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汽车电动助力转向与主动悬架集成系统自适应控制研究 摘要 近年来，为提高车辆乘坐舒适性、安全性和操纵稳定性，各种电子控制技 术和控制子系统得到了巨大的发展和广泛的应用。但是，这些控制子系统都是针 对提高车辆某一项性能指标，而整车性能的提高则依赖于各个子系统的协调工 作。基于此，本文对直接影响车辆操纵稳定性和乘坐舒适性的两个电控子系统 一电动助力转向( e p s ) 和主动悬架系统进行了集成控制的研究。首先对电动助 力转向系统进行动力学分析，建立起装有e p s 的三自由度整车模型，提出自 适应l q g 控制策略，进行了仿真研究。在此基础上，分析了e p s 和主动悬架 这两个子系统间的相互关系，建立了整车模型，提出了基于多变量自适应控制 集成控制策略并进行了仿真计算。最后，进行了台架和实车道路试验研究。 研究结果表明，自适应控制能够有效解决模型的不确定性、随机扰动和量测噪 声对系统的影响，使转向系统具有良好的助力性能和转向轻便性，悬架系统艮 有较优的减振性能，从而改善了整车动力学性能。系统在建模时，充分考虑了 e p s 和主动悬架这两个子系统间的相互影响和协调关系，使得仿真计算时能够 获得较精确的计算结果，并与其实际试验结果相吻合。因此，对g ：q - 町控子系 统进行集成控制，能够弥补对单个子系统控制的不足之处，避免各可控予系统 在单独控制时所产生的相互干扰和影响，最终使整车的动力学性能得到很大改 善和提高。 关键词：汽车 电动助力转向系统 主动悬架系统集成控制 自适v 亘l q g 控制多变量自适应控制 s t u d yo fa d a p t i v ei n t e g r a t e dc o n t r o l i nv e h i c l ee e c t r o n i c p o w e rs t e e rin ga n da c t iv es u s p e n s io ns y s t e m a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s 。k i n d so fe l e c t r o n i cc o n t r o lt e c h n i q u e sa n ds u b c o n t r o l s y s t e m sa r eg r e a t l yd e v e l o p e da n dw i d e l ya p p l i e dt oi m p r o v e r i d ec o m f o r ta n d h a n d l i n gs t a b i l i t yo fv e h i c l e s h o w e v e r , a 1 1t h c s es u b c o n t r o ls y s t e m s a r ea i m e d a t i m p r o v i n go n ep e r f o r m a n c eo f av e h i c l e ，b u tt h ei m p r o v e m e n to ft h ew h o l e p e r f o f i n a n c e si nav e h i c l ei s s t i l ld e p e n d e do nt h ec o o p e r a t i v ew o r kb e t w e e n v a r i o u ss u b s y s t e m s b a s e do nt h i sp o i n t ，t h i sd i s s e r t a t i o nc a r r i e st h r o u g ht h e s t u d vo fi n t e g r a t e dc o n t r 0 1i nv e h i c l ee l e c t r o n i c p o w e rs t e e r i n g ( e p s ) a n d a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e m ；t w o s u b c o n t r o l s y s t e m sd i r e c t l y i n f l u e n c et h e v e h i c l e sh a n d l i n gs t a b i l i t ya n dr i d ec o r n f o r t f i r s t l y t h i sd i s s e r t a t i o nd e v e l o p s t h e d y n a m i c sa n a l y s i s o fe l e c t r o n i c p o w e rs t e e r i n g s v s t e m b u i l d st h e t h r e e d i m e n s i o nm o d e lo fav e h i c l ew i t he p s s u g g e s t sa d a p t i v el q gc o n t r o l s t