第４４卷第５期２０１４年９月
吉林大学学报（工学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．４４Ｓｅｐｔ．
ＮＯ．５２０１４
汽车ＴＣＳ液压控制单元特性测试与控制应用
赵
１３００２２）
健１，张进１，朱冰ｈ２，吴坚１
（１．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春１３００２２；２．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春
摘要：为实现汽车牵引力控制系统（ＴＣＳ）中的主动液压制动控制精细调节，搭建了基于
ｄＳＰＡＣＥ的液压控制单元（ＨＣＵ）性能测试系统，对ＨＣＵ电磁阀特征参数进行了试验辨识，确定了采用脉宽调制控制（ＰＷＭ）进行制动压力控制时目标压力梯度和目标占空比的映射关系。将测试分析结果应用于基于滑模控制的ＴＣＳ算法，确定了基于目标压力梯度的ＰＷＭ车轮制动控制逻辑，并在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＡＭＥＳｉｍ联合仿真环境下进行了仿真验证。结果表明：所设计的主动制动控制算法能以较高精度有效调节车轮滑转率，从而改善车辆行驶性能。关键词：车辆工程；牵引力控制；制动压力调节；试验辨识；脉宽调制；滑模控制中图分类号：Ｕ４６３．５
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７１５４９７（２０１４）０５
１２４０
０７
ＤｏＩ：１０．７９Ｇ４／ｊｄｘｂｇｘｂ２０１４０５００３
Ｔｅｓｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｉｎ
ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
ｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｙｓｔｅｍ
Ｊｉａｎｌ
ＺＨＡＯＪｉａｎｌ，ＺＨＡＮＧＪｉｎｌ，ＺＨＵ
Ｂｉｎ９１～，ＷＵ
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳｉｍｕＬａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｉｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆ
ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ
ｏｒｄｅｒ
ｔｏ
ｍｏｄｉｆｙｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｒａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｆｏｒＴｒａｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒ０１Ｓｙｓｔｅｍ
ｏｎ
（ＴＣＳ），ａＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ（ＨＣＵ）ｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｄＳＰＡＣＥｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｕｓｉｎｇｔｈｉｓ
ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＨＣＵｖａｌｖｅｓｗｅｒｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｅｓｉｒｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔａｎｄｔａｒｇｅｔｄｕｔｙｃｙｃｌｅｉｎＰｕｌｓｅ
ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｂｒａｋｅ
ｃｏｎｔｒｏｌｗａｓ
ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｂａｓｅｄｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｔｈｅｗｈｅｅｌｂｒａｋｅｃｏｎｔｒｏｌｌｏｇｉｃｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔａｒｇｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔ
ＣＯ
ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．
ＴｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｕｓｉｎｇＭａｔｌａｂ／ＳｍｕｌｉｎｋａｎｄＡＭＥＳｉｍｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｔｉｖｅｂｒａｋｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｈｕｓ，ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｄｒｉｖｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｃａｎ
ｃａｎ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ
ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｈｅｅｌｓｌｉｐｒａｔｉｏ，
ｐｒｏｖｉｄｅｈｉｇｈ
ａｃｃｕｒａｔｅ
ｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ｂｒａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｓｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒ０１
