（载运工具运用工程专业论文）基于整车模型的全局时变滑模变结构控制的eps研究.pdf

学位论文版权使用授权书 i i ii ii ii iii i i ii ii iiii 18 9 4 4 7 4 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：1 匀测乒 k 1 1 1 年占月l ；日 指导教师签名： 沙f f 年 基于整车模型的全局时变滑模 变结构控制的f p s 研究 s t u d yo fe p s a n dt h ew h o l ev e h i c l eb a s e do nv a r i a b l e s t r u c t u r ec o n t r o lo fg l o b a ls l i d i n gm o d e 2 011 年4 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 电动助力转向系统( e p s ) 是未来动力转向技术的主流发展方向，其具有高度 的可控制性，即通过设计e p s 电子控制器的控制策略就可以方便地提供转向助 力。滑模变结构控制具有跟踪性能好、响应快、鲁棒性强的优点，但由于惯性、 时滞等因素的影响将会引起系统在滑模面附近做来回穿越运动，即产生抖振现 象，从而破坏系统的控制性能。因此，本文e p s 采用了一种全局时变滑模变结 构控制策略，通过设计动态时变滑模面，得到了在时间上本质连续的变结构控 制律，与常规的滑模变结构控制方法相比，它能够有效的消除抖振；同时，保 证了系统从初始状态到最终都处在滑动模态阶段，实现了系统的全局鲁棒性。 为了更好的模拟汽车转向运动时的动态性能，考虑了整车模型对转向系统 的影响，建立了七自由度的整车数学控制模型，并通过仿真试验结果验证了： 转向运动不仅与车身的横摆运动有关，还和车身的侧倾运动、垂直运动存在相 互影响的关系。其次，设计了e p s 全局时变滑模变结构控制策略，仿真结果表 明：该控制策略有效的消除了系统的抖振，在转弯运动时，与未加控制和p i d 控制相比，它能够显著提高转向轻便性和灵敏性。最后，利用a d a m s c a r 建立 了整车多体动力学模型，包括前、后悬架系统模型，电动助力转向系统模型、 轮胎系统模型、动力系统模型、制动系统模型、车身系统模型和道路系统模型， 并通过实车道路试验验证了模型的正确性。 在此基础上，将在m a t l a b si m u lin k 中建立的e p s 控制模型和a d a m s 整车 多体动力学模型连接起来，建立了e p s 联合仿真控制模型，实现了机电一体化 模型的联合仿真分析。同时，设计了e p s 实车道路试验系统，并进行了部分操 纵稳定性试验，包括方向盘角阶跃试验、转向轻便性试验和蛇形试验。将前文 所设计的e p s 全局时变滑模变结构控制策略的仿真结果与装有e p s 控制的原车 试验结果进行了对比分析，验证了该控制策略的有效性，结果表明：e p s 全局 时变滑模变结构控制能够提高汽车的转向轻便性，在一定程度上改善了车辆行 基于整车模型的全局时变滑模变结构控制的e p s 研究 驶的动态性能，提高了整车的操纵稳定性能。 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mi sam a i nd e v e l o p m e n td i r e c t i o no fp o w e r s t e e r i n gt e c h n o l o g yi nt h ef u t u r e i th a sag r e a tc o n t r o lp e r f o r m a n c ea n dc a ne a s i l y p r o v i d es t e e r i n gp o w e rb yd e s i g n i n ge l e c t r o n i cc o n t r o l l e rs t r a t e g y s l i d i n gm o d e v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lh a sg o o dt r a c k i n gp e r f o r m a n c e ，f a s tr e s p o n s ep e r f o r m a n c e ， a n dr o b u s t n e s s t h e r e f o