"通過NI公司先進(jìn)的PXI技術(shù)，能夠準(zhǔn)確而快速地對(duì)硬件進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集；同時(shí)，LabVIEW對(duì)其他的仿真控制軟件具有很高的開放性和兼容性，通過仿真接口工具包（SIT），能夠很方便地與Simulink進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)Simulink與硬件的連接"- 李 禮夫, 華南理工大學(xué)
挑戰(zhàn):
相比傳統(tǒng)的采用路面試驗(yàn)來驗(yàn)證ESP控制方法，采用基于虛擬技術(shù)的ESP測(cè)控系統(tǒng)可大大減低開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期。然而目前絕大多數(shù)控制方法都采用Simulink進(jìn)行開發(fā)，如何實(shí)現(xiàn)Simulink和實(shí)際硬件之間的控制和反饋是解決問題的關(guān)鍵。
解決方案:
使用NI公司的PXI平臺(tái)，進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)信號(hào)的輸出控制和采集；使用LabVIEW進(jìn)行界面的編寫，同時(shí)采用其仿真接口工具包（SIT）與Simulink進(jìn)行連接，以LabVIEW為平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于Simulink模型控制的硬件在環(huán)測(cè)控系統(tǒng)。
作者:
洪 兢 - 華南理工大學(xué)
李 禮夫 - 華南理工大學(xué)
介紹：
針對(duì)目前ESP常用的如邏輯門控制、普通PID控制等方法魯棒性和自適應(yīng)性不強(qiáng)的缺陷，本文提出并在Simulink環(huán)境中建立了基于汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的參數(shù)模糊自整定PID控制方法，以采用ADAMS建立的整車虛擬樣機(jī)的操縱穩(wěn)定性狀況為目標(biāo)，通過LabVIEW平臺(tái)，將Simulink與所開發(fā)的實(shí)際硬件進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件的實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，開發(fā)基于虛擬技術(shù)的ESP測(cè)控系統(tǒng)。
1、ESP的基本原理
汽車在高速或在低附著系數(shù)的路面上行駛時(shí)，由于受到外界干擾或駕駛員轉(zhuǎn)向作用，側(cè)向附著力常常達(dá)到附著極限，容易喪失操縱穩(wěn)定性和方向穩(wěn)定性，造成交通事故的發(fā)生。這正是汽車電子穩(wěn)定程序（ESP）所要解決的問題。其基本原理是通過檢測(cè)汽車的行駛狀態(tài)，將其與駕駛員的期望值進(jìn)行比較，來判斷汽車的穩(wěn)定性，當(dāng)汽車將要進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，通過調(diào)節(jié)汽車縱向制動(dòng)力的大小及在車輪間的匹配來施加主動(dòng)干預(yù)，阻止其進(jìn)入非穩(wěn)定狀態(tài)，從而改善汽車的操縱穩(wěn)定性。
2、所采用的控制方法
控制策略與方法是ESP技術(shù)的核心。目前ESP所采用的控制方法主要有基于大量實(shí)驗(yàn)的邏輯門控制、普通PID控制等，這些方法的控制參數(shù)一旦確定，控制邏輯就被固定，只能在汽車某些常見的工況下有效地工作，當(dāng)運(yùn)行條件改變時(shí)，汽車的系統(tǒng)特性也會(huì)隨之改變，其穩(wěn)定性就不能得到保證。針對(duì)目前常用控制方法魯棒性和自適應(yīng)性不強(qiáng)的缺陷，本文提出了基于汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的參數(shù)模糊自整定PID控制方法。該方法首先檢測(cè)出汽車運(yùn)行狀態(tài)（如橫擺角速度、整車質(zhì)心側(cè)偏角、側(cè)向加速度等）實(shí)際值，然后由期望模型計(jì)算出汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的期望值，將實(shí)際值與期望值的偏差通過基于汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的參數(shù)模糊自整定PID控制器，計(jì)算出所需要施加的附加橫擺力矩，再計(jì)算出單輪的制動(dòng)力矩，即通過控制單輪制動(dòng)力矩來達(dá)到控制汽車附加橫擺力矩并改善汽車動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的目的。其過程如圖1所示。
圖1 控制過程示意圖
3、ESP測(cè)控系統(tǒng)的開發(fā)
根據(jù)以上原理及控制方法的要求，我們選用了NI公司的PXI設(shè)備來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和輸出控制，同時(shí)，使用ADAMS建立整車虛擬樣機(jī)，使用Simulink建立虛擬控制器，以LabVIEW作為平臺(tái)，開發(fā)了基于虛擬技術(shù)的ESP測(cè)控系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)的基本架構(gòu)如圖2所示。
