第三章 穩控系統基本方法

第一節 正交匹配方法

一、正交匹配實驗

穩控系統與整車的匹配分為兩部分，即硬件匹配與軟件匹配。硬件匹配包括傳感器及齒圈的安裝設計，電子與液壓控制單元的安裝設計，制動管路、電線束及儀表的布置和HCU節流閥孔直徑的匹配設計等。HCU節流閥孔直徑的匹配設計關系到制動系統的增減壓速率，在硬件匹配中最為關鍵。軟件匹配是根據車輛車輪的轉動慣量、重心高度、制動器結構形式、載質量和制動系統的增減壓速率等參數匹配軟件中的各種門限值和緩增壓過程。匹配過程為：首先在計算機上進行數字模擬，獲得匹配參數的初步區間；然后在混合仿真實驗臺上進行控制系統硬件在環混合仿真模擬，進一步縮小匹配參數的區間；最后進行實車道路實驗，確定匹配的參數。為了提高軟件匹配的效率，研究了正交設計的方法在控制系統軟件匹配中的應用，軟件中有超過60個控制參數。若對這些參數進行全面實驗，即使每個參數只選取兩個水平進行實驗，那么需進行2⁶⁰=1.15×10¹⁸次實驗，這顯然是不可能的。為此引入正交實驗設計法，該方法就是采用正交設計原理設計好的表格——正交表來安排實驗并進行數據分析的一種方法。正交實驗設計的基本工具是正交表，它是根據均衡分布的思想，運用組合數學理論構造的一種數學表格。正交表必須具備的性質為：在任何一列中各水平都出現，且出現的次數相等；任意兩列之間各種不同水平的所有可能組合都出現，且出現的次數相等。這樣，在正交表中，任一列的各水平都出現，使得部分實驗中包含所有因素的所有水平；任意二列的所有組合都出現，使得任意二因素間都是全面實驗。以此正交表安排的雖然只是部分實驗，但能夠了解到全面實驗的情況，從這個意義上講，部分實驗可以代表全面實驗。而且，在正交表中，任一列各水平出現的次數都相等，任二列間所有可能的組合出現的次數都相等，因此就使得任一因素各水平的實驗條件相同。這就保證了在每列因素各個水平的效果中，最大限度地排除了其他因素的干擾，從而可以綜合比較該因素不同水平對實驗指標的影響。

正交實驗法確定穩控系統軟件參數的步驟可歸納為：確定穩控系統性能評價指標；選定對穩控系統性能可能有較大影響的軟件參數，即實驗因素，然后確定各軟件參數的水平數；根據上一步選取的因素數和水平數選定合適的正交表，排定表頭；按照表中排定的條件進行實驗，求出每次實驗條件下的穩控系統評價指標的值，并將結果填入表格相應位置；計算各列的同一水平的數據和，并計算極差，填入表格，按極差的大小排出因素的主次，選取因素的最佳組合；如有必要，以各因素取值為橫坐標，評價指標為縱坐標，將各主要因素的各個水平的數據標注于坐標系內，根據其變化趨勢推測穩控系統軟件參數的尋優方向，進行軟件參數優化。

二、硬件匹配方法

在進行穩控系統匹配之前，首先需要對匹配車輛進行充分測試，檢測車輛是否符合穩控系統匹配的要求。如車輛的制動器必須能夠提供足夠大的制動器摩擦力矩，保證前后輪在各種附著和負載情況下均能抱死，使穩控系統能夠發揮作用，保證制動效能和制動穩定性；車輛的行車制動系統促動和放松時間應盡量短，即制動滯后現象應盡量小，必須滿足穩控系統壓力調節需要；車輛的制動力分配必須合理。另外需要了解車輛的車型、整車布局、驅動形式、制動器形式、制動管路的布置等信息，這些與傳感器的選擇與安裝、液壓控制單元的安裝、電子控制單元的安裝、線束的設計及軟件參數匹配都有直接的關系。測量獲取整車質量、重心位置和高度、制動器參數等整車參數，為HCU的匹配、軟件匹配奠定基礎。首先，進行仿真初步匹配，將獲取的待配車輛的整車參數輸入基于AN-SYS和AMESIM軟件平臺上開發的穩控系統液壓控制單元的仿真分析軟件中，對HCU進行參數選擇和仿真，確定HCU的增減壓閥孔徑、低壓蓄能器大小等性能參數。其次，將設計完成的HCU在電磁閥測試實驗臺上進行性能測試，根據電磁閥的響應等指標對HCU進行進一步改進。HCU的匹配需要進行實車檢測，并且根據穩控系統軟件匹配的效果對HCU的設計匹配進行反復驗證和測試。

傳感器由兩部分組成，即傳感器和齒圈。根據制動器和車輪的布局設計合適齒圈，選擇合適的傳感器安裝形式和位置。安裝傳感器時，首先要保證空氣間隙值符合規定要求；其次要使傳感器及齒圈安裝牢靠，相對振動較小，以防空氣間隙的變化；傳感器的中心線應垂直于脈沖環的齒面，且中心應位于齒面寬度方向上的中部。由于制動液有良好的不可壓縮性，并且液壓控制單元與制動主缸形成分離式結構，所以液壓控制單元在制動系統中的布局柔性很大。為了便于安裝，將其安裝在離制動主缸較近的地方。在匹配過程中曾發生過主缸與HCU間連接油管因振動發生斷裂的情況，因此在安裝HCU時要充分考慮HCU與主缸間的振動因素。穩控系統的電磁閥繼電器和電動機繼電器直接插接在液壓控制單元的相應的插座上，為了免受塵土和油污的沾染，在液壓控制單元上應有一罩蓋。液壓控制單元是閥類零件，受的振動沖擊愈小愈好。液壓控制單元應作為汽車的簧上質量，既可減少對閥的振動沖擊，又可以提高汽車的舒適性。

