（光学工程专业论文）汽车电控液压制动系统性能分析与控制.pdf

nanjing university of aeronautics and astronautics the graduate school college of energy and power engineering analyse and control of electro hydraulic braking system for vehicle a thesis in vehicle engineering by zhang hongsheng advised by lecturer.jin zhilin submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of engineering march, 2013 承诺书 本人声明所呈交的硕士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。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，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学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此承诺书） 作者签名： 日 期： 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 电控液压制动(ehb)系统是一种新型的汽车制动系统， 它以高压油提供制动能量方式取代了 汽车传统液压制动的人力供能方式。由于 ehb 系统具有结构简单、响应速度快、易于控制、节 能等优点，近年来成为汽车主动安全领域的研究热点。 本文分析了 ehb 系统的工作原理；根据 ehb 系统的设计要求确定了 ehb 系统的结构方案。 设计了 ehb 系统的主要结构部件，包括电磁阀、动力源模块、液压控制单元及高压油管。根据 ehb 系统性能要求对电磁阀及动力源模块进行了选型； 利用 ug 软件对 ehb 系统的液压控制单元 进行了三维设计，并研制了液压控制单元的实体及其阀体盖；对承受高压的油管安全性进行了 验算。 考虑 ehb 系统的强非线性，利用功率键合图建模方法对 ehb 系统的主要部件进行建模；根 据功率流方向将各部件的键合图模型转换为理论模型；考虑 ehb 系统的电、液及机械运动的耦 合作用，建立与实际 ehb 系统更为吻合的汽车电控液压制动系统增压和减压过程的理论模型； 将理论分析结果与 amesim 仿真结果进行比较， 验证模型的正确性。 在理论模型的基础上分析了 增压过程及减压过程主要参数对 ehb 系统性能的影响规律，包括电磁阀参数、蓄能器参数及制 动轮缸参数对 ehb 系统压力响应时间等性能的影响规律，为设计性能更好的 ehb 系统提供了理 论依据。 针对所建立的模型设计了四种控制器，包括 bang-bang 控制器、pid 控制器、模糊控制器及 鲁棒控制器。 选取典型制动工况进行仿真分析， 获得了 bang-bang 控制器的死区范围参数对 ehb 系统控制精度的影响；pid 控制的比例、微分、积分系数对 ehb 系统控制精度的影响；以及 h 鲁棒控制器的权函数对对 ehb 系统控制精度的影响；并对四种控制算法的仿真分析结果进行了 比较。针对 h鲁棒控制器设计时的权函数选择问题，采用遗传算法进行了优化设计，结果表 明优化后的鲁棒控制器对 ehb 系统模型参数不确定性以及抗干扰性能明显提高。 关键词关键词：汽车主动安全 电控液压制动系统 键合图 鲁棒控制 遗传优化 汽车电控液压制动系统性能分析与控制 ii abstract the electro-hydraulic braking (ehb) system is a new kind of automotive brake system. the braking energy of ehb system is provided by high pressure oil instead of human force in the traditional braking system. in recent years, ehb system has been received more attention in the vehicle active safety research aera, due to its advantages, such as simple structure, fast response, easy to control, and energy saving. in this paper, the working principle of ehb system was analyzed. from its principle and the design requirements, the structure of ehb system was determined, including electromagnetic valve, power module, hydraulic control unit and high pressure oil pipe. then, the solenoid valve and power module were selected on the performance requirements of ehb system. and the three-dimensional model of hydraulic control unit (hcu) and its lid of ehb system body were designed using ug software. also, the security of high pressure oil pipe was checked. taking the couple among the electric, fluid and mechanical movement into consideriation, the non-linear model of ehb system was established using bond graph modeling method. and the bond graph model was transformed into mathmatical model based on the theory of power flow. then dynamic characteristics of ehb system were analynized using matlab/simulink software. and the the model of ehb system was verified by comparing the simulation.results by matlab/simulink software and amesim software respectively. from the mathmatical model, the influence of some key parameters on the performance of ehb system was analyzed during the process of pressure increasing and decreasing, including electromagnetic valve parameters, accumulator parameter and wheel cylinder parameters. the results could be used to design ehb which will performance better. finally, to