基于命令前饋的集成式電子液壓制動系統(tǒng)液壓控制

余卓平　黃杰　熊璐　徐松云（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

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基于命令前饋的集成式電子液壓制動系統(tǒng)液壓控制

余卓平黃杰熊璐徐松云
（同濟(jì)大學(xué)，上海 201804）

【摘要】針對集成式電子液壓制動系統(tǒng)（I-EHB）的液壓力控制，提出了一種基于命令前饋的控制方法?；谇捌谘芯?，將系統(tǒng)簡化為1階系統(tǒng)，對方法中的命令前饋控制器進(jìn)行了理論設(shè)計(jì)。利用該方法在已有的系統(tǒng)測試平臺上進(jìn)行試驗(yàn)并跟蹤不同的目標(biāo)信號，與PID控制方法進(jìn)行了對比，結(jié)果顯示，該方法的信號跟蹤誤差明顯小于PID控制方法的跟蹤誤差，表明其能有效控制I-EHB系統(tǒng)的液壓力。

主題詞：集成式電子液壓制動系統(tǒng)命令前饋液壓力控制

1　前言

目前，汽車線控制動已成為一種較為成熟的技術(shù)［1］，電子液壓制動（electro hydraulic brake，EHB）系統(tǒng)正逐步得到應(yīng)用，成為車輛制動系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。其中，集成式電子液壓制動（integrated eelectro hydraulic brake，I-EHB）系統(tǒng)作為EHB的一個重要分支，各大汽車公司相繼推出了相應(yīng)的產(chǎn)品，如日立公司的完全解耦電子液壓制動系統(tǒng)e-ACT［2］、大陸公司開發(fā)的MKC1［3］等。不同于目前應(yīng)用較多的泵式電子液壓制動（pump electro hydraulic brake，P-EHB）系統(tǒng)，I-EHB摒棄了高壓蓄能器及其高速開關(guān)控制閥［4］，采用電機(jī)+機(jī)械減速機(jī)構(gòu)作為主動動力源，節(jié)省了成本并避免了泄漏風(fēng)險，從成本和可靠性上更進(jìn)了一步。而由于I-EHB還是一個較新的技術(shù)，對于I-EHB系統(tǒng)的液壓力控制研究還比較少。

對于系統(tǒng)液壓力控制，國內(nèi)的學(xué)者做了相關(guān)研究：南京航空航天大學(xué)的汪洋等人［5］在AMESim和Matlab/ Simulink平臺上搭建了系統(tǒng)模型，采用模糊控制方法進(jìn)行了輪缸液壓力控制的仿真；吉林大學(xué)的趙海濤［6］針對P-EHB系統(tǒng)的跟隨特性進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究；同濟(jì)大學(xué)的劉茜［7］基于系統(tǒng)模型和查表法對液壓力進(jìn)行了估計(jì)；同濟(jì)大學(xué)的廣學(xué)令等人［8］在對EHB系統(tǒng)理論研究的基礎(chǔ)上，提出了一種I-EHB系統(tǒng)方案，并在此基礎(chǔ)上對液壓力進(jìn)行了簡單的控制；針對該方案中減速機(jī)構(gòu)對系統(tǒng)液壓力控制有較大影響的問題，徐松云等人［9］采用添加顫振信號的方法減小機(jī)械結(jié)構(gòu)的摩擦影響，得到了不錯的控制效果。

由于I-EHB采用電機(jī)+機(jī)械減速機(jī)構(gòu)作為動力源，使得系統(tǒng)的液壓力控制存在摩擦的影響，導(dǎo)致液壓控制與其它系統(tǒng)存在一定的區(qū)別。本文提出一種基于命令前饋的液壓力控制方法，將摩擦作為干擾直接控制，利用搭建的系統(tǒng)測試平臺進(jìn)行液壓力控制試驗(yàn)，并同PID控制方法進(jìn)行對比。

2　系統(tǒng)介紹

本文采用的I-EHB系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)為本課題組自行設(shè)計(jì)并獨(dú)立加工制造，其主動動力源是永磁同步電機(jī)，它與蝸輪蝸桿+齒輪齒條配合成的減速機(jī)構(gòu)共同控制系統(tǒng)制動壓力。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、易于控制的優(yōu)點(diǎn)。

