，能比较真实的反映车辆动力学特性。但是，采用a d a m s 进行仿 真的建模过程复杂，所需的参数多，它对用户是不透明的，用户很难将自 己的思想加进去，缺少必要的灵活性。 m a t l a b 语言是由m a t h w o r k 公司于1 9 6 7 推出的“m a t r i xl a b o r a t o r y ” 软件包，并不断的更新和扩充，是一种功能强、效率高、便于科学和 工程运算的交互式软件。它带有十几个工具箱，可以用于不同的专业领域， 其中s i m u l i n k 工具箱可完成系统图形建模。该方法将各种功能模块化， 可以直接用鼠标拖放模块，建立信号连结。它是一个开放的系统，各种成 熟的工具箱能够不断扩展加入到系统中去，每一个模块的参数可以自由的 修改，不影响别的模块运行，给系统扩展带来方便。用m a t l a b 仿真免去 了程序代码编程带来的繁琐和低效。但不能开发适于具体需要的专用系 统，尤其是实时系统。 另外国外也研制了一些专用的汽车动力学仿真软件，例如d s p a c e 。 d s p a c e 是德国的一家国际性高科技公司，成立于1 9 8 8 年。d s p a c e 实时仿 真系统是由d s p a c e 公司开发的一套基于m a t l a b s i m u l i n k 下的控制系统 开发及测试的工作平台，实现了和m a t l a b s i m u l i n k 下的完全无缝连接。 d s p a c e 实时系统拥有高速计算能力的硬件系统，包括处理器、i o 等， 还拥有方便易用的实现代码生成下载和试验调试的软件环境。这样，在 d s p a c e 强大能力的支持下，可以将控制系统设计软件( 如 m a t l a b s i m u l i n k 下) 开发的控制算法在一个实时的硬件平台上实现，以 便观察与实际的控制对象相连时，控制算法的性能；如果控制算法不理想， 还可以很快地进行反复设计，反复试验直到找到理想的控制方案。另外， 当产品型控制器生产出来后，测试工程师由于并行工程的需求，在控制对 象可能还处于研制阶段，或者控制对象很难得到时，可以用d s p a c e 在早 期独立地完成对控制器的测试。 国内建立车辆制动模拟系统主要是用仿真模型来模拟道路试验，探索 车辆的制动性能，研究有效的控制规律。济南重型汽车研究所的程军教授 等人研制出实时硬件闭环模拟系统。清华大学的柴占祥等人对防抱死制动 系统做了计算机模拟。长沙理工大学的张新等人建立了一种基于微机的 a b s 系统集成开发环境，构成了硬件闭环模拟试验台。这些学者开发的仿 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 真实验平台主要是进行a b s 辅助开发，并采取道路试验方法进行a b s 性能 检验。 1 3 2a b s 控制系统开发平台研发的意义 由于上述传统的控制系统开发模式存在开发时间长、程序修改复杂、 灵活性不强等弊端，为此笔者所在的研究所在a b s 控制系统开发平台的研 制中采用了一种全新的控制开发理念：v 设计模式。y 设计模式理念是一 种刚刚兴起的控制系统开发新模式，是现代汽车电子控制系统的典型开发 流程，具有开发周期短，灵活度高等特点。1 。v 设计模式流程如下图1 1 所示。 图1 1 现代汽车电子控制系统开发流程一一v 设计模式流程 由上图可知各种模型库的建立和针对不同控制算法的仿真是v 设计模 式中的必要环节，而a b s 控制系统开发平台正是按这种新型的开发模式建 立起来的。 而本研究开发的目的就在于基于上述新型开发模式研制拥有自主知 识产权的汽车电子控制开发平台，通过对a b s 控制器、被控对象的仿真测 试，在软件仿真和硬件在回路仿真取得较明显效果的情况下再进入到a b s 道路试验，缩短道路试验周期，降低开发风险与开发成本，实现生产过程 中的a b s 的快速开发“”。 