r a t e g y a n dd o e st h e s i m u l a t i n gs t u d y b u s e d o i lt h e s er e s e a r c h e s ，t h i s d i s s e r t a t i o na n a l y z e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt w os u b s y s t e m s e p sa n da c t i v e s u s p e n s i o n 、s e t su pt h em o d e lo f af u j l v e h i c l e s u g g e s t st h ec o n t r o ls c h e m e b a s e do nm u l t i v a r i a b l ea d a p t i v ec o n t r 0 1i n t e g r a t i o n a n dd o e st h es i m u l a t i n g c a l c u l a t i o n f i n a l l y 、e x p e r i m e n t so nt e s tb e da n dr o a da r ep e r f o r m e di uar e a j a u t o m o b i l e r e s u l t so ft h e s er e s e a r c h e si n d i c a t et h a t a d a p t i v e c o n t r o lc a n e f f i c i e n t l y r e d u c e s y s t e m s i n f i u e n c e sc a u s e d b y m o d e l su n c e r t a i n t i e s s t o c h a s t i cd i s t u r b a n c e s ，a n dq u a n t i f i e dm e a s u r i n gn o i s e s m e a n w h i l e ，a d a p t i v e c o n t r o lc & n h e l p t h e s t e e r i n gs y s t e ma c q u i r e e x c e l i e m p e r f o r m a n c e s o f p o w e r - a s s i s t e da n dp o r t a b i l i t yc h a r a c t e r i s t i c s ：t h es u s p e n s i o ns y s t e mi l a 5a g o o dp e r f o i t n a n c eo fr e d u c i n gv i b r a t i o n ，a n dc a ni m p r o v ed y a a m i c a c h a r a c t e r o faf u l l v e h i c l e d u r i n gt h ep r o c e s s o fb u i l d i n gt h e s y s t e mm o d e l t h i s d i s s e r t a t i o n s u 蚯c i e n t l y c o n s i d e r st h em u t u a li n f l u e n c e sa n d h a r m o n y r e l a t i o n s h i p s b e t w e e nt w o s u b s y s t e m s e p s a n da c t i v e s u s p e n s i o n ：m o r e p r e c i s ec a l c u l a t i n gr e s u l t sa r ea c q u i r e db ys i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n ；t h e s er e s u l t s a r em a t c h e dw i t ht h er e s u l t so fr e a le x p e r i m e n t s 。t h e r e f o r e i n t e g r a t e dc o n t r o l o f m a n ys u b s y s t e m sc a nm a k eu pt h ew e a k n e s so f c o n t r o ii m p l e m e n t e db yo n e s u b s y s t e m ，a v o i d t h em u t u a ld i s t u r b a n c e sa n di n f h i e n c e s d u et o m a n y s u b s y s t e m s c o n t r o l r e s p e c t i v e l y ；i t c a ng