圖1　I-EHB系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)正常工作時，駕駛員踩下制動踏板，壓縮踏板模擬器，踏板模擬器將踏板感覺反饋給駕駛員，解耦缸將制動踏板與主缸解耦。與此同時，踏板位移傳感器將踏板位移信息傳遞給系統(tǒng)控制單元ECU，ECU獲得駕駛員的制動意圖，進(jìn)一步計(jì)算出車輛的制動需求，再根據(jù)制動力分配策略得到系統(tǒng)最終需要達(dá)到的制動力，從而控制電機(jī)帶動蝸輪-蝸桿以及齒輪-齒條減速機(jī)構(gòu)壓縮制動主缸，產(chǎn)生制動壓力。

3　命令前饋

在運(yùn)動控制中，一般含有位置控制回路與速度控制回路。通常把速度環(huán)置于位置環(huán)內(nèi)，同時采用常見的P/ PI控制結(jié)構(gòu)。此外，為改善系統(tǒng)的跟蹤性能，可設(shè)置命令前饋控制器［10］，這是提高跟蹤精度的一種方法，可減小滯后誤差。針對I-EHB系統(tǒng)液壓力控制，可以對液壓力和液壓力變化速度分別進(jìn)行前饋補(bǔ)償。圖2中針對目標(biāo)液壓力P設(shè)置的前饋補(bǔ)償控制器FF（s）與串聯(lián)控制器Gc（s）無關(guān)，因此，Gc（s）的結(jié)構(gòu)或參數(shù)的變化對前饋控制器設(shè)計(jì)的影響較小，即該控制器不依賴于系統(tǒng)的控制參數(shù)Gc（s）。圖2中的Pa為實(shí)際液壓力，Gsys（s）為控制對象的傳遞函數(shù)。

綜合前文所述，在圖2的前饋控制結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上分別對位置環(huán)和速度環(huán)設(shè)計(jì)前饋補(bǔ)償器，形式如圖3所示，其中Gv（s）為速度控制器傳遞函數(shù)，Gp（s）為液壓力控制器傳遞函數(shù)，F(xiàn)Fv（s）為速度前饋控制器，F(xiàn)Fp（s）為液位前饋控制器。

圖2　命令前饋系統(tǒng)

圖3　命令前饋補(bǔ)償系統(tǒng)

3.1速度環(huán)的命令前饋控制器設(shè)計(jì)

首先對前饋控制器中的速度環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)前文論述的命令前饋補(bǔ)償控制器結(jié)構(gòu)，速度環(huán)前饋控制器FFv（s）添加在原有速度控制回路中，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　速度環(huán)命令前饋控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖4可以得到速度環(huán)的傳遞函數(shù)為：

式中，vs為速度環(huán)輸入液壓的變化速度；va為實(shí)際液壓變化速度。

增加速度前饋控制器可以使得系統(tǒng)的響應(yīng)更快，有利于提高液壓力的控制精度。而對于理想的系統(tǒng)，響應(yīng)沒有延遲，并且輸出信號與輸入信號應(yīng)保持一致，也就是希望在正常控制下Gv0（s）≈1成立。從而得到：

對于本文所述的EHB系統(tǒng)，在前期研究中，將控制器發(fā)出的力矩指令作為輸入，將輪缸液壓力作為輸出，將電機(jī)、電機(jī)控制器以及液壓系統(tǒng)綜合等效成一個線性系統(tǒng)。利用基于最小二乘法的擬合算法獲得等效線性系統(tǒng)的擬合傳遞函數(shù)為：

式中，K為比例系數(shù)；J為系統(tǒng)時間常數(shù)；b為慣性環(huán)節(jié)常數(shù)。

將式（3）帶入式（2），得到速度環(huán)命令前饋的控制參數(shù)：

由式（4）可以得到前饋控制器的具體參數(shù)：

式中，Ka為加速度前饋系數(shù)；Kv1為速度前饋系數(shù)。

3.2位置環(huán)命令前饋控制器設(shè)計(jì)

對于圖2所示命令前饋控制器結(jié)構(gòu)，在對速度前饋控制器的設(shè)計(jì)完成后，速度回路的傳遞函數(shù)可以認(rèn)為Gv0（s）=1，從而簡化速度環(huán)的各項(xiàng)傳遞函數(shù)，如圖5所示。

圖5　位置環(huán)命令前饋控制結(jié)構(gòu)

由圖5可得系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為：

為得到較好的控制效果，應(yīng)盡可能使傳遞函數(shù)滿足GP0（s）=1，因此可得：

式中，Kv2=1為位置環(huán)速度前饋系數(shù)。

3.3命令前饋控制器總體結(jié)構(gòu)