r e ，t h i sp a p e ra d o p tak i n do fg l o b a lt i m e v a r y i n gs l i d i n g m o d ev a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o ls t r a t e g yo ne l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，w h i c hi s o b t a i n e di nt h ee s s e n c eo ft i m ec o n t i n u o u sv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o ll a wv i ad e s i g n d y n a m i cs l i d es u r f a c e i nc o n t r a s tt oc o n v e n t i o n a ls l i d i n gm o d ev a r i a b l es t r u c t u r e c o n t r o ll a w , i tc a ne f f e c t i v e l ye l i m i n a t ec h a t t e r i n g ，m e a n w h i l e ，i tg u a r a n t e et h e s y s t e ma ta n yr a t ec a l lb es t a ya tt h ep e r i o do fs l i d i n gm o d ef r o mi n i t i a lt ot h ee n d ， w h i c hm e a n sg l o b a lr o b u s t n e s s i no r d e rt os i m u l a t ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fs t e e r i n gm o t i o nb e r e r as e v e n f r e e d o mv e h i c l em a t h e m a t i c sm o d e li sb u i l tb a s e do nc o n s i d e r i n gt h ew h o l ev e h i c l e m o d e li n f l u e n c eo ns t e e r i n gm o d e l t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h e s t e e r i n gm o t i o ni sn o to n l yr e l a t et o t r a n s v e r s em o v e m e n t ，b u ta l s or e l a t et or o l l m o t i o na n dv e r t i c a lm o t i o n s e c o n d l y , e p sg l o b a lt i m e - v a r y i n gs l i d i n gm o d e l v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o ls t r a t e g yi sd e s i g n e d ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h i s c o n t r o ls t r a t e g ye f f e c t i v e l ye l i m i n a t et h es y s t e mc h a t t e r i n g ，c o m p a r ew i t hn oc o n t r o l a n dp i dc o n t r o l ，w h e ni ns t e e r i n gm o t i o n ，i tc a ni m p r o v et h es t e e r i n gp o r t a b i l i t ya n d s e n s i b i l i t ys i g n i f i c a n t l y f i n a l l y , av e h i c l em u l t