笔者所在研究所开展的前期仿真工作是在s i m u l i n k 下进行的，但 s i m u l i n k 的仿真方法和过程是封闭的，只能用于初步的理论验证，且研究 5 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 所正与重庆某a b s 制造厂商开展了一系列合作，还要为该企业开发其需要 的专用模块，采用通用的仿真软件还不能满足设计、开发的需要。如果直 接买一套d s p a c e 开发平台不但价格昂贵，而且失去了自主研发的意义。 所以无论是通用的仿真软件还是专用的仿真软件都不适合本项目。因此， 按照新型开发模式研究具有自主知识产权的a b s 控制系统开发平台，除了 能缩短a b s 开发周期、降低开发风险与开发成本，还能针对具体应用灵活 定制，满足企业特定需求，是汽车a b s 控制系统的设计开发一高效、经济、 安全的辅助工具，对增强我国汽车工业的国际竞争力具有重要意义。 1 4 论文结构和本人工作 1 4 1 论文的结构 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了汽车电子的发展历程、市场前景，国内外对a b s 控制系 统开发平台的研究现状，分析了目前a b s 开发过程中遇到的问题，以及自 主研发a b s 控制系统开发平台的意义，最后归纳了论文结构和本人工作。 第二章介绍了a b s 控制基本原理，分析了a b s 控制系统开发平台的功 能需求，再采用面向对象的方法其进行总体设计。在简要介绍1 4 车a b s 控制数学模型和基于m a t l a b 的a b s 控制算法仿真的基础上，对笔者主要 参与开发的a b s 经典控制模型、自主建模组件、数字仿真组件的原理与具 体实现作了详细描述。 第三章介绍了e c u 标定测试的作用以及在汽车电子产品开发中的重要 意义，提出了一种基于c c p 协议的e c u 标定测试系统的工作模型，并对基 于该模型的标定测试系统的设计与实现作了描述。 第四章从测试目的、测试条件和测试结果分析三方面分别对仿真测试 和基于标定台架的测试进行介绍。仿真测试主要是对a b s 控制系统开发平 台的仿真功能进行测试。标定测试主要是对研究所自主研发的a b se c u 控制性能进行测试。 第五章总结了本文所做工作，并探讨进一步的研究方向。 6 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 4 2 本人的工作 a b s 控制系统开发平台由重庆邮电大学汽车电子研究所各个科研小组 共同开发完成，a b s 控制算法的研究与改进由应用组负责，代码的编译下 载由嵌入式组负责，e c u 、p c i 板卡的设计与实现由硬件组负责，集成环境 开发由i d e 组负责，作者在i d e 组中承担a b s 控制系统开发平台中的建模 和数字仿真方法的研究与实现，以及对e c u 的标定测试技术研究。主要包 括以下几个方面的内容： 1 ) a b s 控制系统开发平台总体设计。 2 ) a b s 经典控制模型的建立与实现。 3 ) a b s 自主建模方法的研究与实现。 4 ) a b s 数字仿真方案的设计与实现。 5 ) e c u 的台架标定测试技术研究。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 第二章a b s 控制系统开发平台中的建模与仿真 防抱死制动系统( a n t i l o c kb r a k i n gs y s t e m ) 一一a b s ，是常规制动装 置基础上的改进型技术。它的工作原理是，依靠装在各车轮上高灵敏度的 车轮转速传感器，有些还有车身上的车速传感器，通过e c u 计算然后控 制。紧急制动时，一旦发现某个车轮抱死，e c u 立即指令压力调节器使该 轮的制动分泵泄( 减) 压，使车轮恢复转动。a b s 的工作过程实际上是抱死 一一松开一一抱死一一松开的循环工作过程，使车辆始终处于l 临界抱死的 间隙滚动状态，有效地克服紧急制动时的跑偏、侧滑、甩尾，防止车身失 控等情况的发生“。本文的重点不是a b s 控制策略的研究，这里只对相 关理论知识进行简要介绍。 