汽車電子液壓制動(dòng)系統(tǒng)跟隨特性的實(shí)驗(yàn)研究 ----EHB系統(tǒng)跟隨特性的實(shí)驗(yàn)研究（一）

　　第4章EHB系統(tǒng)跟隨特性的實(shí)驗(yàn)研究

　　4.1引言

　　EHB系統(tǒng)由于取消了傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)踏板與制動(dòng)卡鉗間直接的液壓鏈接，與傳統(tǒng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)在性能以及時(shí)間響應(yīng)上存在巨大差異。因此EHB的成功研制需要大量的實(shí)車試驗(yàn)，才能得到系統(tǒng)的最佳性能時(shí)的工作狀態(tài)。僅僅通過經(jīng)驗(yàn)值的摸索方式調(diào)試會(huì)造成可信度的降低，并且導(dǎo)致在短時(shí)間內(nèi)無法完成。而過長的開發(fā)周期會(huì)消耗大量的財(cái)力，人力和物力。因此在其設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，臺(tái)架試驗(yàn)是一個(gè)非常重要的手段，也是十分必要的。EHB試驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)臺(tái)架上制動(dòng)負(fù)載的變化趨勢與路面行駛一致。能夠?qū)鹘y(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)的ABS、ESP、TCS等控制算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和驗(yàn)證，實(shí)際輪缸壓力穩(wěn)定快速對(duì)給定的目標(biāo)壓力進(jìn)行跟隨是更好實(shí)現(xiàn)這些功能的前提，良好的輪缸壓力跟隨可以為后續(xù)實(shí)車試驗(yàn)獲得某些基本參數(shù)和算法打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，下面對(duì)EHB系統(tǒng)的跟隨特性進(jìn)行試驗(yàn)研究。

　　4.2 EHB制動(dòng)壓力跟隨控制算法

　　4.2.1 PID控制原理

　　PID控制器一種是應(yīng)用非常廣泛的工業(yè)控制器。PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，參數(shù)整定容易，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4.1所示，使用中通過設(shè)定調(diào)節(jié)三個(gè)參數(shù)(Kp，Ki和KD)，即可調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)。PID的這三個(gè)參數(shù)Kp，KI和KD可以根據(jù)過程的動(dòng)態(tài)特性及時(shí)整定，當(dāng)使用中得不到精確的系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型等條件，必須現(xiàn)場調(diào)試和依靠經(jīng)驗(yàn)確定，這時(shí)最適合用PID控制技術(shù)。

　　PID控制器的微分方程如式4.1所示：

　　其傳遞函數(shù)為：

　　其中u(t)為系統(tǒng)輸出，e(t)為系統(tǒng)目標(biāo)值與實(shí)際輸出值的偏差，Kp為比例系數(shù)，TI為積分時(shí)間常數(shù)。TD為微分時(shí)間常數(shù)。

　　PID控制器是一種線性調(diào)節(jié)器，這種調(diào)節(jié)器是將系統(tǒng)的給定r與實(shí)際輸出值y構(gòu)成的控制偏差e =y- r的比例、積分、微分，通過線性組合構(gòu)成控制量輸入給控制對(duì)象。

　　PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用

　　比例環(huán)節(jié)：快速減小偏差，加快響應(yīng)速度，但是過大會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量增大，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。

　　積分環(huán)節(jié)：主要用于減小穩(wěn)態(tài)誤差，但會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)速度減慢。

　　微分環(huán)節(jié)：在系統(tǒng)中偏差信號(hào)變得太大之前引入一個(gè)修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小了調(diào)節(jié)時(shí)間，減少了系統(tǒng)的超調(diào)量。

　　4.2.2 EHB液壓系統(tǒng)制動(dòng)壓力的控制策略

　　PID控制器的控制量主要有目標(biāo)信號(hào)和反饋信號(hào)兩種信號(hào)：目標(biāo)信號(hào)亦稱目標(biāo)值或給定值，即系統(tǒng)直接給定的輪缸壓力值;反饋信號(hào)是指將壓力控制信號(hào)輸入到液壓系統(tǒng)通過壓力變換傳感器測量到的系統(tǒng)輸出的實(shí)際值，亦稱反饋量或當(dāng)前值。

　　圖4.2為輪缸壓力的PID控制策略，欲使EHB系統(tǒng)中的某一個(gè)輪缸的制動(dòng)力穩(wěn)定在預(yù)期的目標(biāo)值上，控制器中的PID必須將反饋信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不斷地進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果來實(shí)時(shí)地調(diào)整輸出的電磁閥的PWM值，以調(diào)整管路中的制動(dòng)液的流量，最終使輪缸的壓力值達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)值上。

