集成式電液制動(dòng)系統(tǒng)建模仿真與壓力控制

張祥琨，季學(xué)武，鐘佩思*，劉 賀，王 巖，孫永鵬

(1. 山東科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，青島 266590； 2. 清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084)

隨著自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣與發(fā)展，制動(dòng)性能更優(yōu)越并且更適合自動(dòng)駕駛的電液制動(dòng)系統(tǒng)正逐步取代傳統(tǒng)的制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)輪缸的壓力調(diào)節(jié)是實(shí)現(xiàn)電液制動(dòng)的核心部分，其控制效果的好壞直接影響汽車的穩(wěn)定性與安全性[1-2]。電液制動(dòng)主要有以液壓泵和高壓蓄能器為液壓源對(duì)液壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)的泵式系統(tǒng)；以及以助力電機(jī)作為制動(dòng)動(dòng)力源，通過(guò)機(jī)械結(jié)構(gòu)使制動(dòng)主缸建壓的集成式電控液壓制動(dòng)系統(tǒng)(integrated-electro-hydraulic brake，IEHB)。泵式系統(tǒng)存在高壓制動(dòng)液泄露等安全隱患，而以電機(jī)作為動(dòng)力源的IEHB系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)建壓，具有更高的集成度、更快的響應(yīng)速度和更精確的壓力控制，便于與自動(dòng)駕駛技術(shù)相結(jié)合，因此，IEHB的構(gòu)型及其壓力控制已成為汽車業(yè)的熱點(diǎn)研究方向[3]。

國(guó)外對(duì)于IEHB的研究已經(jīng)相當(dāng)成熟，已有多家企業(yè)推出可以實(shí)現(xiàn)裝車量產(chǎn)的IEHB產(chǎn)品，如博世的iBooster1.0和iBooster2.0[4]；大陸汽車電子公司研發(fā)的MK-C1[5]；日立和日產(chǎn)公司研制的一種電動(dòng)智能制動(dòng)裝置e-ACT[6]等，MK-C1和e-ACT更是實(shí)現(xiàn)了電子機(jī)械助力器和ESP單元的高度集成。中國(guó)企業(yè)和高校對(duì)于IEHB的研究大多數(shù)仍處于壓力控制仿真或者樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的階段。對(duì)于IEHB的系統(tǒng)方案研究，李靜等[7]提出了一種電機(jī)控制的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，能夠在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)主缸活塞連接軸的前進(jìn)和倒退，完成制動(dòng)主缸內(nèi)制動(dòng)液的壓縮和釋放；張自宇等[8]設(shè)計(jì)了一種基于磁致伸縮材料的盤式線控制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用磁致伸縮材料的特性，通過(guò)控制勵(lì)磁線圈中電流來(lái)控制制動(dòng)系統(tǒng)；浙江力邦合信公司于2017年申請(qǐng)了一種帶有解耦功能的集成式電液制動(dòng)系統(tǒng)[9]。對(duì)于IEHB的壓力控制研究，李玉善等[10]提出了一種基于魯棒補(bǔ)償RBF網(wǎng)絡(luò)的IEHB系統(tǒng)液壓力控制；上官文斌等[11]建立了IEHB系統(tǒng)的5階非線性狀態(tài)方程，設(shè)計(jì)了位置-壓力串級(jí)比例-積分-微分(proportional-integral-derivative，PID)控制器；熊璐等[12]針對(duì)主缸液壓力控制過(guò)程中出現(xiàn)的爬行、死區(qū)和振蕩等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種考慮關(guān)鍵非線性特征的主缸液壓力控制算法。

對(duì)上述論文分析發(fā)現(xiàn)：中國(guó)大部分學(xué)者主要是對(duì)上層控制算法進(jìn)行研究和改善，對(duì)整個(gè)IEHB系統(tǒng)如何進(jìn)行協(xié)調(diào)壓力控制的詳細(xì)闡述較少。現(xiàn)分析IEHB系統(tǒng)方案，并利用MATLAB/Simulink軟件平臺(tái)搭建IEHB整體模型，在此基礎(chǔ)上分析IEHB系統(tǒng)增減壓特性，并設(shè)計(jì)電動(dòng)主缸單神經(jīng)元PID控制、助力永磁同步電機(jī)三環(huán)PI控制、增壓閥PID控制、減壓閥模糊控制以及電動(dòng)泵邏輯門限值控制，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)主缸與輪缸的壓力協(xié)調(diào)控制。最后，通過(guò)Simulink仿真平臺(tái)，在3種不同壓力工況下與傳統(tǒng)PID控制器進(jìn)行仿真對(duì)比，驗(yàn)證所提出的IEHB系統(tǒng)模型的正確性以及壓力控制器的高效性。