r e a t l y i m p r o v ea n di n c r e a s e t h e d y n a m i c a lp e r f o t i n a n t e so f av e h i c l e k e yw o r d s ：v e h i c l ee l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m i n t e g r a t e d c o n t r o l a d a p t i v el q oc o n t r o lm u l t i v a r i a b l e a d a p t i v e c o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得金匿至、业盔堂或其他牧 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：丑函彳艮 签字日期： o 尸年妇严同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒壁王业盍堂有关保留、使用学位沦文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权金壁王些苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：撕更二 签字日期：d ( 纡6 月日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名：7 享元撮 签字日期：o 侔6 月审日 电话： 邮编： 致谢 论文完成之际，我首先要感谢我敬爱的导师陈无畏教授和王启瑞副教 授以及王其东教授。是老师们深厚的学术功底、严谨的学术指导、虚怀若 谷的学术作风使我的硕士论文得以顺利完成；导师们有如父爱般的关心与 爱护、鞭策与鼓励使我在学习中得到了无穷的动力和勇气；导师们对科学 真理的无限热情与投入、执著与奉献深深地影响和激励着我。在硕士阶段 的学习中，我从导师们这里不仅仅是学到了丰富的科学知识，更宝贵的是 学习到了一份锲而不舍的钻研精神、一份对理想对事业对生活的真诚态度， 所有这些都将是我人生路上的宝贵财富，愈久弥坚地伴我前行。 我还要感谢我的母亲和姐姐，她们不仅给与我物质上的支持，而且给 予我精神上鼓励，在我迷茫与困顿时是他们以浓浓的亲情抚慰我，在我取 得成功时是他们警醒我戒骄戒躁继续努力。求学路j 二，亲人们的殷殷之情 是我奋斗的源泉。 最后要感谢王荣贵老师对我试验过程中的指导与帮助，感谢黄森f _ 、 杨孝剑、蒋浩丰、郁明、姜武华、许张红和孙海涛、刘立强、徐娟、赵君 卿对我的帮助。 感谢所有关心我、爱护我的人们! 作者：王妍曼 2 0 0 4 年5 月2 1f 1 第一章绪论 1 1 汽车转向系统的概述 汽车行驶是通过转向轮( 一般是前轮) 相对于汽车纵向轴线偏转一定的角 度来实现的。驾驶操纵用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构称为汽车转向 系统。 按转向动力能源不同，汽车转向系统可分为机械式转向系统和动力转向系 统两大类。机械式转向系统是以人的体力为转向能源的，其中所有的传力件都 是机械的，它主要由转向操纵机构、转向器和转向传动机构三部分组成。汽车 转向器作为汽车转向系统的重要零部件，其性能的好坏直接影响到汽车行驶的 安全性和可靠性。汽车动力转向系统是在机械转向系的基础上增设r 一套转向 加力装置所构成的转向系( 如液压动力转向系统中的转向油罐、油泵、控制阑、 动力缸等) ，它兼用驾驶员的体力和发动机动力作为转向能源。在正常的情况下， 汽车转向所需的力大部分由发动机通过转向加力装置提供，只有一小部分由驾 驶员提供。但在动力转向失效时，驾驶员仍能通过机械转向系统实现汽车的转 向操纵【2 1 。 汽车转向系统一直存在着“轻”与“灵”的矛盾。为缓和这一矛盾，过去 人们常将转向器设计成可变速比，在转向盘小转角时以“灵”为主，在转向盘 大转角时以“轻”为主。但“灵”的范围只在转向盘中间位置附近，仅对高速 行驶有意义，并且传动比不能随车速变化，所以这种方法不能根本解决这一矛 盾【3 j 。 随着动力转向系统的产生，液压动力转向系统以其具有的转向操纵灵活、 轻便，设计汽车时对转向器结构形式的选择灵活性增大，并可吸收路面对阿轮 产生的冲击等优点，自2 0 世纪5 0 年代以来，在各国汽车上得到普遍采用。但 传统的液压动力转向系统需消耗一定的能量，增加了汽车的燃油消耗量，液压 动力转向系统所引起的燃油消耗量约占整车燃油消耗量的约3 n 随着电子技术的发展，电子控制式机械液压动力转向系统应运而生， 该系统在某些性能方面优于传统的液压动力转向系统，但仍然无法根除液压动 力转向系统的固有缺憾。此外，传统液压动力转向系统在选定参数完成设计之 后，转向系统的性能就确定了，不能再对其进行调节与控制。因此传统液压动 力转向系统协调转向力与操纵“路感”的关系困难。低速转向力小时，高速行 驶时转向力往往过轻、“路感”差，甚至感觉汽车发“飘”从而影响操纵稳定 性：而按高速性能要求设计转向系统时，低速时转向力往往过大i s 。 