i p l y b o d yd y n a m i cm o d e li sb u i l tb y a d a m s c a r , i n c l u d i n gf r o n ta n db a c ks u s p e n s i o ns y s t e mm o d e l ，e l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mm o d e l ，t i r es y s t e mm o d e l ，d y n a m i cs y s t e mm o d e l ，b r a k i n gs y s t e m m o d e l ，b o d ys y s t e mm o d e la n dr o a ds y s t e mm o d e l ，a n dt h ev a l i d i t yo ft h em o d e l si s v e r i f i e db yr o a dt e s t o nt h i s b a s i s ， c o n n e c tt h e e p sc o n t r o lm o d e le s t a b l i s h e d b y m a t l a b s i m u l i n kt ot h em u l t i p l y - b o d yd y n a m i cm o d e le s t a b l i s h e db ya d a m s ， i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1电动助力转向系统的研究概况1 1 1 1e p s 的结构与工作原理2 1 1 2e p s 的类型3 1 2 滑模变结构控制的发展与现状。4 1 3 滑模变结构控制的研究方向6 1 3 1 滑模变结构控制的抖振问题6 1 3 2 动态滑模面的研究8 1 4 滑模变结构控制的应用。9 1 5 本文研究的意义与主要内容9 第二章滑模变结构控制理论基础1 1 2 1 变结构控制的基本概念1 1 2 1 1 滑动模态运动1 3 2 1 2 滑动模态的存在性和能达性1 4 2 1 3 滑模变结构控制的匹配条件及不变性。1 4 2 2 滑模变结构控制的动态品质1 6 2 2 1 趋近运动段1 6 2 2 2 滑模运动段。1 7 2 3 滑模变结构控制的基本问题抖振1 8 2 4 滑模控制器的基本设计方法。1 9 2 5 一类全局时变滑模变结构控制的设计方法2 0 2 5 1 系统的描述。2 0 2 5 2 时变滑模面的设计2 1 2 5 3 滑模控制律的设计及稳定性分析2 2 2 6 本章小结2 3 第三章e p s 及其整车数学模型的建立。2 4 3 1 引言2 4 v 基于整车模型的全局时变滑模变结构控制的e p s 研究 3 2 3 3 3 4 3 5 第四章 整车数学模型的建立2 4 3 2 1 转向运动模型2 5 3 2 2 被动悬架模型。2 6 3 2 3 轮胎模型2 7 3 2 4 路面输入模型2 8 电动助力转向系统模型2 9 e p s 及其整车仿真模型的建立3 1 本章小结3 7 e p s 全局时变滑模变结构控制策略的设计。3 8 4 1 整车模型的转向运动影响分析3 8 4 2 全局时变滑模变结构控制器的设计4 1 4 2 1时变滑模面的设计4 1 4 2 2 部分仿真程序代码4 2 4 2 3 滑模控制律的设计。4 4 4 3 仿真计算与结果分析4 5 4 4 本章小结。5 0 第五章a d a m s 整车多体动力学模型的建立 5 1 5 1 多刚体动力学简介5 1 5 2 动力学仿真软件a d a m s 介绍5 2 5 3a d a m s c a r 模块介绍5 4 5 4 建立整车多体动力学模型5 4 5 4 1 建模的假设与简化5 4 5 4 2 模型参数的确定。5 5 5 4 3前、后悬架建模。5 6 5 4 4 转向系统的建模与助力作用的设计5 9 5 4 5 轮胎及路面模型的建立。6 1 5 4 6 动力系统、制动系统模型的建立6 3 5 4 7 车身模型的建立6 3 5 4 8 整车模型的装配。6 4 5 5 整车模型的验证6 5 5 6 本章小结6 6 江苏大学硕士学位论文 第六章e p s 性能的联合仿真与分析 6 1 联合仿真方法的概述6 8 6 2 联合仿真的原理及步骤6 8 6 3e p s 与整车联合仿真控制系统模型的建立6 9 6 3 1 定义模型的输入、输出变量。