（车辆工程专业论文）基于遗传算法和鲁棒控制理论的eps控制技术研究.pdf

i r e s e a r c ho ne l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e mb a s e do ng e n e t i c a l g o r i t h m sa n dr o b u s tc o n t r o lt h e o r y c h e n c h a o b e ( h u n a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rs o n gx i a o l i n a p r i l ， 2 0 1 1 9洲5洲5609iiiii_哪y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：沙年乡月心日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打”“) 作者签名： 导师签名： 孩起 算帐 日期：年绷侈日 日期：沙年乡月8 日 基于遗传算法和鲁棒控制理论的e p s 控制技术研究 摘要 汽车转向系统作为汽车底盘的重要组成系统之一，是影响汽车操纵稳定性、 行驶安全性和驾驶舒适性的关键部件。在提倡节能高效、舒适安全的今天，传统 的机械转向系统已经不能很好的满足要求，电动助力转向系统作为一种全新的汽 车动力转向系统，以其节能、环保、优秀的操纵特性和转向路感，成为动力转向 技术研究焦点。 汽车电动助力转向是转向系统中较新的技术，在国内也发展很快，关于其性 能和可靠性检测还未有统一的方法及评价标准，本文研究的目的主要是对针对电 动助力转向的结构特点，分析了电动助力转向对汽车转向性能的影响，并根据其 特点提出助力控制，回正与阻尼控制的控制策略。针对转向系统干扰因素对其产 生的不利影响，利用鲁棒控制原理和遗传算法设计一种基于遗传算法的混合 h ：h 。鲁棒控制的电动助力转向系统的抗干扰控制，抑制减少系统因模型不精 确，传感器的误差等各种因素引起的系统干扰。运用m a t l a b s i m u l i n k 和c a r s i m 软件对电动助力转向系统进行建模，并与整车模型进行联合仿真分析，对控制策 略进行验证。根据实际需求，建设电动助力转向系统的硬件在环实验台架，为其 台架实验提供基础。 通过本文的研究，为转向系统的设计提供了的参考依据，对现代的汽车底盘 调校、转向系统的设计开发和性能评价有重要的指导意义。 关键词：电动助力转向系统( e p s ) ；鲁棒控制；操纵稳定性；硬件在环 i i a b s t r a c t a sai m p o r t a n tc o m p o n e n to f av e h i c l ec h a s s i ss y s t e m s ，e l e c t r i cp o w e r a s s l s t e d s t e e r i n g ( e p s ) i se s s e n t i a l t ov e h i c l eh a n d l i n g a n ds t a b i l l y ，d r l v l n g s a e y a ? d d r i v i n gc o m f o r t t o d a y ，w ea l la d v o c a t ee n e r g ye f f i c i e n c y ，c o m f o r t a n ds a f e t y 鼍e t r a d i t i o n a lm e c h a n i c a ls t e e r i n gs y s t e mi s n o tw e l lm e e tt h e r e q u i r e m e n t s e l e c 订1 c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m a san e wp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，w i t h i t se n e r g ys a v l n g ：n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，e x c e l l e n th a n d l i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n d s e e r i n g r o a d 岛 b e c o m et h ef o c u so fp o w e rs t e e r i n gt e c h n o l o g y e l e c t r i cp o w e ra s s i s t e ds t e e r i n gi s an e w e rt e c h n o l o g yi nt h es t e e r l n gs y s t e m h a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nc h i n a i t sp e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t y t e s i n gh a sn o b t e n a u n i f i e da p p r o a c h4 n d e v a l u a t i o nc r i t e r i a ，t h em a i np u r p o s e o ft h l ss u d y1 st oa n a l y ? 