一種汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分?jǐn)?shù)階pid控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于汽車領(lǐng)域，涉及一種汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是決定汽車安全系統(tǒng)的關(guān)鍵總成。由于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)械系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向 盤與轉(zhuǎn)向輪之間是由機(jī)械連接的，存在著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的傳動(dòng)比固定、傳動(dòng)比不能隨車速變 化以及轉(zhuǎn)向柱的存在威脅著駕駛員的人身安全等缺陷。汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正是這種背景下 發(fā)展起來的，汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了轉(zhuǎn)向盤與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接，完全由電動(dòng)機(jī)控 制實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向，擺脫了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各種限制，不僅使整車設(shè)計(jì)更靈活，而且還提高了駕駛 員的舒適感及自身的安全性，給汽車轉(zhuǎn)向特性的設(shè)計(jì)帶來無限的空間，是汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 重大革新。
[0003] 雖然汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)正蓬勃發(fā)展，但在現(xiàn)有的技術(shù)當(dāng)中汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)仍受 到轉(zhuǎn)向電機(jī)中電感非線性、參數(shù)的不確定性、未建模動(dòng)態(tài)以及前輪回正力矩等因素的影響， 從而導(dǎo)致系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性不高。另外，在目前工業(yè)生產(chǎn)的汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中對(duì)于轉(zhuǎn)向電機(jī) 的控制一般采用的是整數(shù)階PID控制，但由于實(shí)際的研宄對(duì)象一般都不是理想的整數(shù)階系 統(tǒng)，而是由任意階次的微分方程與積分方程構(gòu)成的，因此整數(shù)階PID控制器對(duì)實(shí)際被控對(duì) 象的控制有一定的局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：實(shí)際的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)容易受到內(nèi)部摩擦及外部干擾等非線性因素 的影響，且轉(zhuǎn)向電機(jī)中電感非線性也容易引起轉(zhuǎn)向力矩的波動(dòng)，因此實(shí)際的汽車線控轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)并不是理想的整數(shù)階系統(tǒng)，因此本發(fā)明給出了一種分?jǐn)?shù)階PID控制方法，用以控制實(shí) 際的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向電機(jī)，由于分?jǐn)?shù)階PID控制器具有比整數(shù)階PID控制器更 好的魯棒性，可以較好的抑制電機(jī)中電感非線性因素的影響，減少或消除轉(zhuǎn)矩波動(dòng)，從而給 汽車線控轉(zhuǎn)系系統(tǒng)提供良好的穩(wěn)定性。
[0005] 技術(shù)方案：汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由方向盤模塊、控制器模塊、轉(zhuǎn)向電機(jī)模塊以及 前輪轉(zhuǎn)向模塊等組成。本發(fā)明所述的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中轉(zhuǎn)向電機(jī)的分?jǐn)?shù)階PID控制方法 主要包括以下步驟：
[0006] 步驟1 :根據(jù)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的力矩平衡原理建立動(dòng)力學(xué)模型（1. 1)，結(jié)合轉(zhuǎn) 向電機(jī)的電壓平衡方程（1.2)便可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，根據(jù)參數(shù)已知量計(jì)算得出系統(tǒng)的 相角與增益；
[0009] 其中Td為方向盤的輸入力矩；N為減速器的減速比為轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 9 為轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)角；為轉(zhuǎn)向電機(jī)的電磁力矩；為電機(jī)的電樞電阻；為電機(jī)的電樞 電流；Kt為反電動(dòng)勢(shì)常量；為電樞電感；為電樞電壓；為電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。根據(jù) 上述動(dòng)力學(xué)方程，可得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)：
[0011] 由此可計(jì)算得到系統(tǒng)的相角與增益分別為：
[0014] 其中夂=KA，=KJ，，A2 =KA+B義-從乂，B2 =JA+B上。
[0015] 步驟2 :根據(jù)分?jǐn)?shù)階PID控制器的傳遞函數(shù)（1.6)，計(jì)算得出分?jǐn)?shù)階PID控制器的 相角與增益；
[0017] 其中HKd、人、y分別為分?jǐn)?shù)階PID控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)、 積分階次、微分階次。計(jì)算得出分?jǐn)?shù)階PID控制器的相角與增益分別為：
[0021] 步驟3:聯(lián)立汽車線控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)（1.3)與分?jǐn)?shù)階PID控制器的傳遞函數(shù) (1. 6)，根據(jù)步驟1和步驟2中的各自的相角與增益便可計(jì)算得出開環(huán)系統(tǒng)的相角與增益；
(1.10)