收稿日期：２０１３
０７
２２．
基金项目：国家自然科学基金项目（５１１０５１６９，５１１７５２１５，５１２０５１５６）；中国博士后科学基金项目（２０１１Ｍ５０００５３
２０１２Ｔ５０２９２）．
作者简介：赵健（１９７８一），男，副教授，博士．研究方向：汽车地面系统分析与控制．Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｉａｎ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通信作者：朱冰（１９８２一），男，副教授，博士．研究方向：汽车地面系统分析与控制，工程仿生学．
Ｅ
ｍａｉｌ：ｚｈｕｂｉｎｇ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
第５期
赵健，等：汽车ＴＣＳ液压控制单元特性测试与控制应用
・１２４１・
Ｏ
引言
中考虑ＨＣＵ特性以改善控制效果［４弓』。
汽车ＴＣＳ系统可通过向驱动轮施加主动制动力矩，使驱动轮滑转率保持在最佳值附近，从而显著提高车辆在恶劣路面下的驱动能力。在研究ＨＣＵ响应特性并建立简单精确的ＨＣＵ模型的基础上设计ＴＣＳ算法，可以进一步提高控制效果，滑模变结构控制由于具有响应快速、鲁棒性好、实现简单等优点，非常适用于ＴＣＳ算法开发髓。
本文首先基于Ｍａｔｌａｂ和ｄＳＰＡＣＥ实时开发与测试环境搭建液压测试系统，对典型ＴＣＳ系统ＨＣＵ进行参数辨识和ＰＷＭ控制试验研究，并将测试分析结果应用于ＴＣＳ控制，设计基于主动制动控制的ＴＣＳ滑模控制算法，根据期望的压力梯度计算得到目标占空比，对制动压力进行ＰＷＭ控制，最后在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＡＭＥＳｉｍ联合仿真控制下对控制算法进行了验证。
１
作为液压制动控制的执行机构，液压控制单兀（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
ｃｏｎｔｒｏｌ
ｕｎｉｔ，ＨＣＵ）的性能对基于
主动制动控制的汽车动力学控制系统，如制动防抱死系统（Ａｎｔｉ
ｌｏｃｋｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ＡＢＳ）、牵引
ｃｏｎｔｒｏｌｓｖｓｔｅｉｉｌ，ＴＣＳ）和电
ｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒ０１，
力控制系统（Ｔｒａｃｔｉｏｎ
子稳定控制系统（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ＥＳＣ）等具有重要影响。ＨＣＵ的响应特性和品质以及它与制动系统和控制逻辑匹配的好坏都会影响最终控制效果［Ｈ。
由于ＨＣＵ同时包含离散和连续特性，且其液压元件具有很强的非线性，因此，建立精确物理模型具有很大难度，近年来，国内外学者对ＨＣＵ都进行了广泛的研究。系统中液压制动管路设置、不同工况下制动压力的估计误差以及ＨＣＵ阀口特性等都将显著影响控制精度嘲，这些均是制约汽车主动制动控制系统发展的关键问题。文献［３］表明，若能根据ＨＣＵ特性对车轮制动进行优化的非线性控制，则可以有效提高车轮滑动率控制精度。因此，一些研究开始关注在制动控制
ＨＣＵ测试系统
测试系统如图１所示。系统由工控机、
ｄＳＰＡＣＥ下位机、驱动系统和液压系统组成，其中：
（１）液压系统由液压泵站（其中８为动力源），
圈１
Ｆｉｇ．１
Ｔｅｓｔ
ＨＣＵ测试系统万粟
ｓｙｓｔｅｍｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ
二位二通常开阀１、２，二位四通阀３，流量传感器７和压力传感器４、５、６组成。ＨＣＵ在系统中的安装位置如图１所示，所采用的ＨＣＵ为Ｘ型管口，一个接前轮缸的接口和一个接对侧后轮缸的时，制动液经泵站流经阀３、流量传感器７流人ＨＣＵ，再分两路流出，分别经过阀１、２流回阀３，
最终回到油箱。减压响应测试时，将阀３通电，制动液经ＨＣＵ两个接轮缸的接口流人，由接主缸的接口流出。
路布置，只进行一个回路的测试（一个接主缸的接（ｅ）ｉＲ验者通过工控机实现对试验的控制，程
序的编制在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下实现，并经机中，试验者可以通过ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ实现试验参数的实时修改、试验数据的显示与处理。
接口），另一路的３个接口堵死。增压响应测试ｄＳＰＡＣＥ提供的ＲＴＩ接口下载到ｄＳＰＡＣＥ下位
・１２４２・
吉林大学学报（工学版）
为：
Ｑ—Ｃ・ａｐｏ
ｊ
第４４卷
ｄＳＰＡＣＥ下位机中包括处理器板ＤＳｌ００５、多功能接口板ＤＳ２２０２、ＤＳ２２１１和Ｉ／Ｏ接口板ＤＳ４００３，所有的板卡都安装在ＰＸ２０扩展箱中。试验过程中，由上位机将试验控制程序下载至ＤＳｌ００５，通过接口板卡实现传感器信号的采集和驱动信号的发生。
（３）驱动系统由两部分组成，一部分用于驱动ＨＣＵ电磁阀和泵电机，另一部分用于驱动测试系统电磁阀和动力源。
ＨＣＵ电机和阀的驱动由独立的功率驱动电路来实现。ＨＣＵ泵电机的特点是瞬问启动电流大，响应速度快，稳定状态下要求的驱动电流达到
１１
（２）
式中：Ｃ为阀口系数。
Ｃ—ＣＬｌＡ（ｐ／２）ｏ
ｊ
（３）
采用Ｘ型布置的ＨＣＵ一个独立回路的液压系统如图２所示。
睦ｊ二ｌ
Ａ，因此选用了英飞凌（Ｉｎｆｉｎｅｏｎ）公司生产的
十＠
州雕瓤
，－
ＢＴＳ４４２智能高端电源开关芯片，它的负载电流可达２１Ａ，可以满足电机的工作要求。ＨＣＵ电磁阀为两位两通高速开关阀，要求的动作频率高，可达到１００Ｈｚ以上，阀线圈电阻很小，所需电流在１～３Ａ，因此，采用ＩｎｆｉｎｅｏｎＴＬＥ５２２６智能四通道低端开关芯片作为驱动芯片，其工作电压为
４．８～３２Ｖ，负载两端最大压差为６０Ｖ，提供了独
图２
Ｆｉｇ．２
协ｏ『ｉ。岱靴
｝《‘ｎ４ｔ｛；＝ａＩ¨
披｛・虹牝ａｊ
ＨＣＵ液压系统图
