集成式电子液压制动系统鲁棒性液压力控制.pdf

第 5 1 卷第 1 6期 2 0 1 5 年8 月 机械工程学报 J OURNAL 0F MECH A NI CAL ENGI NEERI NG V_0 1 ． 51 Au g． N0． 1 6 2 0 1 5 DoI 1 0 ． 3 9 0 1 ／ J M E． 2 0 1 5 ． 1 6 ． 0 2 2 集成式电子液压制动系统鲁棒性液压力控制木 余卓平 ， 2 徐松云 ， 2 熊 璐 ， 2 广学令 ， 2 1 ．同济大学汽车学院上海2 0 1 8 0 4 ； 2 ．同济大学新能源汽车工程 中心上海2 0 1 8 0 4 摘要面向汽车集成式电子液压制动系统需求，设计一种鲁棒性液压力控制系统。基于系统特性分析发现，集成式电子液压 制动系统为非线性时变系统，其工作受到温度、湿度、载荷扰动等多重不确定因素的影响，容易产生振荡的现象。因此要求 液压力控制系统对外界不确定的扰动有较强的适应性，同时满足指标要求。利用基于系统改进的田口方法，提出一种集成式 电子液压制动系统鲁棒性液压力控制方法。建立相关试验平台并利用该方法实现液压力鲁棒性控制。试验结果表明，所设计 的鲁棒性液压力控制方法鲁棒性强，响应迅速，在 5 0 0次试验内均保持稳健。因此，研究为非线性时变控制系统设计找到了 一 个新的设计方法，运用该方法设计出的控制系统可以使系统的输出对于干扰不敏感，在提高系统的鲁棒性的同时，优化系 统性能 。 关键词 电子液压制动系统 ；鲁棒性 ；田口方法 中图分类号 U 4 6 3 Ro bu s t n e s s Hy dr a u l i c Pr e s s u r e C o n t r o l S y s t e m o f I n t e g r a t e d -- e l e c t r o - h y d r a u l i c Br a ke S y s t e m YU Zh u o p i n g ， XU So ng yu n1 ， XI ONG Lu ， GUANG Xu e l i n g ’ 1 ． S c h o o l o f Au t o mo t i v e S t u d i e s ， T o n g j i U n i v e r s i t y , S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 ； 2 ． C l e a n E n e r g y A u t o mo t i v e E n g i n e e r i n g C e n t e r , T o n g j i Un i v e r s i ty, S h a n g h a i 2 0 1 8 0 4 Ab s t r a c t A r o b u s t n e s s c o n t r o l s y s t e m i s p r e s e n t e d t o f u l fi l l t h e r e q u i r e me n t s o f h y d r a u l i c p r e s s u r e c o n t r o l o f i n t e g r a t e d -- e l e c t r o - h y dra u l i c b r a k e s y s t e m． Ba s e d o n t h e a n a l y s i s o f c h a r a r i s t i c s o f s y s t e m i t i s f o u n d tha t i n t e g r a t e d - e l e c t r o h y dra u l i c b r a k e s y s t e m i s a n o n l i n e a r t i me v a r y i n g s y s t e m． I t i s a ffe c t e d b y a mb i e n t t e mp e r a t u r e ， h u mi d i t y , l o a d d i s t u r b a n c e a n d o t h e r u n c e r t a i n f a c t o r s a n d o s c i l l a t i o n O C C urS ． I n o r d e r t o s o l v e t h e s e p r o b l e ms t h e c o n t r o l s y s t e m o f I - EHB i s r e q u i r e d t o h a v e a g o o d a d a p t a t i o n f o r e x t e r n a l u n c e r t a i n d i s t u r b a n c e ． Us i n g T a g u c h i me t h o d wh i c h i s mo d i fi e d a c c o r d i n g t o t h e s y s t e m a r o b