1 IEHB系統(tǒng)介紹及建模

1.1 系統(tǒng)方案組成

所采用的IEHB系統(tǒng)方案如圖 1所示。該制動(dòng)系統(tǒng)是一種集成度高且構(gòu)型簡(jiǎn)單可靠的新型線控液壓制動(dòng)系統(tǒng)，主要由以下4個(gè)部分組成。

圖 1 IEHB系統(tǒng)方案圖Fig.1 IEHB system scheme diagram

(1)踏板模擬單元。模擬踏板感反饋給駕駛員，并通過(guò)踏板行程傳感器識(shí)別制動(dòng)意圖。

(2)電動(dòng)主缸單元。通過(guò)永磁同步電機(jī)帶動(dòng)減速增矩機(jī)構(gòu)來(lái)推動(dòng)主缸推桿，建立主缸壓力。

(3)液壓調(diào)節(jié)單元。通過(guò)調(diào)節(jié)增壓閥與減壓閥的開(kāi)度和電動(dòng)泵來(lái)調(diào)節(jié)各個(gè)輪缸的壓力。

(4)系統(tǒng)控制器。根據(jù)駕駛員的制動(dòng)意圖或上層控制器發(fā)出的主動(dòng)制動(dòng)指令對(duì)系統(tǒng)實(shí)施控制。

圖 2 永磁同步電機(jī)模型圖Fig.2 Permanent magnet synchronous motor model diagram

圖 3 制動(dòng)主缸模型圖Fig.3 Brake master cylinder model diagram

1.2 系統(tǒng)工作原理

IEHB系統(tǒng)增壓時(shí)，永磁同步電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)由二級(jí)齒輪和滾珠絲杠組成的減速增矩機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)主缸推桿前進(jìn)，以建立主缸壓力，液壓調(diào)節(jié)單元(hydraulic control unit，HCU)中的增壓閥開(kāi)啟，減壓閥和電動(dòng)泵都關(guān)閉，使制動(dòng)輪缸通過(guò)增壓閥進(jìn)行增壓；保壓時(shí)，電機(jī)停止動(dòng)作，使主缸壓力不變，HCU中的增壓閥、減壓閥和電動(dòng)泵都關(guān)閉，維持輪缸壓力不變；減壓時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)主缸推桿后退，HCU中的增壓閥關(guān)閉，減壓閥開(kāi)啟，電動(dòng)泵(柱塞泵和泵電機(jī))進(jìn)行工作，使輪缸里的制動(dòng)液流到低壓蓄能器中，從而實(shí)現(xiàn)輪缸快速減壓。

1.3 IEHB系統(tǒng)建模

根據(jù)IEHB系統(tǒng)各組成部分的數(shù)學(xué)模型以及流量關(guān)系，在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型，其中永磁同步電機(jī)和制動(dòng)主缸模型如圖 2和圖 3所示。

1.4 整體控制器設(shè)計(jì)

在制動(dòng)過(guò)程中，IEHB系統(tǒng)的主缸壓力和輪缸壓力相互影響，具有控制耦合的特點(diǎn)，因此采用主缸期望壓力計(jì)算模塊通過(guò)4個(gè)輪缸期望壓力得到期望主缸壓力，從而實(shí)現(xiàn)主缸壓力和輪缸壓力的協(xié)調(diào)控制。

Pmd=max{PwFL，PwFR，PwRL，PwRR}+ΔP

(1)

式(1)中：Pmd為主缸期望壓力；PwFL、PwFR、PwRL、PwRR分別為汽車左前輪、右前輪、左后輪、右后輪的制動(dòng)輪缸壓力；ΔP為主缸壓力到輪缸壓力的壓降。

主缸壓力控制器外環(huán)采用單神經(jīng)元PID控制，得到期望的助力電機(jī)轉(zhuǎn)角位置；主缸壓力控制器內(nèi)環(huán)是對(duì)永磁同步電機(jī)采用位置-轉(zhuǎn)速-電流三閉環(huán)PI控制；輪缸壓力控制器中，對(duì)于增壓閥采用PID控制，對(duì)于減壓閥采用模糊控制，對(duì)于電動(dòng)泵采用邏輯門限值控制，從而實(shí)現(xiàn)主缸壓力到輪缸壓力的精確控制。IEHB系統(tǒng)控制框架如圖 4所示，圖中的Pwd為由上層控制器得到的輪缸期望壓力。

圖 4 IEHB系統(tǒng)控制框架Fig.4 IEHB system control framework

2 主缸壓力控制器設(shè)計(jì)

2.1 單神經(jīng)元PID控制器設(shè)計(jì)