立四通道的电磁阀驱动能力。另外，还附加设计了短路保护、过载保护、过压保护以及过温保护等功能。该驱动电路模块接收ＤＳ２２１１发出的信号并加以放大，实现ＨＣＵ的功率驱动。
液压测试系统的电机和电磁阀工作在稳态，没有响应速度的要求，因此，用继电器实现控制，继电器的控制可由ＤＳ４００３实现。
（４）压力传感器信号和流量传感器信号由ＤＳ２２０２采集。其中，３个压力传感器分别用于测量ＨＣＵ一个回路的人口（１个）和出口（２个）的压力状态。
２
ＨｙｄｒａｕｌｉｃｃｉｒｃｕｉｔｏｆＨＣＵ
以增压响应特性试验研究为例，ＨＣＵ每个独立管路的增压试验中共有两个车轮通道，每个车轮增压回路中串联有１个增压阀和１个保持阀，其中保持阀为两个通路共用，因此增压特性测试与参数辨识共涉及３个电磁阀，阀口流量方程
为：
Ｑ—Ｃｉ・△矿。
右后增压阀。
（４）
式中：ｉ一１，２，３分别表示保持阀、左前增压阀和
如图２所示，流过３个阀的流量分别为Ｑ。、Ｑ、Ｑｊ，保持阀入口压力记为Ｐ。，保持阀出口压力
ＨＣＵ液压响应特性测试
ＨＣＵ电磁阀可以被简化成一个阀口，其压
即增压阀人口压力记为Ｐ：，增压阀出口压力记为Ｐ。，其中，Ｐｔ和Ｐ。分别为ＨＣＵ入口和出口的压力，可以通过试验７ａｌｌ，０得，而Ｐ：是ＨＣＵ内部的压力，不能直接测得。
将泵站视为一个理想恒压源，控制其输入压
（１）
２．１阀特性辨识
力流量特性可由下式表示［７０：
厂ｉ——————一
Ｑ—ＣＬｌＡ／兰（Ｐ，Ｐ。）
Ｖ
力稳定在１，２，…，１２ＭＰａ，并测定流过ＨＣＵ的流量以及ＨＣＵ进出口压力。
（１）两轮同时增压
将ＨＣＵ所有电磁阀保持不通电状态，由泵站进行增压操作，制动液经ＨＣＵ保持阀和同一回路上的两个增压阀流过ＨＣＵ回到泵站油箱。测量ＨＣＵ入口的制动压力甜’、出口的制动压
ｐ
式中：Ｑ为流过阀的流量；ＣＬｌ为阀口流量系数；Ａ为阀口流通面积；ｐ为流体密度；Ｐ，为阀入口压力；Ｐ。为阀出口压力。
对于确定的电磁阀，阀完全打开时，阀口流量系数ＣＬｌ、阀口流通面积Ａ和制动液的密度ｐ都可以认为是定值，因此，电磁阀的流量特性可以简化
第５期赵健，等：汽车ＴＣＳ液压控制单元特性测试与控制应用
。１２４３。
力毋’（两路出口连接在一起）和流过ＨＣＵ的制
动液流量Ｑ！ｉ¨。
（２）前轮增压
将图１中的二位二通阀１通电，制动液经ＨＣＵ保持阀和测试回路中的前轮增压阀流过ＨＣＵ，测量ＨＣＵ人口制动压力菇∞、通向前轮出
３种试验条件下的压力曲线几乎完全重合，且保持阀出口压力几乎都等于ＨＣＵ的人口压力，这说明对整个ＨＣＵ系统而言，保持阀起不到阀口节流作用，可以将其简化为一段管路，阀口节流作用完全由增压阀实现。
根据１２组测试结果可以直接由ＨＣＵ的进出口压力及式（４）对增压阀进行回归并对结果进行平均，得到阀口系数为：
ｃ２—０．３９４８，ｃｊ一０．１８５３
（９）
口的制动压力球’和流过的制动液流量砭∞。
（３）后轮增压
将图１中的二位二通阀２通电，制动液经ＨＣＵ保持阀和测试回路中的后轮增压阀流过ＨＣＵ，测量ＨＣＵ人口制动压力菇∞、通向后轮出
拟合曲线和测试结果如图４所示。拟合曲线与试验数据的残差平方和ＳＳＥ、决定系数Ｒｓｑｕａｒｅ和标准差ＲＭＳＥ如表１所示。可以看出，拟合结果具有很高的精度，以上简化合理。
口的制动压力硝’和流过的制动液流量砭”。
两轮通道同时开启时，通过ＨＣＵ的流量为：
Ｑ！ｉ¨一毯¨＋晓¨
只有前轮通道开启时，通过ＨＣＵ的流量为：
Ｑ！ｉ２’一砭∞
只有后轮通道开启时，通过ＨＣＵ的流量为：
Ｑ！ｉ∞一晓”
可以得到以下方程组：
砭１’《１’
ＧＧＧ
ｐｐｐｐｐｐｐ
一ｐ一ｐ一ｐ一ｐ一ｐ一ｐ一ｐ
８
（５）
（６）
ｆ
．目昌一
（７）
ｉ
糖
＋
砭２’醚２’《３’砭３’
ＧＧＧＧ
图４
Ｆｉｇ．４
Ｆｉｔｔｅｄ
ＨＣＵ增压试验拟合曲线
ｃｕｒｖｅｓ
ｏｆ
ＨＣＵｐｒｅｓｓｕｒｉｚｉｎｇｔｅｓｔ
表１拟合结果统计特性
Ｔａｂｌｅ１
Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｉｔｔｉｎｇｄａｔａ
式中：Ｃ。、Ｃ２、Ｇ以及∥’、∥’、∥’六个变量未
知，其他参量均通过试验测得，未知数与方程数目相同，可求解。由于每个试验均进行了１２个压力点的测试，因此可以求得１２组解。
求解过程中，发现根据试验数据无法得到合理的Ｃ。实数解，求得的Ｐ：如图３所示，由图可见
ｌ
２．２
ＰＷＭ增压控制测试
ＨＣＵ中所采用的轮缸压力控制阀均为高速
开关阀，应用合适的ＰＷＭ控制方法可以实现精确的轮缸压力控制［４１。采用ＰＷＭ控制ＨＣＵ电磁阀时，轮缸压力与流量关系可以表示为：
萋，
瞢
置
霉
Ｑ一—｝ＣＬｌＡ。。，Ｆ△ｐ一
２３－ｍａｘ
Ｖ
△—－
Ｕ
ｊ
耋
ＨｅＬｌ＾口压力删ｈ
图３
Ｆｉｇ．３
Ｃｕｒｖｅｓ
ｋＡ（Ｄ）・Ｃ・却ｏ
（１０）
式中：Ａ。。。为占空比为１００％时的阀口流通面积；Ｄ为占空比；ｋＡ为无因次有效阀口开度；ｋ（Ｄ）为不同占空比Ｄ下阀口有效通流面积Ａ与Ａ。。的比值，是与Ｄ相关的函数，利用试验测得的阀口两端压差和平均流量以及上文计算得到的增压
ＴＣＳ隔离阀出口压力
ｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅａｔＴＣＳｉｓｏｌａｔｉｏｎｖＭｖｅｏｕｔｌｅｔ
・
１２４４
・
吉林大学学报（工学版）
均为正实数，则有：
●
第４４卷
阀阀口系数，即可求解ｋ（Ｄ）。
图５为根据实测值计算得到的ｋ（Ｄ）与按直线方程进行拟合得到的结果。由于增压阀是常
开阀，Ｄ
潞一￡ｌ艿ｌ砧２＜０
（１６）
满足滑模变结构控制的全局达到条件，则滑动模态存在，控制方法可行。
求式（１２）的一阶和二阶导数，将ｊ和＋；代人式（１５），并略去高阶项，可得：
矗一
凶＋
１００％对应阀口全关。
匡
占空比，％
ｍｒ勘Ｌ
ｃ旦＋２函（ｔＥ．ｓｉｇｎ（∞ｒ
址占
一
（１７）
忽略滚动阻力，驱动轮在驱动工况下的受力如图６所示，动力学平衡方程为：
１ｗ∞一ＴＬｌ
（Ｒ＋Ｆ。ｒ）
（１８）
式中：ＴＬｌ为作用在驱动轮上的驱动力矩；Ｒ为作用在驱动轮上的制动力矩；Ｒ为地面对车轮的纵向作用力；１ｗ为车轮转动惯量。
图５有效阀口开度与占空比的关系
Ｆｉｇ．５
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｖｅｏｐｅｎｉｎｇ
ａｒｅａ
ａｎｄｄｕｔｙｒａｔｉｏ