1 s t h ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n go n t h ev e h i e l es t e e r i n gp e r f o r m a n c ea n dc h a r a c t e r i s t i c s a c c o r d i n gt oi t sp r o p o s e dp o w e rc o n t r o l ，r e t u r nc o n t r o l a n dd a m p n gc o n r 0 1 s r a t e 亨y b a s e do nt h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i i l g d u et o t h e i n t e r f e r e n c ef a c t o r sf o rt h es t e e r i n gs y s t e m t 0 i t s a d v e r s ee f f e c t s ，u s eo ft h er o b u s t c o n t r 0 1t h e o ya n dp r i n e i p l e so fg e n e t i ca l g o r i t h m s t od e s l g nag e n e t l c a 1 9 0 n m 冀 b a s e dr o b u s tc o n t r 0 1o fe l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ，f o r t h ei n t e r f e r e n c e o t e l e c t r i cp o w e rs t e e 她s y s t e m ，t h i sp a p e ru 、s i n gr o b u s t c o n t r o lt h e o r ya n dg e n e t l c a l g o r i t h md e s i g nah y b r i dr o b u s tc o n t r o l l e rb a s e d o ng e n e t i ca l g o m m 0 f t h ee l e c t r l c p o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，t or e d u c ei n t e r f e r e n c e t h a td u et om o d e li m p r e c i s ea n de r r o r o ft h es e n s o rs y s t e m u s e i n go fm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r 0 m o d e l e l 仃k p o 叭】： s t e e r i i l gs y s t e mt h e n s i m u l a tw i t hc a r s i mv e h i c l e m o d e l a c c o r d i n gt o a c t u a i d e m a n d ，t h ec o n s t r u c t i o no f e l e c t r i ep o w e rs t e e r i n gs y s t e mh a r d w a r ei nt h el o o p t e s t b e n c h ，t op r o v i d ea b a s i sf o rb e n c ht e s t t h r o u g ht h i ss t u d y ，t h ed e s l g n f o rt n e s t e e r i n gs y s t e mp r o v i d e ar e f e r e n c ef o ra d j u s t m e n t t om o d e r nc h a s s i s ,s t e e r l n g s v s t e m sd e s i g na n dd e v e l o p m e n ta n dp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o n h a v ei m p o r t a n tg u l d l n g s i g n i f i c a n c e k e yw 。r d s ：e l e c t r i c p 。w e ra s s i s t e d s t e e r i n g ( e p s ) ；p 。b u s t c 。n t r 。1 ；g e n e i c v e h i c l eh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y ；h i l 一 1 i i 砖 0 基于遗传算法和鲁棒控制理论的e p s 控制技术研究 目录 学位论文原创性声明和版权使用授权书i 摘 要。