基于​PXI​的​汽车​电子​稳定​程序​(ESP)​硬件​在​环​测​控​系统​的​开发

- 李 礼​夫, 华南​理工​大学

"通过​NI​公司​先进​的​PXI​技术,​能够​准确​而​快速​地​对​硬件​进行​控制​和​数据​采集;​同时,​LabVIEW​对​其他​的​仿真​控制​软件​具有​很高​的​开放​性​和​兼容​性,​通过​仿真​接口​工具​包​(SIT),​能够​很​方便​地​与​Simulink​进行​通讯,​从而​实现​Simulink​与​硬件​的​连接"

- 李 礼​夫, 华南​理工​大学

挑战:

相比​传统​的​采用​路面​试验​来​验证​ESP​控制​方法,​采用​基于​虚拟​技术​的​ESP​测​控​系统​可​大大​减低​开发​成本,​缩短​开发​周期。​然而​目前​绝​大​多数​控制​方法​都​采用​Simulink​进行​开发,​如何​实现​Simulink​和​实际​硬件​之间​的​控制​和​反馈​是​解决​问题​的​关键。

解决​方案:

使用​NI​公司​的​PXI​平台,​进行​相关​数据​信号​的​输出​控制​和​采集;​使用​LabVIEW​进行​界面​的​编写,​同时​采用​其​仿真​接口​工具​包​(SIT)​与​Simulink​进行​连接,​以​LabVIEW​为​平台,​实现​基于​Simulink​模型​控制​的​硬件​在​环​测​控​系统。

作者:

洪 兢 - 华南​理工​大学
​李 礼​夫 - 华南​理工​大学

 

介绍:

         针对​目前​ESP​常用​的​如​逻辑​门​控制、​普通​PID​控制​等​方法​鲁​棒​性​和​自​适应​性​不​强​的​缺陷,​本文​提出​并​在​Simulink​环境​中​建立​了​基于​汽车​横摆​角速度​和​质​心​侧​偏角​的​参数​模糊​自​整​定​PID​控制​方法,​以​采用​ADAMS​建立​的​整​车​虚拟​样机​的​操纵​稳定​性​状况​为​目标,​通过​LabVIEW​平台,​将​Simulink​与​所​开发​的​实际​硬件​进行​通讯,​实现​对​硬件​的​实​时​闭​环​控制,​开发​基于​虚拟​技术​的​ESP​测​控​系统。

 

1、​ESP​的​基本​原理

     汽车​在​高速​或​在​低​附着​系数​的​路面​上​行驶​时,​由于​受到​外界​干扰​或​驾驶​员​转向​作用,​侧向​附着力​常常​达到​附着​极限,​容易​丧失​操纵​稳定​性​和​方向​稳定​性,​造成​交通事故​的​发生。​这​正是​汽车​电子​稳定​程序​(ESP)​所要​解决​的​问题。​其​基本​原理​是​通过​检测​汽车​的​行驶​状态,​将​其​与​驾驶​员​的​期望值​进行​比较,​来​判断​汽车​的​稳定​性,​当​汽车​将要​进入​非​稳定​状态​时,​通过​调节​汽车​纵​向​制​动力​的​大小​及​在​车轮​间​的​匹配​来​施加​主动​干预,​阻止​其​进入​非​稳定​状态,​从而​改善​汽车​的​操纵​稳定​性。

 