圖2 測(cè)控系統(tǒng)的基本架構(gòu)
1）建立整車虛擬樣機(jī)
使用MSC ADAMS/CAR建立基于96自由度的整車虛擬樣機(jī)模型，設(shè)計(jì)參數(shù)提取和參考了2.4L排量的本田第七代雅閣轎車，其各個(gè)子系統(tǒng)的實(shí)體模型在動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性上與均實(shí)際汽車相一致，而且能夠模擬汽車的各種運(yùn)動(dòng)工況，向控制器輸出橫擺角速度、方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度的值，從而準(zhǔn)確模擬用于測(cè)量這三個(gè)關(guān)鍵量的傳感器的功能。在本測(cè)控系統(tǒng)中，測(cè)試工況、路面狀況及駕駛員模型均由ADAMS/CAR提供。
2）設(shè)計(jì)ESP虛擬控制器
如前面所說，本系統(tǒng)采用基于汽車橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的參數(shù)模糊自整定PID控制方法，使用Simulink建立基于該控制方法的虛擬控制器，并通過ADAMS和Simulink的接口，將前面建立的整車虛擬樣機(jī)導(dǎo)入Simulink中，實(shí)現(xiàn)ESP的軟件在環(huán)。虛擬控制器里面固化了質(zhì)心側(cè)偏角估算模塊、駕駛員期望的汽車行駛模型計(jì)算模塊，由整車虛擬樣機(jī)輸出的橫擺角速度、方向盤轉(zhuǎn)角、側(cè)向加速度可估算出汽車實(shí)際質(zhì)心側(cè)偏角并計(jì)算出駕駛員期望橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角。
3）搭建系統(tǒng)的汽車硬件部分
根據(jù)ESP測(cè)試系統(tǒng)的要求，開發(fā)并搭建了硬件在環(huán)的汽車硬件部分，如圖3所示，采用三菱FR系列變頻調(diào)速器對(duì)Y100L異步電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，模擬車輪運(yùn)行的初始速度；FL-5型磁粉離合器模擬地面制動(dòng)力產(chǎn)生的力矩，F(xiàn)Z-2型磁粉制動(dòng)器模擬液壓制動(dòng)器產(chǎn)生的制動(dòng)力矩，扭矩傳感器將實(shí)際作用在車輪上的制動(dòng)力矩采集回來。
圖3 測(cè)控系統(tǒng)的實(shí)際硬件結(jié)構(gòu)
4）與汽車硬件部分進(jìn)行連接
使用LabVIEW作為平臺(tái)，通過NI的DAQ設(shè)備，就可以在一臺(tái)普通PC上靈活地搭建自己的采集和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軟件直接與硬件測(cè)控對(duì)象的通訊。這是實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)硬件在環(huán)的關(guān)鍵。
本系統(tǒng)采用NI公司的M系列多功能高速采集卡PXI-6259，該DAQ卡支持模擬量的采集與輸出，最大采集速率達(dá)1.25MS/s，最大輸出速率達(dá)2.8MS/s，有32個(gè)模擬量輸入通道和4個(gè)模擬量輸出通道，特別適合需要在高采樣頻率下保證高精度的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。通過LabVIEW，用戶可以輕松地進(jìn)行圖形化編程，創(chuàng)建數(shù)據(jù)采集程序，對(duì)硬件進(jìn)行測(cè)控。輸入和輸出信號(hào)采用SCB-68據(jù)接口板與硬件連接。其中，AO0直接與變頻器連接，調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速；AO1通過WLY-3A型電流調(diào)節(jié)器與磁粉離合器連接，調(diào)節(jié)所傳遞的最大扭矩；AO2通過WLY-1A型電流調(diào)節(jié)器與磁粉制動(dòng)器連接，調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的制動(dòng)力矩；AI0與扭矩傳感器連接，采集實(shí)際制動(dòng)力矩。如圖4所示。
圖4 與實(shí)際硬件的連接
5）與ESP虛擬控制器連接
使用LabVIEW中的仿真接口工具包：Simulation Interface Toolkit（簡(jiǎn)稱SIT）作為橋梁，實(shí)現(xiàn)LabVIEW與Simulink的連接。LabVIEW仿真接口工具包為從事控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測(cè)試的工程師提供了LabVIEW和MathWorks Simulink?軟件之間的無縫鏈接。借助LabVIEW仿真界面工具包，用戶可創(chuàng)建自定義的LabVIEW界面以查看或控制運(yùn)行中的Simulink模型；同時(shí)，通過LabVIEW平臺(tái)，可以方便地將Simulink模型與各種實(shí)時(shí)硬件I/O緊密集成，快速創(chuàng)建基于Simulink模型的控制器建模和硬件在環(huán)測(cè)試系統(tǒng)。