电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p $ ) ，是继液 压动力转向系统后产生的一种动力转向系统。电动助力转向系统由电动机提供 助力，助力大小由电控单元( e c u ) 实时调节与控制，可以较好地解决上述液压动 力转向系统所不能解决的矛盾。目前，电动助力转向系统有代替液压动力转向 系统的趋势。 1 2 电动助力转向系统的简介 1 2 1e p s 的工作原理 图卜1e p s 的控制系统不意图 电动助力转向系统是世界汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一，它属 于与传统液压动力转向系统不同的另一种动力转向系统。它直接依靠电动机提 供辅助扭矩，通过控制电动机电流的幅值和方向，从而实现转向器电动助力的 要求，这种系统使汽车在低速时减轻操纵力提高操纵的稳定性，当汽车出低速 档换到高速档时，电子控制系统保证提供最优控制传动比和稳定的转向手感， 从而提高高速行驶的稳定性【6 1 。 电动助力转向系统的基本组成包括扭矩传感器、车速传感器、控制单元 ( e c u ) 、电动机和减速机构等，见图卜1 所示。控制单元( e c u ) 根据各传感器 的输入信号确定助力扭矩的幅值和方向，并且直接控制电动机。电动机的输出 扭矩由减速齿轮放大，并通过万向节、转向机中的传送装置把输出扭矩传送到 齿条，从而向转向轮提供助力扭矩。助推扭矩的信号源包括：扭矩传感器、转 向角传感器和车速传感器。转向角传感器可根据齿条的位移量和位移的方向测 出转向角。 1 2 2 e p s 的类型 e p s 的类型通常可以按其电动机的减速机构的形式不同或电动机的布置位 置不同进行分类i ”。 ( a ) 循环球螺母式 卜一扭矩传感器；2 循环球螺母； 3 功率放大器：4 电控单元： 5 齿条：6 转向盘： 7 电动机：8 转向减速机构 f b ) 蜗轮蜗杆式 卜一电磁离台器：2 电动机 3 扭矩传感器：4 转向轴 5 蜗轮蜗杆机构： 6 齿轮齿条机构； ( c ) 齿轮齿条式 1 扭矩传感器；2 连接盘： 3 一电动机：4 电磁离合器；5 齿轮遗条机构 图1 - 2电动机减速机构不同的e p s 的类型 e p s 系统一般都有减速机构，电动机力矩输出经过减速机构减速增扭对e p s 进行助力。如图卜2 所示，根据电动机力矩采用的减速机构的形式不同，e p s 可 分为：循环球螺母式( 图卜2a ) 、蜗轮蜗杆式( 图卜2b ) 、齿轮齿条式( 图卜2 c ) 三种。 根据电动机布置位置不同，e p s 可分为：转向轴助力式、齿轮助力式、齿条 助力式三种，如图卜3 所示嘲。转向轴助力式e p s 的电动机固定在转向轴一侧， 通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式e p s 的电 动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式e p s 的电 动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力。 a l 转二y 牟由髑，j j 煞 ”4 ￥ 夕 图l 一3电动机布置位置不l 司的e p s 的类型 1 3 主动悬架的概述 汽车在行驶时，路面不平度会激起汽车的振动。当这种振动达到一定程 度时，将使乘客感到不舒适或运载货物损坏。同时，由于车轮与路面之n j 】的 动载衙，还会影响到它们的附着效果，因而也会影响到汽车的操纵性、安全 性及对路面的破坏。另外，悬架性能还会引起车身姿态发生变化( 俯仰和侧 倾) ，也会使乘客感到不舒适及影响行车安全。因此，研究车辆振动和受力， 采取有效措施，将其控制在最低水平，对改善车辆的乘座舒适性、操纵稳定 性，具有重要的意义 7 1i 5 1 。 为减少汽车振动，一方面要改善路面质量，减少振动的来源：另一方面 要求汽车对路面不平度有良好的隔振特性。车辆的减振一般有三个环节，即 轮胎、悬架和座椅，其中，起重要作用的是车辆悬架系统。悬架是是现代汽 车上的重要总成之一，它把车体和车轴( 或车轮) 弹性的连接起来。悬架的 主要任务是传递作用在车轮和车体之间的一切力和力矩，并缓和由不平路面 传给车体的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，以保证汽车 的正常行驶。汽车悬架系统的设计必须满足行驶平顺| 生( r i d ec o m f o r t ) e l 操纵 稳定1 胜( h a n d l i n gs t a b i l i t y ) 的要求。而车辆行驶平顺性和操纵稳定性对悬架系 统的要求是互相矛盾的【3 l 】。 口甲 k s 喜申q 国 毒k t 认 甲印习 k 叠b 辜亭如 审蛐 专k t琴k t ，v 0 一，【、 图卜4 被动悬架图1 - 5 全主动悬架 图1 - 6 慢主动悬架图i 7 半主动悬架 4 誊 吣一， 晋苗皇 m s 一簧载质量m u 一非簧载质量 k s 一悬架弹簧刚度 c 。一定值阻尼c 2 一可调阻尼 k t 一轮胎刚度a 一作动器 目前汽车上大多采用传统的被动式悬架( p a s s i v es u s p e n s i o n ) ，主要由弹性 元件和阻尼元件构成。