i i a b s t r a c t i i i 目录i v 第1 章绪论1 1 1 汽车动力转向系统概述一1 1 2 汽车电动助力转向系统概述2 1 2 电动助力转向系统的特点4 1 3 国内外研究现状5 1 4 鲁棒控制的研究背景和发展概况8 1 4 1 鲁棒控制原理8 1 4 2 鲁棒控制理论及技术在电动助力转向系统中的应用9 1 5 遗传算法概述9 1 6 本文研究的主要内容及意义1 0 第2 章汽车电动助力转向系统结构原理及动力学分析1 2 2 1 引言1 2 2 2 汽车电动助力转向系统的结构和工作原理1 2 2 2 1 汽车电动助力转向系统工作原理1 2 2 2 2 电动助力转向系统关键部件组成1 3 2 2 电动助力转向系统动力学模型分析1 7 2 3 直流电机模型的分析与建立1 9 2 4 本章小结2 0 第3 章汽车电动助力转向系统控制策略设计2 l 3 1 引言2 l 3 2 基本助力控制一2 1 3 2 1 助力特性2 2 3 2 2 典型的助力特性曲线分析2 3 3 2 3 助力特性曲线理论设计2 4 3 3 电动助力转向系统的回正与阻尼控制策略2 8 3 3 1 回正控制设计2 9 3 3 2 阻尼控制设计3 0 i v 硕士学位论文 3 4 本章小结3 l 第4 章基于遗传算法和鲁棒控制的e p s 控制设计3 2 4 1 引言3 2 4 2 汽车电动助力转向系统e c u 硬件抗干扰设计3 2 4 2 1 供电系统抗干扰措施一3 2 4 2 2 过程通道抗干扰措施。3 3 4 2 3p c b 板的抗干扰设计3 3 4 2 4 软件抗干扰措施3 4 4 3 汽车电动助力转向系统抗干扰控制设计3 4 4 3 1 电动助力转向系统的控制目标3 5 4 3 2 遗传算法对马风的降阶应用4 0 4 3 3 基于遗传算法的电动助力转向系统混合吼风控制设计4 2 4 4 整车仿真分析4 7 4 4 1c a r s i m 软件简介4 7 4 4 2 整车模型的建立4 8 4 4 3 原地转向仿真分析4 9 4 4 4 蛇形实验仿真分析5 l 4 4 5 角阶跃实验仿真分析5 2 4 6 本章小结5 4 第5 章汽车电动助力转向系统硬件在环试验台5 5 5 1l a b v i e wr t 介绍5 5 5 2 汽车电动助力转向系统硬件在环试验台建设一5 5 5 2 1 硬件在环试验台的结构组成5 6 5 2 2 系统装配与集成一5 8 5 3 本章小结5 9 第6 章全文总结及展望6 0 6 1 全文总结6 0 6 2 不足和展望6 0 参考文献6 2 致谢6 5 附录a ( 攻读学位期间所发表的学术论文目录) 6 6 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车动力转向系统概述 随着世界汽车行业的迅速发展和人们消费水平的日益提高，汽车已经成为人 们日常生活和工农业生产中不可缺少的重要交通运输工具，汽车工业也成为了当 今世界最重要的工业部门之一。在汽车行业迅速发展的同时，有两方面问题表现 越来越突出：一方面，人们对汽车的安全性、操纵稳定性、行驶平顺性和乘坐舒 适性的要求越来越高；另一方面，日益增长的汽车生产量和保有量对资源、环境 所造成了巨大的影响，因此，如何设计具有良好的安全性能和高效节能环保的汽 车，受到各个汽车企业和设计人员的关注和重视。转向系统是汽车底盘的重要组 成系统之一，是影响汽车行驶安全性、操纵稳定性和驾驶舒适性的关键部件。汽 车转向系统一直存在着“轻 与“灵”的矛盾。过去人们常采用将转向器设计成 可变速比的方法，在转向盘大转角时以“轻”为主，在转向盘小转角时以“灵” 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，并且其 最大缺陷是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【1 1 。为 此，寻求一种更好的助力方式，以使动力转向系统获得较强的路感、较轻的操纵 力、较好的回正性、较高的抗干扰能力和较快的响应性，成为目前转向系统研究 的热点之一。 现代汽车的转向系统已经从最初的机械式转向、液压助力转向( h y d r a u l i c p o w e rs t e e r i n g ，h p s ) 、电动液压转向发展到电动助力转向( e l e c t r i c a lp o w e r s t e e r i n g ，e p s ) 技术，甚至许多学者和机构已经对其下一代产品线控转向系统 ( s b w ) 进行研究。但是，由于技术成本及法规的限制，线控转向系统在近期 很难在车辆上装配【2 j 。 随着微电子控制技术在汽车领域的广泛使用，以及世界节能环保两大主题的 推广，e p s 的优越性越来越突出，而且线控转向系统还不成熟，市场仍然以电动 助力转向为主，其性能的完善是其技术研究的热点和重点。早在19 8 0 年代，国外 就已经研制成功e p s 并装车使用。据最新预测：至u 2 0 l5 年，全球范围内电动助力 转向器的装车率将超过4 5 【3 l 。我国对e p s 的研究起步较晚，目前拥有独立知识 产权的产品很少，国内市场基本上都采用引进产品，因此具备巨大的市场潜力。 随着时间的推移和市场的需求，e p s 的研究越来越受到重视，我国已经将其列为 高新科技产业之一。目前已有十多家高等院校和科研单位正在进行该项技术的研 究，并取得了较大的进展。e p s 的助力特性、电动机、传感器和e c u 等关键技术 也有了突破性的进展，甚至已有研究机构开始致力于e p s 的后代产品线控转向系 基于遗传算法和鲁棒控制理论的e p s 控制技术研究 统的研究【4 】。 图1 1 动力转向系统的发展概况 1 2 汽车电动助力转向系统概述 1 2 1 汽车电动助力转向系统的组成及工作原理 电动助力转向系统是由传统机械式转向系统改进而来，保留了原系统的基本 构件，主要有转向器和电动助力辅助部分车速传感器、扭矩传感器、电机与离合 器、减速器、电子控制单元( e c u ) 等，如图所示。 