用于电子稳定程序（ESP）在线控制的液压模型和反模型.pdf

第 4 4卷第 2期 2 0 0 8 年 2 月 机械工程学报 V o 1 - 4 4 N o ．2 CHI NES E J OURNAL OF M ECHANI CAL ENGIN EERI NG F e b ． 2 0 0 8 用于 电子稳定程序 E S P 在线控制的 液压模型和反模型术 李 亮 宋 健 韩宗奇2 孔 磊 1 ． 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京 1 0 0 0 8 4 ； 2 ．燕山大学汽车与能源学院秦皇 岛0 6 6 0 0 4 摘要对汽车电子稳定程序 E l e c t r o n i c s t a b i l i t y p r o g r a m，E S P 的液压系统进行仿真分析和测试。建立包括液压控制单元的控 制阀、柱塞泵、制动软管、硬管以及节流器等环节的主动增压模型；对主动增压系统进行模拟仿真，获取各个环节支配性特 征参数。基于模型支配特征参数和试验数据，开发出液压模型和反模型，应用该模型进行 E S P压力在线预估，获取控制过 程中轮缸压力这一重要控制参量。仿真和试验表明，这种液压模型和反模型能够满足 E S P在线控制要求。 关键词电子稳定程序 E P S 液压控制单元压力预估模型 中图分类号U4 6 3 Hy d r a u l i c M o d e l a nd I n v e r s e M o d e l f o r El e c t r o ni c S t a b i l i t y Pr o g r a m Onl i ne Co n t r o l S y s t e m LI Li a n g S ONG J i a n HAN Zo n g qi KONG Le i 1 ． S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f A u t o mo t i v e S a f e t y a n d E n e r g y ， T s i n g h u a Un i v e r s i ty， Be ij i n g 1 0 0 0 8 4 ； 2 ． De p a r t me n t o f V e h i c l e a n d E n e r g y , Y a n s h a n U n i v e r s i ty, Q i n h u a n g d a o 0 6 6 0 0 4 A b s t r a c t T h e s i mu l a t i o n a n d t e s t o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f e l e c tr o n i c s t a b i l i t y p r o gra m E S P a r e a n a l y z e d a n d t e s t e d ． T h e a c t i v e p r e s s u r e c o n tr o l mo d e l wh i c h i n c l u d e s t h e c o n tr o l v a l v e s ， e c c e n t r i c r o t a r y p l u n g e r p u mp ， b r a k e p i p e ／ h o s e ， a n d t h r o t t l e s ， i s b u i l t ． Th e a c t i v e p r e s s ur e s y s t e m i s s i mu l a t e d ，an d t h e d o mi n a n t c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e s u b s y s t e ms a r e o b t a i n e d ．Ba s e d o n t h e d o mi n an t c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e mo d e l an d e x p e rime n t a l d a t a ，t h e h y dr a u l i c mo d e l a n d i n v e r s e mo d e l are d e v e l o p e d ．