綜合前文對速度環(huán)及位置環(huán)命令前饋控制器的理論設(shè)計(jì)，可得到控制器的總體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6　前饋控制器總體結(jié)構(gòu)

由圖6可知，控制系統(tǒng)中添加了加速度前饋與速度前饋，前饋系數(shù)已經(jīng)在前文給出。需要注意的是，位置命令的連續(xù)程度在很大程度上影響了命令前饋的控制，當(dāng)位置信號不連續(xù)時，速度、加速度信號會出現(xiàn)突變。不過根據(jù)李剛俊［11］的研究，抖動信號對于系統(tǒng)消除摩擦的影響有一定作用。所以當(dāng)命令前饋的輸入信號不是連續(xù)信號時，系統(tǒng)突變的速度、加速度信號可以看作是添加的抖動信號，能消除一定的摩擦影響，對系統(tǒng)的液壓力控制有利，故而仍可有效控制。

4　試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)條件

為了驗(yàn)證命令前饋控制方法的有效性，基于已有試驗(yàn)平臺進(jìn)行了測試，該試驗(yàn)平臺根據(jù)前文提及的I-EHB系統(tǒng)方案搭建。

測試過程中：上位機(jī)通過CAN總線對整車控制器進(jìn)行參數(shù)標(biāo)定及目標(biāo)液壓力輸入；整車控制器根據(jù)已刷寫的控制算法，利用目標(biāo)液壓力和標(biāo)定參數(shù)計(jì)算獲得目標(biāo)電機(jī)力矩后，將目標(biāo)力矩通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給電機(jī)控制器；電機(jī)控制器控制電機(jī)達(dá)到相應(yīng)扭矩，電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動減速機(jī)構(gòu)推動主缸活塞，建立系統(tǒng)制動壓力；液壓系統(tǒng)中的壓力傳感器將實(shí)際液壓力實(shí)時傳回整車控制器；整車控制器根據(jù)傳感器信號和目標(biāo)液壓力不斷調(diào)整控制命令。整個試驗(yàn)過程中，上位機(jī)、整車控制器和電機(jī)控制器之間通過CAN總線進(jìn)行控制信號的輸入與系統(tǒng)測量信號的采集，試驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7　試驗(yàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

采用命令前饋控制方法進(jìn)行試驗(yàn)，將目標(biāo)壓力作為控制輸入信號，并與相同工況下采用簡單PID控制方法的試驗(yàn)進(jìn)行效果對比。試驗(yàn)中，前饋控制方法的各參數(shù)按照前文得到的數(shù)值設(shè)置，由于設(shè)計(jì)時采用的系統(tǒng)傳遞函數(shù)經(jīng)過擬合，與實(shí)際系統(tǒng)仍有一定差異，因此，試驗(yàn)時對控制參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，使控制效果更佳。使用PID控制方法，經(jīng)過不斷調(diào)整，在兼顧響應(yīng)速度與穩(wěn)態(tài)誤差的情況下，得到最優(yōu)效果的控制參數(shù)分別為比例環(huán)節(jié)系數(shù)P=0.04、積分環(huán)節(jié)系數(shù)I=0.005、微分環(huán)節(jié)系數(shù)D=0。

4.2試驗(yàn)結(jié)果

將上位機(jī)采集到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Measure Data An?alyzer軟件提取出來，導(dǎo)入Matlab進(jìn)行處理并得到對比結(jié)果。

圖8是目標(biāo)信號為70 bar和100 bar的階躍信號在前饋控制方法和簡單PID控制方法下的試驗(yàn)結(jié)果。將發(fā)出命令信號到系統(tǒng)液壓力開始變化的時間作為響應(yīng)時間，將最大實(shí)際液壓力超出目標(biāo)的部分與目標(biāo)液壓力的比值作為超調(diào)量，將實(shí)際液壓力相對于目標(biāo)值的誤差第一次到達(dá)5%并一直保持在不大于5%的時間作為調(diào)節(jié)時間，并取響應(yīng)時間、超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間作為性能評價指標(biāo)，得到如表1所示的結(jié)果。由表1可知，前饋控制方法的響應(yīng)時間與調(diào)節(jié)時間均優(yōu)于簡單PID控制方法，并且當(dāng)目標(biāo)值變化較大時，前饋控制方法更加迅速。

