（机械制造及其自动化专业论文）基于鲁棒控制理论的汽车电动转向助力系统控制技术研究.pdf

y 1 0 0 2 2 4 1 基于鲁棒控制理论的汽车电动转向助力系统 控制技术研究+ 专业机械制造及其自动化专业 博士研究生田大庆指导教师殷国富 摘要 现代汽车技术是现代高科技迅速发展的集中表现，它实际上是机械、电子、计算机、 控制工程、材料工程、生物工程和信息技术等多学科技术交叉的产物。在这些汽车控制技 术应用中，计算机动力转向控制p s ( p o w e r s t e e r i n g ) 由于既能改善驾驶者的转向操纵感觉， 又能减轻驾驶者的体内消耗，还能提高汽车的转向性能和安全性，受到广泛的重视。研究 与开发e p s 技术，与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合，对提高我国汽车工 业水平，缩小与汽车强国的差距，具有一定的现实与长远意义。 e p s 性能分析要求e p s 不仅在低速和停车时提供可跟随( 可控) 的转向助力，而且还 能在高速时提高汽车的操纵稳定性。保持足够的路感。e p s 控制面临的是一个多控制目标， 多输入多输出( m i t l o ) ，带有一定程度非线性、时变的不确定性控制对象，因此，传统的 基于线性控制对象精确建模的经典控制理论遭遇到一定的挑战 本论文在四川省科技厅重点科技攻关项目。汽车电动助力转向系统( e p s ) 研究与开 发”艇i g 0 0 潞1 ) 的资助下，结合现代鲁棒控制理论与技术，展开了对eps 含不确定性 转向系统控制模型及其控制下的性能研究主要研究内容涉及：实现e p s 系统性能的鲁棒 控制与实现以转向跟随性和转向路感为代表的转向性能控制。主要研究成果如下： ( 1 ) 首先建立了e p s 系统的动力学微分模型并转化成状态空间模型。在e p s 系统的动 力学模型基础上，结合给定的参考参数。详细讨论了e p s 线性系统本身在原始状态下的 动态性能。包括稳定性分析，系统输入输出响应分析。通过e p s 原始状态下的动态性能 分析，指出了e p s 系统存在的性能脆弱性问题，以及采用控制器以鲁棒化系统动态性能 的必要性分析揭示eps 转向系统控制问题从本质上归属于这样一类问题：不确定系 统的鲁棒性能分析与综合问题 车研究受刭四川省科技厅重点科技攻关项目。电动助力转向系绣研究与开发”( 0 潞瑚n 支捧 1 l ：s ： j q l 四川大学博士学位论文 ( 2 ) 针对eps 转向系统的不确定性属性进行了理论分析。利用鲁棒理论讨论了其表达 方式，给出其鲁棒稳定性判据和鲁棒性能判据。根据e p s 转向系统实际需要，讨论了其控 制器需满足的多个控制目标。针对实际e p s 系统同时存在模型摄动问题和参数摄动问题以 及外界干扰，利用基于现代鲁棒控制理论的混合灵敏度设计方法，建立了既能有效覆盖结 构性摄动( 主要是系统参数性摄动) 又能覆盖非结构性摄动( 未建模或未知动态) 的ep s 鲁捧控制器。通过大量的仔细设计的仿真分析，主要包括：助力误差的控制效果的分析， 闭环系统鲁棒性的检验( 对结构性摄动和非结构性摄动) 。阐述应用h 。相关理论和计算技 术来作为e p s 控制技术的合理性：基于h _ 控制理论的转向系统控制器设计模型具有强的 健壮性，足以应对实际e p s 转向系统可能发生的结构性摄动( 参数摄动为代表) 和非结 构性摄动，而同时具有可以接受的性能表现完全克服了e p s 原始系统性能的脆弱性。 表明了控制的有效性。 ( 3 ) 在应用基于n 理论的混合灵敏度设计方法中，e p s 混合灵敏度模型向标准问题 模型的转化。对多控制目标单控制变量系统( 典型如eps 系统) 中加权函数与鲁棒性 能和鲁捧稳定性的关系进行了较深入研究。仿真分析揭示出调整某项性能加权函数不仅影 响相应的控制指标，而且由于不同控制指标共用单控制变量输出，也会影响其他控制指标。 揭示出控制指标之间的相关性。并有效用于指导eps 多控制目标鲁棒控制器的实际设计。 ( 4 ) 利用设计的鲁棒控制方法，对e p s 被控系统进行了跟随性的性能仿真研究在分 析转向器跟随性的含义和特征的基础上，重点阐述转向角跟随性的控制器设计问题和控制 模型，研究转向角跟随性与转向力跟随性的关系，采用混合灵敏度设计方法，提出角输入 跟随性性能控制的混合灵敏度h 。控制模型。通过方向盘转角a 与小齿轮转角6 跟随性仿 真实验。对控制效果进行了分析，验证了基于混合灵敏度设计方法的鲁棒控制系统能够达 到了预期的控制效果。证明了鲁棒控制的有效性。 ( 5 ) 研究了鲁棒性控制系统的路感问题。给出了路感强度的定义，给出了e p s 系统的 直线式助力特性曲线的理想助力图谱和对应的理想路感曲线图谱。建立了获得转向助力特 性和路感的算法流程。分析证明了被控系统在满足鲁棒控制器设计性能目标的同时，能够 表现出较为良好的路感特性充分体现出e p s 系统可以程序控制调节路感，而不必改动系 统机械结构及其参数的优势。 ( 6 ) 进行电动助力转向台架试验装置开发。从e p s 台架试验装置总体设计需求分析起 步，阐述开发的e p s 台架试验装置的组成原理、总体方案、实验项目设计和开发中需解决 的关键技术。 关键词：电动转向系统，系统建模，模型摄动，鲁棒控制，h 。