如圖5所示，將前面建立的軟件在環(huán)模型中的ESP虛擬控制器的制動(dòng)力分配模塊與整車虛擬樣機(jī)之間的連接線斷開，將制動(dòng)力分配模塊所輸出的各車輪的制動(dòng)力矩控制信號(hào)定義為輸出口，通過SIT與LabVIEW連接，并在LabVIEW中將該信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓模擬信號(hào)，再通過PXI 6259和SCB-68傳給實(shí)際硬件（磁粉制動(dòng)器）進(jìn)行控制；同時(shí)，將整車虛擬樣機(jī)的制動(dòng)力矩信號(hào)的輸入端定義為常數(shù)輸入，在LabVIEW中將PXI 6259采集回來的實(shí)際硬件（轉(zhuǎn)矩傳感器）的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為制動(dòng)力矩信號(hào)，同樣通過SIT實(shí)時(shí)地改變這四個(gè)常數(shù)輸入的值，實(shí)現(xiàn)對(duì)整車虛擬樣機(jī)的制動(dòng)干預(yù)。
圖5 通過仿真接口工具包（SIT）將LabVIEW與Simulink連接
6）測(cè)控系統(tǒng)的界面
LabVIEW為用戶提供了大量虛擬儀器控件，使界面設(shè)計(jì)變得快捷和豐富多彩。本文采用LabVIEW為測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)了友好的人機(jī)界面，如圖6所示。在系統(tǒng)運(yùn)行之前，要先進(jìn)行初始化設(shè)置，選擇各硬件與PXI-6259通訊所對(duì)應(yīng)的通道，以及設(shè)定車輪的初始轉(zhuǎn)速和磁粉離合器的最大傳遞扭矩；開始運(yùn)行后，界面右側(cè)采用標(biāo)簽分別實(shí)時(shí)顯示橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的實(shí)際值和期望值、輸出及采集回來的車輪制動(dòng)力矩、附加橫擺力矩等數(shù)據(jù)；運(yùn)行結(jié)束時(shí)按“停止”按鈕，可自動(dòng)將所有數(shù)據(jù)及各參數(shù)保存到硬盤，供后期處理與分析。整個(gè)界面簡(jiǎn)潔易讀，操作方便。
圖6 測(cè)控系統(tǒng)界面
測(cè)控系統(tǒng)后程序面板如圖7所示。上方的循環(huán)使用DAQ Assistant負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，換算后通過SIT將數(shù)據(jù)傳遞給ESP虛擬控制器；下方的循環(huán)負(fù)責(zé)輸出，通過SIT將ESP虛擬控制器計(jì)算出來的輸出制動(dòng)力矩傳到LabVIEW，換算后經(jīng)過DAQ_OUT子VI輸出控制硬件。
圖7 測(cè)控系統(tǒng)程序面板
至此，基于虛擬儀器（LabVIEW）、虛擬控制器（Simulink）和虛擬樣機(jī)（ADAMS/CAR）這三大虛擬技術(shù)的ESP測(cè)控系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)完成。
4、硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
在所搭建的ESP測(cè)控系統(tǒng)中分別進(jìn)行了雙移線實(shí)驗(yàn)和方向盤轉(zhuǎn)角多周期正弦輸入實(shí)驗(yàn)，以驗(yàn)證所提出的ESP控制方法的有效性。如圖8、圖9所示，通過橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角這兩個(gè)關(guān)鍵評(píng)價(jià)指標(biāo)分別在硬件在環(huán)實(shí)驗(yàn)、軟件在環(huán)實(shí)驗(yàn)以及硬件開環(huán)實(shí)驗(yàn)（無反饋控制）的結(jié)果與理想值的對(duì)比可以看出，該控制控制方法可以很好地保證汽車行駛的穩(wěn)定性，具有良好的魯棒性，滿足ESP控制的要求。
圖8 雙移線實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖9 方向盤轉(zhuǎn)角多周期正弦輸入實(shí)驗(yàn)結(jié)果
5、 結(jié)論
通過NI公司先進(jìn)的PXI技術(shù)，能夠準(zhǔn)確而快速地對(duì)硬件進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)采集；同時(shí)，LabVIEW對(duì)其他的仿真控制軟件具有很高的開放性和兼容性，通過仿真接口工具包（SIT），能夠很方便地與Simulink進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)Simulink與硬件的連接；本文充分發(fā)揮相關(guān)軟件在虛擬技術(shù)不同領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器（LabVIEW）、虛擬控制器（Simulink）和虛擬樣機(jī)（ADAMS/CAR）的聯(lián)合工作，以LabVIEW為平臺(tái)，開發(fā)出基于虛擬技術(shù)的ESP測(cè)控系統(tǒng)，并驗(yàn)證了所提出的控制方法的有效性。
作者信息:
洪 兢
華南理工大學(xué)