improve the dynamics characteristics of ehb system, four controllers were designed, including bang-bang controller, pid controller, fuzzy controller and robust controller for the model. at the typical brake condition, the effect between the range of parameters of bang-bang controllers dead zone and the precision of ehb system was simulated. also, the effect between 南京航空航天大学硕士学位论文 iii proportion, differentiation, integration of pid controller, weight function of h robust controller and the control accuracy of ehb system were analyzed. then the simulation results of the four control algorithm were compared to each other. to optimize the weight function of robust h controller, the genetic algorithm was used in this paper. the results show that the optimal robust controller can improve the ability of ehb system to deal with parameters uncertainty, as well as anti-jamming performance significantly. keywords: vehicle active safety electro-hydraulic brake bond graph robust control genetic optimization 汽车电控液压制动系统性能分析与控制 iv 南京航空航天大学硕士学位论文 v 目录 第一章 绪论 . 1 1.1 ehb 研究背景及意义 . 1 1.2 ehb 国内外研究现状 . 3 1.3 本文主要研究内容 . 9 第二章 ehb 系统结构分析与设计 . 11 2.1 ehb 系统工作原理 . 11 2.2 ehb 系统结构分析及总体设计 . 12 2.2.1 ehb 系统设计要求 . 12 2.2.2 ehb 系统结构总体设计 . 13 2.2.3 ehb 系统工作模式 . 14 2.3 ehb 系统结构部件设计 . 14 2.3.1 电磁阀结构形式确定 . 14 2.3.2 hcu 设计 . 15 2.3.3 动力源模块结构设计 . 17 2.3.4 高压油管设计 . 18 2.4 本章小结 . 19 第三章 ehb 系统建模及性能分析 . 20 3.1 键合图理论介绍 . 20 3.1.1 键合图组成单元 . 20 3.1.2 键合图设计流程 . 24 3.2 ehb 系统模型 . 25 3.2.1 ehb 重要部件模型 . 25 3.2.2 ehb 系统模型 . 36 3.2.3 ehb 系统模型验证 . 41 3.3 ehb 模型参数分析 . 43 3.3.1 ehb 增压过程模型参数分析 . 43 3.3.2 ehb 系统减压模型参数分析 . 49 汽车电控液压制动系统性能分析与控制 vi 3.4 本章小结 . 53 第四章 ehb 系统控制器设计 . 54 4.1 bang-bang 控制方法研究 . 54 4.1.1 bang-bang 控制理论 . 54 4.1.2 bang-bang 控制 ehb 系统仿真与分析 . 55 4.1.3 bang-bang 控制死区研究 . 56 4.2 pid 控制方法研究 . 56 4.2.1 pid 控制理论 . 56 4.2.2 pid 控制仿真及参数分析 . 57 4.3 模糊控制算法研究 . 60 4.3.1 模糊控制理论 . 60 4.3.2 模糊控制器设计 . 61 4.3.3 模糊控制仿真研究 . 62 4.4 鲁棒控制方法研究 . 62 4.4.1 h控制理论介绍 . 62 4.4.2 鲁棒控制器设计 . 65 4.5 遗传优化的鲁棒控制算法 . 70 4.5.1 权函数参数分析 . 70 4.5.2 权函数优化 . 72 4.6 控制器控制结果比较 . 73 4.6.1 控制器对模型不确定性的适应性 . 74 4.6.2 控制器对随机干扰适应性 . 74 第五章 总结与展望 . 77 5.1 研究总结 . 77 5.2 研究展望 . 78 参考文献 . 79 致谢. 84 在学期间的研究成果及发表的学术论文 . 85 南京航空航天大学硕士学位论文 vii 图、表清单图、表清单 图 1. 1 典型 ehb 系统原理框图 . 3 图 1. 2 mico 公司的 ehb 系统主要零部件 . 4 图 1. 3 delphi 公司的 dbc9 主要零部件 . 5 图 1. 4 博世公司的 ehb 系统 . 6 图 2. 1 ehb 系统驱动方案原理图 . 11 图 2. 2 电控液压制动系统结构示意图 . 13 图 2. 3 高速电磁阀结构示意图 . 15 图 2. 4 hcu 阀体三维结构图 . 15 图 2. 5 hcu 阀体实物图 . 16 图 2. 6 hcu 主要零部件实物图 . 17 图 2. 7 hcu 阀体盖实物图 . 17 图 2. 8 动力源主要部件实物图 . 18 图 2. 9 油管受力示意图 . 18 图 3. 1 键合图基本元件 . 20 图 3. 2 键合图因果关系 . 21 图 3. 3 阻性元件键合图 . 21 图 3. 4 容性元件键合图 . 22 图 3. 5 惯性元件键合图 . 22 图 3. 6 势源键合图. 22 图 3. 7 流源键合图. 22 图 3. 8 变换器键合图 . 23 图 3. 9 回转器键合图 . 23 图 3. 10 共势结键合图 . 23 图 3. 11 共流结键合图 . 24 图 3. 12 等效电路图. 24 图 3. 13 等效磁路图. 24 图 3. 14 电磁回路键合图模型 . 24 图 3. 15 机械回路键合图模型 . 25 汽车电控液压制动系统性能分析与控制 viii 图 3. 16 液压回路键合图模型 . 25 图 3. 17 理想电机泵键合图 . 25 图 3. 18 高压蓄能器键合图 . 26 图 3. 19 蓄能器 simulink 子模型 . 27 图 3. 20 节流孔键合图模型 . 28 图 3. 21 节流孔键合图模型 . 28 图 3. 22 高速电磁阀结构示意图 . 29 图 3. 23 电磁力耦合关系示意图 . 29 图 3. 24 进/出油阀电磁回路键合图 . 29 图 3. 25 进/出油阀电路模型 . 31 图 3. 26 进/出油阀磁路模型 . 31 图 3. 27 进/出油阀机械回路键合图 . 32 图 3. 28 进/出油阀芯受力 simulink 模型 . 32 图 3. 29 进/出油阀阀口液压回路键合图 . 33 图 3. 30 进/出油阀阀口液压 simulink 模型 . 33 图 3. 31 制动轮缸键合图 . 34 图 3. 32 制动轮缸子模型 . 35 图 3. 33 制动轮缸子模型 . 35 图 3. 34 油杯键合图模型 . 36 图 3. 35 油杯 simulink 子模型 . 36 图 3. 36 ehb 系统增压键合图模型 . 37 图 3. 37 ehb 系统增压 simulink 模型 . 39 图 3. 38 ehb 系统减压键合图模型