第三章 稳控系统基本方法
第一节 正交匹配方法
一、正交匹配实验
稳控系统与整车的匹配分为两部分，即硬件匹配与软件匹配。硬件匹配包括传感器及齿圈的安装设计，电子与液压控制单元的安装设计，制动管路、电线束及仪表的布置和HCU节流阀孔直径的匹配设计等。HCU节流阀孔直径的匹配设计关系到制动系统的增减压速率，在硬件匹配中最为关键。软件匹配是根据车辆车轮的转动惯量、重心高度、制动器结构形式、载质量和制动系统的增减压速率等参数匹配软件中的各种门限值和缓增压过程。匹配过程为：首先在计算机上进行数字模拟，获得匹配参数的初步区间；然后在混合仿真实验台上进行控制系统硬件在环混合仿真模拟，进一步缩小匹配参数的区间；最后进行实车道路实验，确定匹配的参数。为了提高软件匹配的效率，研究了正交设计的方法在控制系统软件匹配中的应用，软件中有超过60个控制参数。若对这些参数进行全面实验，即使每个参数只选取两个水平进行实验，那么需进行260=1.15×1018次实验，这显然是不可能的。为此引入正交实验设计法，该方法就是采用正交设计原理设计好的表格——正交表来安排实验并进行数据分析的一种方法。正交实验设计的基本工具是正交表，它是根据均衡分布的思想，运用组合数学理论构造的一种数学表格。正交表必须具备的性质为：在任何一列中各水平都出现，且出现的次数相等；任意两列之间各种不同水平的所有可能组合都出现，且出现的次数相等。这样，在正交表中，任一列的各水平都出现，使得部分实验中包含所有因素的所有水平；任意二列的所有组合都出现，使得任意二因素间都是全面实验。以此正交表安排的虽然只是部分实验，但能够了解到全面实验的情况，从这个意义上讲，部分实验可以代表全面实验。而且，在正交表中，任一列各水平出现的次数都相等，任二列间所有可能的组合出现的次数都相等，因此就使得任一因素各水平的实验条件相同。这就保证了在每列因素各个水平的效果中，最大限度地排除了其他因素的干扰，从而可以综合比较该因素不同水平对实验指标的影响。
正交实验法确定稳控系统软件参数的步骤可归纳为：确定稳控系统性能评价指标；选定对稳控系统性能可能有较大影响的软件参数，即实验因素，然后确定各软件参数的水平数；根据上一步选取的因素数和水平数选定合适的正交表，排定表头；按照表中排定的条件进行实验，求出每次实验条件下的稳控系统评价指标的值，并将结果填入表格相应位置；计算各列的同一水平的数据和，并计算极差，填入表格，按极差的大小排出因素的主次，选取因素的最佳组合；如有必要，以各因素取值为横坐标，评价指标为纵坐标，将各主要因素的各个水平的数据标注于坐标系内，根据其变化趋势推测稳控系统软件参数的寻优方向，进行软件参数优化。
二、硬件匹配方法
在进行稳控系统匹配之前，首先需要对匹配车辆进行充分测试，检测车辆是否符合稳控系统匹配的要求。如车辆的制动器必须能够提供足够大的制动器摩擦力矩，保证前后轮在各种附着和负载情况下均能抱死，使稳控系统能够发挥作用，保证制动效能和制动稳定性；车辆的行车制动系统促动和放松时间应尽量短，即制动滞后现象应尽量小，必须满足稳控系统压力调节需要；车辆的制动力分配必须合理。另外需要了解车辆的车型、整车布局、驱动形式、制动器形式、制动管路的布置等信息，这些与传感器的选择与安装、液压控制单元的安装、电子控制单元的安装、线束的设计及软件参数匹配都有直接的关系。测量获取整车质量、重心位置和高度、制动器参数等整车参数，为HCU的匹配、软件匹配奠定基础。首先，进行仿真初步匹配，将获取的待配车辆的整车参数输入基于AN-SYS和AMESIM软件平台上开发的稳控系统液压控制单元的仿真分析软件中，对HCU进行参数选择和仿真，确定HCU的增减压阀孔径、低压蓄能器大小等性能参数。其次，将设计完成的HCU在电磁阀测试实验台上进行性能测试，根据电磁阀的响应等指标对HCU进行进一步改进。HCU的匹配需要进行实车检测，并且根据稳控系统软件匹配的效果对HCU的设计匹配进行反复验证和测试。
传感器由两部分组成，即传感器和齿圈。根据制动器和车轮的布局设计合适齿圈，选择合适的传感器安装形式和位置。安装传感器时，首先要保证空气间隙值符合规定要求；其次要使传感器及齿圈安装牢靠，相对振动较小，以防空气间隙的变化；传感器的中心线应垂直于脉冲环的齿面，且中心应位于齿面宽度方向上的中部。由于制动液有良好的不可压缩性，并且液压控制单元与制动主缸形成分离式结构，所以液压控制单元在制动系统中的布局柔性很大。为了便于安装，将其安装在离制动主缸较近的地方。在匹配过程中曾发生过主缸与HCU间连接油管因振动发生断裂的情况，因此在安装HCU时要充分考虑HCU与主缸间的振动因素。稳控系统的电磁阀继电器和电动机继电器直接插接在液压控制单元的相应的插座上，为了免受尘土和油污的沾染，在液压控制单元上应有一罩盖。液压控制单元是阀类零件，受的振动冲击愈小愈好。液压控制单元应作为汽车的簧上质量，既可减少对阀的振动冲击，又可以提高汽车的舒适性。