圖8　階躍信號下PID與前饋跟蹤控制

表1　階躍信號下跟蹤結(jié)果對比

再取正弦波信號與三角波信號為目標(biāo)信號，試驗(yàn)工況為：幅值分別為20～70 bar和20～100 bar，頻率分別為0.3 Hz、0.6 Hz、1.0 Hz。使用前饋控制方法與PID控制方法進(jìn)行跟蹤控制，將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比，以跟蹤目標(biāo)信號的誤差均方根作為評價指標(biāo)。幅值為20～100 bar，頻率為0.3 Hz的試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示。

從圖9和圖10中可以直觀地看出，PID控制方法能使液壓力在大體趨勢上跟蹤目標(biāo)信號，但波動較大，前饋控制方法則可使實(shí)際液壓力僅在目標(biāo)信號上下輕微波動，效果明顯優(yōu)于PID控制。

將各工況的試驗(yàn)結(jié)果整理得到表2，由表中數(shù)值可以看出，在不同幅值、不同頻率下，前饋控制方法都明顯優(yōu)于PID控制方法，低頻信號的跟蹤優(yōu)化效果好，優(yōu)化率最高可達(dá)56%（優(yōu)化率為前饋控制誤差與PID控制誤差的差值與PID控制誤差的比值），低頻信號的跟蹤誤差都保持在2 bar左右。這些結(jié)果都表明，基于前饋控制的液壓力控制方法具有較好的控制效果。

圖9　20～100 bar，0.3 Hz正弦波信號跟蹤

圖10　20～100 bar，0.3 Hz三角波信號跟蹤

表2　三角波和正弦波跟蹤結(jié)果誤差均方根

為了更好地體現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)的效果，進(jìn)一步應(yīng)用前饋控制法做了壓力調(diào)節(jié)階梯試驗(yàn)，結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，在液壓力變化時，系統(tǒng)能較快、較準(zhǔn)確地達(dá)到目標(biāo)值，在目標(biāo)壓力變化的初始階段，壓力超調(diào)量有時較大，但能夠快速貼合目標(biāo)值，并在目標(biāo)值附近波動。階梯試驗(yàn)的結(jié)果表明，該控制方法對于液壓力不斷突變的工況仍然能夠?qū)崿F(xiàn)較好的液壓力控制。

圖11　壓力調(diào)節(jié)階梯試驗(yàn)結(jié)果

5　結(jié)束語

本文基于對I-EHB系統(tǒng)的研究，提出了一種基于命令前饋控制的液壓力控制方法，并通過試驗(yàn)證明了該方法對于液壓力控制的有效性。

試驗(yàn)表明：

a.在階躍工況中，基于命令前饋的液壓力控制方法在響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)時間上，都優(yōu)于PID控制方法，并且階躍信號目標(biāo)值越大，優(yōu)勢越明顯；

b.該方法提高了液壓力控制的準(zhǔn)確性，有效控制了跟蹤誤差，低頻時的誤差均方根可以控制在2 bar左右，同PID控制方法相比，跟蹤誤差最大提高56%；

c.該方法對于高頻信號的跟蹤效果也明顯優(yōu)于PID控制，但與低頻時的跟蹤效果相比，差距明顯。

本文提出的方法在對高頻信號的跟蹤效果與低頻信號跟蹤效果上的差距是由系統(tǒng)摩擦所致，后期的研究可以建立合適的摩擦模型（如Stribeck模型），根據(jù)模型對不同目標(biāo)液壓力下的摩擦力進(jìn)行預(yù)測，從而進(jìn)一步消除摩擦的影響。

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（責(zé)任編輯斛畔）

修改稿收到日期為2016年3月28日。

中圖分類號：U463.5

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-3703（2016）07-0007-05

Hydraulic Control of Integrated Electronic Hydraulic Brake System Based on Command Feed-forward

Yu Zhuoping，Huang Jie，Xiong Lu，Xu Songyun
（Tongji University，Shanghai 201804）

【Abstract】A control method based on command feed-forward is proposed to improve the hydraulic pressure control of integrated electronic hydraulic brake system（I-EHB）.Based on previous research，we simplify the system to first order system，and the theoretical design of the command feed-forward controller is carried out.We use this method to test to track different target signals on the existing system test platform，and compare with PID control method.The experimental results show that the signal tracking error is much less than that with PID control.Therefore，this method can effectively control the hydraulic pressure of I-EHB system.

Key words:Integrated electronic hydraulic brake system，Command feed-forward，Hydraulic pressure control