u s tne s s h y dra u l i c p r e s s ure c o n t r o l s y s t e m f o r i n t e gr a t e d - e l e c tro - h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m i s f o r m e d ． Us i n g t h e t e s t r i g th i s r o b u s t n e s s c o n t r o l s y s t e m i s t e s t e d ． Re s u l t s s h o w t h a t t h i s r o b u s t n e s s c o n t r o l s y s t e m r e s p o n d e d r a p i d l y a n d h a s a g o o d r o b u s tne s s ．I n 5 0 0 e x p e r i me n t s t h e s y s t e m k e e p s i n s t a b i l i ty． He n c e a n e w me t h o d for t h e c o n t r o l s y s t e m d e s i g n o f n o n l i n e a r t i me v a r y i n g s y s t e m i s f o u n d ． By u s i n g thi s me t h o d the o u t p u t o f s y s t e m i s i n s e n s i t i v e t o e x t e r n a l d i s t u r b a n c e ，the r o b u s tne s s o f s y s t e m i s i mp r o v e d a n d the p e r f o r ma n c e o f s y s t e m i s o p t i mi z e d ． Ke y wo r d s e l e c t r o h y dr a u l i c b r a k e s y s t e m ； r o b u s t n e s s T a g u c h i me t h o d 0 前言 由于 电子液压制动系统的种种优势 ，它正随着 汽车技术的发展越来越受到重视。此外，电子液压 制动系统在集成度和轻量化方面也有较大的优势 。 国家重点基础研究发展计划资助项 目 9 7 3 计划 ，2 0 1 1 C B 7 1 1 2 0 o 。 2 0 1 4 0 8 2 0收到初稿，2 0 1 4 1 2 2 0收到修改稿 作为电子液压制动系统的一个分支，集成式电子液 压 制 动 系 统 I n t e g r a t e d 。 e l e c t r o ． h y d r a u l i c b r a k e s y s t e m， I - E H B 通常由电动机、制动主缸 、轮缸压力 控制模块、踏板模拟系统、失效备份系统及其管路 所组成，其主动建压装置与主缸集成在一起，直接 通过电动机驱动直线运动机构推动主缸建压，故称 其集成式。该系统不同于 目前应用较多的泵式 电子 液 压 制 动 P u mp e l e c t r o h y dra u l i c b r a k e s y s t e m， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 8月 余卓 平等 集 成式 电子液压制动系统鲁棒性液压力控制 2 5 O 3 O 3 2 3 4 3 6 3 8 时间 ／ s 系统振荡现象 图 7的试验工况同图 6相 同，为采用同一 P I 控制参数的 5 MP a 连续阶跃 目标值跟随响应。从图 7 中可知 ，系统对于同一 目标液压力和 同一控制参 数的液压力动态响应过程并不一致 。 图 7 系统时变现象 基 于 以上系统特性得 出，I - E H B 系统如采用 P I D 控制器 ，需要通过一定的方法来获取控制器参 数，在确保系统鲁棒性的同时，保证系统的响应速 度。本文利用针对 I - E H B系统改进后的田口方法 以 求达到这一 目的。 2 ． 2 控制方法介绍 本文采用分段 P I 控制， 因其对于不 同的误差所 对应 的控制参数是不同的，从而可 以使整个控制系 统趋于最优 。为了避免积分饱和现象 ， 将 P I 控制分 为两段 ，大误差时采用纯 P控制，避免积分饱和现 象，小误差时采用 P I控制，使系统能够准确跟随 目标 。 2 ． 3 田口方法介绍 田口方法是一种提高系统稳定性的方法 ，它作 为提高产 品质量的有效方法在制造业 得到较多 的 运用 。 田 口方法的工作工程如下。首先确定所需产 品 的目标特性并对相关影响因素进行水平划分 。 之后， 采用正交试验方法对 目标特性进行测试 ，然后 以信 噪比望小为衡量 目标产 品鲁棒性的指标 ，通过系统 分析统计各试验方案找到鲁棒性最强的方案 。 