摘 要

汽车电子稳定控制（ESC）在汽车工业飞速发展的今天，越来越被人们所看重。近年来，SUV、MPV等新车型越来越多，其增长速度远远超过传统轿车，轿跑SUV等跨界车型也逐渐流行起来。新车型的不断增多对汽车电子稳定性控制系统的开发速度和可靠性提出了更高的要求。而硬件在环仿真系统可以更高效的进行汽车仿真试验，且仿真结果相比于软件仿真更加贴近实车仿真，被广泛应用在各种汽车电子控制系统上。本文运用硬件在环仿真试验对基于滑模变结构控制算法搭建的ESC控制器进行了仿真验证。

本文首先基于滑模变结构控制算法搭建了ESC控制器，控制器的总体结构采用的是分层式的控制结构。上层基于滑模变结构控制算法进行横摆力矩的决策，下层通过车辆状态识别来选择合适的车轮进行制动控制，并且采用逻辑门限值控制方法实现滑移率的跟随。控制器的控制参数主要选择的是横摆角速度，车轮控制的方法选择的是单轮控制。

其次，本文基于NI PXI搭建了硬件在环仿真平台，其中软件平台是在LabVIEW RT软件中搭建的，通过LabVIEW软件与Carsim软件的接口，在LabVIEW中搭建好调用程序，实现对Carsim的调用；Simulink的调用则是采用地址调用的方式。Carsim整车模型和Simulink模型都是在下位机的实时硬件中运行，其中Carsim模型是通过网络地址进行传输的方式发送到下位机当中，Simulink模型则是需要先由RTW编译成dll配置文件，然后用过NI MAX手动复制文件的方式传输到下位机中。

随后，通过联合Carsim软件中的车辆模型和Simulink中搭建的控制器模型进行离线仿真，在高附着路面条件的ISO3888-1工况下验证了ESC控制器的控制效果。接着使用快速控制原型（RCP）这种便捷的仿真方法，对本文搭建的ESC控制器进行了进一步的仿真验证，通过选择离线仿真尽可能一致的仿真工况，得到便于对比分析的结果。

最后，本文将离线仿真和硬件在环仿真的结果进行了对比，并对影响仿真曲线抖动的相关参数进行了多组对比试验和分析。试验结果表明：本文设计的ESC控制器在离线仿真和硬件在环仿真中都能够有效改善汽车稳定性，其中硬件在环仿真中控制效果较离线仿真差，但是结果更贴近实际。

关键词：稳定性控制，滑模变结构控制，NI PXI，硬件在环

ABSTRACT

The rapid development of automotive electronic stability control (ESC) in the automotive industry is increasingly valued by people. In recent years, there have been more and more new models such as SUVs and MPVs. The growth rate has far surpassed that of traditional cars, and cross-border models such as the Coupe SUV have become increasingly popular. The increasing number of new models puts forward higher requirements on the development speed and reliability of automotive electronic stability control systems. The hardware-in-the-loop simulation system can perform automotive simulation tests more efficiently, and the simulation results are closer to real vehicle simulation than software simulation and are widely used in various automotive electronic control systems. In this paper, the hardware-in-the-loop simulation test is used to simulate the ESC controller based on sliding mode variable structure control algorithm.

In this paper, the ESC controller is built based on sliding mode variable structure control algorithm. The overall structure of the controller adopts a hierarchical control structure. The upper layer is based on the sliding mode variable structure control algorithm to make yaw moment decisions. The lower layer selects the appropriate wheels for braking control through the vehicle state recognition, and adopts the logic threshold value control method to achieve the following slip ratio. The control parameter of the controller is mainly selected as the yaw rate, and the wheel control method is selected as a single-wheel control.

Secondly, this paper builds a hardware-in-the-loop simulation platform based on NI PXI. The software platform is built in LabVIEW RT software. Through LabVIEW software and Carsim software interface, build a good calling program in LabVIEW to realize the call to Carsim; Simulink The call is to use the address call. Carsim vehicle model and Simulink model are all run on the real-time hardware of the lower computer. The Carsim model is sent to the lower computer through the network address transmission method. The Simulink model needs to be compiled into the dll configuration file by the RTW, and then Use NI MAX to manually copy files to the lower machine.