T h e h y dr a u l i c mo d e l an d i n v e r s e mo d e l C an b e u s e d t o the i n l i n e e s t i ma t i o n wi t h E PS a n d o b t a i n t h e wh e e l b r a k e p r e s s ure wh i c h i s o n e o f the mo s t i mp o r t a n t p ara me t e r s o f t h e s y s t e m． T h e s i mu l a t i o n a n d e x p e ri me n t s h o w t h a t t h e h y dra u l i c mo d e l an d i n v e r s e mo d e l C an s a t i s f y the r e q u i r e o f t h e E PS o n l i n e c o n tro 1 ． Ke y w o r d s E l e c tr o n i c s t a b i l i 哆p r o gra m E P S H y dra u l i c c o n tr o l uni t P r e s s ure p r e d i c t i o n mo d e l 0 前言 汽车电子稳定程序 E l e c t r o n i c s t a b i l i t y p r o g r a m， E S P 集成了制动防抱死系统 A n t i l o c k b r a k i n g s y s t e m， A B S 、牵 引力控制系统 T r a c t i o n c o n tr o l s y s t e m， T C S ，以及主动横摆力偶矩控 1J S u p e r a c t i v e y a w c o n t r o l ，A Y C 技术，能够最大限度地提高汽车极限 工况下的安全性；它基于汽车动力学状态 ，尤其是 轮胎力、路面附着等参量对汽车实施精确控制的， 制动压力的观测则是这些参量观测 的基础；E S P上 国家 自然科学基金资助项 I I 5 0 5 7 5 1 2 0 。2 0 0 7 0 3 2 5收到初稿 2 0 0 7 0 9 1 2收到修改稿 层汽车动力学状态控制器调用液压模型，底层滑移 率控制器调用液压反模型，构成闭环系统【 l 】 。B o s c h 公司提出基于制动压力预估模型进行轮胎力估算的 思路【 Ij ； 文献[ 2 ] 基于 A B S 压力预估与耗散功率法进 行路面识别技术进行了研究； 文献[ 3 ] 提出常用的液 压系统的模型表述方法；文献【 4 ] 对 A B S的加压和 减压进行分析，提出液压精细调控方法，文献[ 5 ] 基 于硬件在环对 E S P建模进行分析。 由于 E S P和传统 制动、A BS制动方式不同，涉及吸入阀、增压 电动 机 、储能器 、制动软硬管、节流器和制动轮缸等复 杂环节 ，因此在现有传感器配置下进行 E S P在线压 力预估是一个技术难点【 6 l ，而上述文献也没有解决 在线压力预估 问题 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 0 机械工程学报 第 4 4卷第 2 期 压力预估的核心是建立液压模型和反模型。液 压模型是用于不同工作模式 E S P ／ A B S等模式 下系 统增减压速率计算的模型液压反模型则是基于 E S P压力控制目标值和当前轮缸压力状态，确定 H C U各电磁阀控制模式的模型【 l ， 。 本文基于E S P液压系统的物理与数学模型， 构 建了仿真模型；应用 自 主开发的电控单元 E le c t r i c c o n t r o l u n i t ，E C U 调 控液 压控 制 单元 H y d r a u l i c c o n t r o l u n i t ，HC U 进行主动增压测试。通过改变子 系统性能参数仿真分析获取液压系统支配性动态特 性。采用试验数据拟合的方式得到等效支配特性参 数，建立了液压模型和反模型， 并对 E S P压力控制 进行 了试验验证 。 1 E S P液压系统数学模型 1 ． 1 液压系统简介 E S P液压系统集成了A B S和 T C S的液压控制 功能，包括制动管路、HC U、制动器等环节 。其中 H C U中有高速开关控制阀1 2 个r 其中吸入阀和限压 阀各 2个，增压阀和减压阀各 4个 ， 在吸入阀的前 端有一个压力传感器。A B S 作用时 F R 、R L为例 ， V2 、V5 、V 6 连通，通过 V5 、V 6 、V7 和 V8 调节轮缸 压力。E S P与 T C S作用时，ml 上电，V 2 关闭，V4 连通，液体通过柱塞泵 P 1 ， 经 V 5 进入 R L轮缸， 实 现主动压力调控，如图 1 所示。 