图2 11 4 车a b s 控制系统原理图 如图2 1 所示，1 4 车a b s 控制系统由制动部分、传感器部分、控制 器部分等组成1 。当司机踩下刹车时，制动过程开始：制动总阀不断的向 制动器中充入高压气体或液体，制动器改变当前轮速；车轮速传感器、车 速传感器( 不是必需) 将相关信息传入控制器，控制器计算之后采用p w m 或其它方式控制电磁阀，电磁阀位于气体或液体传输通道上，所以实际充 入制动器的压力由电磁阀控制一一或充、或放、或保持。这样形成一个闭 环控制系统，时刻防止车轮抱死发生。 2 1a b s 控制系统开发平台总体设计 汽车a b s 控制系统开发平台主要用于汽车电子控制系统开发过程中所 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 要求的控制仿真。本开发平台主要由以下子系统组成：汽车电子控制系统 数字建模子系统、模型代码编译下载予系统以及模型仿真监测子系统。由 此构建汽车电子控制开发平台的体系结构如下图2 2 所示。 图2 2 汽车a b s 控制系统开发平台体系结构图 汽车电子控制系统数字建模子系统 汽车电子控制系统数字建模子系统中提供了建模资源库其中包括常 见车型的车型库，针对汽车电子控制单元a b s 开发中涉及的专用模块库以 及可以供用户定制的接口。用户在此基础上可以进行模型的搭建设计。用 户可以通过系统资源库模块和自定义函数和模块进行汽车电子嵌入式控 制系统建模。另外考虑到大多数用户对m a t l a b s i m u l i n k 的熟悉和依赖， 系统提供与m a t l a b 的接口。 模型代码编译下载子系统 模型代码编译下载子系统将用户设计的控制模型自动转化成代码，根 据用户所选用的芯片，进行相应的芯片配置，在此基础上，通过系统集成 的通用g c c 编译器和专用芯片的编译器来对代码进行编译并将代码下载到 电子控制单元e c u 。 模型仿真监铡子系统 模型仿真监测子系统可以对所建立的汽车电子控制系统模型进行数 字仿真和硬件在回路仿真，并对控制过程中的关键参数、状态进行监铡， 观察仿真效果。数字仿真是在用户的数字模型的基础上由仿真监测系统进 行仿真。经过数字仿真确认后的模型，控制器模型生成代码并编译下载到 9 重庆邮电大学硕士论文 第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 e c u ，与硬件在回路仿真器中的车辆模型构成回路，在仿真监测系统中进 行硬件在回路仿真。 2 1 1a b s 控制系统开发平台结构设计 b s 控制系统开发平台结构部署图2 3 所示。a b s 控制系统开发平台 共由七个组件组成：库资源组件、经典模型组件、自主建模组件、数字仿 真组件、编译下载组件、硬件在回路仿真组件和仿真效果监测组件。 用户层 接口 图2 3a b s 控制系统开发平台结构部署图 2 1 2 功能需求与组件关系 资源库的使用和扩展 提供各种常见车型的车型库，常用的数学模块库，针对汽车电子控制 单元如a b s 开发中涉及的专用模块库。 经典模型调试 系统提供较为成熟的汽车电子控制系统模型，包括其控制器和被控对 象模型，用户可以在此基础上根据自己所要求设计的车型进行车型参数设 置、算法选择、算法参数设置、以及仿真监测等参数的设置，从而达到快 速设计的目的。 自主建模 通过汽车电子控制系统数字建模子系统，用户可以在已有资源库( 常 见车型的车型库、针对汽车电子控制单元a b s 开发中涉及的专用模块库) 和定制模块的基础上进行自主建模，实现控制算法和控制逻辑的设计，建 立控制对象和控制器模型。 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 数字仿真 系统为用户提供直接通过控制算法进行数字仿真的功能。用户在已有 控制模型和被控对象模型的基础上直接进行数字仿真，以此检验控制模型 系统的运行情况，如果软件仿真的效果较好，就将相应的各种参数提供给 硬件在回路仿真使用。