7 0 6 3 2 联合仿真控制模型的建立7 1 6 4 联合仿真试验与分析；7 4 6 4 1 单移线仿真试验。7 4 6 4 2 斜坡脉冲仿真试验7 6 6 4 3s 型转向仿真试验7 8 6 5 本章小结8 0 第七章实车道路试验8 1 7 1 试验仪器与设备8 1 7 2 试验系统原理8 2 7 3 试验内容与结果分析8 3 7 4 第八章 7 3 1 试验条件8 3 7 3 2 转向角阶跃试验。8 4 7 3 3 双纽线试验。8 5 7 3 4 蛇形试验8 6 本章小结8 9 总结与展望 8 1 全文总结9 0 8 2 工作展望9 1 致谢 参考文献 攻读硕士期间发表论文情况 9 2 9 3 9 6 v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1电动助力转向系统的研究概况 1 9 5 1 年，美国克莱斯勒公司最先在轿车上采用液压助力转向，标志着轿车 应用动力转向技术的开始n 1 。转向系统的发展经历了以下四个发展阶段：从最 初的机械式转向系统( m a n u a ls t e e r i n g ，简称m s ) 发展为液压助力转向系统 ( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) ，然后又出现了电控液压转向系统 ( e l e c t r oh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e h p s ) 和电动助力转向系统 ( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) 。其中，电动助力转向系统( e p s ) 与传统 的转向系统相比，具有以下优点瞳1 ： ( 1 ) 节能，环保。设计的控制电路使e p s 只有在转向时电机才工作，消耗 的能量少。h p s 中由于存在油泵，动力缸，油路等液压装置，不仅燃油损耗大， 还容易引起漏油等污染性问题。 ( 2 ) 节省空间，质量小。电动机和减速结构已经高度集成化，装配部件少， 省去了液压泵，动力缸和辅助油路等，有效降低了转向系统的空间和质量。 ( 3 ) 高度的控制性能。液压助力转向系统采用液压油路，执行部分具有一 定的滞后性，跟踪反应慢，e p s 由于采用电子控制技术，助力控制更方便，随 动性和跟踪反应能力更灵敏。 ( 4 ) 转向操纵性能能够满足不同对象的要求。由于采用扭矩、车速传感器 的信号作为基础，对设计人员来说简单，易开发，只需更换软件即可自由的设 计转向操纵力特性。 ( 5 ) 易与其它电子控制系统集成控制。汽车各子系统之间都是相互关联， 相互影响的。随着电子控制技术的不断发展，集成控制的思想已经越来越受到 广大学者和科研人员的青睐。在国内外，将e p s 控制系统与主动( a s ) 、半主动 悬架( s a s ) ，制动防抱死( a b s ) ，电子稳定性程序( e s p ) 等底盘子系统的协调控制 已经形成了一种发展趋势，并取得了一定的成果。 ( 6 ) 具有很好的低温工作性能。传统的液压助力转向系统要达到液压油的 预热温度才能很好的正常工作，而电动助力转向系统在低温的工作环境下，也 基于整车模型的全局时变滑模变结构控制的e p s 研究 能够很好的满足工作要求。 ( 7 ) 易维护和保养。液压助力转向系统由于油路较多，软管和油泵漏油占 其系统故障率的5 3 ，而e p s 采用电子控制，车用电脑具有自我故障诊断功能 或者只要将故障诊断仪连接到车辆故障诊断接口，就可以读取故障码，提高了 维修效率。 鉴于以上优点，国外从1 9 7 9 年就开始研究电动助力转向系统，1 9 8 8 年， 日本铃木公司首先在c e r v o 车上装备了e p s ，同年，美国通用公司也在其某些 汽车上运用了e p s 。1 9 9 3 年，本田汽车公司首次大批量的在高档汽车上装备e p s 。 此后，国外许多公司和研究机构都加入到了e p s 的研究和开发过程中来。日本 的三菱汽车公司，美国的t r w 公司，德国的z f 汽车公司等都研制出了自己的 e p s 口吲。经过二十几年的发展，电动助力转向技术已经日趋完善，其应用范围 已经从最初的微型轿车发展到大型的商用客车。 目前，国内电动助力转向系统的研究开发还处于初级阶段。