采用的主缸壓力控制器的外環(huán)為：由主缸期望壓力及傳感器反饋的主缸實(shí)際壓力得到主缸壓力差值作為輸入，通過(guò)單神經(jīng)元PID控制得到期望電機(jī)轉(zhuǎn)角位置作為輸出。對(duì)單神經(jīng)元PID算法的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)修正，從而實(shí)現(xiàn)主缸壓力的快速準(zhǔn)確控制。改進(jìn)后的控制算法及學(xué)習(xí)算法[13]為

e(k)=Pmd-Pm

(2)

Δe(k)=e(k)-e(k-1)

(3)

(4)

式中：e(k)為控制器的輸入；Pmd、Pm分別為主缸期望壓力與主缸實(shí)際壓力；u(k)為控制器的輸出，即期望的助力電機(jī)轉(zhuǎn)角位置；w1(k)、w2(k)、w3(k)分別為比例項(xiàng)、積分項(xiàng)、微分項(xiàng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)值；ηP、ηI、ηD分別為PID中比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的學(xué)習(xí)速率。

將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值進(jìn)行歸一化處理為

(5)

可得

(6)

式(6)中：K為神經(jīng)元比例系數(shù)，且K>0。并有

(7)

2.2 電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

IEHB系統(tǒng)的電機(jī)為永磁同步型，為保證主缸壓力的精確控制，必須做到電機(jī)的精確伺服控制。主缸壓力控制器的內(nèi)環(huán)采用id=0 的矢量控制方法[14]，由位置-轉(zhuǎn)速-電流三閉環(huán)PI控制來(lái)得到d、q軸電流，最后通過(guò)逆變器得到三相正弦A、B、C電壓輸入到永磁同步電機(jī)中，電機(jī)控制原理如圖 5所示。

圖 5 永磁同步電機(jī)三環(huán)控制原理圖Fig.5 Three-loop control schematic diagram of PMSM

3 輪缸壓力控制器設(shè)計(jì)

IEHB系統(tǒng)的HCU由電磁閥(增壓閥和減壓閥)、電動(dòng)泵、低壓蓄能器、油壓傳感器和制動(dòng)管路等元件組成，在主缸建壓以后，通過(guò)對(duì)增壓閥、減壓閥、電動(dòng)泵的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)輪缸的壓力的精確控制。

控制過(guò)程中，將輪缸期望壓力與油壓傳感器反饋的輪缸實(shí)際壓力的差值進(jìn)行死區(qū)處理以及通過(guò)sign函數(shù)判斷正負(fù)性，再對(duì)結(jié)果進(jìn)行邏輯處理，從而實(shí)現(xiàn)增減壓信號(hào)的識(shí)別[15]。系統(tǒng)增壓(保壓)時(shí)，HCU只對(duì)增壓閥進(jìn)行增壓(保壓)控制，減壓閥和電動(dòng)泵關(guān)閉；系統(tǒng)減壓時(shí)，HCU關(guān)閉增壓閥，對(duì)減壓閥和電動(dòng)泵進(jìn)行減壓控制，并通過(guò)低壓蓄能器和電動(dòng)泵的作用實(shí)現(xiàn)快速減壓。

3.1 增壓閥控制器設(shè)計(jì)

在增壓過(guò)程中，考慮到系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，隨著期望輪缸壓力的不同，對(duì)應(yīng)的增壓控制參數(shù)也需要自適應(yīng)地調(diào)整，才能保證系統(tǒng)快速準(zhǔn)確地增壓，并具有較好的魯棒性。采用的PID控制算法為

2.4 不同b值下鑒別肺部結(jié)節(jié)良惡性的ROC曲線分析 將不同b值下ADC 3組鑒別肺部結(jié)節(jié)良惡性的情況作ROC曲線，ROC曲線顯示同特異性情況下b值為400 s/mm2時(shí)的敏感度最高，見(jiàn)圖1。b值為400 s/mm2時(shí)ROC曲線下面積最大，不同b值間ADC閾值及敏感度相比較，差異均有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)，見(jiàn)表4。

(8)

圖 6 查表法表格模型Fig.6 Look-upTable methodTable model

3.2 減壓閥控制器設(shè)計(jì)

減壓時(shí)，由于電動(dòng)泵的快速減壓作用，微小的控制量變化對(duì)減壓效果都將產(chǎn)生較大影響，PID控制屬于誤差控制，本身存在滯后現(xiàn)象，其參數(shù)調(diào)節(jié)方式也不適合減壓閥的精確控制，因此基于壓差、速率和減壓閥占空比的多次仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)減壓閥采用了雙輸入單輸出的模糊控制方法。

e(t)={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

(9)