理论，混合灵敏度设计方 法，转向跟随性，路感。 2 r e s e a r c ho nc o n t r o lm e t h o df o re l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m b a s e do nr o b u s tc o n t r o lt h e o r y 木 m a j o rm e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n l r n d c a n d i d a t eti n nd a q i n g a b s t r a c t m o d e mv e 址c l e m a n u f a c u m gt e c h n o l o g y i sac o n c e u 舡a t e de x h i b i t i o n m o d e l = n h i g h - t e c h n o l o g y f a s t d e v e l o p m e n l i n f a c t , i t i s a h y b r i d p r e d u a a m o n gk n o w l e d g e o f m e c h a n i c s ， e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r , c o n t r o le n g i n e e r i n g ，m 硼砌e n g i n e e r i n g ，b i o l o g ye n g i n e e r i n ga n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g a m o n gt h i sv e h i c l e c o n t r o lt e c h n o l o g y , c o m p u t e r - c o n t r o l l e dp s ( p o w e r s t e e r i n g ) g e t sm o a n du t o l a t t e n t i o nb e c a u s et h a ti ti sn o to n l yt oi m p r o v et h ed r i v e r ss t e e r i n g f e e lb u ta l s ot od e c r e a s et h ed r i v ee x h a u s t i o na sw e l la st oi m p r o v et h es t e e r i n gf u n c t i o na n d d r i v es a f e t y i ti st om e e tt h en e e do fs a f e t y , e n v i r o n m e n t - f i i e n d l y , e n e r g y - l o w - c o n s u m e df o r v e b i c l ed e v e l o p m e n tt or e s e a r c ha n dd e v e l o pe p st e c h n o l o g y i ta l s oh a sp r a c t i c a la n dp o t e n t i a l s i g n i f i c a n c ef o ri m p r o v i n gt h el e v e lo fo l 玎c o u n t r yv e h i c l em a n u f a c t u r ei n d u s t r ya n ds h o r t e n i n g t h et e c h n o l o g yd i s t a n c eb e t w e e no u rv e h i c l em a n u f a c t u r ei n d u s t r ya n dt h a to fo t h e rd e v e l o p e d c o t m n y e p sp e r e o r m a n c ea n a l y s i sr e q u i r e st h a te p ss h o u l dn o to n l yo f f e rc o n t r o l l e ds t e e r i n g a i d e d - p o w e ri ns t a t i co fs l o ws p e e ds t e e r i n gs i t u a t i o n , b u ta l s oi n l p r o v ct h es t e e r i n gs m b i l i t ya t b i g hd r i v es p e e dt oo f f e re n o u g hr o a df e e li nf a c t , t h ec o n t r o lt e c h n o l o g y0 fe p ss y s t e mf a c e s s u c hac o n t r o lo b j e c tt h a tn o to n l yh a sm l f i - c o n t r o lg o a t s ，m i m o ( m u l t i - i n p u tm u l t i - o u t p u t ) v a r i a b l e , b u ta l s oi sw i t hs o m ed e g r e eo f n o n l i n e a rf a c t o ra n du n o m a i n t y t h et r a d i t i o n a lc l a s s i c c o n t r o lt h e o r yf a c e st h ec h a l l e n g et od e a lw i t hs u c hr e s e a r c ho b j e c t , w h i c hi sb a s e do np i 妇 a n dl i n e a rc o n t r o l l e d - o b j e c tm o d e l s u p p o r t e db yt h ep r o j e c to fs i c h u a np r o v i n c es c i e n c e & t e c h n o l o g yr e s e a r c hf u n d - t h e r e s e a r c ha n dd e v e l o pv e h i c l ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ( e p s ) s y s t e m 唧旧g 0 0 咖0 1 ) ， c o m b i n i n g m o d e mr o b u s tt h e o r ya n dt e c h n o l o g y , t h i sp a p e rf o c u s e su p o l lt h ee p sc o n t r o lm o d e lw i t hs o m c 。1 kr 啊c 岫w o 矗虹埘即喇。d b y l h c p 删e c t o f 掰d i q 皿p 1 i n ，：懈出n o i o 舒瞄嘲虻h 如邮d 越i 傩1 i 辟咖曲蛐d a 咖l 弼 t y j t m o 、o 0 a 鲫m - 0 0 1 ) 3 四川大学博士学位论文 u n c e r t a i n t ya n di t sp e 娟m m n c eu n d e rc o n t r 0 1 1 kr e s e a r c hm a i n l yc o n c l d , n so nh o w t or e a l i z e t h er o b u s tc o n t r o lt oe p ss y s t e ma n dh o wt or e a l i z et h es t e e r i n gp e r f o r m a n c ec o n t r o lw h i c hi s m a i n l yr e p r e s e n t e db yt h ec o n t r o lo fs t e e r i n gf o l l o wa b i l i t ya n ds t e e r i n gr o a df e e l n e a c h i e v e m e n t sa n dh i g h l i g h t so f t h i sr e s e a r c ha r ea sf o 1 0 w s ： ( 1 ) t h ee p sd y n a m i c sc a l c u l o u sm o d e li sf o u n d e da n dt r a n s f o r m e dt ot h es t a t es p a c em o d e l a tf h - s t t h e n ，t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei sd i s c u s s e di nd e t a i l sw i t ht h e g i v e np a r a m e t e r , b a s e d0 1 1 t h ee p sd y n a m i c sm o d e l t h ed i s c u s s e dp e r f o r m a n c em a i n l yi n c l u d e st h es t a b i l i t ya n a l y s i sa n d s y s t e mi n p u t - o u t p u tr e s p o n s ea n a l y s i s a n dt h e n ac o n c l u s i o ni sf o r m e dt h a tt h ee p sd y n a m i c p e r f o r m a n c ei sf r a n g i b l et oi n h e r e n tu n c e r t a i n t ya sw e l la se n