已经有不少科 研机构和高校加入了研制e p s 的行列中，其中以高校为代表，如吉林大学，清 华大学，江苏大学，合肥工业大学，武汉理工大学等不少院校在e p s 的数学建 模，控制策略，助力特性的仿真研究等方面开展了相应的研究，有的还尝试开 发了e p s 控制器，但都还不能满足实用性能要求，需要进一步的研究和完善。 国内市场上，奇瑞q q 、长安奥拓、昌河北斗星等微型轿车都安装了电动助力转 向系统，国外一些合资汽车企业轿车大部分都已经装上了e p s 。 1 1 1e p s 的结构与工作原理 电动助力转向系统( e p s ) 是一种利用电动机给驾驶员提供辅助转向动力的 系统。在不同的转向工况下，控制电动机提供不同的转向动力，满足了人们对 转向轻便性的要求。 系统的基本组成包括：机械式转向器，减速机构，离合器，电动机，转矩 传感器，车速传感器和电子控制单元( e c u ) 等。其结构原理示意图如图卜1 所示。 转矩传感器通过扭力杆连接在转向轴上，当方向盘转动时带动转向轴转动，转 矩传感器开始工作，把两段转向轴在扭力杆作用下产生的相对转角变成电信号 传给电子控制单元( e c u ) ，e c u 根据车速传感器和转矩传感器的信号决定电动机 2 江苏大学硕士学位论文 的旋转方向和助力电流的大小，并将指令传递给电动机，电动机通过离合器和 减速机构将辅助动力施加到转向系统中，并在不同的转向工况下提供不同的助 力效果，从而实现对助力转向的控制，保证了汽车在低速转向行驶时的轻便性 和高速转向行驶时的稳定可靠性。 图卜1 电动助力转向系统结构原理图 f i g 1 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m 1 1 2e p s 的类型 根据电动机在电动助力转向系统中安装位置的不同，可将其分为三种类型 砸1 ：转向轴助力式( c o l u m na s s i s tt y p e ) ，齿轮助力式( p i n i o na s s i s tt y p e ) 和齿条助力式( r a c ka s s i s tt y p e ) ，如图卜2 所示。 a ) 转向轴助力式 b ) 齿轮助力式c ) 齿条助力式 图卜2 电动助力转向系统的类型 f i g 1 2t y p eo fe l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g 3 弋夕 基于整车模型的全局时变滑模变结构控制的e p s 研究 ( 1 ) 转向轴助力式转向系统( c e p s ) 的电动机固定在转向轴的一侧，并装 有离合器与减速机构相连，电动机将助力从离合器传递给减速机构再传给转向 轴。这种形式的电动助力转向系统易于安装，结构简单，目前，多数轿车的e p s 采用这种安装形式。 ( 2 ) 齿轮助力式转向系统( p - e p s ) 的电动机的减速机构与小齿轮相连，直 接驱动齿轮，可获得较大的助力。该形式的e p s 可以安装较大电动机，适用于 中型汽车，以提供较大的助力。 ( 3 ) 齿条助力式转向系统( r _ e p s ) 的电动机和减速机构的整体安装与齿条 相连，直接驱动齿条助力。由于安装在齿条的任意自由点，因此在汽车底盘布 置时非常方便。与c _ e p s 和p _ p e p 相比，它可以提供更大的转向助力，适用 于更大型的车辆。 1 2 滑模变结构控制的发展与现状 变结构控制( v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l ，v s c ) 出现于二十世纪5 0 年代， 由前苏联学者u t k i n 和e m e ly a n o v 首次提出订刮，这种控制策略与其他控制的不 同之处在于系统的结构并不固定，而是根据系统的当前状态有目的地不断变化， 迫使系统的轨迹到达预定的“滑动模态面 的状态运动，因此变结构控制又常 称为滑动模态控制( s li d i n gm o d ec o n t r o l ，s m c ) ，即滑模变结构控制。滑模变 结构控制本质上是一种非线性控制，由于系统一旦到达滑动模态面，就对外界 参数的干扰具有很强的鲁棒性，正是这种特性使得滑模变结构控制越来越受到 各国学者的青睐。经过5 0 多年的发展，变结构控制理论已经发展成为一个相对 独立的研究分支成为自动控制系统的一种设计方法，适用于线性与非线性系统、 连续与离散系统、确定性与不确定性系统、集中参数与分布参数系统、集中控 制与分散控制等。 滑模变结构控制从起源到至今大致可分为三个发展阶段协1 ：早期变结构发 展阶段；线性多输入多输出发展阶段；变结构控制全面发展阶段。 ( 1 ) 1 9 5 7 - 1 9 7 0 年，这是变结构研究的初级阶段，主要研究对象为二阶线 性系统。