轮缸压力可以采用式（１）估算，反之，也可通过控制所需增压梯度和当前轮缸压力计算目标占
空比。
刍一“Ｄ）售ｃ√而…）
Ｅ—ｆ
矿唧Ｎ一
∞１＼
式中：＆为制动液体积弹性模量；Ｖ为轮缸中制动液量；Ｐ，。为轮缸进液阀人口压力；Ｐ。为当前轮缸压力。
３
一Ｌ／．Ｂ
图６单轮驱动模型
Ｆｉｇ．６
Ｓｉｎｇｌｅｗｈｅｅｌｄｒｉｖｉｎｇ
ＴＣＳ压力控制应用
采用滑模控制设计ＴＣＳ控制算法。驱动工
ｍｏｄｅｌ
对式（１８）两边求导，得：
Ｒ—ＴＬｌ
（Ｆ。ｒ＋Ｉ。ｏ
（１９）
况下，轮胎的纵向滑转率定义为：
ｓ一些二』
‘ａＯｒ
（１２）
将式（１７）代人式（１９）即可得到所需的驱动轮制动力矩变化率Ｒ，进而求得制动压力梯度：
●
式中：ｃｃ，为车轮旋转角速度；ｒ为轮胎有效半径；勘为纵向车速。
实际滑转率与理想滑转率的差值ｅ及其导数作为状态变量：
ｅ—ｓ
＆，
Ｐｂ—ＫｂＴｂ
（２０）
式中：Ｋ。为制动轮缸压力与制动器制动力矩的换算系数，由轮缸活塞面积、制动器效能因数和制动
（１３）
｛．
．
器有效半径决定。
考虑到电磁阀工作死区，并为了减小轮缸压
式中：＆为轮胎最佳滑转率。
切换函数为：
占一Ｃｅ＋；一ｊ＋ｃｒ
ｓ
力的波动，设定压力梯度门限为Ｐ“。当Ｐ“小于门
＆］
（１４）
限时，采取保压操作，即：
．
式中：ｃ为滑模面系数。
考虑到控制的快速性要求，采用指数趋近率对轮胎的滑移率进行滑模变结构控制，取：
艿一品＋苫一￡・ｓｉｇｎ（∞
硒
（１５）
ｆ０，ｐｂｏ＜：ｐｂ＜：ｐ№
（２１）
Ｐｂ一｛．
ｌ由。，其他
最后，依据式（１１）将目标压力梯度转换为占空比。将占空比发送给ＨＣＵ中相应电磁阀即可产生期望制动压力，实现对ＴＣＳ系统的闭环控制。
式中：ｅ为等速趋近速率；庇为指数趋近阶次，二者
第５期赵健，等：汽车ＴＣＳ液压控制单元特性测试与控制应用
。１２４５。
４仿真结果分析
为验证上述算法，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＡＭＥＳｉｍ环境下建立基于单轮车辆模型的联合仿真平台，如图７所示。单轮车辆模型和滑模变结构控制器在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下搭建，制动系统模
型在ＡＭＥＳｉｍ环境下搭建，二者的数据交互通过ＡＭＥＳｉｍ提供的应用程序ＡＰＩ和ＳｉｍｕｌｉｎｋＳ函数来实现。其中，单轮车辆模型采用文献Ｅ８３中的方法建立，发动机模型采用查表法实现，变速器给定档位和传动比，车轮模型参见图６，轮胎模型也采用查表实现。
图７
Ｆｉｇ．７
单轮车辆模型的Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ与ＡＭＥＳｉｍ联合仿真平台
Ｃｏ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆＭａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋａｎｄＡＭＥＳｉｍｆｏｒｓｉｎｇｌｅｗｈｅｅｌｍｏｄｅｌ
一…一－Ｊ
仿真在附着系数为０．２的路面上进行，初始
３．５
车速为０．５ｍ／ｓ，变速器保持３档不变，油门开度１００％。仿真结果如图８、图９所示。
３．０
星２，５
Ｒ２．０邕
ｅｉ
兰二‘・
露Ｉ．５
薯
ｌ‘００．５００
篓２０茹１５
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５０
Ⅳ墨
图９主动制动控制压力曲线与发动机力矩曲线
Ｆｉｇ．９
Ｃｕｒｖｅｓ
ｆｏｒａｃｔｉｖｅｂｒａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｅｎｇｉｎｅｔｏｒｑｕｅ
恤】正Ｗ焉控捌
图８（ａ）为无牵引力控制的轮速与车速曲线。由图可见，没有牵引力控制的情况下，驱动轮迅速发生打滑，远远超出目标轮速，导致车辆牵引性能变差，８Ｓ后车速为１０．４ｍ／Ｓ。
图８（ｂ）为有牵引力控制的轮速与车速曲线。图９为主动制动控制压力曲线和发动机力矩曲线。由图可见，采用本文的控制算法，虽然发动机力矩由于外特性曲线精度问题有一些不连续，但
蠹
艘卅５
０Ｉ
——车遗
…—－船动转琏
三
ｊ
，、
矗
制动压力仍能很好跟随发动机力矩的变化趋势，对驱动轮上的驱动力矩施加控制。使驱动轮的打滑得到有效控制，在经过控制最初阶段的微小波动之后，驱动轮转速保持在目标轮速附近，８Ｓ后
ｌ聃ｌ“Ｉｔ～黜驯
图８车辆速度曲线
Ｆｉｇ．８
Ｃｕｒｖｅｓｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｓｐｅｅｄ
吉林大学学报（工学版）
第４４卷
车速达到１３．２ｍ／ｓ，较无牵引力控制的情况提高
了２６％。５
结束语
本文进行了制动系统ＨＣＵ特性测试，并将
试验研究结果应用于ＴＣＳ控制。试验结果表明：增压时ＨＣＵ各通道可以简化为一个阀口，而阀口节流作用是由轮缸增压阀决定的；在阀口参数辨识的基础上，可以建立控制所需增压梯度和当前轮缸压力与目标占空比的关系，并用于控制系统设计。仿真结果表明：在基于滑模控制的ＴＣＳ算法中考虑制动系统响应特性进行ＰＷＭ控制，可以有效控制驱动轮在低附着路面上的打滑，进而提高车辆的牵引性能。参考文献：
［１］Ｋｅｖｉｎ
ＯＤｅａ．ＡｎｔＨｏｃｋ
ｂｒａｋｉｎｇ
ｐｅｒ｛ｏｒｍａｎｃｅ
ａｎｄ
ｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｒａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｃ］／／２００５
ＳＡＥ
ＷｏｒｌｄＣｏｎｇｒｅｓｓ，Ｄｅｔｒｏｉｔ，Ｍｉｃｈｉｇａｎ，ＵＳＡ，２００５．
［２］ＡｈｎＣ，ＫｉｍＢ，ＬｅｅＭ．Ｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆ
ａｎ
ａｎｔｉ
ｌｏｃｋｂｒａｋｅａｎｄｓｔｅｅｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅ
ｃｏｎｔｒｏｌｏｎ
ｓｐｌｉｔｍｕｓｕｒｆａｃｅｓ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒ
ｎａｌｏｆ
ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，１３（４）：５７１
５８１．
［３］ＭｅｈｄｉＭｉｒｚａｅｉ，ＨｏｓｓｅｉｎＭｉｒｚａｅｉｎｅｊａｄ．Ｏｐｔｉｍａｌｄｅ
ｓｉｇｎ
ｏｆ
ａｎｏｎ
ｌｉｎｅａｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒａｎｔｉ＿ｌｏｃｋｂｒａｋｉｎｇ
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ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
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第４４卷第５期２０１４年９月
吉林大学学报（工学版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＥｄｉｔｉｏｎ）
Ｖ０１．４４Ｓｅｐｔ．
ＮＯ．５２０１４
汽车ＴＣＳ液压控制单元特性测试与控制应用
赵
１３００２２）
健１，张进１，朱冰ｈ２，吴坚１
（１．吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室，长春１３００２２；２．吉林大学工程仿生教育部重点实验室，长春
摘要：为实现汽车牵引力控制系统（ＴＣＳ）中的主动液压制动控制精细调节，搭建了基于
ｄＳＰＡＣＥ的液压控制单元（ＨＣＵ）性能测试系统，对ＨＣＵ电磁阀特征参数进行了试验辨识，确定了采用脉宽调制控制（ＰＷＭ）进行制动压力控制时目标压力梯度和目标占空比的映射关系。将测试分析结果应用于基于滑模控制的ＴＣＳ算法，确定了基于目标压力梯度的ＰＷＭ车轮制动控制逻辑，并在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＡＭＥＳｉｍ联合仿真环境下进行了仿真验证。结果表明：所设计的主动制动控制算法能以较高精度有效调节车轮滑转率，从而改善车辆行驶性能。关键词：车辆工程；牵引力控制；制动压力调节；试验辨识；脉宽调制；滑模控制中图分类号：Ｕ４６３．５
文献标志码：Ａ
文章编号：１６７１５４９７（２０１４）０５
１２４０
０７
ＤｏＩ：１０．７９Ｇ４／ｊｄｘｂｇｘｂ２０１４０５００３
Ｔｅｓｔａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｉｎ
ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ
ｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ
ｓｙｓｔｅｍ
Ｊｉａｎｌ
ＺＨＡＯＪｉａｎｌ，ＺＨＡＮＧＪｉｎｌ，ＺＨＵ
Ｂｉｎ９１～，ＷＵ
（１．ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＳｉｍｕＬａｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ；２．ＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＢｉｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆ
ＭｉｎｉｓｔｒｙｏｆＥｄｕｃａｔｉｏｎ，ＪｉｌｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ１３００２２，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ
ｏｒｄｅｒ
ｔｏ
ｍｏｄｉｆｙｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｂｒａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅａｃｃｕｒａｔｅｌｙｆｏｒＴｒａｃｔｉｏｎＣｏｎｔｒ０１Ｓｙｓｔｅｍ
ｏｎ
（ＴＣＳ），ａＨｙｄｒａｕｌｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ（ＨＣＵ）ｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｄＳＰＡＣＥｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｕｓｉｎｇｔｈｉｓ
ｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＨＣＵｖａｌｖｅｓｗｅｒｅｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｅｓｉｒｅｄｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔａｎｄｔａｒｇｅｔｄｕｔｙｃｙｃｌｅｉｎＰｕｌｓｅ
ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｂｒａｋｅ
ｃｏｎｔｒｏｌｗａｓ
ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｉｎａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｂａｓｅｄｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍａｎｄｔｈｅｗｈｅｅｌｂｒａｋｅｃｏｎｔｒｏｌｌｏｇｉｃｂａｓｅｄ
ｏｎ
ｔａｒｇｅｔｐｒｅｓｓｕｒｅｇｒａｄｉｅｎｔ
ＣＯ
ｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．
ＴｈｅａｌｇｏｒｉｔｈｍｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄｕｓｉｎｇＭａｔｌａｂ／ＳｍｕｌｉｎｋａｎｄＡＭＥＳｉｍｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄａｃｔｉｖｅｂｒａｋｅｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｔｈｕｓ，ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｄｒｉｖｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ
ｃａｎ
ｃａｎ
ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ
ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｏｆｗｈｅｅｌｓｌｉｐｒａｔｉｏ，
ｐｒｏｖｉｄｅｈｉｇｈ
ａｃｃｕｒａｔｅ
ｂｅｉｍｐｒｏｖｅｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｔｒａｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍ；ｂｒａｋｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｓｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ｓｌｉｄｉｎｇｍｏｄｅｃｏｎｔｒ０１
收稿日期：２０１３
０７
２２．
基金项目：国家自然科学基金项目（５１１０５１６９，５１１７５２１５，５１２０５１５６）；中国博士后科学基金项目（２０１１Ｍ５０００５３
２０１２Ｔ５０２９２）．
作者简介：赵健（１９７８一），男，副教授，博士．研究方向：汽车地面系统分析与控制．Ｅｍａｉｌ：ｚｈａｏｊｉａｎ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ通信作者：朱冰（１９８２一），男，副教授，博士．研究方向：汽车地面系统分析与控制，工程仿生学．
Ｅ
ｍａｉｌ：ｚｈｕｂｉｎｇ＠ｊｌｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
第５期
赵健，等：汽车ＴＣＳ液压控制单元特性测试与控制应用
・１２４１・
Ｏ
引言
中考虑ＨＣＵ特性以改善控制效果［４弓』。
汽车ＴＣＳ系统可通过向驱动轮施加主动制动力矩，使驱动轮滑转率保持在最佳值附近，从而显著提高车辆在恶劣路面下的驱动能力。在研究ＨＣＵ响应特性并建立简单精确的ＨＣＵ模型的基础上设计ＴＣＳ算法，可以进一步提高控制效果，滑模变结构控制由于具有响应快速、鲁棒性好、实现简单等优点，非常适用于ＴＣＳ算法开发髓。
本文首先基于Ｍａｔｌａｂ和ｄＳＰＡＣＥ实时开发与测试环境搭建液压测试系统，对典型ＴＣＳ系统ＨＣＵ进行参数辨识和ＰＷＭ控制试验研究，并将测试分析结果应用于ＴＣＳ控制，设计基于主动制动控制的ＴＣＳ滑模控制算法，根据期望的压力梯度计算得到目标占空比，对制动压力进行ＰＷＭ控制，最后在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＡＭＥＳｉｍ联合仿真控制下对控制算法进行了验证。
１
作为液压制动控制的执行机构，液压控制单兀（Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ
ｃｏｎｔｒｏｌ
ｕｎｉｔ，ＨＣＵ）的性能对基于
主动制动控制的汽车动力学控制系统，如制动防抱死系统（Ａｎｔｉ
ｌｏｃｋｂｒａｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ＡＢＳ）、牵引
ｃｏｎｔｒｏｌｓｖｓｔｅｉｉｌ，ＴＣＳ）和电
ｓｔａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒ０１，
力控制系统（Ｔｒａｃｔｉｏｎ
子稳定控制系统（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ
ＥＳＣ）等具有重要影响。ＨＣＵ的响应特性和品质以及它与制动系统和控制逻辑匹配的好坏都会影响最终控制效果［Ｈ。
由于ＨＣＵ同时包含离散和连续特性，且其液压元件具有很强的非线性，因此，建立精确物理模型具有很大难度，近年来，国内外学者对ＨＣＵ都进行了广泛的研究。系统中液压制动管路设置、不同工况下制动压力的估计误差以及ＨＣＵ阀口特性等都将显著影响控制精度嘲，这些均是制约汽车主动制动控制系统发展的关键问题。文献［３］表明，若能根据ＨＣＵ特性对车轮制动进行优化的非线性控制，则可以有效提高车轮滑动率控制精度。因此，一些研究开始关注在制动控制
ＨＣＵ测试系统
测试系统如图１所示。系统由工控机、
ｄＳＰＡＣＥ下位机、驱动系统和液压系统组成，其中：
（１）液压系统由液压泵站（其中８为动力源），
圈１
Ｆｉｇ．１
Ｔｅｓｔ
ＨＣＵ测试系统万粟
ｓｙｓｔｅｍｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔ
二位二通常开阀１、２，二位四通阀３，流量传感器７和压力传感器４、５、６组成。ＨＣＵ在系统中的安装位置如图１所示，所采用的ＨＣＵ为Ｘ型管口，一个接前轮缸的接口和一个接对侧后轮缸的时，制动液经泵站流经阀３、流量传感器７流人ＨＣＵ，再分两路流出，分别经过阀１、２流回阀３，
最终回到油箱。减压响应测试时，将阀３通电，制动液经ＨＣＵ两个接轮缸的接口流人，由接主缸的接口流出。
路布置，只进行一个回路的测试（一个接主缸的接（ｅ）ｉＲ验者通过工控机实现对试验的控制，程
序的编制在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下实现，并经机中，试验者可以通过ＣｏｎｔｒｏｌＤｅｓｋ实现试验参数的实时修改、试验数据的显示与处理。
接口），另一路的３个接口堵死。增压响应测试ｄＳＰＡＣＥ提供的ＲＴＩ接口下载到ｄＳＰＡＣＥ下位
・１２４２・
吉林大学学报（工学版）
为：
Ｑ—Ｃ・ａｐｏ
ｊ
第４４卷
ｄＳＰＡＣＥ下位机中包括处理器板ＤＳｌ００５、多功能接口板ＤＳ２２０２、ＤＳ２２１１和Ｉ／Ｏ接口板ＤＳ４００３，所有的板卡都安装在ＰＸ２０扩展箱中。试验过程中，由上位机将试验控制程序下载至ＤＳｌ００５，通过接口板卡实现传感器信号的采集和驱动信号的发生。