数字仿真时轮速、制动状态均是上位机计算得来。 编译下载 算法和被控对象模型经过数字仿真确认后，通过上位机集成的 c o d e w a r r i o r 编译器进行编译，控制算法和对应控制参数下载到电子控制 单元e c u 中，车辆参数和仿真参数下载到仿真器中。 硬件在回路仿真 在控制算法设计结束、并下载到e c u 中后，需要在闭环下对其进行详 细测试。系统通过p c i 板卡来仿真被控对象，将其与控制器e c u 构成闭环 进行硬件在回路仿真。硬件在回路仿真与数字仿真的不同之处在与轮速由 仿真器产生，电磁阀信号由e c u 控制输出。 仿真效果分析 系统为用户提供坐标、虚拟仪表等形式来监测整个控制模型在数字仿 真和硬件在回路仿真中的关键参数和重要状态。 a b s 控制测试功能需求与平台组件间的对应关系如表2 1 所示。 表2 1 功能需求与组件对应关系 经典资源库自主建数字编译硬件仿真效 窟群模型 组件模组件仿真下载在回路 果监测 组件组件组件仿真组组件 器求 件 成熟模型调试 仿真效果分析 库资源的使 用和扩展 自主建模 硬件在回路 ， 仿真 数字仿真 控制算法信 息下载 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 2 1 3 用户界面设计 a b s 控制系统开发平台界面设计如图2 4 所示。开发平台的界面主要 由主菜单、工具栏、建模库工具栏、车型库工具栏、模型搭建视图、仿真 视图和输出信息库组成。 主菜单 工具栏 建 模 库 上 具 栏 模型搭建视图 仿真视图 输出信息库 图2 4a b s 开发平台界面设计图 查 型 库 工 具 栏 2 2a b s 控制系统开发平台中建模方法的研究与实现 建模可分为数学建模和a b s 控制开发平台中的建模两种类型，数学建 模是由实验室应用组老师在研究a b s 控制系统的基础上搭建数学模型，并 在m a t l a b s i m u l i n k 里经过验证。笔者再通过c + + 语言编制成各个模块， 并整合到开发工具i d e 里即是开发平台中的建模的一个过程。开发平台中 的建模又可分为a b s 经典模型建立和自主建模两种实现方式。 2 2 1 1 4 车a b s 控制数学模型 汽车动力学模型 基于单轮的1 4 汽车模型可满足各位置车轮单独a b s 控制参数理论设 计的要求，由如下车体、车轮力矩平衡式和滑移率入的定义式描述l ”1 。 m y - 一f b f m i 。- t b + f b r + f r r式( 2 1 ) a - 0 d o r ) v 式中：m 一一1 4 汽车质量； r 一一车轮半径； l 一一车轮转动惯量 a 一一滑移率； 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 t ，一一车速； t b 一一制动力矩； l 一一汽车风阻； 轮胎力计算模型 轮 腑 路08 砸 缎 向0 6 j ) 附 时0 4 系 数o 2 一一车轮转速； f b 一一地面制动力： f r 一一汽车滚阻。 辩杉毕 图2 5 路面附着系数随滑移率的变化曲线 为了比较准确地模拟不同附着系数下轮胎路面之间的相互作用，采用 m a g i cf o r m u l a 计算轮胎作用力 1 , t l ，即 f i d s i n c a r c t a n b ( 1 e x a + s h ) + e a r c t a n ( b 2 + b s h ) ) + s ， 式( 2 2 ) 式中f x 为轮胎纵向力，b 、c 、d 、e 、和s v 为特征系数，必须通过 试验获得。 利用m a g i cf o r m u l a 式计算得到不同路面附着系数随滑移率的变化曲 线如图2 5 。a b s 的功能就是把滑移率控制在附着系数的峰值点附近。 制动系统模型 、 a b s 制动系统分气压与液压【l i 。因为合作企业生产的是气压a b s 制动 器，所以在这里暂且只讨论气压类型。制动气室充、放气过程可以建立相 应的物理方程来求解，这一过程可以用气体状态方程和气体连续性方程来 描述。