Subsequently, off-line simulation was performed by combining the vehicle model in the Carsim software with the controller model built in Simulink, and the control effect of the ESC controller was verified under the ISO 3888-1 operating conditions with high surface conditions. Then using rapid control prototype (RCP) as a convenient simulation method, the ESC controller built in this paper was further simulated and verified. By selecting off-line simulation simulation conditions that are as consistent as possible, the results of comparative analysis are easily obtained.

Finally, this paper compares the results of off-line simulation and hardware-in-the-loop simulation, and conducts comparative experiments and analysis on the relevant parameters that affect the jitter of the simulation curve. The experimental results show that the ESC controller designed in this paper can effectively improve the vehicle stability both in off-line simulation and hardware-in-the-loop simulation. The hardware-in-the-loop simulation results show that the control effect is worse than off-line simulation, but the results are closer to reality.

Keywords：Staility Control, Sliding Mode Control Algorithm, NI PXI, Hardware in the Loop

目录

第1章 绪论 2

1.1 课题的研究背景和意义 2

1.2 国内外研究现状及分析 2

1.2.1 ESC控制系统的研究现状 2

1.2.2 硬件在环仿真的研究现状 2

1.3 ESC系统的结构组成及工作原理 2

1.3.1 ESC系统的结构组成 2

1.3.2 ESC系统的工作原理 2

1.4 本文主要研究内容 2

第2章 车辆稳定性控制策略 2

2.1 ESC控制策略制定 2

2.2 线性二自由度模型 2

2.3 横摆力矩滑模控制 2

2.3.1 滑模控制算法 2

2.3.2 横摆力矩控制模型 2

2.4 滑移率控制 2

2.5 ESC控制器总体结构 2

2.6 本章小结 2

第3章 硬件在环仿真平台设计 2

3.1 硬件在环仿真平台构成 2

3.2 LabVIEW RT软件系统搭建 2

3.2.1 ESC控制器Simulink模型调用 2

3.2.2 Carsim整车模型调用 2

3.2.3 上位机和下位机信号传输 2

3.3 本章小结 2

第4章 典型工况仿真试验 2

4.1 ESC仿真试验方案 2

4.1.1 ESC系统试验方法综述 2

4.1.2 高附着ISO3888-1双移线试验介绍 2

4.1.3 本文试验方案及评价指标 2

4.2 Simulink/Carsim联合离线仿真试验 2

4.2.1 ESC离线仿真平台 2

4.2.2 高附着ISO3888-1试验 2

4.2.3 试验结果及数据分析 2

4.3 硬件在环仿真试验 2

4.3.1 ESC开启状态和关闭状态下的试验结果对比 2

4.3.2 ESC关键取值的影响分析 2