之后， 基于对 目标特性 的灵敏度分析，寻找出稳健可靠 同 时性能优越 的方案 ’ 1 2 J 。 如上文所述 ， 在利用 P I 控制器对系统进行液压 力动态控制时，由于系统的非线性和 时变性，会引 起系统的振荡，破坏系统的稳定性和精确性。而 田 口方法的核心思想正是通过对于参数 的分析来提高 系统对于扰动的鲁棒性。因此，通过适当的调整与 创新，可将 田口方法利用于 I - E H B系统的鲁棒性控 制设计中，在提高系统的鲁棒性的同时提高系统的 性能。 2 ． 4 方法 调整 传统 的 田口方法采用信 噪 比考察系统 的鲁棒 性。以分贝为单位写成对数形式为 S N R 1 0 l g I 皇 』 r 3 1 D 式中，E ， 为设计 目标的数学期望；D ， 为函数响 应的波动方差。 采用这 一表 达方式 的本质 是为 了综合衡量有 效信号和干扰信号 或无效信号 。由于采用 了望小 特性质量损失函数，故将有效信号置于分母，干扰 信号置于分子。因此 ，对于特定问题可能借鉴这一 思想进行灵活运用。 针对于 I - E HB系统，由于控制方法 的特征，因 此不存在稳态误差，即系统的方差为零 ，即传统 田 口方法中的信噪比概念不适用于闭环控制系统 J 。 因此 ，在此需要重新定义 田口方法 中的信噪比。通 过前期试验发现， 利用 P I 控制器对液压力进行控制 时，系统 的鲁棒性出现 了较为严重 的问题，常常出 现振荡现象。因此， 借鉴 田口方法的信噪比的概念， 将发生振荡的次数作为干扰信号置于分子；但 由于 可能存在系统一次都无法收敛 的情况，因此不宜将 没有发生振荡的次数置于分母 ，故将试验总次数作 为有效信号置于分母 。此外，采用振荡次数除以试 验次数的定义使得信噪比有了另一个实际意义 ，即 振荡概率。故不采用对数形式，使这一参数更加直 观，方便理解 。因此 ，采用系统振荡概率作为系统 的定量考察参数来代替传统 田口方法中的信噪比。 系统因子是分段 P I 控制的控制参数，共 四个 ， 分别是粗调 P 粗调 比例环节系数 、精调 P 精调 比 例环节系数 、精调 I 精调积分环节系数 以及粗精 调门限值 D，其中门限值定义为 目标值的百分 比。 系统输入为 5 MP a阶跃 目标液压力信号，系统输出 为实际轮缸液压力值 。 6 5 4 3 2 ● 日 莹 、 矮 6 勰 图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 5 1 卷第 1 6期 3 试验分析与验证 3 ． 1 试验分析 利用已搭建的试验平台和 I - E HB样机对系统进 行试验分析 ，以验证方法可行性及效果。试验所采 用的系统输入为 5 MP a 连续阶跃 目标值 。 将所有可控 因子分别取三个水平，制成 四因素 三水平正交表／ - ,9 3 表 1 ，进行试验方案规划 ， 共 需 9次试验 表 2 。 表 1 因素水平表 系统响应 的评价指标采用 上升时间 ，系统峰 值，调整时间以及振荡概率 。 其中上升时间为系统为到达 目标值的 1 0 ％至初 次达到 目标值的 9 0 ％的时间，调整 时间为系统从到 达 目标值 的 1 0 ％至系统之后误差小于 5 ％的时间。 通过正交试验得到试验结果见表 3 。 表3 正交试验结果表 由表 3可知，上升时间以及峰值对于各个控制 参数的变化不敏感，而调整时间以及振荡概率对于 各个控制参数的变化较敏感。因此 ，采用调整时间 和振荡概率作为系统 的评价指标。 此外 ，发现对于各个控制参数的组合，系统都 存在一定的振荡概率，然而这一概率随着参数的变 化有较大幅度的变化。同时，调整时间也有类似现 象，各个控制参数的调整时间从 2 0 0 ms 到 9 3 0 ms 不等 。因此，通过优化系统 的控制参数能对系统控 制效果有较大的优化。 基于试验结果，通过因素分析得到各个参数对 于振荡概率的影响，如表 4所示。 表 4 振荡概率因素分析表 为 了更清 晰地分 析各 个因素对于振荡概率 的 影响，得到要因效果图 8 。 一 褥 娶 转 图 8振荡概率因素分析图 从图 8中可以发现 ，各个参数对于振荡概率的 影响中精调 P最高，门限值次之 ，粗调 P再次，精 调 I 几乎不影响。 此外，得到最稳健的控制参数如下粗调 P取 0 ． 1 6 ， 精调 P取 0 ． 0 4 ， 精调 I 取 0 ． 0 0 5 ， 门限值取 5 0 ％。 基于试验结果，通过因素分析得到各个参数对 于调整时间的影响，如表 5所示 。 表 5 调整时间因素分析表 为了更清晰地分析各个 因素对于调 整时间的 影响，得到要因效果 图 9 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5年 8月 余卓平等集成式电子液压制动系统鲁棒性液压力控制 2 7 一 -兰 一r／＼ 、 一 ～[ _ 1 2 3 水平 图9 调整时间因素分析图 从 图 9中可以发现，各个参数对于调整时间的 影响中精调 I 最高，粗调 P 、门限值和精调 P几乎 不影 响。 此外，得到最快速 的控制参数如下粗调 P取 0 ． 1 6 ，精调 P取 0 ．0 6 ，精调 I 取 O ．