v i r o n m e n td i s t u r b a n c e b a s e do n a n a l y z i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo fe p sm o d e la n dt h a ti ti sn e c e s s a r yt od e s i g nar o b u s t c o n t r o l l e rt oc o n t r o lt h ee p ss y s t e m f m a l l y , i ti sp o i n t e dt h a tt h ec o n t r o lp r o b l e mo fe p s e s s e n t i a l l yb e l o n g st os u c hk i n do f p r o b l e ma st h ea n a l y s i sa n ds y n t h e s i sp r o b l e mo ft h er e s e a r c h o b j e c tw i t hu n c e r t a i n t y ( 2 ) o r i e n t e da tu n c e r t a i n t ya t t r i b u t eo fe p s i nt h et i g h to fm o d e mr o b u s tc o n t r o lt h e o r y , a t h e o r ya n a l y s i si sc o n d u c t e d w h i c hi n c l u d e st h eu n c e r t a i n t ye x p r e s s i o n 。t h er o b u s ts t a b i l i t y c r i t e r i o n ，a n dt h er o b u s tp r o p e r t yc r i t e r i o n mm u l t i - c o n t r o l l e dg o a l si sd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ee p ss y s t e mp r a c t i c a ln e e d ar o b u s tc o n t r o l l e ri sf o u n d e dw h i c hc a ne f f e c t i v e l vd e a lw i t h b o t ht h ee p sc o n s t r u c t i v ef l u c t u a t i o n ( w h i c hm a l n l yi s p a r a m e t e rf l u c t u a t i o n ) a n dt h e n o n - c o u s a u c t i v ef l u c t u a t i o n ( w h i c hm a i n l yi su n m o d e l e dd y n a m i co ru n l c l l o w i ld y n a m i c a t u i b u t e ) b yt h eu s eo ft h et o o lo fm i x e d - s e n s i t i v i t yd e s i g nm e t h o do fr o b u s tt h e o r y i nt h e s u p p o r to fm a n ye m u l a t i o na n a l y s i ss u c ha 8t h ec o n t r o le f f e c t i v e n e s sa n a l y s i sf o ra i d e ds t e e r i n g p o w e re r r o ra sw e l la st h ec l u s e d - l o o ps y s t e mr o b u s ta n a l y s i sm o t hf o rt h ee f sc o n s u u c t i v e f l u c t u a t i o na n dt h en o n - c o n s t r u c t i v ef l u c t u a t i o n ) 。