以误差极其导数作为反馈，使用相平面分析法。从1 9 6 2 年开始针对高 阶的单输入单输出线性系统进行研究，仍然以误差极其各阶导数构成状态空间， 4 江苏大学硕士学位论文 即规范空间。讨论了高阶线性系统在线性切换函数下控制受限与不受限及二次 型切换函数的情况。这一阶段的研究理论为以后滑模变结构控制理论的发展奠 定了基础，但这一阶段的研究成果非常单一，苏联学者在研究中起到了主要作 用。 ( 2 ) 1 9 7 0 - 1 9 8 0 年，开始了滑模变结构控制理论研究的第二个阶段。研究 的范围不仅仅局限于规范空间，研究的范围扩大到多输入多输出系统和非线性 系统。1 9 7 7 年，u t k i n 发表了一篇关于变结构控制方面的综述论文口1 ，提出了 滑模变结构控制v s c 和滑动模态控制s m c 的方法。此后，各国学者对变结构控 制的兴趣急剧上升，由单个切换面开始研究多个切换面，由单一变结构系统开 始研究多维变结构系统。这期间由于计算机技术的局限性，不能够满足滑模变 结构控制的切换要求，因此研究成果无法在工业生产中显示出来，主要还是体 现在理论上。 ( 3 ) 1 9 8 0 年以后为变结构控制全面发展阶段，这一阶段随着电子计算机技 术的高速发展，滑模变结构控制理论取得了前所未有的成果。滑模变结构控制 理论已经发展成为更全面多样化的控制理论。在实际应用中，由于系统使用的 都是离散系统，因此，对离散系统的变结构控制研究显得尤为重要。 s a r p t u r k s z 等于1 9 8 7 年提出了一种新型的离散滑模到达条件n 们，并提出了 离散控制信号必须是有界的；我国的高为炳先生于1 9 9 5 年提出了基于趋近律的 离散滑模变结构控制n 。s i r a r h 等针对线性化系统将自适应b a c k s t e p p i n g 与滑模变结构控制设计方法相结合，实现了自适应滑模变结构控制n 引。 g o u a i s b a u t f 等对于具有时滞的不确定系统，通过状态变换的方法，实现了滑 模变结构控制的研究n 朝。近年来，一些学者还提出了一种t e r m i n a l 滑模变结构 控制策略，该方法是在滑动超平面的设计中引入了非线性函数，使得在滑模面 上的跟踪误差能在有限的时间内收敛到零。l u y s 等提出了一种全局鲁棒的滑 模控制器g s m c n4 1 ，在该控制器的作用下，系统从一开始直到最后都保持在滑动 模态面上，具有全局鲁棒性，消除了滑模变结构控制的到达阶段。普通的滑模 变结构控制在跟踪任意轨迹时，若存在一定的外部扰动，则可能会带来稳定误 差，为了解决这一问题，c h e r n t l 等提出了一种积分滑模变结构控制策略n 5 1 。 此外，滑模变结构控制理论已经成功应用到许多领域：如机器人，电机，航天 5 全局时变滑模变结构控制的e p s 研究 航空，伺服系统控制等等。 1 3 滑模变结构控制的研究方向 1 3 1 滑模变结构控制的抖振问题 在实际的滑模变结构控制系统中，由于开关元器件存在时滞性及惯性等因 素的影响，系统的状态无法保持在滑模面上，而是在滑模面附近做来回的穿越 运动，甚至产生极限环振荡，这种现象称为抖振。产生抖振的主要原因有以下 几个方面9 1 ： ( 1 ) 开关时间滞后 切换面附近，开关的时间滞后使得控制作用对状态的准确变化被延迟了一 定的时间。 ( 2 ) 开关空间滞后 开关的空间滞后相当于在状态空间中存在一个状态变化量的“死区 ，表 现为在光滑的滑模面上叠加了个等幅波。 ( 3 ) 系统的惯性影响 系统惯性总是存在的，且系统的控制力是有限的，这就使得系统的加速度 是有限的，所以切换总是伴有滞后，这种滞后与时间滞后的效果相同。 ( 4 ) 离散系统本身造成的抖振 离散系统的滑动模态是一种“准滑动模态 ，它的切换动作不是正好发 生在切换面上的，而是发生在以原点为顶点的一个锥形面上，锥形体越大，抖 振幅度越大。 抖振有可能激励起系统中的高频运动部分，引起系统的高频振荡。抖振问 题是系统最主要也是最致命的缺点，这是其固有的本质属性，它不仅可以破坏 系统的性能，甚至能够损坏控制器的部件。因此，消除变结构控制的抖振问题 已经成为研究变结构控制的首要问题。 国内外关于如何消除抖振问题的研究很多，目前，主要方法有以下几个方 面： ( 1 ) 准滑动模态方法 6 江苏大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代，s l o t i n e 等在滑动模态控制的设计中引入了“准滑动模 态 和“边界层 的概念n 6 1 ，为了实现准滑动模态的控制，采用了饱和函数代 替切换函数，即在边界层外采用一般的滑模控制，在边界层内采用连续状态的 反馈控制，这种方法有效的消弱了抖振。 ( 2 ) 趋近律法 我国学者高为炳先生提出了一种消除变结构控制系统抖振的方法。以指数 趋近律为例1 7 1 ： s = - e s g n ( s ) 一舾 ( 1 1 ) 通过合理的调整参数k 和占，既可以保证滑动模态到达过程的动态品质，又 可以很好的抑制系统的抖振。 此外，人们还提出了将离散趋近律与等效控制相结合的控制策略。离散趋近 律仅在趋近过程中起作用，当系统的状态到达准滑动模态面时，采用离散等效控 制。将模糊控制应用于趋近律控制也得到了相应的发展，通过模糊规则调节趋近 律的系数，其中切换函数的绝对值作为模糊规则的输入，趋近律的系数作为模 糊规则的输出，这样提高了滑动模态的品质，消除了系统的高频抖振。 ( 3 ) 滤波器法 采用滤波器对控制信号进行滤波，是有效的滤波方法。研究人员为了消除 离散滑模控制的抖振，设计了两种滤波器：前滤波器和后滤波器，前滤波器用 于控制信号的平滑及缩小饱和函数的边界层厚度，后滤波器用于消除对象输出 的噪声干扰。为了克服末建模动态特性造成的滑动模态抖振，人们还设计了一 种新型的滑模控制器，控制器的输出通过二阶滤波器，实现输出信号的平滑， 辅助滑模面的系数通过滑模观测器得到。x u j x 等提出了一种新型控制律n 引， 即： u = u c + k ( f 弘s + ( 1 2 ) 该控制律由三部分构成，即等效控制，切换控制和连续控制。采用了两个低 通滤波器，其中一个低通滤波器得到了切换项的增益k ( f ) ，另一个得到了等效控 制“，该控制方法有效的抑制了系统的抖振。 ( 4 ) 观测器法 7 究 实现了有效的补偿，减小了切换增益。 ( 5 ) 动态滑模法 动态滑模法将普通的滑模变结构控制中的切换函数通过微分环节构成新的 切换函数，该切换函数可将不连续项转移到控制的一阶或高阶导数中去，得到在 时间上连续的动态滑模控制，有效的降低了系统的抖振。h a m e r l a i n m 等将动态 滑模控制用于机械人力臂的控制皿，b a r t o l i n i g 等通过设计切换函数的二阶导 数，实现了对带有未建模动态和不确定性机械系统的无抖振滑模控制1 。 ( 6 ) 滑模变结构控制与其他理论控制相结合 将其他控制方法与滑模变结构控制相结合，取长补短，如将模糊控制与滑 模变结构控制相结合，用模糊规则调整滑模变结构控制参数，柔化了控制信号， 减小或消除了抖振，另外，神经网络，遗传算法等先进的智能控制方法也被综 合运用到滑模控制当中，解决了在设计过程中由于抖振问题带来的困难。 1 3 2 动态滑模面的研究 变结构控制要求具有理想的滑动模态品质，这就要通过设计适当的滑模面 来实现。滑模面的设计方法很多，除了传统的线性滑模面的设计，各国的学者 还提出了许多新的滑模面设计方法。如：基于频域整形的滑模面设计方法，积 分型滑模面的设计，分段滑模面的设计。与静态滑模面的设计相对应，人们还 提出了许多动态滑模面的设计方案。p a r k k b 等人提出了旋转和移动滑模面的 概念，b a r t o s z e w i c z a 针对二阶非线性系统，提出了一种时变滑模面的设计方 法，使得系统刚开始运动就处于滑模面上，避免了滑模控制中的趋近运动。此 外d o n g w p 还提出了一种基于模糊控制理论的移动滑模面的方法等等。 8 江苏大学硕士学位论文 1 4 滑模变结构控制的应用 滑模变结构控制最主要的应用领域是电机的控制领域。变结构控制的创始 人之一u t k i n a 等详细研究了变结构控制在变频器、直流电机、永磁同步电机 和感应电机中的设计方法。此外，机械人控制是滑模变结构控制的主要应用环 境之一。1 9 8 3 年，s l o t i n ej j 等首次采用了滑模变结构控制的方法设计了二 自由度机械手的控制系统n 副，随后，国内外出现了大量关于机械人研究的滑模 变结构控制方法。滑模变结构控制的另一个应用环境是飞行器的轨迹运动控制， 近年来，关于导弹制导控制的发展很快，不少学者提出了变结构控制在导弹中 的研究策略，我国著名学者高为炳先生对航空飞行器的变结构控制方面进行了 深入的研究。除此之外，滑模变结构控制在倒立摆和伺服系统中也得到了广泛 的应用研究。 近年来，滑模变结构控制已经越来越受到广大学者的重视，其良好的跟踪特性 和响应的快速性得到了很好的利用，但其应用领域目前还主要局限于机械人、电机、 航空领域等。