商用车ebs系统比例继动阀特性与控制方法

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2014年10月农业机械学报第45卷第10期doi:10．6041/j．issn．1000-1298．2014．10．001*商用车EBS系统比例继动阀特性与控制方法1，2111韩正铁宗长富赵伟强万滢(1．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春130025;2．平壤机械大学机械学院，平壤999093)摘要:针对商用车电子控制制动系统比例继动阀迟滞特性，提出了特性仿真模型和迟滞补偿控制方法。建立了能反映迟滞特性的比例继动阀数学模型，应用Matlab/Simulink软件进行了其响应特性和迟滞特性的仿真，通过开环测试验证了模型的准确性和可靠性。在此基础上提出了能够补偿迟滞特性的比例继动阀控制方法，并进行离线仿真和硬件在环试验，验证了该控制方法的有效性。关键词:商用车EBS系统比例继动阀迟滞补偿控制方法中图分类号:U463.52文献标识码:A文章编号:1000-1298(2014)10-0001-06比例电磁阀、继动阀和压力传感器组成，是包含电控引言回路及气控回路的双回路机构。电控回路系统的执商用车电子控制制动系统(Electronicallycon-行和监控由整车中央ECU完成，气控系统的控制通trolledbrakesystem，EBS)是近几年在制动防抱死系过电控制动总阀来实现。统基础上发展起来的，主要用于改善商用车的制动性能。国外对EBS的研究较为系统，硬件部分，各大整车厂和零部件厂商均生产出EBS的批量产品或原型样机，EBS各零部件的改善也研究得较为深［1－5］入，各高校对EBS控制方法等也进行了深入研［6－8］究。而在国内，EBS还处于起步阶段，尚无成熟产品出现，只有部分高校进行了控制算法、仿真平台图1比例继动阀结构简图［9－11］和CAN通信的研究，而在控制器硬件和试验Fig．1Structureofproportionalrelayvalve［12－13］台建设方面的研究不多。在正常工作状态下，中央ECU确定的控制电流商用车一般采用气压制动，具有响应滞后的特通过比例电磁阀转换为继动阀的控制压力，然后比点，其制动性能对EBS系统的迟滞特性非常敏感。例继动阀输出与该控制压力呈比例关系的制动压作为电控制动核心部件之一的比例继动阀，其压力力。当电路失效时，气控回路的冗余结构可以保证迟滞特性严重，将严重影响气动EBS的工作性能，［14－16］比例继动阀按照传统气压制动的商用车上阀体的方很容易造成重大交通事故。式工作，通过气压进行阀体的驱动。本文针对比例继动阀的迟滞特性进行建模仿1.2比例继动阀迟滞特性真，研究其时间响应和迟滞特性，提出迟滞补偿控制方法，并通过硬件在环仿真试验，验证该控制方法的对比例继动阀特性的试验资料表明它有明显的有效性及可靠性。迟滞特性。理论上，比例继动阀的输出信号与输入信号应该是呈线性关系的。但实际上，当输入信号1比例继动阀结构和迟滞特性是一条确定的曲线时，输出信号增压和减压过程中1.1比例继动阀结构的曲线不完全重合。也就是说，即使输入信号是某比例继动阀是用来控制前桥制动压力输出的作一个确定值，对应的输出信号在增压和减压的不同动件。比例继动阀及其结构简图如图1所示。它由过程中也将是2个不同的数值，从而形成一个滞环收稿日期:2013-11-22修回日期:2014-02-16*国家自然科学基金资助项目(51075176)作者简介:韩正铁，博士生，平壤机械大学教师，主要从事车辆制动电子控制系统研究，E-mail:hjc234@163．com通讯作者:宗长富，教授，博士生导师，主要从事汽车仿真与控制研究，E-mail:378811297@qq．com 2农业机械学报2014年*曲线(图2)。x———比例电磁阀的锥阀和滑阀之间的初始间隙m1———锥形阀和电磁铁运动部分的质量m2———滑阀质量K1———锥阀支撑弹簧刚度K2———滑阀支撑弹簧刚度x10———锥阀支撑弹簧预紧量x20———滑阀支撑弹簧预紧量图2比例继动阀迟滞特性C1———锥阀等效粘性阻尼系数Fig．2HysteresischaracteristicsofproportionalrelayvalveC2———滑阀等效粘性阻尼系数继动阀阀芯的运动微分方程比例继动阀迟滞特性产生的原因主要是:①气···压系统具有可压缩性。