ECU由安置在印制电路板上的一系列电子元器件构成，封装在金属壳体中，形成一个独立的整体。在汽车上安装ECU应注意防振冲击、防雨水及灰尘的侵蚀，并且要远离高温源并避免温度突变等对它的冲击。其通常安置在汽车上尘土和潮气不易侵入，电磁干扰较小的部位。如电子控制单元可以安置在行李舱中的隔离室内，也可以安置在仪表板下或座椅下或发动机舱中的隔离室内等部位。ECU通过线束与传感器和执行器相连（在有些车型上，为了使稳控系统紧凑，也可将ECU安置在HCU上）。另外稳控系统硬件匹配还包括制动管路布置与连接、线束设计、ECU接线等。稳控系统硬件匹配安装完毕后，需要对稳控系统各硬件单元进行严格测试，保证整个系统的正常工作。
三、软件匹配方法
软件匹配主要包括三个步骤：数字模拟计算，获得匹配参数的初步区间；稳控系统硬件在环混合仿真，进一步缩小匹配参数的区间；最后进行实车道路实验，确定匹配的参数。将硬件匹配得到的整车及HCU参数输入基于AMESIM的整车稳控分析系统中，进行仿真计算，对软件参数进行初步匹配，获取匹配参数的初步区间。开发过程中，采用混合仿真实验台进行稳控系统硬件在环混合仿真，实验逻辑结构如图3-1所示，实验台如图3-2所示。
图3-1 稳控系统混合仿真实验逻辑结构
将与匹配车辆同型号的制动器、HCU和ECU安装在实验台上，根据匹配车辆的参数，调整车辆模型，形成与目标匹配车辆相适应的混合仿真系统。在系统中进行稳控系统的硬件在环仿真，包括工作电路检测与调试；压力控制单元的功能调试，以及压力控制过程升压速率、减压速率的测试；根据硬件在环仿真系统软件的设置，分别对车辆行驶在高附着系数路面、低附着系数路面、高低附着系数对接路面和对开路面上的直线制动情况，高低附着路面转弯制动、移线、双移线等情况进行仿真分析，检测所设计控制软件的控制参数是否合理；根据硬件在环仿真分析的结果，确定实车道路匹配时的重点参数匹配表。另外在本实验台上也可以进行稳控系统的HCU、ECU的测试，以及可以完成部分道路实验难以完成或者无法完成的实验。
图3-2 稳控系统混合仿真实验台
四、实车匹配方法
完成稳控系统的硬件在环仿真分析后，在匹配车辆上安装专用便携式车载实验计算机及其数据采集与分析系统，使用正交实验的方法，对安装了稳控系统的车辆进行道路匹配实验。在稳控系统匹配实验中，为方便调试，可将ECU固定在车内，用扩展Flash代替片上内存，这样可以方便地对程序进行修改和反复擦写。同时构建了综合测试系统，测量制动过程中的轮速、车速、电磁阀开关状态、制动压力等一系列参数，并利用自行开发的数据分析软件将制动过程曲线直观地显示出来，同时按照国标要求计算出制动距离、平均制动强度等参数量，客观地对制动过程作出评价，并以此为依据修改控制程序。车载调试系统框图如图3-3所示。
实车道路匹配实验主要完成如下工作：
①行驶过程中稳控系统工作电路的功能检测和可靠性考核。
②对匹配车辆行驶在高附着系数路面（附着系数大于0.6）直线制动时的制动功能和制动效果的调试。
③对匹配车辆行驶在低附着系数路面（附着系数小于0.4）直线制动时的制动功能和制动效果的调试。
④对匹配车辆行驶在高/低附着系数路面和低/高附着系数路面（对接路面）直线制动时的制动功能和制动效果的调试。
⑤对匹配车辆行驶在左高/右低附着系数路面和左低/右高附着系数路面（对开路面）直线制动时的制动功能和制动效果的调试。
⑥对匹配车辆在高附着路面和低附着路面转弯制动情况进行制动功能和制动效果的调试。
⑦对匹配车辆在高附着路面和低附着路面移线制动情况进行制动功能和制动效果的调试。
⑧对匹配车辆在不平路面的制动情况进行制动功能和制动效果的调试。
⑨对匹配车辆在坡道上的制动情况进行制动功能和制动效果的调试。
在完成稳控系统匹配之后，进行全面的道路实验，进行性能测试和可靠性实验，对整车的软硬件匹配进行优化。冬季实车道路匹配实验如图3-4所示。
图3-3 车载调试系统框图
注：压力传感器需要单独供电，故在车上要再用一个蓄电池为压力传感器供电。
图3-4 冬季实车道路匹配实验