在汽车领域的相关研究还不是很多，范围主要集中在底盘的控制方面， 华中科技大学的唐国元等研究了滑模控制在a b s 中应用，重庆大学的庞迪等利用滑 模控制在汽车操纵稳定性方面进行了相应的研究，合肥工业大学的王启瑞，郁名等 人提出了带滤波器的变结构控制在电动助力转向系统中的应用等等。 1 s 本文研究的意义与主要内容 随着电子控制技术的不断发展，电动助力转向系统的研究已经越来越广 泛。国外，从上个世纪8 0 年代开始研究电动助力转向，9 0 年代末到达了研究 的高峰期。在这期间人们提出了许多不同的控制策略，有经典的p i d 控制，也 有模糊控制，神经网络控制，遗传算法等人工智能控制。然而，大部分的控制 策略仅仅是对e p s 进行独立的研究，并没有考虑整车系统对e p s 的影响，事实 上汽车各子系统之间是相互制约、相互影响的，单独对e p s 研究具有很大的片 面性。其次，滑模变结构控制策略在e p s 领域的研究尚处于探索阶段，该控制 方法具有良好的跟踪特性和响应的快速性，其最大的优点在于当系统的状态处 于滑动模态阶段时，系统具有全鲁棒性能。可见，基于整车模型的全局时变滑 9 基于整车模型的全局时变滑模变结构控制的e p s 研究 模变结构控制的e p s 研究具有一定的积极指导意义。 基于此，本文在建模时考虑了整车模型对电动助力转向系统的影响，建立 了包含e p s 的整车模型，它能够更加准确的模拟汽车转向时的动态性能，减少 了e p s 研究的片面性，提高了系统的真实可靠性。此外，e p s 采用了全局时变 滑模变结构控制策略，通过设计动态滑模面使得系统从一开始到最后都一直处 于滑模面上，避免了滑模控制的到达运动阶段，消除了抖振，使得系统具有全 局鲁棒性。 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 调查和分析了汽车电动助力转向系统的研究概况，结构原理，技术特性， 以及国内外的发展现状。 ( 2 ) 深入研究了滑模变结构控制理论的发展现状、应用范围，分析了其主要缺 点( 抖振) 产生的原因，以及如何解决这一问题的方法，基于此，提出了一种全 局时变滑模变结构控制方法，并将其确定为本文研究e p s 的控制策略。 ( 3 ) 详细介绍了滑模变结构控制的理论基础，提出了如何解决系统全局鲁棒性 即消除抖振的方法，也即设计动态时变滑模面的方法。 ( 4 ) 以某微型轿车c h 7 1 4 0 为研究对象，建立了包含e p s 的七自由度的整车数学 模型，以m a t l a b s i m u li n k 7 8 为工具，搭建了整车控制系统的模型。 ( 5 ) 设计了基于整车模型的e p s 全局时变滑模变结控制策略，并在m a t l a b 中将 其与未加控制和p i d 控制进行了仿真对比分析。 ( 6 ) 分析了c h 7 1 4 0 的车身结构和动力学特性，利用a d a m s 2 0 0 7 r 3 建立了包含 e p s 的整车多体动力学简化模型，并通过实车道路试验验证了模型的正确性。 ( 7 ) 在a d a m s c o n t r o l s 模块中通过定义模型的输入输出，将在m a t l a b 7 8 中建 立的全局时变滑模变结构e p s 控制模型和在a d a m s 2 0 0 7 r 3 中建立整车多体动力 学机械模型连接起来，搭建了e p s 的联合仿真控制模型，并进行了部分试验的 仿真与分析。 ( 8 ) 设计了实车道路试验系统，参照国家汽车操纵稳定性试验标准，进行了方 向盘角阶跃试验、转向轻便性试验和蛇形试验，将e p s 全局时变滑模变结构控 制的仿真结果与装有e p s 控制的原车试验结果进行了对比分析，验证了该控制 策略的有效性。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章滑模变结构控制理论基础 滑模变结构控制本质上是一类非线性控制方法，其控制的不连续性与常规 的控制方法有着根本的区别。它利用滑模这种特殊的控制方式，迫使系统的状 态沿着人为设计好的滑动模态面附近做连续的来回穿越运动，这一运动分为趋 近阶段和滑动模态阶段。当系统的状态在滑模面上运动时，即滑动模态阶段时， 系统不受任何外界干扰，具有完全鲁棒性，这正是滑模变结构控制的最为可贵 之处n 。因此，经过几十年的发展，该控制策略已经在航空，导弹，电机，机 器人，汽车等领域得到了广泛的应用研究。 2 1 变结构控制的基本概念 变结构控制( v a r i a b l