图 1 E S P的 H C U示意图 V1 ， V 2 限压阀V 3 ， V 4 吸入阀 V 5 ，V _6 增压阀 V ’ ， V g 一减压 m1 电动机p l 柱塞泵 F L ， l u t , F R R I 左前、右后、右前、左后轮 1 ． 2 高速开关控制阀模型 高速开关控制由高速电磁阀实现的。当电磁 阀 的线圈通电时通过 电磁力驱动阀开关。电磁力 由电 流、电感、电磁阀柱塞和铁心之间的气隙决定。电 磁力作用下的阀动态方程为 d x ，f i O L ，、 x ． ,i aZ 肌 O L x , O dv df去 [ x ，f 一 七 G o ～ 一 6 v 一 辱 】 1 I d X l ’ ， 【 d f 式中 电磁阀驱动 电压 R 回路电阻 电磁阀回路 电流 线圈电感 X ， v 阀心移动位移和速度 阀心和动铁质量 ， 电磁力及摩擦力 七 回位弹簧刚度 阀心组件所受液动力 速度 阻尼系数 G 0 弹簧预紧量 ， 和 可通过结构 电磁耦合有限元方法计 算，从而得到电磁 阀响应延迟特性[ 8 】 。根据伯努利 定理 电磁阀的节流特性为 A x ／ 2 p l P 2 ／ P 2 式中 过流流速 流量系数 断面面积 ID制动液密度 Pl ， 入 口和 出口液压 1 ． 3 柱塞泵模型 柱塞泵和 电动机偏心轮位置如图 2所示。 r一 ，一，木 I f ／ 0 、 一 ’ ／＼偏 图 2 柱塞泵和电动机偏心轮位置不意 图 令坐标原点为偏心轮旋转中心，则偏心轮转过 0角时，其圆心坐标为 e s i n 0 ,一 e c o s 0 ，柱塞泵排 量模型为 Q b 吾 s硼 一 e 2 sin S c s8 ] 3 式中 Qb 升压输出流量 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 2月 李亮等用于电子稳定程序 E S P 在线控制的液压模型和反模型 1 4 1 电动机的平均转速 升压排量 Db ， 柱塞直径及偏心轮半径 1 ． 4 制动管路模型 管路安装位置、结构尺寸、材料 、力学性能以 及制动液的物理特性均对主动增压动态特性有显著 影响。将管路当作 2输入元素 2输出元素的层叠网 络【 3 】 ， 容积特性考虑液体压缩特性和管路柔度影响， 阻抗特性考虑层流或者湍流压力损失，惯性考虑管 道中液体的质量效应 。等效容积特性为 一 一 舀 舀 △ AV 2 ／ V 式中 管道断面压力变化量 △ ， △ 液体及管道变形量 液体体积 ， 管道及制动液容积特性模量 由圆弹性力学模型得制动管容积特性为 1／ 一 2r 一 ] 5 式中R ， 管道 内外径 管厚 泊松比 g 重力加速度 液体初始体积 由式 4 得 一 垒 垒 6 一 一 ● h l 因此管路等效容积特性为 云 Q 2 C A ， ／ q 7 式中A 管道断面积 ， 制动管长 当管道长大于流层转化长度时，管道中的流体 成抛物线流型[ ，此时粘性阻力显著。令阻力系数 R z 1 2 8 1M ／ n d 4 ，则流速和压力变化的关系为 Q 2 Q 3 一 3 8 忽略管道摩擦仅考虑惯性 ，流体欧拉方程为 一 挈 旦 f “- -7 1 _ 旦 旦 f 1 一 p l I 一 二 一 l I l i O t O t A O t 。譬 a f A 9 式中 一流动速度 A一油路断面面积 令 I l p ／ A ， 体积 、 密度特性在容积特性 中考虑， 则有一 O P ／ O s g A3 。 。 O W ／ O t ，式 9 两边分别积分 Q 4 P 4 一P 5 ／ I 1 0 采用层叠网络，将容积、阻抗和惯性等特征环 节进行组合 ，形成管路层叠网络模型如图 3 所示。 物理模型 网络模型液容 液阻 液容惯性环节 瓣 数 图 3 管路层叠网络模型 Q 制动管路各断面流量P I ～ 5 制动管路各断面压力 1 ． 5 制动轮缸模型 E S P适用车型多用盘式制动器 ，考虑制动钳体 惯性、间隙和接触阻尼特性，建立等效弹簧阻尼模 型，输入为制动液流量，输出为制动压力 图 4 。 式中 制动器 制动力 动液流量 图 4 制动器轮缸模块建模示意图 制动器动力学方程为 一 c e q誓 G sqJ x q ⋯ X q S j 0 m。 ， X q 钳体质量及位移 c 。 。 活塞运动等效阻尼 P 制动压力 轮缸断面积 G s q 1 ， 1 弹簧预紧量及刚度 Qtn 制动液流量 2 系统仿真与试验分析 2 ． 1 仿真系统搭建 基于上述系统数学模型，应用 I MAGI NE S ． A ． 公司的 AME S i m软件平台构建液压系统仿真模型， 运用液压元件库、设计库、力学库和信号控制库来 进行组合建模 ，求解全系统与各予系统动态特性， 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 2 机械工程学报 第4 4卷第2期 对照图 1 所示示意图构建仿真模型如图 5 。