　　EHB系統(tǒng)的液壓回路中采用PWM方式調(diào)節(jié)兩位兩通的進(jìn)液閥和出液閥開啟關(guān)閉的時(shí)間，控制液壓缸中的進(jìn)油和出油的平均流量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸中的壓力的控制。PWM控制信號(hào)由軟件編程的方式產(chǎn)生，為了使高速開關(guān)閥有較好的線性調(diào)制范圍和較快的響應(yīng)速度，本文確定PWM調(diào)制信號(hào)的頻率為25Hz.根據(jù)所確定的調(diào)制信號(hào)的周期。我們對(duì)MC9S12XE/S中的PWM模塊進(jìn)行編輯，具體步驟如圖4.2

　　在EHB系統(tǒng)輪缸壓力進(jìn)行跟隨控制時(shí)，以單端導(dǎo)通方式對(duì)高速開關(guān)閥進(jìn)行控制。一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)當(dāng)一個(gè)高速開關(guān)閥開啟則另一個(gè)高速開關(guān)閥關(guān)閉。輸入目標(biāo)值與系統(tǒng)反饋值差值的正負(fù)決定了閥的開啟與關(guān)閉，而差值的大小決定了調(diào)制信號(hào)的占空比。當(dāng)目標(biāo)值與反饋值之差為正時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)油增壓，此時(shí)進(jìn)液閥導(dǎo)通，出液閥關(guān)閉。當(dāng)目標(biāo)值與反饋值之差為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)需要回油減壓，此時(shí)進(jìn)液閥關(guān)閉，出液閥導(dǎo)通。當(dāng)差值很很小時(shí)，每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的脈寬值都很小。當(dāng)差值很大時(shí)，每個(gè)調(diào)制周期內(nèi)的脈寬值都很小。

　　理想的開關(guān)閥，調(diào)制信號(hào)作用下，電磁閥做完全響應(yīng)。在一個(gè)調(diào)制周期內(nèi)，閥口流量方程為：

　　而在實(shí)際過程中，計(jì)算流量特性時(shí)應(yīng)采用閥芯的平均位移Xv來表征方程中的閥芯最大位移xm，如下式：

　　Q：由出油口流出的液體流量( L /s ) P1：進(jìn)油口壓力( Pa )

　　P2：出油口壓力( Pa ) ρ：液體密度(kg /m3 )

　　Cd：流量系數(shù) w：閥口面積梯度(㎡)

　　從上式我們可以看出，通過改調(diào)制信號(hào)的占空比D可以控制通過閥的平均流量，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出壓力的控制。以進(jìn)油閥為例，PWM信號(hào)的占空比按下式計(jì)算：

　　式中，D(t)為PWM信號(hào)的占空比，e(t)為輪缸的目標(biāo)壓力與實(shí)際壓力之差，Pd(t)為輪缸的目標(biāo)壓力，P(t)為輪缸的實(shí)際壓力，Kp、KI、KD分別為PID調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)、積分系數(shù)及微分系數(shù)，E為壓力偏差的門限值。

　　以左前輪制動(dòng)輪缸為例，其壓力跟隨的流程圖如圖4.4所示。其中Pd(t)為左前輪輪缸目標(biāo)壓力，P(t)為左前輪輪缸的實(shí)際壓力。當(dāng)輸入的目標(biāo)壓力值與反饋壓力值之差大于門限值E，此時(shí)進(jìn)液閥開啟、出液閥關(guān)閉，從進(jìn)液閥流入到液壓缸的流量大于出液閥流出制動(dòng)缸的流量，制動(dòng)缸壓力增大，當(dāng)輸入的目標(biāo)壓力值與反饋壓力值之差在±E之間時(shí)，進(jìn)液閥和出液閥均關(guān)閉，液壓缸壓力保持不變;當(dāng)輸入的目標(biāo)壓力值與反饋壓力值之差小于-E時(shí)，此時(shí)進(jìn)液閥關(guān)閉、出液閥開啟，進(jìn)液閥輸入液壓缸的流量小于出液閥流出制動(dòng)缸的流量，系統(tǒng)減壓。通過PWM模塊輸出的脈沖調(diào)制信號(hào)對(duì)高速開關(guān)閥各的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)壓力的控制。