4.4 硬件在环仿真结果与离线仿真结果的分析比较 2

4.5 本章小结 2

第5章 总结与展望 2

5.1 研究总结 2

5.2 研究展望 2

参考文献 2

致谢 2

第1章 绪论

课题的研究背景和意义

汽车制造技术的日益成熟，推动汽车的行驶速度进一步提升。2018年初，我国正在开建的杭甬高速公路（即杭甬高速复线），将会正式成为我国首条不限速高速公路，预计2022年前通车。同时随着人们的生活水平不断提高，汽车价格的不断下探，普通家庭成了汽车销量的主力军，汽车保有量逐年增加，汽车数量的增多也带来了交通拥堵问题和环境问题等。但是更值得注意的是，由于汽车速度的提高和交通环境愈发复杂，驾驶员的技术也经受着越来越大的考验，由此带来的驾驶安全问题也逐渐凸显出来。根据公安部的最新统计数据显示，我国近两年发生的交通事故相较于以前均有明显上升，平均都超过了800万起，其中由汽车失去稳定性造成的严重侧滑和侧翻交通事故占比逐年上升。电子稳定性控制 (Electronic Stability Control，简称ESC)系统作为主动安全技术的重要组成部分，它不仅可以在汽车处于危险工况驾驶时保证车辆不发生后轴侧滑甚至汽车翻转的事故，而且在正常的驾驶和日常的行驶过程中，当在高速超车或者高速躲避前方突然发生的意外事件，例如面对突然出现行人或者障碍物抑或前车的紧急刹车时，驾驶员的紧急转向避让导致汽车具有失去稳定性的趋势下，驾驶员将很难控制住汽车，没有经验的驾驶员错误操作很容易导致汽车后轴严重侧滑甚至侧翻。而配备了ESC控制系统的汽车在高速行驶中进行大幅度转向时，系统能够控制住汽车的横摆角速度，同时也能将质心侧偏角等和汽车稳定性相关的参数控制在汽车物理极限的范围内，从而在很大程度上可以降低汽车在行驶过程中因失稳所导致的事故的发生几率。

据有关部门的调查统计数据显示，超过八成的重大交通事故都是直接或间接由于汽车失去稳定性而发生侧翻或者严重撞击导致的^[1]。很多国外安装ESC比较早的汽车品牌在给自己的车型安装上ESC电子控制系统之后，该车型发生重大事故的比例就得到了大幅度降低。在欧美国家规定新车强制安装ESC控制系统之后，汽车重大事故的发生率相比于之前减少了70%之多。我国近年来也越来越重视汽车失稳方面的事故，2017年10月，中国的吉利汽车、长安汽车等9家汽车企在全球汽车安全大会中，共同签署了“2018年新上市车型全系配备ESC承诺书”，不仅标示着车辆稳定性控制技术的日趋成熟，更体现了企业和消费者对安全的重视以及对ESC系统在安全性上发挥的作用的认可，侧面反映ESC系统能有效减少汽车重大事故的发生。

国内外研究现状及分析

ESC控制系统的研究现状

1986年，博世公司将ABS和TCS相结合，形成了汽车稳定性控制系统的雏形^[2]。1992年，戴姆勒和博世公司联合开发，推出了第一代可以应用在汽车上的ESC稳定性控制系统，该系统主要是以汽车的单一控制参数—横摆角速度为系统的控制对象和目标，控制效果相比于现在的产品要逊色很多，稳定性星官参数的控制精度也比较差^[3]。1995年，戴姆勒和博世公司推出了第二代汽车稳定性控制系统，其增加了对制动系统的控制，控制效果得到大幅提高。一年后，又推出了第三代产品，由于增加了质心侧偏角作为控制依据，控制的精度得到了大幅提高。由此，汽车稳定性控制系统基本成形。之后，车辆稳定性控制系统的发展呈现了爆发式的增长，各大整车厂和零部件厂都对汽车稳定性控制展开了深入的研究，具有代表性的和发展较为成熟的车辆稳定性控制系统有戴姆勒公司的动力学稳定性控制系统（Dynamics Stability Control，简称DSC）、本田公司的车辆稳定性辅助系统（Dynamics Stability Assist，简称VSA）、博世公司的电子稳定性控制程序（Electronic Stability Program，简称ESP）、丰田公司的车辆稳定性控制系统（Vehicle Stability Control，简称VSC）和卡迪拉克公司推出的稳定性系统（Stability System）等，这些系统的控制原理和控制方法与ESC控制系统基本一致，它们的发展标志着汽车稳定性控制技术日趋成熟，进一步推进了车辆稳定性控制系统的大规模应用。从2012年9月起，欧盟颁布了出厂的新车必须配备车辆稳定性控制系统的相关提议，并且明确了对车辆稳定性控制系统的性能进行认证的相关法规。由于更早更深入的技术研究和更完善的产品应用体系，欧美日的几个国际巨头公司如博世、天合和大陆等从技术上和产品上对市场已经具有垄断性的优势。