其两自由度系统模型如图1 4 所示。这种悬架系统的刚 度和阻尼参数，是按经验设计或优化方法选择的，然而由于汽车行驶平顺性 和操纵稳定性对悬架系统是相互矛盾的，所以要同时满足两项性能的要求就 必须进行一定的折衷，且一经选定后，在汽车行驶过程中，其悬架特性参数 无法随汽车的运行工况和激励的变化而进行调节。因此，其减振性能的进一 步提高受到限制。为此人们也提出过一些改进的方法，但这些方法并不能从 根本上消除被动悬架的缺陷。为了克服被动悬架的缺陷，人们丌始寻求更能 满足性能要求的新型悬架系统。1 9 5 4 年，g m 公司e r s p i e l l a b r o s s e 在悬架设 计中首先提出了主动悬架的思想【l5 1 。国外在7 0 年代末研制出主动悬架并成功 地运用到实际车辆中去。主动悬架的特点是能根据外界输入或车辆本身状态 的变化进行动态自适应调节。这种悬架系统为在根本上改善汽车悬架系统的 性能，提供了一条崭新的途径。主动悬架就是由在悬架系统中采用有源或无 源可控制的元件组成一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和和当前激励 的大小主动做出反应，以抑制车体的运动，使悬架始终处于最优减振状态。 它的最大特点就是能根据外界输入或本身状态的变化而进行自动调节。 主动悬架按其工作方式的不同，可分为全主动( f u l l ya c t i v e ) 、慢主动( s l o w a c t i v e ) 和半主动( s e m i a c t i v e ) 三大类，如图1 5 4 1 7 所示。其中半主动悬槊 又可分为阻尼有级可调( o n o f f ) 和阻尼连续可调( c o m i n u o u s ) 两种类型 7 1 【”。 在研究中人们发现，主动悬架的性能明显优于被动悬架。尽管全主动悬 架性能非常优越，但结构复杂，造价昂贵，一般仅限于在豪华轿车和客车i - 使用，所以其应用范围较小。慢主动悬架因其在3 - - 6 h z 的低频范围内工作， 一般在铁路车辆、公共汽车和赛车上应用较多【i i l 。半主动悬架由于结构简单， 在工作中消耗能量很小，控制易于实现，造价低廉，并且性能指标与全主动 悬架相近，已在很多中档轿车中得到应用。近年来应用于半主动悬架的控制 方法也有很多1 2 。4 1 1 9 - 2 4 。在后面的论文研究中，使用的都是半主动悬架进行 建模分析的。 1 4 控制理论发展简况 理论来源于实践，又反过来指导理论。控制理论的发展过程也证明了这 个真理。在控制理论未形成之前，人们对控制理论这的一个最为重要的概念 一一反馈就有了认识，并利用它创造一些装置和机器，最有代表性的是1 7 6 5 年瓦特发明了蒸气机离心调速器。在使用过程中，发现在某些条件下，蒸气 机的速度有可能自发的产生剧烈的振荡。1 8 6 8 年物理学家麦克斯维尔解释了 这种不稳定现象，并提出避免这种现象的调速器设计规则。1 8 7 7 年和1 8 9 5q - , 两位数学家罗斯和赫尔韦兹各自独立的提出了对于高阶微分方程描述的、较 为复杂的稳定性代数判据，至今沿用。1 8 9 2 年俄国数学家李亚普诺夫发表了 论运动稳定性的一般问题论著【4 j j 1 4 。 2 0 世纪3 0 年代，美国贝尔实验室建设一个长距离电话网，需要配胃高质 昔的高增益放大器。1 9 2 7 年布莱克发明了负反馈放大器。1 9 3 2 年布莱克的放 大器稳定性判据由乃奎斯特提出。这是一个频率判据。1 9 4 0 年伯德引入对数 坐标系，使频率法更适合工程应用。1 9 4 2 年哈里斯引入了传递函数概念。1 9 4 5 年伯德发表了网络分析和反馈放大器设计，奠定了自动控制理论的基础。 1 9 4 8 年伊万斯提出了根轨迹法。这期间，尼科尔和菲利普介绍了随机噪声对 系统性能的影响，其理论基础是建立在维纳滤波理论之上的；雷加基尼和查 德领导4 0 多人研究了线性采样系统。至此，对于单输入一单输出( 单变量) 线性定常系统为主要研究对象，以传递函数作为系统基本的描述，以频率法 和根轨迹法作为系统分析和设计方法的自动控制理论建立起束了。通常称为 经典控制理论。 到了2 0 世纪5 0 年代，世界进入了一个和平发展时期。此间，计算机发 展很快，高速、高精度的数字计算机相继推出，为控制理论的发展提供了强 有力的工具。这时期，最优控制方法提出来了。1 9 5 6 年苏联数学家庞德罩亚 金的极大值原理和1 9 5 7 年美国学者贝尔曼的动态规划法是其理论基础。1 9 5 9 年，卡尔曼及伯策姆提出了非线性系统稳定性。他们讨论了自适应控制系统 问题，并首次提出了现代控制理论。随后，卡尔曼又发表了控制系统的一 般理论、线性估计和辨识问题的新结果，奠定了现代控制理论的基础f m i 。 控制理论已经历了“经典控制理论”与“现代控制理论”发展阶段，现 已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。7 0 年代术开始的智能控制 理论和大系统理论的研究与应用，是现代控制理论在深度和广度上的开拓 已在专家系统、模糊控制、神经元网络、递阶控制方面取得了可喜的进展。 8 0 年代控制理论发展的特点之一是受到来自相近领域的渗透，具有代表性的 是模糊控制和神经元网络，它们把控制理论推向一个更深入的崭新阶段，并 将取得蓬勃发展和完善的应用效果【4 2 - 4 4 】。 