2、​所​采用​的​控制​方法

控制​策略​与​方法​是​ESP​技术​的​核心。​目前​ESP​所​采用​的​控制​方法​主要​有​基于​大量​实验​的​逻辑​门​控制、​普通​PID​控制​等,​这些​方法​的​控制​参数​一旦​确定,​控制​逻辑​就​被​固定,​只能​在​汽车​某些​常见​的​工​况​下​有效​地​工作,​当​运行​条件​改变​时,​汽车​的​系统​特性​也​会​随​之​改变,​其​稳定​性​就不能​得到​保证。​针对​目前​常用​控制​方法​鲁​棒​性​和​自​适应​性​不​强​的​缺陷,​本文​提出​了​基于​汽车​横摆​角速度​和​质​心​侧​偏角​的​参数​模糊​自​整​定​PID​控制​方法。​该​方法​首先​检测​出​汽车​运行​状态​(如​横摆​角速度、​整​车​质​心​侧​偏角、​侧向​加速度​等)​实际​值,​然后​由​期望​模型​计算​出​汽车​运动​状态​的​期望值,​将​实际​值​与​期望值​的​偏差​通过​基于​汽车​横摆​角速度​和​质​心​侧​偏角​的​参数​模糊​自​整​定​PID​控制器,​计算​出所​需要​施加​的​附加​横摆​力矩,​再​计算​出​单​轮​的​制动​力矩,​即​通过​控制​单​轮​制动​力矩​来​达到​控制​汽车​附加​横摆​力矩​并​改善​汽车​动力​学​稳定​性的​目的。​其​过程​如​图​1​所​示。

 

3、​ESP​测​控​系统​的​开发

    根据​以上​原理​及​控制​方法​的​要求,​我们​选用​了​NI​公司​的​PXI​设备​来​进行​数据​采集​和​输出​控制,​同时,​使用​ADAMS​建立​整​车​虚拟​样机,​使用​Simulink​建立​虚拟​控制器,​以​LabVIEW​作为​平台,​开发​了​基于​虚拟​技术​的​ESP​测​控​系统。​整个​系统​的​基本​架构​如​图​2​所​示。

 

1)​建立​整​车​虚拟​样机

使用​MSC ADAMS/​CAR​建立​基于​96​自由​度​的​整​车​虚拟​样机​模型,​设计​参数​提取​和​参考​了​2.4L​排量​的​本田​第七​代​雅​阁​轿车,​其​各个​子​系统​的​实体​模型​在​动力​学​和​运动​学​特性​上​与​均​实际​汽车​相​一致,​而且​能够​模拟​汽车​的​各种​运动​工​况,​向​控制器​输出​横摆​角速度、​方向​盘​转​角、​侧向​加速度​的​值,​从而​准确​模拟​用于​测量​这​三​个​关键​量的​传感器​的​功能。​在​本​测​控​系统​中,​测试​工​况、​路面​状况​及​驾驶​员​模型​均​由​ADAMS/​CAR​提供。

 

2)​设计​ESP​虚拟​控制器

     如​前面​所​说,​本​系统​采用​基于​汽车​横摆​角速度​和​质​心​侧​偏角​的​参数​模糊​自​整​定​PID​控制​方法,​使用​Simulink​建立​基于​该​控制​方法​的​虚拟​控制器,​并​通过​ADAMS​和​Simulink​的​接口,​将​前面​建立​的​整​车​虚拟​样机​导入​Simulink​中,​实现​ESP​的​软件​在​环。​虚拟​控制器​里面​固化​了​质​心​侧​偏角​估算​模​块、​驾驶​员​期望​的​汽车​行驶​模型​计算​模​块,​由​整​车​虚拟​样机​输出​的​横摆​角速度、​方向​盘​转​角、​侧向​加速度​可​估算​出​汽车​实际​质​心​侧​偏角​并​计算​出​驾驶​员​期望​横摆​角速度​和​质​心​侧​偏角。

 

3)​搭建​系统​的​汽车​硬件​部分

     根据​ESP​测试​系统​的​要求,​开发​并​搭建​了​硬件​在​环​的​汽车​硬件​部分,​如​图​3​所​示,​采用​三菱​FR​系列​变频​调​速​器​对​Y100L​异步​电机​进行​调​速,​模拟​车轮​运行​的​初始​速度;​FL-5​型​磁​粉​离合​器​模拟​地面​制​动力​产生​的​力矩,​FZ-2​型​磁​粉​制动​器​模拟​液压​制动​器​产生​的​制动​力矩,​扭矩​传感器​将​实际​作用​在​车轮​上​的​制动​力矩​采集​回来。