t h er a t i o n a l i t yf o rc h o o s i n gt h eh t h e o r y a n dm e t h o da st h ee p sc o n t r o lm e t h o di sj u s t i f i e d ：t h ec o n t r o l l e rm o d e lb a s e do ni t - c o n t r o l t h e o r yh a se n o u g hr o b u s m e s st od e a lw i t ht h ee p sc o n s t r u c t i v ef l u c t u a t i o na n dt h e n o n - c o n s t r u c t i v ef l u c t u a t i o n ，a sw e l l 勰h a st h es u i t a b l ed y n a m i cp e r f o r m a n c e a sac o n c l u s i o n i ti ss a i dt h a tt h ec o n t r o l l e r f u l l yo v e r c o m e 8t h ef r a n g i b i l i t yo fe p s0 r i g i n a ld y n a m i c p e r f o r m a n c ea n dt h a tt i mc o n t r o le f f e c t i v e n e s si sp r o v e d ( 3 ) t h et r a n s f o r m a t i o nf o r me p sm i x e d - s e n s i t i v i t ym o d e lt oe p sh 。s t a n d a r dm o d e li s d i s c u s s e d 1 1 r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew e i g h t e df u n c t i o na n dt h er o b u s tp r o p e r t ya n dr o b u s t s t a b i l i t yi nt h em u l t i - c o n t r o l l e dg o a l s s i n g l ec o n t r o lo u t p u tv a r i a b l es y s t e m ( t y p i c a la se p s s y s t e m ) i sr e s e a r c h e d 弧ee m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l t sd i s c o v e rt h a tt h em o d i f i c a t i o l lo fa w e i g h t e df u n c t i o nd o e sn o to n l yi n f l u e n c ei t sc o r r e s p o n d i n gc o n t r o lp e r f o r n m c ei n d e x , b u ta l a n i n f l u e n c eo t h e rc o n t r o lp e r f o r m a n c ei n d e xb e c a u s ea l lo ft h e s ec o n t r o lp e r f o r n m c ei n d e xa r e a d j u s t e db y t h ec o m m o n s i n g l e c o n t r o l o u t p u tv a r i a b l e 耵圮r e s u l td i s c o v e r st h e p b = r t i n e n c e ( a m o n gd i f f e r e n tc o n t r o lp e r f o r m a n c ei n d e x a n dt h er e s e a r c ha c h i e v e m e n ti s a p p l i e dt op r a c t i c a lm u l t i - c o n t r o l l e dg o a l sc o n t r o u e rd e s i g nf o re p ss y s t e m ( 4 ) i nt h el i g h to ft h er o b u s tc o n t r o l l e rd e s i g nm e t h o d , t h e ，sc o n t r o l l e ds y s t e m f o l l o w i n ga b i l i t yi sr e s e a r c h e d t ob a s e do nt h ea n a l y s i so ft h es i g n i f i c a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co f 4 s y s t e mf o l l o wa b i l i t y , t h ec o n t r o l l e rd e s i g na l a d , t h ec o n t r o lm o d e l a r ed i s c u s s e d t h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h es y s t e mf o l l o w i n ga b i u t yt 0d r i v e rf o r c ea n dt os t e e r i n ga n g l ei sr e s e a r