其思路是：先通过气体流量方程求出进入制动气室的气体质量，再 利用气压状态方程解出相应的压力，这是充气过程；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。对于 充气过程，根据气体连续性方程，气体通过制动气室入口小孔的瞬时流量 可表达为： 1 3 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 q m - 纽r o t lf k 土k + 1 1 西、篙等础。姐s z 8 o ：生旦 r o e 式中q 。一一瞬态质量流量； 积： r 。一一气体常数，空气： 玉一一气室中绝对温度； 力。 p 2 p 1 o 5 2 8 a 一一气室入口最小截面 r 。- 2 8 7 0 k 。k ) ；i 卜一绝热指数； p 。、p 2 一一分别为气室入口上、下游的压 这里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 ：p ，) o 5 2 8 时气体以压音速流动，根据上、下流的压力比p 2 p ， 的大小，确定采用不同的计算公式，因为( 2 2 ) 式的瞬态流量只涉及上、 下游的压力差，所以( 2 2 ) 式也同样适合与压力释放过程，但p 是变化的。 a b s 控制策略 笔者工作的重点是针对a b s 算法在对应的开发平台中软件建模和数 字仿真的实现，不是a b s 控制算法本身的研究，这里只对控制策略作简单 的介绍。 1 ) p i d 控制 a b s 系统的基本原理就是控制车轮的滑移率在理想的数值范围内，也 就是基于偏差的控制，而p i d 控制最是经典的控制方法之一，以理想滑移 为输入值，实际滑移率为反馈值，构成p i d 反馈控制系统。 基于滑移率的控制算法都存在车速的检测或者估算问题，一般采用最 大轮速法或者积分法计算车速。数字p i d 算法也可以有多种选择，如采用 离散形式的增量式p i d 控制策略如下： f ， ) 一f 一1 ) + a f ) k ) 一巧 s o ) 一s 一1 ) + i ts ) + - i s ) 一厶 一1 ) + s 一2 ) 】 式中，t 为采样周期，瓦为微分时间常数，霉为积分时间常数，巧为比例 系数，s ) 为第k 时刻的滑移率误差，f ) 为第k 时刻控制输出，a f ) 为 第k 时刻输出增量。 2 ) 模糊控制 p i d 控制等算法过于精细i 而在车辆实际运行中车况及外部环境比较 复杂多变，模糊控制在此得到一定的应用。 1 4 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 模糊控制用于a b s 的原理如下： 设车轮滑移率( s ) 偏差e 及其变化率d e u = f 陋，d e ) p = k u 根据制动压力，滑移率和车轮角减速度进行道路识别： 瓦一妒q ) 只r j o b c ( 其中：e m g b + 妒( 汕o l + 妒瓦t b t ，j ，b 已知) 把几种路面的妒一a 曲线存在c p u 中，实际路面下的角减速度西c 与理想角 减速度嘶比较，差值最小为真。 3 ) 逻辑门限控制 十a + a - a ffi f o l f 嘶 ll t 增压 ，阶梯式增胝 。傈压 l 减压 s 1 s 2 篓，! 姿矍烈垡，! 粤2 粤 塑盒，抵第次控制籁期：的控翻 j i 令 附黄路惭的指令为低速增徘。 一 图2 6 逻辑门限算法逻辑 在车辆制动过程中，a b s 通过调节制动压力，使轮胎路面附着系数处 于其峰值附近而避免车轮抱死，保证车辆获得最大的制动力和较大的侧向 力，以达到制动距离最短和保证车辆行驶稳定的目的。a b s 的控制策略和 控制器参数的设定直接决定其性能的好坏。实用的a b s 几乎都采用基于加 减速度和参考滑移率门限值的控制方式，而各门限值的选择主要依赖开发 过程中大量实车试验数据调整l ”l 。 研究所主要参照b o s c h 公司开发的逻辑门限控制策略，设计控制逻辑 如图2 6 。