ECU由安置在印制電路板上的一系列電子元器件構成，封裝在金屬殼體中，形成一個獨立的整體。在汽車上安裝ECU應注意防振沖擊、防雨水及灰塵的侵蝕，并且要遠離高溫源并避免溫度突變等對它的沖擊。其通常安置在汽車上塵土和潮氣不易侵入，電磁干擾較小的部位。如電子控制單元可以安置在行李艙中的隔離室內，也可以安置在儀表板下或座椅下或發動機艙中的隔離室內等部位。ECU通過線束與傳感器和執行器相連（在有些車型上，為了使穩控系統緊湊，也可將ECU安置在HCU上）。另外穩控系統硬件匹配還包括制動管路布置與連接、線束設計、ECU接線等。穩控系統硬件匹配安裝完畢后，需要對穩控系統各硬件單元進行嚴格測試，保證整個系統的正常工作。

三、軟件匹配方法

軟件匹配主要包括三個步驟：數字模擬計算，獲得匹配參數的初步區間；穩控系統硬件在環混合仿真，進一步縮小匹配參數的區間；最后進行實車道路實驗，確定匹配的參數。將硬件匹配得到的整車及HCU參數輸入基于AMESIM的整車穩控分析系統中，進行仿真計算，對軟件參數進行初步匹配，獲取匹配參數的初步區間。開發過程中，采用混合仿真實驗臺進行穩控系統硬件在環混合仿真，實驗邏輯結構如圖3-1所示，實驗臺如圖3-2所示。

圖3-1 穩控系統混合仿真實驗邏輯結構

將與匹配車輛同型號的制動器、HCU和ECU安裝在實驗臺上，根據匹配車輛的參數，調整車輛模型，形成與目標匹配車輛相適應的混合仿真系統。在系統中進行穩控系統的硬件在環仿真，包括工作電路檢測與調試；壓力控制單元的功能調試，以及壓力控制過程升壓速率、減壓速率的測試；根據硬件在環仿真系統軟件的設置，分別對車輛行駛在高附著系數路面、低附著系數路面、高低附著系數對接路面和對開路面上的直線制動情況，高低附著路面轉彎制動、移線、雙移線等情況進行仿真分析，檢測所設計控制軟件的控制參數是否合理；根據硬件在環仿真分析的結果，確定實車道路匹配時的重點參數匹配表。另外在本實驗臺上也可以進行穩控系統的HCU、ECU的測試，以及可以完成部分道路實驗難以完成或者無法完成的實驗。

圖3-2 穩控系統混合仿真實驗臺

四、實車匹配方法

完成穩控系統的硬件在環仿真分析后，在匹配車輛上安裝專用便攜式車載實驗計算機及其數據采集與分析系統，使用正交實驗的方法，對安裝了穩控系統的車輛進行道路匹配實驗。在穩控系統匹配實驗中，為方便調試，可將ECU固定在車內，用擴展Flash代替片上內存，這樣可以方便地對程序進行修改和反復擦寫。同時構建了綜合測試系統，測量制動過程中的輪速、車速、電磁閥開關狀態、制動壓力等一系列參數，并利用自行開發的數據分析軟件將制動過程曲線直觀地顯示出來，同時按照國標要求計算出制動距離、平均制動強度等參數量，客觀地對制動過程作出評價，并以此為依據修改控制程序。車載調試系統框圖如圖3-3所示。

實車道路匹配實驗主要完成如下工作：

①行駛過程中穩控系統工作電路的功能檢測和可靠性考核。

②對匹配車輛行駛在高附著系數路面（附著系數大于0.6）直線制動時的制動功能和制動效果的調試。

③對匹配車輛行駛在低附著系數路面（附著系數小于0.4）直線制動時的制動功能和制動效果的調試。

④對匹配車輛行駛在高/低附著系數路面和低/高附著系數路面（對接路面）直線制動時的制動功能和制動效果的調試。

⑤對匹配車輛行駛在左高/右低附著系數路面和左低/右高附著系數路面（對開路面）直線制動時的制動功能和制動效果的調試。

⑥對匹配車輛在高附著路面和低附著路面轉彎制動情況進行制動功能和制動效果的調試。

⑦對匹配車輛在高附著路面和低附著路面移線制動情況進行制動功能和制動效果的調試。

⑧對匹配車輛在不平路面的制動情況進行制動功能和制動效果的調試。

⑨對匹配車輛在坡道上的制動情況進行制動功能和制動效果的調試。

在完成穩控系統匹配之后，進行全面的道路實驗，進行性能測試和可靠性實驗，對整車的軟硬件匹配進行優化。冬季實車道路匹配實驗如圖3-4所示。

圖3-3 車載調試系統框圖

注：壓力傳感器需要單獨供電，故在車上要再用一個蓄電池為壓力傳感器供電。

圖3-4 冬季實車道路匹配實驗