c h e d 啊| ce p s m i x e d - s e n s i t i v i t yc o n t r o lm o d e lo ft h es y s t e mf o l l o w i n ga b i l i t yt os t e e r i n ga n g l ei sf o r m e d 1 1 ” c o n t r o le f f e c t i v e n e s si sa n a l y z e dt h r o u g ht h ee m u l a t i o nd i s c u s s i o na b o u tt h es y s t e ms t e e r i n g f o l l o w i n ga b i l i t y i ti sp r o v e dt h a tt h er o b u s tc o n t r o ls y s t e md e s i g n e db ym i x e d - s e n s i t i v i t y m e t h o di sa b l et oa c h i e v et h ep r o - d e s i g n e dc o n t r o lg o a l s o n ea g a i n ，t h ee f f e c t i v e n e s so fr o b u s t c o n t r o li s j u s t i f i e d f 5 ) t h er o a df e e lo fr o b u s tc o n t r o l l e ds y s t e mi sr e s e a r c h e d t h ed e f i n i t i o no fr o a df e e i i n t e n s i t yi sg i v e na n d t h ee p si d e a l a i d e d - p o w e rm a p o fs t r a i g h t - l i n et y p ei sa c h i e v e da sw e l l t h ee p si d e a lr o a df e e lc u l v em a po fs t r a i g h t - l i n et y p e t h ea r i t h m e t i ep r o c e s so fs e t l i n gt h e a i d e d - p o w e re l a c t e r i s t i ea n dr o a df e e li sf o u n d e d t h ee m u l a t i o na n a l y s i sr e s u l tt e s t i f i e st h a t f i l eo o n l r o l l e ds y s t e mh a sag o o dr o a df e e lp e r f o r m c ea sw e l la sm e e t st h eg o a l st h o s ed e s i g n e d b yt i l er o b u s te o n l x o l l e r 肋ea d v a n t a g eo f e p ss y s t e mi sf u l l ye x h i b i t e dt h a tt h er o a df e e lc a nb e e a s i l ya d j u s t e db yp r o g r a ma n dn on e e dt om o d i f yt h ee p ss y s t e mm e c h a n i cs l r u e t u r eo ri t s p a r a m e t e r ( 6 ) t h e1 3 1 sp , = e o r m a n e et e s tp l a t f o r mi sd e v e l o p e d o d e n t e da tt h er e q u i r e m e n ta n a l y s i so f e p s t h e 口sp e r f o r m a n c et e s tp l a t f o r m sc o n s t r u c t i o np r i n c i l j l l e , t h ew h o l ed e v e l o p i n gp l a n , t h e t e s ti t e m sd e s i g na n dt h ek e y d e v e l o p i n gm e t h o do rt e c h n o l o g yd u r i n gt h ee p sp e r f o r m a t e s tp l a t f o r me o n s m l e t i o na md i s c u s s e d k e y w o r d ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , b u i l td y n a m i cm o d e l r o b u s tc o n t r o l , h t h e o r y , m i x e d - s e n s i t i v i t yd e s i g nm e t h o d , s t e e r i n gf o l l o w a b i l i t y , r o a df e e l 5 l 绪论 1 绪论 1 1 论文研究意义与课题背景 汽车工业既是资金和技术密集的高壁垒产业，又由于其上下游产业链联动长、拉动国 民经济、增加就业机会、促进国内消费、促进技术创新与转化的显著效果，一直是各先进 国家非常重视的战略性产业。