（３）驱动系统由两部分组成，一部分用于驱动ＨＣＵ电磁阀和泵电机，另一部分用于驱动测试系统电磁阀和动力源。
ＨＣＵ电机和阀的驱动由独立的功率驱动电路来实现。ＨＣＵ泵电机的特点是瞬问启动电流大，响应速度快，稳定状态下要求的驱动电流达到
１１
（２）
式中：Ｃ为阀口系数。
Ｃ—ＣＬｌＡ（ｐ／２）ｏ
ｊ
（３）
采用Ｘ型布置的ＨＣＵ一个独立回路的液压系统如图２所示。
睦ｊ二ｌ
Ａ，因此选用了英飞凌（Ｉｎｆｉｎｅｏｎ）公司生产的
十＠
州雕瓤
，－
ＢＴＳ４４２智能高端电源开关芯片，它的负载电流可达２１Ａ，可以满足电机的工作要求。ＨＣＵ电磁阀为两位两通高速开关阀，要求的动作频率高，可达到１００Ｈｚ以上，阀线圈电阻很小，所需电流在１～３Ａ，因此，采用ＩｎｆｉｎｅｏｎＴＬＥ５２２６智能四通道低端开关芯片作为驱动芯片，其工作电压为
４．８～３２Ｖ，负载两端最大压差为６０Ｖ，提供了独
图２
Ｆｉｇ．２
协ｏ『ｉ。岱靴
｝《‘ｎ４ｔ｛；＝ａＩ¨
披｛・虹牝ａｊ
ＨＣＵ液压系统图
立四通道的电磁阀驱动能力。另外，还附加设计了短路保护、过载保护、过压保护以及过温保护等功能。该驱动电路模块接收ＤＳ２２１１发出的信号并加以放大，实现ＨＣＵ的功率驱动。
液压测试系统的电机和电磁阀工作在稳态，没有响应速度的要求，因此，用继电器实现控制，继电器的控制可由ＤＳ４００３实现。
（４）压力传感器信号和流量传感器信号由ＤＳ２２０２采集。其中，３个压力传感器分别用于测量ＨＣＵ一个回路的人口（１个）和出口（２个）的压力状态。
２
ＨｙｄｒａｕｌｉｃｃｉｒｃｕｉｔｏｆＨＣＵ
以增压响应特性试验研究为例，ＨＣＵ每个独立管路的增压试验中共有两个车轮通道，每个车轮增压回路中串联有１个增压阀和１个保持阀，其中保持阀为两个通路共用，因此增压特性测试与参数辨识共涉及３个电磁阀，阀口流量方程
为：
Ｑ—Ｃｉ・△矿。
右后增压阀。
（４）
式中：ｉ一１，２，３分别表示保持阀、左前增压阀和
如图２所示，流过３个阀的流量分别为Ｑ。、Ｑ、Ｑｊ，保持阀入口压力记为Ｐ。，保持阀出口压力
ＨＣＵ液压响应特性测试
ＨＣＵ电磁阀可以被简化成一个阀口，其压
即增压阀人口压力记为Ｐ：，增压阀出口压力记为Ｐ。，其中，Ｐｔ和Ｐ。分别为ＨＣＵ入口和出口的压力，可以通过试验７ａｌｌ，０得，而Ｐ：是ＨＣＵ内部的压力，不能直接测得。
将泵站视为一个理想恒压源，控制其输入压
（１）
２．１阀特性辨识
力流量特性可由下式表示［７０：
厂ｉ——————一
Ｑ—ＣＬｌＡ／兰（Ｐ，Ｐ。）
Ｖ
力稳定在１，２，…，１２ＭＰａ，并测定流过ＨＣＵ的流量以及ＨＣＵ进出口压力。
（１）两轮同时增压
将ＨＣＵ所有电磁阀保持不通电状态，由泵站进行增压操作，制动液经ＨＣＵ保持阀和同一回路上的两个增压阀流过ＨＣＵ回到泵站油箱。测量ＨＣＵ入口的制动压力甜’、出口的制动压
ｐ
式中：Ｑ为流过阀的流量；ＣＬｌ为阀口流量系数；Ａ为阀口流通面积；ｐ为流体密度；Ｐ，为阀入口压力；Ｐ。为阀出口压力。
对于确定的电磁阀，阀完全打开时，阀口流量系数ＣＬｌ、阀口流通面积Ａ和制动液的密度ｐ都可以认为是定值，因此，电磁阀的流量特性可以简化
第５期赵健，等：汽车ＴＣＳ液压控制单元特性测试与控制应用
。１２４３。
力毋’（两路出口连接在一起）和流过ＨＣＵ的制
动液流量Ｑ！ｉ¨。
（２）前轮增压
将图１中的二位二通阀１通电，制动液经ＨＣＵ保持阀和测试回路中的前轮增压阀流过ＨＣＵ，测量ＨＣＵ人口制动压力菇∞、通向前轮出
３种试验条件下的压力曲线几乎完全重合，且保持阀出口压力几乎都等于ＨＣＵ的人口压力，这说明对整个ＨＣＵ系统而言，保持阀起不到阀口节流作用，可以将其简化为一段管路，阀口节流作用完全由增压阀实现。
根据１２组测试结果可以直接由ＨＣＵ的进出口压力及式（４）对增压阀进行回归并对结果进行平均，得到阀口系数为：
ｃ２—０．３９４８，ｃｊ一０．１８５３
（９）
口的制动压力球’和流过的制动液流量砭∞。
（３）后轮增压
将图１中的二位二通阀２通电，制动液经ＨＣＵ保持阀和测试回路中的后轮增压阀流过ＨＣＵ，测量ＨＣＵ人口制动压力菇∞、通向后轮出
拟合曲线和测试结果如图４所示。拟合曲线与试验数据的残差平方和ＳＳＥ、决定系数Ｒｓｑｕａｒｅ和标准差ＲＭＳＥ如表１所示。可以看出，拟合结果具有很高的精度，以上简化合理。
口的制动压力硝’和流过的制动液流量砭”。
两轮通道同时开启时，通过ＨＣＵ的流量为：
Ｑ！ｉ¨一毯¨＋晓¨
只有前轮通道开启时，通过ＨＣＵ的流量为：
Ｑ！ｉ２’一砭∞
只有后轮通道开启时，通过ＨＣＵ的流量为：
Ｑ！ｉ∞一晓”
可以得到以下方程组：
砭１’《１’
ＧＧＧ
ｐｐｐｐｐｐｐ
一ｐ一ｐ一ｐ一ｐ一ｐ一ｐ一ｐ
８
（５）
（６）
ｆ
．目昌一
（７）
ｉ
糖
＋
砭２’醚２’《３’砭３’
ＧＧＧＧ
图４
Ｆｉｇ．４
Ｆｉｔｔｅｄ
ＨＣＵ增压试验拟合曲线
ｃｕｒｖｅｓ
ｏｆ
ＨＣＵｐｒｅｓｓｕｒｉｚｉｎｇｔｅｓｔ
表１拟合结果统计特性
Ｔａｂｌｅ１
Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｆｉｔｔｉｎｇｄａｔａ
式中：Ｃ。、Ｃ２、Ｇ以及∥’、∥’、∥’六个变量未
知，其他参量均通过试验测得，未知数与方程数目相同，可求解。由于每个试验均进行了１２个压力点的测试，因此可以求得１２组解。
求解过程中，发现根据试验数据无法得到合理的Ｃ。实数解，求得的Ｐ：如图３所示，由图可见
ｌ
２．２
ＰＷＭ增压控制测试
ＨＣＵ中所采用的轮缸压力控制阀均为高速
开关阀，应用合适的ＰＷＭ控制方法可以实现精确的轮缸压力控制［４１。采用ＰＷＭ控制ＨＣＵ电磁阀时，轮缸压力与流量关系可以表示为：
萋，
瞢
置
霉
Ｑ一—｝ＣＬｌＡ。。，Ｆ△ｐ一
２３－ｍａｘ
Ｖ
△—－
Ｕ
ｊ
耋
ＨｅＬｌ＾口压力删ｈ
图３
Ｆｉｇ．３
Ｃｕｒｖｅｓ
ｋＡ（Ｄ）・Ｃ・却ｏ
（１０）
式中：Ａ。。。为占空比为１００％时的阀口流通面积；Ｄ为占空比；ｋＡ为无因次有效阀口开度；ｋ（Ｄ）为不同占空比Ｄ下阀口有效通流面积Ａ与Ａ。。的比值，是与Ｄ相关的函数，利用试验测得的阀口两端压差和平均流量以及上文计算得到的增压
ＴＣＳ隔离阀出口压力
ｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅａｔＴＣＳｉｓｏｌａｔｉｏｎｖＭｖｅｏｕｔｌｅｔ
・
１２４４
・
吉林大学学报（工学版）
均为正实数，则有：
