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基于ESC控制系统的ABS控制策略研究及试验

李建华  
【摘要】: 车辆在紧急情况下制动时极易出现抱死现象,完全抱死的车轮会使轮胎与地面的摩擦力下降,如果前轮被抱死,驾驶员就无法控制车辆的行驶方向,如果后轮被抱死,就极容易出现侧滑现象。制动防抱死(Anti-lock Braking System以下简称ABS)控制系统可以有效地防止车辆失去行驶稳定性。 本文的理论思想是在国内外研究成果的基础上,综合考虑了ABS系统控制算法的实时性与控制稳定性,结合ESC系统具有主缸压力传感器的特点,提出了根据车辆制动时的行驶状态利用逻辑门限值对PID参数进行实时整定,然后采用整定的PID参数对汽车进行制动控制的控制算法。该方法既具有逻辑门限值算法响应快、算法简单的优点又具有PID控制算法稳定性好,适应性强的优点。同时避免了逻辑门限值控制车轮制动力波动大,舒适性差以及单纯PID控制方法的参数整定复杂,响应慢的缺点。 同时建立了基于CAN协议的制动系统控制网络,验证了网络功能。应用两种实时系统搭建了基于CAN网络的ECU硬件在环试验台,进行了硬件在环试验。对控制器进行了典型工况的场地试验研究。本文的研究为ABS控制系统开发奠定了基础。 本文围绕上述思路展开如下论述。 第一,车辆动力学模型建立。针对ABS系统的开发,本研究采用十五自由度整车模型。包括车体在三个方向上的六个自由度(三个平动三个转动),前轴上的三个自由度(左右车轮的跳动和转向),后轴上的两个自由度(左右车轮的跳动)和四个车轮的转动自由度。对于ABS来说底盘控制很大程度上和轮胎力控制有关,都是建立在轮胎力学特性研究的基础上,因此采用了比较成熟的基于Pacejka’96魔术公式的轮胎模型。同时模型中还加入了发动机模块、传动系模块和制动系统模块等,从而组成一个完整的仿真模型。车辆模型能够满足汽车直线加速、直线制动及转向制动等不同行驶工况的仿真要求。并应用CANoe的离线仿真功能,把从实车上采集到的车辆信息输入到车辆模型,进行模型精度的标定。 第二,ABS控制系统策略研究。本研究采用逻辑门限值与PID相结合的控制。控制系统通过逻辑门限值来判断进入ABS控制,在逻辑门限值控制的第一个循环进行路面识别,之后确定合理的目标滑移率,利用整定的PID参数进行制动力控制,充分利用PID控制器的控制精度优势,而当PID的响应出现滞后时,车轮的滑移率再次超出逻辑门限值的设定门限,此时逻辑门限值控制再次进入控制,然后循环作用,直到车轮不再趋于抱死或者车速小于3Km/h时退出ABS控制。 第三,ABS控制系统网络协议研究。控制系统总线技术在汽车上的应用越来越广泛,文中通过对CAN协议的分析,根据需求和控制功能的要求,基于CAN协议制订了ABS控制系统网络的物理层、数据链路层和应用层协议,对网络协议中节点发送的报文数量、报文的发送节点、报文的接收节点和报文中信号的组成等内容进行了具体定义。用Vector公司专业的系统级总线网络开发和测试工具CANoe建立了离线仿真模型。通过离线仿真系统通信功能正常、可以进行ABS控制功能、验证了协议的有效性以及网络的性能。网络的平均负载率和报文发送周期延迟率满足实时性要求。 第四,基于CAN网络的硬件在环试验台开发。硬件在环试验台具有着增加试验的安全性、缩短开发时间、加快开发进度和节约开发成本等优点,已经成为控制系统开发中不可缺少的一个重要环节。本文充分考虑了试验台与实车环境的仿真程度,利用实时系统搭建了基于CAN网络的硬件在环试验台,保证了控制系统与车辆状态之间以实车上的方式进行信息沟通。文中利用该试验台对自行开发的ABS控制器进行了硬件在环试验,对控制器的功能和性能进行了测试,在控制器前期的开发调试中起到了重要作用,避免了因控制器功能失效和性能欠佳给试验人员带来的伤害。 最后,ABS控制系统实车试验研究。在硬件在环试验台上完成对控制器的测试之后,将其进行装车调试。分别进行了夏季高附着路面和冬季低附着路面的相关试验。试验表明:本文所提出的逻辑门限值与PID相结合的ABS控制策略达到了预期设计目标,能够满足高附着路面与低附着路面上的制动要求;通过与原车上安装的ABS控制系统进行对比,体现出了该控制策略具有响应快稳定性好的优点。为国内ABS控制系统的研究奠定了基础。


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