进入7 0 年代以来，以大规模集成电路、微型计算机、高性能机电执行元 件和传感器技术为代表的电子技术、材料技术、信息与自动控制技术迅速被 应用到机械工程领域中，出现了种类繁多的采用计算机控制的机械、仪器和 军械装备，以及具有柔性功能的自动化生产线、车间和工厂，大大提高了机 械的综合性能( 快速性、精度和可靠性) ，彻底改变了传统机械中由传动链和 传动副来传输功率和调节力与运动的格局，而代之以功率介质传输( p o w e rb y m e d i 。m ) 、高性能伺服控制器和执行元件为主体的机电子系统分散配胃和基丁 总线与信息融合的分布式计算机综合控制管理系统为特征的机电1 体化 ( m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i c a li n t e g r a t i o n ) 机械装置。机电控制工程就是研 究如何设计控制器并合理构成控制系统使机电系统达到所要求的性能和要求 的一门科学，它是自动控制、机械工程和信息科学相结合的产物，在机电一 体化技术中占有重要地位。按所采用的控制理论不同，可将机电控制工程分 为经典机电控制工程和近代机电控制工程。前者采用经典控制理论( c l a s s i c c o n t r o l t h e o r y ) ，其特点是单输入单输出、频域法，它在2 0 世纪4 0 年代初建 立，到5 0 年代已非常完善m 1 。后者采用现代控制理论( m o d e mc o n t r o lt h e o r y ) 或智能控制理论( i n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y ) ，更适应于处理多输入多输出、非 线性、变参数的复杂时变机电系统。 现代控制理论的发展虽然解决了不少经典控制理论难以解决的问题，但 它在较大程度或部分程度上依赖被控对象模型的建立，这使它的应用受到一 定程度的限制。智能控制基本思想是模仿人和动物如何根据外部环境调整自 身使之适应，并构造控制器完成难以建模或模型具有严重不确定性复杂系统 的控制。智能控制的机制有3 种类型：符号逻辑机制、连接机制和进化机制。 他们的代表是，2 0 世纪6 0 年代中期k s f u 提出的专家控制，1 9 6 4 年w i d r o w 采用a d l i n e 网络和l m s 算法构成的b a n g b a n g 控制器实现小车倒摆系统的 神经网络控制，1 9 7 4 年e h m a m d a n i 提出的模糊控制，和1 9 7 5 年j h h o l l a n d 提出的遗传算法。随着人工智能、计算机、信息处理和运筹学等技术的迅速 发展，智能控制在2 0 世纪8 0 年代初前后已开始推广应用。此外，在这过程 中各种鲁棒控制理论办有长足的研究和发展。所以有人把早期的包括状态反 馈和最优控制的现代控制理沦，以及自适应控制、变结构控制为主要内容怕 后现代控制理论( p o s t m o d e r nc o n t r o lt h e o r y ) 和智能控制理论统称为近代挎 制理论( a d v a n c e dc o n t r o lt h e o r y ) 。1 1 7 1 1 5 汽车集成控制缘由及发展现状 控制技术在汽车上的应用最早始于7 0 年代，并主要为了满足法规对排放和 燃油消耗的限制。今天的汽车设计已经不仅仅是机械设计，而是机械设汁和控 制设计的逻辑综合。为此我们为未来的汽车设立一个全新的框架，而其中的技 术焦点是汽车的集成控制。近年来，为提高车辆乘坐舒适性、安全性和操纵稳 定性的各种电子控制技术得到了巨大的发展和广泛的应用。例如防抱死制动系 统( a b s ) 、牵引力控制( t r c ) 、四轮转向系统( 4 w s ) 以及主动悬架系统等，它 们的研究和应用对车辆性能的提高有重大的意义。但是以上各个控制子系统都 是针对提高车辆某一项性能指标，而整车性能的提高则依赖于各个子系统的协 调工作【7 j 。车辆系统集成控制成为现代车辆动力学控制研究的热点f 1 。 加速度 。巧。 桫食l 图1 8 集成控制效果图 车辆集成控制效果见图l 一8 。图中画出加速度、制动时减速度和车辆以不同 半径转向时的侧向加速度的大小。最外端的粗线表示轮胎牵引力的极限，以粗 线包围的内部面积表示没有集成控制系统的车辆加速度和减速度的分川j 。外部 侧向表示有集成控制系统的车辆加速度和减速度的分布。由图知有集成控制 系统的车辆能比没有集成控制系统的车辆给出更高的加速度和减速度。显而易 见，有集成控制的车辆在稳定性和操纵性方面有更好的性能。 系统工程中的一个重要原则是各个子系统的性能简单相加，并不能达到优 化整体性能的目的，这对汽车控制也是如此。由于汽车是一个有机的系统，箨 个元素之唰对立统一。从纵向来看，把任何一个子系统变为可控的，那么这种 控制会对汽车的各个使用性能产生影响。从横向来看，多个可控子系统并存， 他们之间必然存在着相互协调的问题。当各个子系统按各自不伺的性能指标进 行优化控制时，这些可控子系统的简单叠加并不能获得良好的综合性能，这就 引出了集成控制的概念。