●
第４４卷
阀阀口系数，即可求解ｋ（Ｄ）。
图５为根据实测值计算得到的ｋ（Ｄ）与按直线方程进行拟合得到的结果。由于增压阀是常
开阀，Ｄ
潞一￡ｌ艿ｌ砧２＜０
（１６）
满足滑模变结构控制的全局达到条件，则滑动模态存在，控制方法可行。
求式（１２）的一阶和二阶导数，将ｊ和＋；代人式（１５），并略去高阶项，可得：
矗一
凶＋
１００％对应阀口全关。
匡
占空比，％
ｍｒ勘Ｌ
ｃ旦＋２函（ｔＥ．ｓｉｇｎ（∞ｒ
址占
一
（１７）
忽略滚动阻力，驱动轮在驱动工况下的受力如图６所示，动力学平衡方程为：
１ｗ∞一ＴＬｌ
（Ｒ＋Ｆ。ｒ）
（１８）
式中：ＴＬｌ为作用在驱动轮上的驱动力矩；Ｒ为作用在驱动轮上的制动力矩；Ｒ为地面对车轮的纵向作用力；１ｗ为车轮转动惯量。
图５有效阀口开度与占空比的关系
Ｆｉｇ．５
Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｅｆｆｅｃｔｉｖｅｖａｌｖｅｏｐｅｎｉｎｇ
ａｒｅａ
ａｎｄｄｕｔｙｒａｔｉｏ
轮缸压力可以采用式（１）估算，反之，也可通过控制所需增压梯度和当前轮缸压力计算目标占
空比。
刍一“Ｄ）售ｃ√而…）
Ｅ—ｆ
矿唧Ｎ一
∞１＼
式中：＆为制动液体积弹性模量；Ｖ为轮缸中制动液量；Ｐ，。为轮缸进液阀人口压力；Ｐ。为当前轮缸压力。
３
一Ｌ／．Ｂ
图６单轮驱动模型
Ｆｉｇ．６
Ｓｉｎｇｌｅｗｈｅｅｌｄｒｉｖｉｎｇ
ＴＣＳ压力控制应用
采用滑模控制设计ＴＣＳ控制算法。驱动工
ｍｏｄｅｌ
对式（１８）两边求导，得：
Ｒ—ＴＬｌ
（Ｆ。ｒ＋Ｉ。ｏ
（１９）
况下，轮胎的纵向滑转率定义为：
ｓ一些二』
‘ａＯｒ
（１２）
将式（１７）代人式（１９）即可得到所需的驱动轮制动力矩变化率Ｒ，进而求得制动压力梯度：
●
式中：ｃｃ，为车轮旋转角速度；ｒ为轮胎有效半径；勘为纵向车速。
实际滑转率与理想滑转率的差值ｅ及其导数作为状态变量：
ｅ—ｓ
＆，
Ｐｂ—ＫｂＴｂ
（２０）
式中：Ｋ。为制动轮缸压力与制动器制动力矩的换算系数，由轮缸活塞面积、制动器效能因数和制动
（１３）
｛．
．
器有效半径决定。
考虑到电磁阀工作死区，并为了减小轮缸压
式中：＆为轮胎最佳滑转率。
切换函数为：
占一Ｃｅ＋；一ｊ＋ｃｒ
ｓ
力的波动，设定压力梯度门限为Ｐ“。当Ｐ“小于门
＆］
（１４）
限时，采取保压操作，即：
．
式中：ｃ为滑模面系数。
考虑到控制的快速性要求，采用指数趋近率对轮胎的滑移率进行滑模变结构控制，取：
艿一品＋苫一￡・ｓｉｇｎ（∞
硒
（１５）
ｆ０，ｐｂｏ＜：ｐｂ＜：ｐ№
（２１）
Ｐｂ一｛．
ｌ由。，其他
最后，依据式（１１）将目标压力梯度转换为占空比。将占空比发送给ＨＣＵ中相应电磁阀即可产生期望制动压力，实现对ＴＣＳ系统的闭环控制。
式中：ｅ为等速趋近速率；庇为指数趋近阶次，二者
第５期赵健，等：汽车ＴＣＳ液压控制单元特性测试与控制应用
。１２４５。
４仿真结果分析
为验证上述算法，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和ＡＭＥＳｉｍ环境下建立基于单轮车辆模型的联合仿真平台，如图７所示。单轮车辆模型和滑模变结构控制器在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下搭建，制动系统模
型在ＡＭＥＳｉｍ环境下搭建，二者的数据交互通过ＡＭＥＳｉｍ提供的应用程序ＡＰＩ和ＳｉｍｕｌｉｎｋＳ函数来实现。其中，单轮车辆模型采用文献Ｅ８３中的方法建立，发动机模型采用查表法实现，变速器给定档位和传动比，车轮模型参见图６，轮胎模型也采用查表实现。
图７
Ｆｉｇ．７
单轮车辆模型的Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ与ＡＭＥＳｉｍ联合仿真平台
Ｃｏ—ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆＭａｔｌａｂ／ｓｉｍｕｌｉｎｋａｎｄＡＭＥＳｉｍｆｏｒｓｉｎｇｌｅｗｈｅｅｌｍｏｄｅｌ
一…一－Ｊ
仿真在附着系数为０．２的路面上进行，初始
３．５
车速为０．５ｍ／ｓ，变速器保持３档不变，油门开度１００％。仿真结果如图８、图９所示。
３．０
星２，５
Ｒ２．０邕
ｅｉ
兰二‘・
露Ｉ．５
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图９主动制动控制压力曲线与发动机力矩曲线
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图８（ａ）为无牵引力控制的轮速与车速曲线。由图可见，没有牵引力控制的情况下，驱动轮迅速发生打滑，远远超出目标轮速，导致车辆牵引性能变差，８Ｓ后车速为１０．４ｍ／Ｓ。
图８（ｂ）为有牵引力控制的轮速与车速曲线。图９为主动制动控制压力曲线和发动机力矩曲线。由图可见，采用本文的控制算法，虽然发动机力矩由于外特性曲线精度问题有一些不连续，但
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制动压力仍能很好跟随发动机力矩的变化趋势，对驱动轮上的驱动力矩施加控制。使驱动轮的打滑得到有效控制，在经过控制最初阶段的微小波动之后，驱动轮转速保持在目标轮速附近，８Ｓ后
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图８车辆速度曲线
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吉林大学学报（工学版）
第４４卷
车速达到１３．２ｍ／ｓ，较无牵引力控制的情况提高
了２６％。５
结束语
本文进行了制动系统ＨＣＵ特性测试，并将
试验研究结果应用于ＴＣＳ控制。试验结果表明：增压时ＨＣＵ各通道可以简化为一个阀口，而阀口节流作用是由轮缸增压阀决定的；在阀口参数辨识的基础上，可以建立控制所需增压梯度和当前轮缸压力与目标占空比的关系，并用于控制系统设计。仿真结果表明：在基于滑模控制的ＴＣＳ算法中考虑制动系统响应特性进行ＰＷＭ控制，可以有效控制驱动轮在低附着路面上的打滑，进而提高车辆的牵引性能。参考文献：
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