基于魯棒控制理論的汽車電動轉(zhuǎn)向助力系統(tǒng)控制技術(shù)研究.pdf

1、現(xiàn)代汽車技術(shù)是現(xiàn)代高科技迅速發(fā)展的集中表現(xiàn)，它實(shí)際上是機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、控制工程、材料工程、生物工程和信息技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)交叉的產(chǎn)物。在這些汽車控制技術(shù)應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)動力轉(zhuǎn)向控制PS（Power Steering）由于既能改善駕駛者的轉(zhuǎn)向操縱感覺，又能減輕駕駛者的體內(nèi)消耗，還能提高汽車的轉(zhuǎn)向性能和安全性，受到廣泛的重視。研究與開發(fā)EPS技術(shù)，與汽車發(fā)展中的安全、環(huán)保、節(jié)能三大主題相吻合，對提高我國汽車工業(yè)水平，縮小與汽車強(qiáng)國的差距，具

2、有一定的現(xiàn)實(shí)與長遠(yuǎn)意義。 EPS性能分析要求EPS不僅在低速和停車時提供可跟隨（可控）的轉(zhuǎn)向助力，而且還能在高速時提高汽車的操縱穩(wěn)定性，保持足夠的路感。EPS控制面臨的是一個多控制目標(biāo)，多輸入多輸出（MIM0），帶有一定程度非線性、時變的不確定性控制對象，因此，傳統(tǒng)的基于線性控制對象精確建模的經(jīng)典控制理論遭遇到一定的挑戰(zhàn)。 本論文在四川省科技廳重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）研究與開發(fā)”（O3GG008-

3、001）的資助下，結(jié)合現(xiàn)代魯棒控制理論與技術(shù)，展開了對EPS含不確定性轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制模型及其控制下的性能研究。主要研究內(nèi)容涉及：實(shí)現(xiàn)EPS系統(tǒng)性能的魯棒控制與實(shí)現(xiàn)以轉(zhuǎn)向跟隨性和轉(zhuǎn)向路感為代表的轉(zhuǎn)向性能控制。主要研究成果如下： （1）首先建立了EPS系統(tǒng)的動力學(xué)微分模型并轉(zhuǎn)化成狀態(tài)空間模型。在EPS系統(tǒng)的動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，結(jié)合給定的參考參數(shù)，詳細(xì)討論了EPS線性系統(tǒng)本身在原始狀態(tài)下的動態(tài)性能。包括穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)輸入輸出響應(yīng)分析。通

4、過EPS原始狀態(tài)下的動態(tài)性能分析，指出了EPS系統(tǒng)存在的性能脆弱性問題，以及采用控制器以魯棒化系統(tǒng)動態(tài)性能的必要性。分析揭示EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制問題從本質(zhì)上歸屬于這樣一類問題：不確定系統(tǒng)的魯棒性能分析與綜合問題。 （2）針對EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的不確定性屬性進(jìn)行了理論分析。利用魯棒理論討論了其表達(dá)方式，給出其魯棒穩(wěn)定性判據(jù)和魯棒性能判據(jù)。根據(jù)EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)際需要，討論了其控制器需滿足的多個控制目標(biāo)。針對實(shí)際EPS系統(tǒng)同時存在模型攝動問

5、題和參數(shù)攝動問題以及外界干擾，利用基于現(xiàn)代魯棒控制理論的混合靈敏度設(shè)計(jì)方法，建立了既能有效覆蓋結(jié)構(gòu)性攝動（主要是系統(tǒng)參數(shù)性攝動）又能覆蓋非結(jié)構(gòu)性攝動（未建?；蛭粗獎討B(tài)）的EPS魯棒控制器。通過大量的仔細(xì)設(shè)計(jì)的仿真分析，主要包括：助力誤差的控制效果的分析，閉環(huán)系統(tǒng)魯棒性的檢驗(yàn)（對結(jié)構(gòu)性攝動和非結(jié)構(gòu)性攝動）。闡述應(yīng)用H<,∞>相關(guān)理論和計(jì)算技術(shù)來作為EPS控制技術(shù)的合理性：基于H<,∞>控制理論的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)模型具有強(qiáng)的健壯性，足以應(yīng)

6、對實(shí)際。EPS轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可能發(fā)生的結(jié)構(gòu)性攝動（參數(shù)攝動為代表）和非結(jié)構(gòu)性攝動，而同時具有可以接受的性能表現(xiàn)。完全克服了EPS原始系統(tǒng)性能的脆弱性。表明了控制的有效性。 （3）在應(yīng)用基于H<,∞>理論的混合靈敏度設(shè)計(jì)方法中，EPS混合靈敏度模型向H<,∞>標(biāo)準(zhǔn)問題模型的轉(zhuǎn)化。對多控制目標(biāo)／單控制變量系統(tǒng)（典型如EPS系統(tǒng)）中加權(quán)函數(shù)與魯棒性能和魯棒穩(wěn)定性的關(guān)系進(jìn)行了較深入研究。仿真分析揭示出調(diào)整某項(xiàng)性能加權(quán)函數(shù)不僅影響相應(yīng)的控制指標(biāo)

7、，而且由于不同控制指標(biāo)共用單控制變量輸出，也會影響其他控制指標(biāo)。揭示出控制指標(biāo)之間的相關(guān)性。并有效用于指導(dǎo)EPS多控制目標(biāo)魯棒控制器的實(shí)際設(shè)計(jì)。 （4）利用設(shè)計(jì)的魯棒控制方法，對EPS被控系統(tǒng)進(jìn)行了跟隨性的性能仿真研究。在分析轉(zhuǎn)向器跟隨性的含義和特征的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)闡述轉(zhuǎn)向角跟隨性的控制器設(shè)計(jì)問題和控制模型，研究轉(zhuǎn)向角跟隨性與轉(zhuǎn)向力跟隨性的關(guān)系，采用混合靈敏度設(shè)計(jì)方法，提出角輸入跟隨性性能控制的混合靈敏度H<,∞>控制模型。通過方

8、向盤轉(zhuǎn)角a與小齒輪轉(zhuǎn)角δ跟隨性仿真實(shí)驗(yàn)，對控制效果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了基于混合靈敏度設(shè)計(jì)方法的魯棒控制系統(tǒng)能夠達(dá)到了預(yù)期的控制效果。證明了魯棒控制的有效性。 （5）研究了魯棒性控制系統(tǒng)的路感問題。給出了路感強(qiáng)度的定義，給出了EPS系統(tǒng)的直線式助力特性曲線的理想助力圖譜和對應(yīng)的理想路感曲線圖譜。建立了獲得轉(zhuǎn)向助力特性和路感的算法流程。分析證明了被控系統(tǒng)在滿足魯棒控制器設(shè)計(jì)性能目標(biāo)的同時，能夠表現(xiàn)出較為良好的路感特性。充分體現(xiàn)出EPS