我国现处于新世纪发展中转型期，面临着巨大就业人口压力 和技术自主刨新两大任务，汽车工业更是对国民经济影响特别大的行业。在合肥举行的 2 0 0 6 中国汽车行业年会暨中汽协会五届四次理事( 扩大) 会议中，国家发改委指出： 2 0 0 5 年汽车产量、销量进入世界第三，达到5 8 0 万台左右，有望在近期超越日本进入世界第二 对社会贡献大，每6 个就业人员中，就有1 个与汽车相关；消费税1 年3 0 0 亿元，交通部 有6 0 0 0 亿元投入公路建设，主要来自汽车购置费的征收。汽车工业已成为我国的支柱产业 之一。 现代汽车技术是现代高科技迅速发展的集中表现，它实际上是机械、电子、计算机、 控制工程、材料工程、生物工程和信息技术等多学科技术交叉的产物。因此，国际汽车制 造水平与市场的竞争实质上已成为现代科技的较量、技术创新的竞争。我国并不是汽车制 造技术强国。在知识产权、专利技术竞争日益体现为综合国力竞争的形式下，开发拥有 中国自主知识产权和专利技术的包括电动助力转向( e p s ) 技术在内的汽车技术及产品， 已成为创造中国自己的民族品牌和汽车工业的关键。 现代汽车正在向电子化、智能化方向发展。汽车作为复杂机电系统，每一次其关键零 部件产品的技术开发的重大突破，都使现代汽车技术进入一个新的阶段“”。如2 0 世纪7 0 年代末计算机控制技术首先应用于发动机的尾气排放控制、点火提前角控制、喷油定时控 制和故障自诊断，使发动机获得很高的控制精度，具有良好的动力性、经济性和排放性能， 并保证发动机具有较高的工作可靠性。直接促进了世界各国汽车燃油经济性指标不断提升 和强制性尾气排放标准( 如欧、欧标准) 的不断提高。在底盘控制技术方面，计算机 控制的自动变速器，能够根据汽车的行驶条件和发动机的运转工况自动改变传动比，不仅 简化了驾驶者的操作动作，而且进一步提高了汽车动力性和明显降低燃油消耗。对汽车制 动过程进行计算机控制的轮胎防抱死制动系统c a b s ) 和安全气囊( a i r b a g ) 的广泛应用， 则对保障驾驶者和乘坐者的安全起到了巨大作用，今天已经成为乘用车的标准配置。而汽 车的计算机悬架控制则有效的衰减了车轮受路面激励产生的对车身的振动，改善了汽车的 行驶平顺性、提高了汽车的方向稳定性和人的舒适感受；汽车的驱动控制则防止驱动车轮 在驱动过程中发生滑转现象，有效改善转向操纵性，方向稳定性、提高加速性能和爬坡能 力。此外，计算机控制还广泛用于汽车巡航控制、防盗控制、灯光控制、空调控制等各个 方面可见，计算机控制技术已经渗透到汽车的方方面面。目前汽车上、特别是轿车上的 电子控制部件越来越多基本上占汽车总成本的l 3 甚至更多现代汽车实际上已经成为 以计算机为控制核心的计算机控制系统可以形象地说：“现代汽车是架在四个车轮上的计 四川大学博士学位论文 算机控制系统”。连微软公司也已经把很大的精力放到了汽车软件的开发研究上。 在这些汽车控制技术应用中，计算机动力转向控制p s ( p o w e r s t e e r i n g ) 由于既能改善 驾驶者的转向操纵感觉，又能减轻驾驶者的体内消耗，还能提高汽车的转向性能和安全性， 受到广泛的重视，汽车先进国家投入大量的经费用于研究。p s 控制技术先后经历液压转向 系统、电液混合转向系统和电动转向系统等几个阶段。特别是，电动助力转向系统( e p s ) 可明显改善驾驶员的手感、抗干扰性、稳定性、重量、成本等，是集环保、功能性于一体 的新型零部件产品，在汽车工业上的应用，不仅有利于环保，而且其功能更加卓越。研究 与开发e p s 技术，是与汽车发展中的安全，环保、节能三大主题相吻合的，对提高我国汽 车工业水平，缩小与汽车强国的差距，具有一定的现实与长远意义，也受到我国政府的重 视。2 0 0 0 年9 月，我国科技部、财政部和国家税务总局将e p s 列为汽车零部件“高新技术 产品”之一，并鼓励各科研院所联合企业进行这方面的研究。四川省也将e p s 的研究作为 重点科技攻关项目。进行e p s 及其控制技术研究具有重大的理论意义与应用价值。 为开发e p s 系统，我们与绵阳三立股份有限公司合作承担了四川省科技厅重点科技攻 关项目“汽车电动助力转向系统( e p s ) 研究与开发”( 0 3 g g o o 帅0 1 ) 。论文作者承担项目 中的e p s 系统控制技术研究子项目。结合项目研究，作者重点开展了e p s 系统动力学模 型及分析、e p s 控制方法研究、e p s 试验台架开发等内容的研究开发工作。 1 2 现代控制理论及技术在汽车产品中的应用 现代汽车向电子化、智能化方向的发展过程，一方面是智能传感器、车用微处理器的 大规模应用。