[0024] 步驟4 :利用開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量指標(biāo)，分別作為分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)計(jì)算的目 標(biāo)函數(shù)式（1. 11)及約束條件式（1. 12)_ (1. 15)，采用粒子群優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行求取 極小值，計(jì)算得出分?jǐn)?shù)階PID控制器的五個(gè)控制參數(shù)，即：比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)&、微分系 數(shù)K D、積分階次A、微分階次y，用以實(shí)現(xiàn)分?jǐn)?shù)階PIXDW控制器對(duì)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的轉(zhuǎn)向 電機(jī)控制。
[0030] 其中w。為開環(huán)系統(tǒng)的穿越頻率；巾m為給定的相位裕量;w h與w 別為所設(shè)定頻 率段范圍，H與N是該頻率段所對(duì)應(yīng)上限值。
[0031] 步驟5:根據(jù)所整定的分?jǐn)?shù)階PID控制器參數(shù)，利用其時(shí)域表達(dá)式計(jì)算出分?jǐn)?shù)階 PID控制器的輸出量u (t)，通過PWM方式來驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)。
[0032] u(t) = Kpe (t) +KjD_ A e (t) +KdDu e (t) (1. 19)
[0033] 其中：e(t)是汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出的實(shí)際力矩TMal與給定的 理想力矩！\^的差值，且在計(jì)算過程當(dāng)中，分?jǐn)?shù)階微分項(xiàng)與積分項(xiàng)的運(yùn)算由浮點(diǎn)型的TI DSP28355來完成。
[0034] 有益效果：本發(fā)明對(duì)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)向電機(jī)的控制方法所涉及的技術(shù)問 題進(jìn)行了詳細(xì)的描述，將較為先進(jìn)的分?jǐn)?shù)階PID控制器引入到汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中對(duì)轉(zhuǎn)向 電機(jī)的電壓進(jìn)行控制，使其輸出理想的轉(zhuǎn)向力矩，因?yàn)榉謹(jǐn)?shù)階PID控制器的微積分階次可 取非整數(shù)連續(xù)值，從而使得分?jǐn)?shù)階控制器較傳統(tǒng)整數(shù)階PID控制器的結(jié)構(gòu)更為靈活，且對(duì) 一般的實(shí)際物理控制對(duì)象皆適用；本發(fā)明根據(jù)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)的相 角及增益，利用粒子群優(yōu)化算法對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而計(jì)算可得到分?jǐn)?shù)階PID控制器 的控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車線控系統(tǒng)的理想控制；本發(fā)明中分?jǐn)?shù)階PID控制器采用的是浮點(diǎn) 型的TI DSP28355處理器，為分?jǐn)?shù)階微積分的階次運(yùn)算提供了平臺(tái)；與傳統(tǒng)的整數(shù)階PID控 制器相比，本文明中所用的分?jǐn)?shù)階PID控制器具有魯棒性強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。
【附圖說明】
[0035]圖1是汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0036] 圖2是分?jǐn)?shù)階PID控制算法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 以下將結(jié)合附圖以及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，本實(shí)施對(duì)本發(fā)明不構(gòu) 成限定。
[0038] 汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)向盤模塊1、前輪轉(zhuǎn)向模塊10、控制器6、路感模擬裝 置4、總線集成5、轉(zhuǎn)向電機(jī)7、轉(zhuǎn)向前輪9、轉(zhuǎn)矩傳感器2、轉(zhuǎn)角傳感器3及車速傳感器8等部 分組成，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示：當(dāng)駕駛員操縱轉(zhuǎn)向盤1時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器2、轉(zhuǎn)角傳感器3以 及車速傳感器8將當(dāng)前采集到的轉(zhuǎn)動(dòng)信息及車速信息通過總線集成5傳送到控制器6,控制 單元根據(jù)車輛當(dāng)前的狀態(tài)信息進(jìn)行分析計(jì)算，啟動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)7,使轉(zhuǎn)向電機(jī)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)向 力矩，從而驅(qū)動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向模塊10轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0039] 汽車在運(yùn)行過程當(dāng)中，車速傳感器8實(shí)時(shí)采集到車速信息和轉(zhuǎn)矩傳感器2及轉(zhuǎn)角 傳感器3采集到的方向盤轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩信息，并將這些信息通過總線5傳送到控制器6中，由 控制器計(jì)算出理想給定轉(zhuǎn)矩的大小，通過力矩傳感器檢測(cè)出轉(zhuǎn)向電機(jī)的實(shí)際輸出力矩，采 用閉環(huán)控制將力矩差值提供給分?jǐn)?shù)階控制器進(jìn)行控制，從而得到控制轉(zhuǎn)向電機(jī)的理想電壓 值，使得轉(zhuǎn)向電機(jī)輸出適當(dāng)?shù)牧刈饔糜谇拜嗈D(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，促使汽車前輪順利轉(zhuǎn)向。
[0040] 根據(jù)汽車運(yùn)行過程中線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)各模塊間的傳遞函數(shù)，可以計(jì)算得出系統(tǒng)傳遞 函數(shù)為：
[0042] 其中Td為方向盤的輸入力矩；N為減速器的減速比Jm