电动客车电动助力转向回正控制策略

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第１期
赵万忠等：电动客车电动助力转向回正控制策略
２９
ＰＩＤ控制器的参数，改善系统的动态效果和稳态精度，提高控制系统的鲁棒性能．
设计的模以提高系统的回正性能，改善驾驶员手感．糊自整定ＰＩＤ控制器包括ＰＩＤ控制器、模糊控制器
８］ＷＭ模块［．模糊控制器的输入是转向盘转角和Ｐ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｒｅｔｕｒｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇ（ＥＰＳ）ｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｂｕｓ，ｔｈｅｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｎｇｌｅａｎｄｓｐｅｅｄｏｆｒｏｔａｔｉｏｎｄｅｔｅｃｔｅｄｂｙｒｅｌａｔｅｄｓｅｎｓｏｒｓ，ｔｈｅａｌｉｇｎｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｉｓｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄａｓｓｙｓｔｅｍｏｕｔｐｕｔｂｙｆｕｚｚｙＰＩＤｔｈｅｏｒｙｉｎｏｒｄｅｒｔｏｍａｋｅｔｈｅｓｔｅｅｒｉｎｇｗｈｅｅｌｒｅｓｅｔｔｏｔｈｅｍｉｄｐｏｓｉｔｉｏｎ．ＴｈｅｆｕｚｚｙＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｍｂｉｎｅｓｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌａｎｄＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｄｃａｎａｍｅｎｄｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｎｌｉｎｅ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｒｅｔｕｒｎａｂｉｌｉｔｙｏｆＥＰＳｓｙｓｔｅｍｉｓｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｓｔｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｗｈｅｅｌｒｅｔｕｒｎａｂｉｌｉｔｙａｔｌｏｗｓｐｅｅｄａｎｄｒｅｓｔｒａｉｎｔｈｅａｌｉｇｎｉｎｇｏｖｅｒｓｈｏｏｔａｔｈｉｇｈｓｐｅｅｄｗｉｔｈｏｕｔａｎｙａｄｖｅｒｓｅｅｆｆｅｃｔｏｎｄｒｉｖｅｒ ′ ｓｓｔｅｅｒｉｎｇｆｅｅｌｉｎｇ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｃｂｕｓ；ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｐｏｗｅｒｓｔｅｅｒｉｎｇ；ｒｅｔｕｒｎｃｏｎｔｒｏｌ；ｆｕｚｚｙＰＩＤ；ｓｔｒａｔｅｇｙ汽车高速行驶时，回正力矩较大，转向盘在回正时容易越过中位，出现回正超调；汽车低速行驶时，回正力矩较小，转向盘有可能回不到中位，出现回正不足．因此，为了改善汽车转向系统的回正性能，使汽车在高速和低速转向时均有理想的回正性能，有必要对电动助力转向系统进行回正控制．目前，国内外对回正的控制主要应用传统ＰＩＤ
赵万忠１，施国标２，林逸２，孙培坤１，刘顺１
（１．南京航空航天大学能源与动力学院，江苏南京２１００１６；２．北京理工大学机械与车辆工程学院，北京１０００８１）
摘要：以增强电动客车电动助力转向系统（ＥＰＳ）的回正性能为目标，提出了模糊自整定ＰＩＤ回正以转向盘转角传感器和转向盘转速传感器获取的转角和转速信号为控制信号，采用模糊控制策略．自整定ＰＩＤ方法进行回正控制，输出回正控制电压，使助力电机将转向盘迅速带到中位．综合模糊控制和ＰＩＤ控制的双重优点，设计了模糊ＰＩＤ控制器，根据所设计的模糊规则在线修正ＰＩＤ控制器ＰＳ系统的回正性能．仿真试验和实的参数，使控制器在不同工况下达到较好的控制效果，提高了Ｅ车试验结果表明：模糊ＰＩＤ控制策略能够有效改善车辆在低速时的回正不足，抑制了车辆在高速时的回正超调现象，使转向盘能够迅速回到中位，保证驾驶员的手感没有受到不良影响．关键词：电动客车；电动助力转向；回正控制；模糊ＰＩＤ；策略中图分类号：Ｕ４６１４文献标志码：Ａ文章编号：１６７１－７７７５（２０１１）０１－００２８－０４
２０１１年１月Ｊａｎ．２０１１
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７７７５．２０１１．０１．００６
第３２卷第１期Ｖｏｌ．３２Ｎｏ．１
电动客车电动助力转向回正控制策略
［１］
控制方法，但这种方法存在参数修改不方便、不能进