(10)

td={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}

(11)

建立模糊系統(tǒng)，輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)如圖 7所示。

圖和輸出隸屬度函數(shù)Fig.7 Membership function of e(t)， and output variable

選擇如下模糊規(guī)則：

3.3 電動(dòng)泵控制器設(shè)計(jì)

HCU中的電動(dòng)泵采用邏輯門限值的控制方法，其基本思路為：根據(jù)輪缸期望壓力與輪缸實(shí)際壓力的偏差，通過(guò)死區(qū)處理以及sign函數(shù)判斷得到正負(fù)性，并進(jìn)行邏輯判斷，從而實(shí)現(xiàn)增減壓信號(hào)的識(shí)別；識(shí)別制動(dòng)系統(tǒng)下一步的工作模式，如果是增壓或保壓模式則給泵電機(jī)零信號(hào)，使其停止；如果是減壓模式，則根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整占空比值，使其達(dá)到最佳減壓速率。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證所建立的IEHB系統(tǒng)模型的正確性以及所設(shè)計(jì)的壓力控制策略的有效性，通過(guò)MATLAB/Simulink仿真平臺(tái)，以左前輪為例，分別在階躍增壓工況、增壓保壓減壓工況、正弦變化工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的IEHB壓力控制系統(tǒng)的壓力跟蹤效果，并與傳統(tǒng)PID控制器(即主缸壓力控制器和電磁閥控制器均采用PID控制)的效果進(jìn)行對(duì)比。IEHB系統(tǒng)模型和控制策略整體模型如圖 8所示。不同工況下的壓力響應(yīng)曲線如圖9所示。

圖 8 IEHB系統(tǒng)模型和壓力控制整體模型圖Fig.8 IEHB system and overall pressure control model diagram

圖9(a) 為IEHB系統(tǒng)分別在5MPa和10MPa的階躍增壓工況下，所設(shè)計(jì)控制器與傳統(tǒng)PID控制器的輪缸壓力響應(yīng)曲線；圖 9(b)為IEHB系統(tǒng)在增壓-保壓-減壓工況下，控制器與傳統(tǒng)PID控制器的輪缸壓力響應(yīng)曲線；圖 9(c)為IEHB系統(tǒng)在正弦壓力工況下，控制器與傳統(tǒng)PID控制器的輪缸壓力響應(yīng)曲線。

圖 9 不同工況下壓力響應(yīng)曲線Fig.9 Pressure response curve under different pressure conditions

由仿真結(jié)果分析可知：圖 9(a)～圖 9(c)中輪缸實(shí)際壓力均能跟隨輪缸期望壓力變化，適應(yīng)各種工況，體現(xiàn)所建IEHB模型的正確性。提出的整體壓力控制策略與PID控制相比，壓力跟蹤誤差明顯減小，兩者最大誤差通常出現(xiàn)在輪缸期望壓力發(fā)生增壓-保壓-減壓3種工況相互轉(zhuǎn)變處，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)特性變化較大，對(duì)控制的影響也比較大。通過(guò)圖 9(a)和圖 9(b)可以看出，系統(tǒng)增壓響應(yīng)時(shí)間大約為120ms，本文控制器相比PID控制器具有更快的穩(wěn)壓效果，并且在保壓工況時(shí)能使輪缸壓力更加穩(wěn)定，在減壓工況時(shí)能更快地跟隨期望壓力。通過(guò)分析圖 9(c)可得：提出的壓力控制策略相比傳統(tǒng)的PID控制具有更高的穩(wěn)定性，能更好地適應(yīng)不同壓力工況下的系統(tǒng)特性，使得輪缸實(shí)際壓力能更好地跟蹤期望壓力。

5 結(jié)論

根據(jù)集成式電液制動(dòng)系統(tǒng)的構(gòu)型方案、數(shù)學(xué)模型和流量關(guān)系建立了基于MATLAB/Simulink平臺(tái)的仿真模型，針對(duì)IEHB系統(tǒng)具有多個(gè)控制對(duì)象且相互影響的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于單神經(jīng)元PID和位置-轉(zhuǎn)速-電流三閉環(huán)電機(jī)控制的主缸壓力控制器以及基于PID、模糊控制和邏輯門限值的輪缸壓力控制器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)IEHB系統(tǒng)的壓力精確控制。最后，分別在3種不同增減壓工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：所建立的IEHB系統(tǒng)模型可以較好地模擬實(shí)物系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的PID控制相比，所設(shè)計(jì)的IEHB系統(tǒng)壓力控制策略具有更好的跟蹤響應(yīng)表現(xiàn)和更強(qiáng)的魯棒性。