 

4)​与​汽车​硬件​部分​进行​连接

     使用​LabVIEW​作为​平台,​通过​NI​的​DAQ​设备,​就​可以​在​一台​普通​PC​上​灵活​地​搭建​自己​的​采集​和​控制​系统,​实现​软件​直接​与​硬件​测​控​对象​的​通讯。​这​是​实现​该​系统​硬件​在​环​的​关键。

 

     本​系统​采用​NI​公司​的​M​系列​多功能​高速​采集​卡​PXI-6259,​该​DAQ​卡​支持​模拟​量的​采集​与​输出,​最大​采集​速率​达​1.25MS/​s,​最大​输出​速率​达​2.8MS/​s,​有​32​个​模拟​量​输入​通道​和​4​个​模拟​量​输出​通道,​特别​适合​需要​在​高​采样​频率​下​保证​高​精度​的​数据​采集​应用。​通过​LabVIEW,​用户​可以​轻松​地​进行​图形​化​编​程,​创建​数据​采集​程序,​对​硬件​进行​测​控。​输入​和​输出​信号​采用​SCB-68​据​接口​板​与​硬件​连接。​其中,​AO0​直接​与​变频​器​连接,​调节​电机​转​速;​AO1​通过​WLY-3A​型​电流​调节​器​与​磁​粉​离合​器​连接,​调节​所​传递​的​最大​扭矩;​AO2​通过​WLY-1A​型​电流​调节​器​与​磁​粉​制动​器​连接,​调节​所​产生​的​制动​力矩;​AI0​与​扭矩​传感器​连接,​采集​实际​制动​力矩。​如​图​4​所​示。

 

5)​与​ESP​虚拟​控制器​连接

     使用​LabVIEW​中的​仿真​接口​工具​包:​Simulation Interface Toolkit(简称​SIT)​作为​桥梁,​实现​LabVIEW​与​Simulink​的​连接。​LabVIEW​仿真​接口​工具​包​为​从事​控制​系统​设计​和​测试​的​工程​师​提供​了​LabVIEW​和​MathWorks Simulink®​软件​之间​的​无缝​链​接。​借助​LabVIEW​仿真​界面​工具​包,​用户​可​创建​自​定义​的​LabVIEW​界面​以​查看​或​控制​运行​中的​Simulink​模型;​同时,​通过​LabVIEW​平台,​可以​方便​地​将​Simulink​模型​与​各种​实​时​硬件​I/​O​紧密​集成,​快速​创建​基于​Simulink​模型​的​控制器​建​模​和​硬件​在​环​测试​系统。

 

     如​图​5​所​示,​将​前面​建立​的​软件​在​环​模型​中的​ESP​虚拟​控制器​的​制​动力​分配​模​块​与​整​车​虚拟​样机​之间​的​连接​线​断开,​将​制​动力​分配​模​块​所​输出​的​各​车轮​的​制动​力矩​控制​信号​定义​为​输出​口,​通过​SIT​与​LabVIEW​连接,​并​在​LabVIEW​中将​该​信号​转换​成​电压​模拟​信号,​再​通过​PXI 6259​和​SCB-68​传给​实际​硬件​(磁​粉​制动​器)​进行​控制;​同时,​将​整​车​虚拟​样机​的​制动​力矩​信号​的​输入​端​定义​为​常数​输入,​在​LabVIEW​中将​PXI 6259​采集​回来​的​实际​硬件​(转​矩​传感器)​的​电压​模拟​信号​转换​为​制动​力矩​信号,​同样​通过​SIT​实​时​地​改变​这​四​个​常数​输入​的​值,​实现​对​整​车​虚拟​样机​的​制动​干预。

 