0 0 7 5 ，门限值取 3 O ％ 。 基于以上灵敏度分析可知，精调 I 对于稳定性 的影响较小，而其对于调整时间影响较大 。因此基 于田口方法，利用精调 I 对最稳健控制参数进行优 化 ，获得最优的综合性能控制参数 ，即粗调 P 取 0 ． 1 6 ，精调 P取 0 ． 0 4 ，精调 I 取 0 ． 0 0 7 5 ，门限值取 5 0 ％ 。 因此，基于试验分析获得如表 6所示的三组最 优控制参数 。 表 6 最优控制参数 3 ． 2 试验验证 为验证 田口方法 的有效性，针对所获得的三组 最优参数进行试验验证，结果如表 7所示 。 表 7 最优参数试验验证结果 由表 7 可知， 所得出的最稳健控制参数经过 5 0 0 次 5 MP a的阶跃输入没有出现一次振荡现象；而所 得到最迅速控制参数经过 4 0次试验后的平均调整 时间为 2 0 5 ． 1 1 ms ， 比最稳健控制参数节省 3 1 ％的调 整时间。而对于采用 田口方法所得到的综合最优控 制参数，其调整时间比最稳健控制参数快了 4 6 ． 6 6 ms ，而其在 5 0 0次试验中没有发生一次振荡现象 。 试验证明了田口方法的正确性及实用性 。 因此，对于 5 MP a阶跃输入的分段 P I 控制参 数宜取通过 田口方法获得 的综合最优控制参数 ，使 系统在保证鲁棒性的前提下最优响应时间。 4 结论 本文提 出了针对 I - E H B系统的基于 田口方法的 非线性时变系统的鲁棒性液压力控制方法 。并通过 试验证明了该方法的正确性 以及 田口方法是对于提 高系统响应品质的有效方法。 试验表明，该方法可 以大幅度提高电子液压制 动系统的鲁棒性及抗干扰能力 。 该方法在 电子液压制动系统中的应用成功 ，为 非线性 时变系统控制设计提供 了一个有效而实用的 控制方法 。 总之 ，本方法为非线性时变控制系统设计找到 了一个新的设计方法，运用该方法设计出的控制系 统可 以使系统的输 出对于干扰不敏感，在提高系统 的鲁棒性的同时，保证系统性能。同时，这一方法 并不局 限于液压力控制 ，在很多工程领域都有着广 泛的应用前景 。 参考文献 [ 1 ]R E UT E R D F ‘ ，L L oY D E W ，Z E H ND E R J W ，e t a 1 ． H y d r a u l i c d e s i g n c o n s i d e r a t i o n s f o r E HB s y s t e ms [ R ] ． S AE， 2 0 0 3 - 0 1 - 0 3 2 4， 2 0 0 3 ． [ 2 ]F E I G E L H O R ．I n t e g r a t e d b r a k e s y s t e m w i t h o u t c o mp r o mi s e s i n f u n c t i o n a l i t y [ J ] ． A T Z Wo r l d wi d e ，2 0 1 2 ， 1 1 4 7 8 1 4 6 - 5 0 ． [ 3 】AL F I O N ， MOR G AN DO A ， S O R NI OT T I A． E l e c t r o h y dra u l i c b r a k e s y s t e ms De s i g n a n d t e s t t h r o u g h h a r d wa r e i n t h e - l o o p s i mu l a t i o n [ J ] ． V e h i c l e S y s t e m D y n a mi c s ，2 0 0 6 4 4 3 7 8 - 3 9 2 ． 【 4 ]赵海涛．汽车电子液压制动系统跟随特性的试验研究 [ D】 ．长春 吉林大 学，2 0 1 1 ． ZHAO Ha i t a o ．Re s e arc h o n the f o l l o wi n g c h a r a c t e r i s t i c t e s t o f e l e c t r o n i c h y dra u l i c b r ak e s y s t e m f o r a u t o mo b i l e [ D] ． C h ang c h u n J i l i n U n i v e r s i ty，2 0 1 1 ． [ 5 】金智林 ，郭立书 ，施瑞康 ，等． 汽车 电控 液压制动系统 动态性能分析及试验研究[ J ] ．机械工程学报，2 0 1 2 ， 4 8 1 2 1 2 7 - 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ma i l y u z h o u p i n g t o n g j i ．e d u ． c n 熊璐 通信作者 ，男，1 9 7 8 年出生，博士，副教授，硕士研究生导师。 主要研究方向为汽车系统动力学与控制。 E ma i l x i o n g l u ．g mg ma i l ． U U 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m