图中a 为车轮角减速度门限值，+ a 和+ a 分别为第一、第二角加 速度门限值，s 1 和s 2 分别为第一、第二参考滑移率门限值，而且高附着 路面和低附着路面各参数的取值不同。参数的不同取值，将获得不同的控 制效果。 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 2 2 2a b s 经典控制模型的建立与实现 开发平台为汽车a b s 开发人员提供较为成熟的a b s 控制系统模型，将 控制器和被控对象模型作为一个整体，a b s 控制专业开发人员可以在此基 础上首先对车型进行选择，而后根据自己所选择的车型进行车辆参数设 置、算法参数设置、仿真参数设置、以及仿真监测等参数的设置，而无需 手动建立测试模型，从而达到快速设置参数的目的。 功能描述 1 ) 车型选择 在建立经典模型库之前需要选择对应的车型，因为针对不同车型车辆 的参数会发生很大的变化，如一般的微型车重量在一点五吨左右，重心高 度0 8 米；而重型车的质量在八吨以上，重心高度也在1 米以上。对车型 进行选择可以快速的为a b s 测试人员提供一套车型参数，而无需测试人员 一个个手动添加，为经典模型的建立带来便利。 2 ) 重要参数设置 车辆参数设置 前面选定车型后还需要根据具体情况对车辆参数进行调整，比如一个 重型车空载和满载两种情况下制动效果是不一样的，所以要对前后车轮承 载力、重心高度等相关参数进行调整。需要设置的参数还有车身质量、重 心高度、前后轴距、轮距、前后轮转动惯量、车轮半径等。 算法参数设置 针对不同的控制算法会对不同类型的参数进行设置，如p i d 算法会要 求对滑移率、比例系数、微分系数、积分系数的修改，而逻辑门限算法中 轮加速度的各级门限值、小步增压幅度是很重要的参数。 仿真参数设置 仿真过程中采样周期、初始车速、初始加速度、初始制动力、初始滑 移率是必须考虑的因素，在参数设置选项中都有提供。 晃面设计 车型选择的界面如图2 7 所示。当进入a b s 经典模型选项后，最先弹 出此选择框，用户可以根据需要确定要对哪个汽车集成制造厂商的哪款车 型进行a b s 的匹配测试试验，如下图所示准备对一款型号为 c q l l 6 0 t 6 f 1 5 g 2 的红岩汽车进行a b s 匹配测试。 1 6 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 图2 7 车型选择界面设计 a b s 经典模型的界面如图2 8 所示。中间红色的区域包含各种控制算 法及对应参数。上下左右四个模块分别代表四个车轮，其中可以对仿真参 数进行修改。下方的车辆模型中可实现对车身和车轮参数的调整。 图2 8 a b s 经典控制模型界面设计 类部署关系 a b s 经典模型的实现过程主要设计到一个文档视图结构【“1 7 , ”】的多 个对话框类，主要的类有：c a b s d o c ，c a b s d e s i g n v i e w ，c a u t o l n f o ， c v e h i c l e l n f o r s e t ，c e m u l a t o r s e t t i n g 和c a r i t h m e t i c s e t t i n g 。文档类c a b s d o c 实现对数据的存储，视图类c a b s d e s i g n v i e w 实现对用户的显示。另外还 设计了车型选择类c a u t o l n f o ，车辆参数设置类c v e h i e l e l n f o r s e t ，仿真参 数设置类c e m u l a t o r s e t t i n g 和算法参数设置类c a r i t h m e t i e s e t t i n g ，涉及到 1 7 重庆邮电大学硕士论文第二章a b s 控制系统开发平台的建模和仿真 的类之间的协作关系和数据结构会在后面对经典模型的仿真中作为一个 整体描述，a b s 经典模型类关系图如2 9 所示。 图2 9 a b s 经典模