6)​测​控​系统​的​界面

     LabVIEW​为​用户​提供​了​大量​虚拟​仪器​控​件,​使​界面​设计​变得​快捷​和​丰富​多彩。​本文​采用​LabVIEW​为​测试​系统​开发​了​友好​的​人​机​界面,​如​图​6​所​示。​在​系统​运行​之前,​要​先​进行​初始​化​设置,​选择​各​硬件​与​PXI-6259​通讯​所​对应​的​通道,​以及​设定​车轮​的​初始​转​速​和​磁​粉​离合​器​的​最大​传递​扭矩;​开始​运行​后,​界面​右侧​采用​标签​分别​实​时​显示​横摆​角速度​和​质​心​侧​偏角​的​实际​值​和​期望值、​输出​及​采集​回来​的​车轮​制动​力矩、​附加​横摆​力矩​等​数据;​运行​结束​时​按“停止”按钮,​可​自动​将​所有​数据​及​各​参数​保存​到​硬盘,​供​后期​处理​与​分析。​整个​界面​简洁​易​读,​操作​方便。

 

     测​控​系统​后​程序​面板​如​图​7​所​示。​上方​的​循环​使用​DAQ Assistant​负责​数据​采集,​换算​后​通过​SIT​将​数据​传递​给​ESP​虚拟​控制器;​下方​的​循环​负责​输出,​通过​SIT​将​ESP​虚拟​控制器​计算​出来​的​输出​制动​力矩​传​到​LabVIEW,​换算​后​经过​DAQ_OUT​子​VI​输出​控制​硬件。

 

至此,​基于​虚拟​仪器​(LabVIEW)、​虚拟​控制器​(Simulink)​和​虚拟​样机​(ADAMS/​CAR)​这​三大​虚拟​技术​的​ESP​测​控​系统​已经​开发​完成。

 

4、​硬件​在​环​实验​结果​分析

     在​所​搭建​的​ESP​测​控​系统​中​分别​进行​了​双​移​线​实验​和​方向​盘​转​角​多​周期​正弦​输入​实验,​以​验证​所​提出​的​ESP​控制​方法​的​有效性。​如​图​8、​图​9​所​示,​通过​横摆​角速度​和​质​心​侧​偏角​这​两​个​关键​评价​指标​分别​在​硬件​在​环​实验、​软件​在​环​实验​以及​硬件​开​环​实验​(无​反馈​控制)​的​结果​与​理想​值​的​对比​可以​看出,​该​控制​控制​方法​可以​很好​地​保证​汽车​行驶​的​稳定​性,​具有​良好​的​鲁​棒​性,​满足​ESP​控制​的​要求。

 

5、 结论

     通过​NI​公司​先进​的​PXI​技术,​能够​准确​而​快速​地​对​硬件​进行​控制​和​数据​采集;​同时,​LabVIEW​对​其他​的​仿真​控制​软件​具有​很高​的​开放​性​和​兼容​性,​通过​仿真​接口​工具​包​(SIT),​能够​很​方便​地​与​Simulink​进行​通讯,​从而​实现​Simulink​与​硬件​的​连接;​本文​充分​发挥​相关​软件​在​虚拟​技术​不同​领域​的​优势,​实现​了​虚拟​仪器​(LabVIEW)、​虚拟​控制器​(Simulink)​和​虚拟​样机​(ADAMS/​CAR)​的​联合​工作,​以​LabVIEW​为​平台,​开发​出​基于​虚拟​技术​的​ESP​测​控​系统,​并​验证​了​所​提出​的​控制​方法​的​有效性。

 

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作者​信息:

洪 兢
​华南​理工​大学

图​1 ​ ​控制​过程​示意​图 ​
图​2 ​ ​测​控​系统​的​基本​架构 ​
图​3 ​ ​测​控​系统​的​实际​硬件​结构 ​
图4 ​ 与​实际​硬件​的​连接 ​
图​5 ​ ​通过​仿真​接口​工具​包​(SIT)​将​LabVIEW​与​Simulink​连接 ​
图6 ​ 测​控​系统​界面 ​
图7 ​ 测​控​系统​程序​面板 ​
图​8 ​ ​双​移​线​实验​结果 ​
图​9 ​ ​方向​盘​转​角​多​周期​正弦​输入​实验​结果 ​