电子稳定性控制系统(ESC)作为汽车底盘控制核心技术之一,其能够提高车辆行驶的稳定性与安全性。国外学者对其研究较早并且完成了产业化的开发,产品从需求分析到验收测试已经形成了一套完整的开发流程,产品占有率居于主导地位,导致ESC中的关键技术仅掌握在国外主动安全供应厂商并形成了技术壁垒。本文依托校企合作项目“汽车底盘扭矩控制模型开发”。在Simulink软件平台上,采用模型驱动技术建立了ESC开发和集成方法,对ESC中发动机扭矩调节控制、直接横摆力矩控制和多功能协调控制这三个关键模块的控制策略展开研究,并构建了整车参数匹配与标定参数策略。论文取得主要成果如下:(1)采用先进模型驱动技术,提出了适用于汽车稳定性控制的集成开发方法。指出了传统代码编写开发方式的局限性,在此基础上制定了模型驱动下控制软件开发原则和标准,包括从全局化原则出发以避免子系统交互关系模糊问题、采用系统级仿真可观测系统性能与子系统间的数据传递、基于模型驱动开发控制软件便于尽早发现设计阶段的漏洞;选择敏捷式开发模式以节约和降低复杂系统的开发时间和风险。针对模型驱动的特点,提出了ESC中各主要功能实时任务划分方法;基于ISO 26262-6标准建立了模型层次化结构;基于不同的模块分布管理模型信号流,以清晰化数据传递和运算过程;根据系统功能域和执行目的对参数文件进行分块定义;针对汽车级控制模型开发特点,建立符合MATLAB/Simulink建模规范并将之应用到稳定性控制系统模型搭建过程中。在控制策略开发和模型驱动开发方法工作基础上,结合课题组前期开发成果,在Simulink平台上开发了ESC控制软件的仿真模型并实现代码生成,源代码量达到200M以上,ESC控制器执行代码量1.5M,达到国外同类产品水平。(2)将控制理论、汽车动力学理论和工程实践相结合,设计了汽车电子稳定控制策略。基于模块化思想,搭建了系统级稳定性控制架构并分别开发了制动防抱死系统(ABS)、牵引力控制系统(TCS)和车辆行驶动态控制系统(VDC)的控制策略及方法。对ESC中三个关键模型展开研究:(1)针对TCS发动机扭矩控制,将车辆的滑转率和差速器壳转速作为控制对象,并改进了其控制介入和退出的实时性,采用PID反馈控制并考虑了发动机扭矩变化对于车辆和驾驶员的影响建立了发动机目标扭矩控制策略,结合发动机转速和转矩变化设计了变速箱档位保持策略,以避免离合器接合对于驱动轮转矩的影响;(2)针对直接横摆力矩控制,通过对车辆失稳状态的分析,在传统Ackermann模型基础上,考虑了轮胎侧偏刚度、路面倾斜和ABS介入等情况下的修正以计算目标横摆角速度,使之更加适合复杂的汽车稳定性控制工况,将质心侧偏角和横摆角速度作为被控对象,结合滑膜控制算法完成目标横摆力矩的计算,并对质心侧偏角的权重因子进行了设计,根据车辆转向特性和车轮抱死情况决策出被控车轮,结合横摆力矩与制动力的动力学方程,计算得到被控车轮制动力矩;(3)由于车辆的行驶工况较为复杂,本文根据驾驶员制动需求、直接横摆力矩控制、防过度滑转控制和制动防抱死控制需求,设计了双级联规则控制策略,初级稳定性协调规则根据各功能特点及控制器启动的先后顺序计算目标制动转矩,高级稳定性协调规则根据控制器介入时间的前后顺序优化目标制动转矩,该方法可有效提高系统的鲁棒性并降低功能叠加难度,避免了控制目标及制动力矩控制混乱。(3)构建了整车动力学与控制软件联合仿真测试平台以验证所开发的稳定性控制系统。该平台由两个部分构成,一部分是基于AMESim软件搭建包含ESC液压控制执行单元(HCU)模型在内的整车一体化仿真模型,并给出了主要部件的数学描述,包括15自由度车辆动力学模型、发动机模型,传动系模型,轮胎模型和制动系统模型等。另一部分为结合模型开发方法和集成设计在Matlab/Simulink软件中搭建的ESC模型。在此平台上对稳定性控制系统分别进行了高附着全力制动、低附着全力制动、对接路面全力制动、低附着全力加速、对分路面全力加速、正弦停滞试验这六种工况的仿真,验证了包括ABS,TCS和VDC等在内的各个子模块响应结果。然后通过测试包括高附着弯道全力制动、低附着弯道全力制动、对接路面弯道全力制动、高附着阶跃部分制动、低附着阶跃部分制动、低附着移线部分制动和高附着增幅部分制动等七种工况,验证了在各主要功能启动情况下协调控制策略的有效性。通过仿真证明了本文所开发的稳定性控制系统中车辆状态参数估计准确,控制策略合理有效,控制逻辑覆盖汽车各种行驶工况,有效避免了车辆失稳,达到了工程应用级别。(4)针对模型驱动技术开发的控制软件模型特点,提出了ESC的整车匹配及软件标定策略。归纳了ESC的整车标定流程及计划周期,并建立了在整车硬件和制动系统匹配工作中的具体内容及方法,包括传感器的校准、质心位置的匹配、特征车速的计算、流量系数、CP系数和PV特性等;然后,通过对控制策略的分析提取了ESC中主要软件标定参数,结合在仿真测试平台上所进行的模拟,确定了标定参数的临界数值并获得了匹配参数的可行域范围,在此范围内,采用精英策略的蚁群算法完成对标定参数进一步整定,有效地提高了标定工作的整体效率。(5)基于实车测试平台完成所研究方法和所开发控制系统有效性和准确性的验证工作。在对试验车辆所进行的制动系统和控制系统等方面改装后,结合快速控制原型搭建了试验车。在实车道路环境下分别进行了夏季高附着路面和冬季低附着路面的相关试验,对所开发的系统中ABS功能进行了干沥青路面和冰面全力制动验证,结果表明平均制动减速度满足法规标准,横摆角速度未超过国标要求的5%;对TCS功能进行了雪面加速和分离路面加速工况验证,试验结果表明车辆加速度满足行业要求;结合FMVSS 126法规对VDC功能进行了顺/逆时针的正弦停滞工况验证,试验结果表明车辆的横摆角速度和侧向位移均达到FMVSS 126法规要求,测试数据验证了本文所研究的ESC控制策略实时性强,可靠性高,有效性好,工况适应性强。也表明本文所提出的模型驱动技术可应用于ESC复杂控制系统的开发,并展现出明显优势。