各环节 特征参数通过逆向分析得到。 图 5 液压系统仿真模型 2 ． 2 试验测试系统搭建 采用 电装公司的 HC U，结合 自主开发的 E S P 控制器 E C L 0，在某轿车上搭建测试系统 图 6 。 兀 图6 实车制动液压系统性能试验台 通过踏板限位器设定制动压力，压力传感器测 量主缸和轮缸压力，车载信号采集系统采集信号。 通过 E C U编程驱动电动机和 电磁阀，实现单轮 、2 轮、3轮主动压力调节等 3种模式。系统采样频率 为 2 0k H z ，驱动 电压为 1 2V。增压时间为 3 0 0 ms 。 2 ． 3 液压系统动态特性分析 E S P液压系统增压特性试验结果如图7 所示， 液压系统主动增减压特性对比曲线如图 8 所示。试 验和仿真得到的升压规律、动态特征一致，验证了 仿真模型 。 图 7 E S P液压系统增压特性试验结果 1 ． F R压力2 ． R R压力3 ． F L压力 主缸压力 l 1 ． 5 Ml a 4 ． F R压力5 ． R R压力6 ． F L压力 主缸压力 7 ． 5 Ml a 7 ． F R压力8 ． R R压力9 ． F L压力 主缸压力 3 Ml a 1 0 ． F R压力l 1 ． R R压力l 2 ． F L压力 主缸压力 0MP a 4 3 2 l O l 0 ． 0 0 ． 5 1 ． U 1 ． 5 2 ． 0 2 ． 5 测试时间 f ／ s 图8 液压系统主动增减压特性对比曲线 1 ． F L轮缸压力仿真结果2 ． F L轮缸压力试验结果 3 ． 制动踏板信号 改变各子系统参数进行系列化仿真，确定液压 系统各环节对主动增压特性的影响，得到液压模型 的支配性环节和特征参量见下表 。为了适于在线控 制模型表征这些特性，则定义液压系统的支配性特 征为综合延迟特性 、 ，综合节流特性 Q t、Q b 、 旦 lr ，综合压力波动特性 A p 。 、 k 。 表液压系统支配性动态特性与液压特性参数 B d I ，‘ ／ d R出疆 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 2月 李亮等用于电子稳定程序 E S P 在线控制的液压模型和反模型 1 4 3 3 液压模型与反模型 3 ． 1 液压模型 基于液压支配性特征，定义综合节流特性为 √ 2 Ip 一 P c I／ 1 2 式中 ， 回路等效流速与流量系数 回路等效节流面积 P ， P 。 轮缸及主管路压力 从吸入阀到轮缸入 口回路等效液容特性 一 ／ 1 3 令 Q 三 ， 0 ，得到加压速率 p 0 一 p 0 l 。‘ ／ d f ／ △ f 1 4 制动器等效容积特性为 △ f 1 5 p w≈ p w 5 联立式 1 3 ～ 1 5 ，综合压力波动为 A Pk 【 2 1 C 。e A 】 f 1 6 则回路增减压速率模型为 后A p／ A t l 2 1 C 。 o 2 ， 1 La o p j √ 17 由于 E S P液压系统结构复杂， 液压控制模式多 样 ，因此 ， ， 等参量难以单独标定得到精 确值。但对于确定的车型 ，E S P液压系统作为精密 的控制系统，结构参量具有高度 的一致性 ，可以对 各种加压模式下上述参量的综合效应进行标定。将 这些特征综合到参数 - ，X 2 中，则有 k x t x 2 p , ／ Ip 一 P 。 I 1 8 得到压力预估模型为 p 魄 一 r o x l p 、 ／I 一 p 1 9 式中 p to “ n、 f o 时刻轮缸 i 压力估算值 时刻的主缸压力 p t O m n 增压 个周期轮缸 i 压力估算值 功液压系统延迟时间常数 n 控制周期长及周期数 应用不同调控模式下压力实测值，应用最小二 乘法拟合得到 1 ，X 2 。最小二乘法的问题描述为 F pr o -p 1 1 p t o 2 -p 2 p to n -p 约束条件为 rai n 1 P t o i TP w i 喜 ‰ toiT _ 2 构建参数 ，x 2 、主缸压力、增压模式之间的 三维表。E C U采样得到主缸压力传感器数值，根据 当前轮缸压力值 ，液压控制模式查表得到 1 ，X 2 。 3 ． 2 液压反模型 当E S P 上层车身姿态控制器优化得到的预期压 力和当前轮缸压力确定时，则液压控制模式中各电 磁阀的开断指令 由系统反模型确 。反模型为 r，Pw N 0 一Pw u 一 式中p w N 。 预期压力 己 ， M a l 预期压力调节时间 当 P w N 。 且 己 ， M I T O 时增压，当 P N 。 且 U M l t o 时减压，己 ， M l t o 表示系统所需液压调控时 间小于系统增减压滞后时间，此时系统应该保压， 等待下一个周期进一步的指令 。 