从系统工程的观点来看，任何事物都是相互联系的 因此考虑问题，必须研究各子系统间相互制约和相互影响，也就是浣要从整体 性、相关性上解决汽车的控制问题。为了避免单独控制的相互干扰，以改善整 个车辆的动力学性能，绝对有必要对单个控制系统进行协调，因此可以蜕集成 控制就是协调控制。 关于汽车的集成控制，上世纪末即有不少学者进行了这方面的研究。如英 国c r a n f i e i du n i v e r s i t y 的r s h a r p 教授提出了基于相互作用的多目标优化和 集成控制j ，用于底盘系统的主动控制中。日本的g m a s t ir i l l 等人提出用于改 善汽车侧向动力学性能的集成控制模型 删。还有一些汽车已实际应用了底盘集 成控制防抱死和牵引控制系统等。但这些算法和控制策略以及实际应用很多不 是很成功，因而对车辆系统进行分析研究，建立车辆系统集成控制模型并提出 更加实际可行的集成控制算法和策略就变得极为迫切了。 1 。6 研究目的 汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势【4 “。继电子技术在发动机、变 速器、制动器和悬架等系统得到广泛应用之后，国外轿车和轻型汽车电动助力 转向系统正逐步取代传统液压助力转向系统。目前，电动助力转向已成为世界 汽车技术发展的研究热点和前沿技术之一。主动悬架是一种可同时改善操纵稳 定性和乘坐舒适性的电控系统。应用主动悬架来控制汽车转弯时的姿态变化， 控制车轮动载荷，增加轮胎侧偏刚度，可在横摆和侧倾方面获得良好的频率响 应。若在设计过程中将e p s 和主动悬架相结合，在不同的工况下，通过对转向 力和车身姿念协调控制，可以更好的改善汽车的操纵性和稳定性。但是这两个 控制系统有不同的评价指标和控制策略，不能将它们简单的叠加。由于e p s 和 主动悬架这两个子系统之间有复杂的相互关系，同时为改善汽车的动力学特一陀， 必须深入研究它们之间的相互制约、相互影响和相互协调问题，建立将这占 相结合的整车模型，并进行集成控制。本文正是从理论上分析e p s 及 三动悬架 的相互影响及制约，从而提出将二者结合的集成控制模型及策略。它不仅具有 较高的学术价值，其原理和方法还可推广至汽车其他系统的集成控制中，从f f f j 进一步提高整车综合性能。 1 7 研究内容 本文研究的主要内容是： l 对e p s 进行动力学分析，建立e p s 的数学模型。 2 ，对建立的e p s 系统模型进行仿真研究。用m a t l a b 6 1 对基于同适j 、i l q g 控制的e p s 进行仿真研究。 3 ，建立e p s 及主动悬架系统的整车模型及其集成控制模型。 4 对建立的集成控制模型采用多变量自适应方法进行集成控制研究。 5 进行台架和实车道路试验以验证自行设计的e p s 工作的有效性和合理 性。 6 提出本文研究的结论和建议。 第二章自适应控制理论概述 任何一个实际受控系统都具有不同程度的不确定性。这里所谓的“不确定 性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未 知因素。这种不确定性有时表现在系统内部，有时表现在系统外部。从系统内 部来讲，描述被控对象的数学模型的结构和参数，设计者事先并不一定能确切 知道。作为外部环境对系统的影响，可以等效地用许多扰动来表示。这些扰动 通常是不可预测的，它们可能是确定性的，如常值负载扰动。此外，还有一些 测量噪声从不同的测量反馈回路进入系统。这些随机扰动和噪声的统计特性常 常是未知的，面对这些客观存在的各式各样的不确定性，如何设计适当的控制 作用，使得某一指定的性能指标达到并保持最优或近似最优，这就是自适应控 制所要研究解决的问题【6 ”。 2 ，1 自适应控制与其他控制方法的关系 在这里主要说明自适应控制与最优控制、随机控制等的关系。 设被控对象可以用以下非线性微分方程描述： 童( f ) = x ( f ) ，“( r ) ，0 ，t ，、 y ( f ) = 向【x ( f ) ，“( f ) ，目，f 】 其中，x ( t ) 表示系统的：状态变量，硝维；u ( t ) 表示系统的输入向量，m 维：y ( t ) 表示系统的输出向量，维；口为未知的参数向量，s 维。 假设上述方程能够离散化然后再考虑扰动和噪声的影响即得以下方程组： x ( 七+ 1 ) = 巾( 臼，七) x ( 七) + 1 1 ( 口，尼) “( 七) + w ( 七) r 。、 y ( c ) = h ( o ，k ) x ( k ) + v ( k ) 7 其中，k 表示离散时间，取整数： w ( 后) ) 表示刀维随机扰动： v ( 七) 表示r 维量 测噪声；o ( 曰，k ) ，c ( o ，k ) ，h ( 0 ，k ) 分别为门x n ，胛x m ，2 矩阵。被控对 象( 过程) 的结构如图2 1 所示。 图2 1 被控对象的结构图 以图2 一i 为基础，我们分析各种控制问题的条件和数学描述。 2 1 1 确定性最优控制问题 这是一种最简单的情况，它所对应的条件如下： ( 1 ) 矩阵巾( 护，k ) ，r ( o ，k ) ，h ( o ，k ) 中的参数向量莎是已知的，即 矩阵中( 毋，k ) ，r ( o ，七) ，h ( 0 ，岔) 是己知的。 ( 2 ) w ( 七) ， v ( 七) ) 是时间k 的确定性函数，另外，系统的初始状态 也认为是已知的，通常是： w ( k ) = 常向量：x ( o ) = x 。= 已知常向量；v ( k ) = 0 确定性最优控制问题的描述是：在已知对象模型和扰动模型的条件下，综合一 个控制序列“( 0 ) ，甜( 1 ) ，u ( n 1 ) ，使某一指定的性能指标函数，达到最小， 即 j = c x ( 七) ，“( 足) ，七 - m i n k = o 其中，c 【x ( 七) ，( 七) ，k 】表示第k 阶段的代价，整个控制过程共分段：，表示 整个控制过程的总代价，即系统的性能指标。 2 1 2 随机最优控制问题 这种情况比上述情况要复杂一些，它所对应的条件是： ( 1 ) 矩阵o a ( o ，k ) ，r ( o ，k ) ，h ( 0 ，k ) 中的参数向量占是已知的，即矩阵 o ( 目，k ) ，r ( o ，k ) ，h ( 0 ，k ) 是已知的。 ( 2 ) 扰动 w ( 七) ) ， v ( 七) 是统计特性己知的随机序列，初始状态x ( o ) 是 统计特性已知的随机向量。 随机最优控制问题的描述是：在对象和扰动的数学模型已知的条件下，要 求综合一个控制序列u ( o ) ，甜( 1 ) ，u ( n 1 ) ，使得总代价的数学期望达到最小， n 即 j = c k ( 七) ，“( 后) 朋= r a i n t t 0 在随机情况下，c 是一个随机变量x 的函数。用c 的概率平均值来计算和 比较性能指标的大小才是有意义的。 2 1 3 自适应控制问题 这是一种更复杂的情况，它所对应的条件为： ( 1 )矩阵( 毋，k ) ，c ( o ，k ) ，h ( 占，k ) 中的参数向量占是未知的，即 矩阵由( 臼，k ) ，r ( 8 ，k ) ，h ( 8 ，k ) 有些元为未知。 ( 2 ) 扰动w ( 七) ， v ( 尼) 是统计特性未知的随机序列，4 ；j 燃x ( o ) 是统计特性未知的随机向量。 自适应控制问题的描述可归结为：在对象和扰动的数学模型不完全确定的 条件下，设计控制序列“( o ) ，( 1 ) ，“( 一1 ) ，使得指定的性能指标尽可能地 接近和保持最优。 通过以上的分析可知，自适应控制与常规反馈控制、最优控制一样，也是 一种基于数学模型的控制方法，所不同的只是自适应控制所依据的关于模型和 扰动的先验知识比较少，需要在系统的运行过程中去不断提取有关模型的信息， 使模型逐渐完善。在自适应控制系统中所发生的过程分为两个类型。一类是系 统状态的变化，变化速度比较快；另一类是参数的变化和调整，变化速度比较 慢。 2 2 两类重要的自适应控制系统 自从5 0 年代末期由美国麻省理工学院提出第一个自适应控制系统以来，先 后出现过许多不同形式的自适应控制系统。发展到现阶段，无论是从理论研究 还是从实际应用的角度来看，比较成熟的有下述两大类m 1 6 2 - b 4 。 22 1 模型参考自适应控制系统( m o d e ir e f e r e n c ea d a p t iv es y s t e m ) 模型参考自适应系统由以下几部分组成，即参考模型、被控对象、反馈控 制器和调整控制器参数的自适应机构等部分，如图2 2 所示。 图2 2 模型参考自适应控制系统 这个系统中，采用了一个称为参考模型的辅助系统。加到可调系统的指令 输入，同时也加到这个参考模型输入端，所以模型的输出或状态可用来规定希 望的性能指标。为了比较给定性能和实测性能，可用减法器将参考模型和可调 系统的输出或状态直接相减，得到广义误差信号。自适应机构按一定的准则， 1 2 利用广义误差信号柬修改可调系统的参数，或产生一个辅助输入信号，使广义 误差的某个泛函达到极小。当可调系统渐近逼近参考模型时，广义误差就趋于 极小或下降到零。 2 2 2 自校正控制系统( s e i f - t u n in gc o n t r o i s y s t e m ) 自校正控制又称自优化控制或模型辨识自适应控制。典型的自校正控制系 统如图2 3 所示。 幽2 3 自校正控制系统具有三大要素： 化：( 3 ) 调整控制器。 自校正控制系统 ( 1 ) 过程信息采集：( 2 ) 控制性能准则优 过程信息采集是指在测量过程输入、输出或状态信号基础上，连续确定被 控过程的实际状态。过程模型辨识和参数估计及不可测量信号( 如随机噪声信 号) 估计，是信息采集的相应方法。根据信息采集和估计方法的不同，形成备 类自校正系统。 辨识完全建立在对控制过程输入和输出信号测量的基础上。控制器参数的 计算则来自于被辨识的过程模型或估计参数，而且辨识和控制器设计算法都是 在闭环实时在线下实现的。 性能准则优化是指回路性能计算和决策如何调整自适应控制器。 控制器调整是指新的控制器参数组计算及控制回路中旧参数的更换。 自校正控制系统的设计目标是，在所有输入信号和过程条件下，确定最优 化过程模型和获得闭环系统的最优控制品质。在设计中，大多数自校正控制系 统使用了分离原理，使过程或信号估计与控制器最优化设计分离进行。 图2 3 中的设计机构表示当对象参数已知时，对控制器的参数进行在线求 解。由于控制器的控制律是多样的，而且参数估计的方法也是多样的。因此自 校正调节器方案非常灵活，可