②电磁阀阀芯结构及运动时ìm3y=pdA2C3y－K3(y30+y)+m3g－peA3ï·*阀芯上的径向不平衡力的存在所导致的摩擦力。sign(y)Ff(0≤y＜y)ïï③阀的库仑摩擦、粘性摩擦等各种摩擦力。而导致···í(m3+m4)y=pdA2(C3+C4)y－K3(y30+y)－迟滞特性的最基本原因就是在压力增加和减少时摩ï*ïK4(y40+y－y)+(m3+m4)g－peA3擦力的作用方向相反。ïî·*sign(y)Ff(y≤y≤ymax)比例继动阀的压力迟滞特性对气动EBS系统(3)的工作性能影响很大，会严重影响商用车主动安全式中pe———与出口连接的继动阀工作气室压力性，所以迟滞补偿控制在提高制动性能上有很大的A2———活塞上面压力有效面积实践意义。A3———活塞下面压力有效面积2比例继动阀特性y*———继动阀的活塞与阀座间的初始间隙2.1比例继动阀的数学模型m3———活塞质量m4———阀座质量比例继动阀的数学模型，包括阀体运动部件K3———活塞支撑弹簧刚度的运动微分方程和气室里的压力变化方程等。商K4———阀座支撑弹簧刚度用车气动EBS系统的比例继动阀动态特性方程组y30———活塞支撑弹簧预紧量如下:y40———阀座支撑弹簧预紧量电磁引力特性C3———活塞等效粘性阻尼系数B2S1μSC4———阀座等效粘性阻尼系数20FS==(NI)2(1)F———继动阀气密和阀体之间的摩擦力2μ02δf式中FS———电磁铁的吸引力气室的压力变化方程1B———气隙磁通密度δ———最大间隙ìkap12k－12kＲ0T1μ0———导磁率，取μ0=0.4π×10－6H/mïV(k+1)槡k+1ïS———可动件的横截面积ïï(0≤p2/p1＜0.528)dpN———线圈圈数I———输入电流dt=í2k+1ïkap12kp2kp2k比例电磁阀阀芯的运动微分方程ïVＲ0T1k－1[(p)－(p)]槡11···ïïìm1x=FSC1x－K1(x10+x)+m1g－pdA1ï*î(0.528≤p2/p1≤1)(0≤x＜x)ïï(4)···í(m1+m2)x=FS(C1+C2)x－K1(x10+x)－式中k———绝热系数，取k为1.4ï*ïK2(x20+x－x)+(m1+m2)g－pdA1a———流通道面积ï*î(x≤x≤xmax)Ｒ0———气体常数，取Ｒ0为287.1J/(kg·K)(2)T1———气体的绝对温度，取T1为313K式中pd———比例电磁阀的滑阀和继动阀的活塞之V———气室体积间的压力控制气室里的压力p1———输入压力p2———输出压力A1———作用于锥阀的压力有效面积上述方程中上面的负号表示增压过程的特性， 第10期韩正铁等:商用车EBS系统比例继动阀特性与控制方法3而下面的正号表示减压过程特性。另外，阀芯运动2.2.2比例继动阀迟滞特性建模中忽略了流体作用于阀芯的流动力。为使系统达到稳定状态，能反映系统的静态特2.2比例继动阀特性仿真及测试性，仿真过程中应选取足够长的仿真时间。仿真得比例继动阀的响应时间和迟滞特性是确定控制到了图5所示的输入电流信号增加和减小的情况下方法的重要指标。因此，本文基于上述数学模型，应比例继动阀的压力响应曲线，即为比例继动阀的滞用Matlab/Simulink工具，仿真分析了比例继动阀在环特性。可以看出，增压和减压过程中发生的电流增压、减压条件下的特性。比例继动阀仿真模型如滞后最大达到约0.23A。图3所示。图5迟滞特性仿真与测试结果Fig．5Simulationandtestresultforhysteresischaracteristic图3比例继动阀仿真模型从图4和5的仿真结果与硬件实测结果的比对Fig．3Simulationmodelforproportionalrelayvalve中可以看出测试结果与仿真结果总体一致，这说明比例继动阀的大部分参数通过试验测量获得，本文的仿真模型是合理的。而仿真和测试结果之间如基本尺寸、质量、体积等。有些参数参考其他文献的微小差异可能是建模过程中引入的假设和忽略所确定，而带有高度不确定性的参数，如库仑摩擦力、造成的。粘滞摩擦力等则通过估计确定。采用压力供给单元的压力、大气压力和压力源的气温作为仿真的初始3控制方法条件和边界条件。通过分析比例继动阀的内部结构、工作原理及2.2.1比例继动阀压力响应特性特性测试结果，决定采用PWM方式控制阀芯动作。