２－３］行自整定等缺点［．由于电动助力转向系统存在
非线性、时变性等不确定性因素，使得传统ＰＩＤ控制
４－７］效果难以达到预期的目标［．
针对传统ＰＩＤ控制存在的缺点，本研究提出模糊自整定ＰＩＤ回正控制策略，结合模糊控制和ＰＩＤ控制的双重优点，根据所设计的模糊规则在线修正
式中Ｋ ′ 为初始比例系数；Ｋ ′ 为初始微分系数；Ｋ ′ 为ｐｉｄ
３模糊控制器的设计
３１输入量、输出量的量化转向盘转角的论域为｛－６０，６０｝（把｛－３２， π／３２｝扩大４０／以提高系统的灵敏度），划分为 π／ π倍，１３个等级，Ｅ＝｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５，６｝，其量化系数Ｋ６／６０＝０１．角速度的论１＝域为｛－６０，６０｝（把｛－３，３｝扩大２０倍），划分为１３个等级，ＥＣ＝｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５，６｝，其量化系数Ｋ６／６０＝０１．Ｋ Δ ２＝ｐ的论域２０，２０｝，划分为１３个等级，Ｋ｛－６，－５，为｛－ Δ ｐ＝－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５，６｝，其量化系数（２）Ｋ６／２０＝０３．Ｋ１０，１０｝，划分为 Δ ３＝ｉ的论域为｛－１３个等级，Ｋ｛－６，－５，－４，－３，－２，－１，０，１， Δ ｉ＝２，３，４，５，６｝，其量化系数为Ｋ６／１０＝０６．Ｋ Δ ４＝ｄ的论域为｛－１０，１０｝，划分为１３个等级，Ｋ｛－６， Δ ｄ＝－５，－４，－３，－２，－１，０，１，２，３，４，５，６｝，其量化系数为Ｋ６／１０＝０６．５＝３２定义模糊集和隶属函数设输入、输出变量的语言值均为｛负大，负中，０，正小，正中，正大｝，记为｛ＮＢ，ＮＭ，ＮＳ，Ｚ，负小，ＰＳ，ＰＭ，ＰＢ｝，ＮＢ模糊子集和ＰＢ模糊子集分别选（３）择Ｚ形隶属函数和Ｓ形隶属函数，其他各模糊子集均选择灵敏度强的三角函数．３３建立模糊控制规则ＰＩＤ控制中：比例系数的作用是加快系统的响应速度，提高系统的调节精度；积分系数的作用是消除系统的稳态误差；微分系数的作用是改善系统的动态特性，抑制偏差向任何方向的变化．根据上述原则和专家经验，制定的模糊规则见表１－３所示．
偏差及其偏差变化率，模糊控制器的输出是比例、微分和积分系数的偏差 Δ Ｋ，ＫＫ．模糊控制器 Δ ｐｉ和 Δ ｄ可以在线对ＰＩＤ控制器的比例、微分、积分３个参数ＰＩＤ控制器总的进行调整，以实现动态的优化控制．比例、微分和积分系数满足下式：ＫＫ ′ Ｋ， Δ ｐ＝ｐ＋ｐＫＫ ′ Ｋ， Δ ｉ＝ｉ＋ｉＫＫ ′ Ｋ， Δ ｄ＝ｄ＋ｄ初始积分系数．（４Leabharlann Baidu）（５）（６）
ＲｅｔｕｒｎａｂｉｌｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｆｏｒＥＰＳｓｙｓｔｅｍｏｆｅｌｅｃｔｒｉｃｂｕｓ
１２２１１ＺｈａｏＷａｎｚｈｏｎｇ，ＳｈｉＧｕｏｂｉａｏ，ＬｉｎＹｉ，ＳｕｎＰｅｉｋｕｎ，ＬｉｕＳｕｎ
收稿日期：２００９－１０－２６基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１００５１１５）；江苏省汽车工程重点实验室开放基金资助项目（ＱＣ２００９０２）作者简介：赵万忠（１９８２ —），男，江苏兴化人，博士（ｚｈａｏｗａｎｚｈｏｎｇ＠１２６．ｃｏｍ），主要从事汽车系统动力学及控制研究．施国标（１９７２ —），男，浙江杭州人，副教授（ｇｕｏｂｉａｏｓｈｉ＠１６３．ｃｏｍ），主要从事汽车系统动力学及控制研究．
（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｅｒｇｙａｎｄＰｏｗｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ２１００１６，Ｃｈｉｎａ；２．Ｓｃｈｏｏｌ，ＢｅｉｊｉｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８１，Ｃｈｉｎａ）ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＶｅｈｉｃｕｌａｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
１普通ＰＩＤ回正控制
进行回正控制时，需要加装转向盘位置传感器检测转向盘的位置．回正控制算法主要包括２部分：（１）汽车低速行驶时，回正力矩较小，转向盘有此时，利用回正可能回不到中位，即出现回正不足．控制算法可使转向盘能迅速地回到中间位置，保证驾驶员具有良好的回正手感．（２）汽车高速行驶时，回正力矩较大，转向盘在此时，利用回正时容易越过中位，即出现回正超调．主动阻尼控制算法在转向盘在回到中间位置前的适当位置加上阻尼，从而避免摆振．回正控制的作用是用来克服转向系统的阻尼、摩擦，确保转向盘能快速、准确地回到中位，可表示为Ｕ（０－θ ）＋Ｋ０－θ ）ｄｔ，１＝Ｋｐｈｉ（ｈ