1 9 7 6 年美国通用汽车公司成功地把微处理器应用于汽车发动机控制系统后， 世界汽车工业的微处理器用量激增：1 9 8 5 年为2 0 0 万只，1 9 8 9 午6 0 0 0 万只，1 9 9 3 年则达 到了2 亿只微处理器已广泛地应用于安全、环保、发动机、传动系、速度控制和故障诊 断中。目前，美国汽车用微处理器8 位的占多数，约占总量的6 5 。1 6 位和3 2 位微处理 器正在迅速地扩大市场近年来1 6 位的用量增加约5 0 ，而8 位的只增加l l 。与此 同时，现代汽车控制技术也是各种现代控制理论与技术的应用过程。 1 2 1p i d 控制及其在汽车产品中的应用 p i d ( 比例、积分、微分) 控制属于经典控制理论的范畴，是连续系统中技术成熟、应用 最广泛的一种控制方式。它最大的优点是不需要了解被控对象的数学模型，只要根据经验 在线调节控制参数，即可取得满意的结果。不足之处是对被控对象的参数变化比较敏感。 p i d 可由硬件电路实现，也可由计算机软件编程实现，后者通常被称为“数字p i d 调节器” 由于软件编程方法实现p i e ) 控制时参数变化可灵活调整因此应用十分广泛。p i d 控制器 实际上是根据偏差的变化情况来调节控制量。例如偏差e 大，则控制量也应加大，这就是 比例控制。由于偏差一直存在。就把以住的偏差累积起来，加大控制量以消灭偏差e ，这 就是积分控制。而微分控制则起预测作用：当e o ，表示偏差在加大，就及时增加控制量， 使其减小。当e 9 5 v l o o o r m i n ，1 6 5q 2 0 0 c 助力转向控制组件控制方式，额定电压。工作电压范围微机( 8 位) 方式，1 2 v 。l o - 1 6 v t r w 从1 9 8 8 年开始。便投入了大量人力、物力和财力用于e p s 的开发。他们最初针 对客车开发出转向柱助力式e p s ，如今小齿轮助力式e p s 开发也已获成功1 9 9 9 年3 月， 他们的e p s 已经装备在轿车上，如f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等。m e r c e d e s - b e n z 和 s i e m e n sa u t o m o t i v e 两大公司共同投资6 5 0 0 万英镑用于开发e p s 。他们计划开发出适用 于汽车前桥负荷超过1 2 0 0 k g 的e p s ，因此货车也将可能成为e p s 的装备目标。 电控助力转向系统减少了发动机的能量消耗，而且性能更优越。随着直流电机性能的 改进，e p s 助力能力的提高，其应用范围将进一步拓宽，现在3 升级的运动型跑车也有安 装e p s 。e p s 代表未来动力转向技术的发展方向，将作为标准件装备到汽车上，并将在动 1 0 1 绪论 力转向领域占据主导地位。据t r w 公司预测，到2 0 1 0 年全世界生产的每3 辆轿车中就有 l 辆装备e p s 。特别是低排放汽车( l e l ) 、混合动力汽车( u e v ) 、燃料电池汽车( f c e i ，) 、电 动汽车( e 1 ，) 四大e v 汽车将构成未来汽车发展的主体，这给e p s 带来了更广阔的应用前景。 e p s 已达到了其最初的设计目的，但仍然存在一些问题需要解决，其中，进一步改善 电动机的性能与尺寸是关键问题。因为电动机的性能是影响控制系统性能的主要因素， 电动机本身的性能及其与电动助力转向系统的匹配都将影响到转向操纵力、转向路感等 问题。通过使用高磁性材料，比如；n d _ b 磁铁。小型电机的应用前景广阔，另一方面， 由于使用高压电池的技术困难比较小，在整个汽车电子系统中都在良好的使用前景，也 将成为e p s 的供电电压 1 6e p s 控制技术的研究现状与发展趋势 e p s 系统的主要功能是减小转向扭矩并在此过程中保持操纵稳定性及提供合适的路 感。有些e p s 系统利用电子控制的方便，还附带有回正控制、阻尼控制和补偿控制等以适 应不同转向工作状态。 由于e p s 系统存在非线性元件的影响( 如磨擦和阻尼、轮胎特性等) ，屙时元件的磨 损、路面条件的变化、行驶中侧向风力变化和传感器噪声等也会给系统带来不确定性且 可能是时变的，因此，e p s 控制技术面临的是一个多输入多输出( m i m 0 ) 非线性、时变的 带有一定程度不确定性控制对象基于现有的e p s 系统的物理硬件构成部分( e p s 主要由 扭矩传感器、车速传感器，电子控制单元( e c u ) 、电动机、离合器、减速机构以及转向 齿轮齿条、转向管柱总成、转向中间轴总成等组成。) 基本稳定，控制系统与控制算法是 保证e p s 工作性能的的关键。控制系统应有强抗干扰能力，以适应汽车多变的行驶环境。 控制算法应快速正确，满足实时控制的要求，并能有效地实现理想的助力规律与特性 1 6 1e p s 控制技术的国外研究进展 如前所述，e p s 性能分析要求e p s 不仅在低速和停车时提供可跟随( 可控) 的转向助 力。而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性，保持足够的路感而e p s 控制面临的是 一个多输入多输出( m i m o ) 非线性，时变