比例继动阀的压力响应时间是确定其目标压力使用MCS12DG128芯片的PWM控制接口，通过改更新周期的重要基础。只有目标压力的最小更新时变输出电压来改变阀芯控制电流，从而改变阀门开间大于比例继动阀气压的稳态响应时间，才能保证度，实现压力可变控制。阀体完成对上一时刻设定的目标压力的响应。3.1迟滞特性补偿方法比例继动阀压力响应的时间历程曲线如图4所由于比例继动阀具有滞环特性，所以必须对其示。图中实线为比例继动阀开环稳态响应时间的测进行补偿控制，才能实现稳定精密的控制。根据过试曲线，在第1秒时将比例继动阀的控制端直接连程控制的原理，选用前馈补偿控制方法补偿比例继接到12V供电电源的两端，当比例继动阀输出压力动阀的迟滞特性。稳定后，其压力应该与气源压力相同。测试中气源对于稳态时的升压曲线和降压曲线进行近似线压力为0.5MPa，比例继动阀压力上升到稳定压力性化，得到的结果如下:75%的时间为157ms。(1)升压时:p=1.27I－0.56，当I=1.12A时，p达到最大值不再上升。(2)降压时:p=1.24I－0.29，当I=0.84A时，p达到最大值不再上升。滞环补偿环节的基本思想是:首先判断目标压力的变化趋势，如果目标压力变大，则使用升压近似曲线来确定输出电流;如果目标压力变小，则使用降图4压力响应特性仿真与测试结果压近似曲线来确定输出电流。当目标压力大于最大Fig．4Simulationandtestresultforpressure值(0.8MPa)时，增压时电流取1.12A，减压时取responsecharacteristic0.84A;当目标压力小于指定值(0.01MPa)时，增压 4农业机械学报2014年时输出电流为0.47A，减压时输出电流为0.28A。证。离线仿真系统如图8所示。滞环补偿环节的程序流程图如图6所示。图8前馈补偿控制算法的Simulink验证模型Fig．8Simulinkverificationmodelforfeedforwardcompensationcontrolmethod为验证前馈补偿控制的有效性把有补偿环节的图6前馈补偿环节的流程图PID闭环控制算法和没有补偿环节的PID闭环控制Fig．6Flowchartoffeedforwardcompensation算法在Simulink上进行了相互比较。比例继动阀的3.2比例继动阀的闭环控制有迟滞特性补偿控制和没有迟滞补偿控制的仿真结PID控制作为经典的闭环控制方法，在工业控果如图9所示。制中得到了广泛的应用。然而，本系统中的控制对象比例继动阀具有比较明显的滞环特性。对于这种系统，单纯采用传统的PID控制方法难以取得满意的效果，根据过程控制原理，采用逆滞环补偿可以有效地改进系统的滞环特性，同时结合PID控制算法，利用闭环PID控制的优点，可以获得较好的控制效果。因此，本文采用前馈补偿结合PID控制的方法进行比例继动阀的控制。图9比例继动阀补偿控制离线仿真结果前馈补偿环节与压力PI环节共同决定了输出Fig．9Simulationresultofcompensationcontrol压力的大小。前馈补偿控制可以使前轴比例继动阀forproportionalrelayvalve的压力快速接近目标压力，随后的PID调节可以使实际压力稳定在目标压力左右。如果目标压力变图9为目标压力0.3MPa时在有迟滞补偿和没大，则采用升压滞环曲线确定PWM占空比的初始有迟滞补偿的控制条件下，比例继动阀的压力响应值，随后利用PID进行调节;如果目标压力减小，则特性。从图9可以看出，有迟滞补偿的控制算法比采用降压滞环曲线确定PWM占空比的初始值，随没有补偿的控制算法明显的缩短了控制延迟，提高后利用PID进行调节。前馈PID控制整体的控制框控制质量。4.2控制算法的HIL试验验证图如图7所示。4.2.1硬件在环试验台商用车EBS系统硬件在环仿真系统的实物图如图10所示。与其他硬件在环仿真试验台相比，XPC-Target是Mathworks公司生产的实时仿真工具，它具有操作简单、成本低、兼容性好等优点，并且可以支持Matlab/Simulink软件编写的车辆动力学图7前馈补偿PID控制框图模型。XPC-Target采用主机-目标机共同运行的模Fig．7FeedforwardcompensatedPIDcontrolblockdiagram式，主机负责运行Matlab/Simulink，目标机负责执行主机生成的代码，仿真结果的数据能够以workspace4比例继动阀控制算法验证的形式存储在主机中，便于后期的数据处理和曲线4.1控制算法离线验证绘制时的调用。