3 ． 3 模型的偏差补偿 电磁阀状态切换时，初期压力有滞后与波动。 试验表 明在初始条件 初始压力、主缸压力等 基本 一 致时 ，初期增减压速率相差较大，但稳定增压速 率，以及轮缸压力相近，因此可忽略增减压速率变 化。E S P不同的加减压方式构成了不同的回路 ，系 统的压力滞后也不同。为了表征压力滞后时间，需 对增压、减压、保压 3种状态之间切换的延迟时间 进行标定。 4 在线液压预估 基于液压模型实现压力在线预估，同时通过液 压反模型实现系统 电磁 阀控制逻辑 ， 构成 闭环控制， 如图 9 所示。在 自主开发的 E S P中实现上述算法， 其中主缸压力信号、各 电磁阀开关信号、各轮缸预 估压力信号来 自于 E C U， 应用开发的实车压力测试 系统可以记录得到轮缸实际压力。 在附着系数为 O - 3 的冰雪路面上 以 7 0 k m／ h的初速度进行双移线试 验 ，移线时汽车发生过 多转 向，E S P通过右前轮主 动制动实现稳定横摆力偶矩控制。 压力在线预估与实车试验结果如图 1 O 。 当压力 控制模式为 1 时，系统状态为增压 ；当压力控制模 式为 0时，系统状态为保压；当压力控制模式为一 1 时，系统状态为减压 。参量 1 ，X 2 通过实测数据拟 合得到，E S P主动制动 主管路压力为 O 时，增压 1 1 ． 2 2 1 ， 一 0 ． 8 1 5 ； 减压 1 - 0 ． 1 8 6 ， 2 ． 0 1 9 。 在线估算压力和压力传感器实测压力的偏差在 6 ％ 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 4 机械工程学报 第 4 4卷第 2期 以内，满足精度要求。 图9 轮缸压力预估算法框图 O．0 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 0 ． 8 1 ． 0 测试时间 f ／ S 图 1 O 压力在线预估与实车试验结果 E S P的 H C U结构特性决定了 x形布置的回路 之间具有很好的隔离作用，因此不同回路之间不会 造成压力的扰动，但是同一回路单轮与两轮增减压 速率稍有不同。因此多轮同时加压时，可以按照相 同的方法标定得到精确的压力模型和反模型。 5 结论 1 通过对 E S P液压系统进行建模与仿真分 析，得到系统液压动态特征的支配性环节。 2 基于支配性特性开发了 E S P主动压力控制 的液压模型和反模型。 3 应用液压模型实现了实时控制中的压力预 估，同时基于液压反模型形成了电磁阀控制逻辑， 并通过实车上匹配的自主开发的E S P控制器验证了 上述工作。 4 仿真和试验表明这种液压模型和反模型能 够满足 E S P在线控制要求。 本文的研究工作为进一 步进行轮胎力观测 、路面识别 、汽车动态运动状态 观测提供了 良好的基础 。 参考文献 [ 1 】Z A N T E N AT E R T A R A D P F A F FG． C o n t r o l a s p e c t s o f t h e B o s c h - VD C [ C ] ／ ／ I n t e ma t i o n al S y mp o s i u m o n Ad v a - n e e d V e h i c l e Co n tro l ， J u l y 2 4 2 8 ， Aa c h e n , Ge r ma n y , 1 9 9 6 5 7 3 ． 6 0 8 ． [ 2 】孔磊． 面向A B S产业化的控制问题研究[ D】 ．北京 清华 大学 ，2 0 0 5 ． KONO Le i ．Re s e a r c h o n c o n tr o l p r o b l e ms o f t he AB S i n d u s t r i a l i z a t i o n [ D] ． B e ij i n g T s in g h u a U n i v e r s i t y , 2 0 0 5 ． [ 3 】 F I S HE R D K． B r a k e s y s t e m c o mp o n e n t d y n a mi c p erf o r - ma l i c e me a s u r e me n t a n d a n a l y s i s [ R ] ． S AE P a p e r 7 0 0 3 7 3 ， 1 9 7 0 ． [ 4 】 丁能根，潘为民，方裕固． A B S压力响应测试和压力的 精细调节【 J 】 ，机械工程学报，2 0 0 4 ， 4 O 7 1 8 8 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