运用上面搭建的仿真模型对商用车EBS系统硬件在环试验台的车辆模型采用17自由度商比例继动阀前馈补偿控制算法进行了离线仿真验用车模型，包括8个轮胎自由度和9个车体自由度。 第10期韩正铁等:商用车EBS系统比例继动阀特性与控制方法5要求。图10EBS系统硬件在环仿真试验台图11比例继动阀闭环控制曲线Fig．10HILStestbedforEBSFig．11Closedloopcontroltestresultsof模型采用模块化设计的原则，包括车轮动力学、轮胎proportionalrelayvalve动力学、车身动力学、路面、发动机系统、传动系统、图12为在目标压力0.3MPa的工况下，补偿控转向系统、制动系统、驾驶员操纵共9个模块。制离线仿真结果和硬件在环试验结果的对比曲线。4.2.2比例继动阀不同压力响应时间测试研究结果表明本文提出的比例继动阀迟滞补偿控制采用了前馈结合PID控制的方法，来补偿比例算法具有一定的实际应用性。继动阀的迟滞特性。但是PID参数的变化会对系统的响应产生重大的影响，不同PID参数控制的效果也不同。本文经过各种测试，最终确定了一组参数。为了验证这组参数能否适用于不同的目标压力，在电控制动系统硬件在环实验台上进行了不同压力下的响应时间测试试验。HIL试验台试验选定低、中、高3种不同压力，目标压力分别为0.3、0.5和0.7MPa，分别对应小制动、中等强度制动和紧急制动的工况。图12比例继动阀控制算法仿真与试验结果测试时，车辆模型将车速增加到一定值，然后试Fig．12Simulationandtestresultofcontrolmethod验人员稳定控制踏板，EBS控制器会根据踏板的开forproportionalrelayvalve度及其变化率确定当前驾驶员的目标制动减速度，5结束语然后换算为相应的制动气室压力。比例继动阀的前馈闭环控制策略会根据目标值控制底层阀体的动以商用车EBS比例继动阀为研究对象，在硬件作，从而输出目标制动力。气室压力传感器会实时在环仿真试验台的基础上，进行了EBS比例继动阀测量当前的压力，同时反馈给EBS控制器及XPC采的建模和仿真分析、迟滞补偿控制以及硬件在环试集系统。根据返回的目标压力及实际气室压力，就验。分析了电控制动系统比例继动阀产生迟滞特性可以得到该PID参数调节下的压力响应时间，从而的原因，建立了能反映迟滞特性的比例继动阀的数确定该参数合理性。学模型，并应用Matlab/Simulink仿真分析了其压力图11为在前馈PID联合控制下，比例继动阀的响应时间和迟滞特性，通过开环测试验证了该模型不同目标压力响应时间的测试结果。从图中可以看的准确性和可靠性。在此基础上，提出了能够有效出，在低、中、高3个不同目标压力工况下，实际压力补偿迟滞特性的控制方法，并通过硬件在环仿真试达到目标压力75%的时间分别为:0.153s、0.227s、验，验证了本文提出的商用车EBS系统比例继动阀0.259s，完全满足比例继动阀前馈PID闭环控制的仿真模型和所开发的控制方法的可靠性和有效性。参考文献1Electronicallycontrolledbrakesystem:systemandfunctionaldescription［EB/OL］．［2007-12-05］，www．wabco-auto．com．2EBS—electronicbrakingsystemfortruck＆busapplications［EB/OL］．［2012-02-09］，www．knorr-bremse．com．3PaljooYoon，Hyung-JinKang，InyongHwan，etal．Brakingstatusmonitoringforbrake-by-wiresystems［C］．SAEPaper2004-01-0259，2004．4MillerJonathanI，CebonDavid．Ahighperformancepneumaticbrakingsystemforheavyvehicles［J］．VehicleSystemDynamics，2010，48(Supp．1):373－392． 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