电动 图1 2 电动助力转向系统组成 2 单元 硕士学位论文 电动助力转向系统，由控制单元( 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。电动机的输出扭矩经过减速齿轮放大， 然后通过万向节、转向机中的传送装置将扭矩传送到齿条，从而对转向轮施加助 力扭矩，达到助力的目的。助力扭矩的信号由扭矩传感器、车速传感器、转向角 传感器共同决定。这种系统能够使汽车在低速时减轻驾驶员的操纵力，并且提高 操纵的稳定性，当汽车由低速档换到高速档时，电子控制系统保证提供最优的传 动比，使其获得稳定的转向手感，从而提高速行驶的稳定性。 1 2 2e p s 的类型 根据助力电机布置位置的不同，电动助力转向分为转向轴助力式、齿轮助力 式、齿条助力式【5 1 。 转向轴助力式齿轮助力式齿条助力式 图1 3e p s 的类型 转向轴助力式：其电动机固定在转向柱上，由电机直接驱动转向轴实现转向 助力。具有结构紧凑、信号响应性较好的特点。助力的输入通过转向器传递，因 此电动机的最大输出力矩要求相对小。其电动机和e c u 通常布置在驾驶室内，工 作环境较好，无需特殊的防水和散热措施，对密封要求低，目前转向轴驱动方式 的e p s 的应用越来越广泛。这种类型主要用于轻型汽车上。 齿轮助力式：其转向助力机构安装在转向器小齿处，直接给小齿轮助力，其 转向轴驱动方式和结构相同但安装位置不同。该方案的助力由电机输入后通过转 向器传递，因此对电动机的最大输出力矩的要求也相对较小；其电动机通常布置 在发动机空间的最下面，离发动机的排气管较近，因而在隔热和防水方面的要求 较高。另外，大多数小齿轮驱动方式电动助力转向系统的e c u 布置在驾驶室内部， 需要较长的传递线束，这样不仅会引起噪声，而且会增加装配的工作量；但是， 若将e c u 布置在发动机罩下或将其同变速箱设计成为一体，其工作环境相对会变 得更加恶劣，必须进行额外的隔热处理。该型式与转向轴驱动型式相比，可以提 供较大的转向力，可使其适用于中型车，但给助力控制特性方面带来了一定的困 难。 j 齿条助力式：其电动机和减速机构与齿条相连，转矩传感器单独安装于小齿 轮处，电机直接驱动齿条以提供助力。齿条助力式的电动助力转向系统有两种结 构，一种结构如图1 4 所示，具有双小齿轮，驾驶员输出的转矩通过一小齿轮输 入，电动机的助力转矩则经减速机构传递给另一小齿轮，然后直接作用在齿条轴 上，能够使用较大的助力转矩，所以能够应用在中型车和大型车上。另一种则具 有共轴结构，电机为空心结构，齿条轴从电动机电枢的中间通过，如图1 5 所示。 该方案的助力直接作用在齿条上，因而要求电动机的最大输出力矩相对大；由于 电动机的安装位置离驾驶员相对较远，电动机引起的噪声对其他方面的影响较 小，且其力矩波动不易直接传到转向盘上，驾驶员的手感较好。但电动机工作环 境差，对密封要求高；与前两种形式的电动助力转向系统相比，齿条驱动的e p s 能够提供更大的转向力，适用于前轴负荷较大的大型车，但需要对原有的转向传 动机构作较大的改动。 控制单元 转向 y 囊龋 。多入期龄 图1 4 双小齿轮主助力式e p s 图1 5 共轴电机式e p s 1 2 电动助力转向系统的特点 电动助力转向系统，是在传统机械转向系统的基础上，利用助力电机为其增 加转向助力，采用灵活的控制策略，使其适应不同的工作环境，是现代控制技术 和机电一体化等技术融合。相比于液压助力转向系统，电动助力转向系统具有以 下优点： 1 ) 电动助力转向系统在各种行驶工况下提供理想助力，使汽车获得良好的转 向助力特性，提高汽车的操纵轻便性和主动安全性- t l 2 ) 电动助力转向只在转向时电动机才提供助力，能减少月- - 匕p _ j 量消耗； 3 ) 电动助力转向零件比液压动力转向减少，质量更轻、结构更紧凑， 位置选择方面也更容易，并且能降低噪声； 4 装安在 硕士学位论文 4 ) 电动助力转向没有液压回路，比液压动力转向更易调整和检测，装配自动 化程度更高，能缩短生产和开发周期； 5 ) 电动助力转向系统不存在渗油问题，可大大降低保修成本，减小对环境的 污染； 6 ) 电动助力转向系统比液压动力转向具有更好的低温工作性能； 7 ) 集成度高，具有自我诊断功能，安装维修方便； 8 ) 能提供可变的转向助力特性，在不改变系统结构的情况下，采用不同的控 制策略，便可满足不同车型对转向性能的要求和不同驾驶感觉，适用范围 广。 1 3 国内外研究现状 电动助力转向系统的研究追溯到1 9 世纪8 0 年代，至今已有3 0 多年的历史。 1 9 5 3 年，美国通用汽车公司在别克汽车上装配上液压动力转向系统，自此，转向 系统正式进入了动力转向时代【6 】。由于各种电子设备、传感器成本过高，一直没 有取得很大的进展。近年来，随着电子技术的快速发展，e p s 的成本已有了大幅 度的降低，而其独特的优点，越来越受到人们的重视，并迅速得以应用和推广， 已经部分取代了传统的转向系统和液压动力转向系统。 e p s 系统在日本最先获得实际应用，1 9 8 8 年日本铃木公司为了解决液压助力 转向系统所带来的一系列问题，开发出一种全新的电子控制的电动助力转向系 统，并成功装配在c e r v o 轿车上，随后又装配在a l t o 上。1 9 9 3 年，本田公司首次 把e p s 作为标准装备配置在高级运动跑车上。但日本早期开发的e p s 仅低速和停 车时提供助力，高速时e p s 将停止工作。随后，日本的大发汽车公司、本田汽车 公司，三菱汽车公司、美国的d e l p h i 公司、德国的z f 公司、英国的l u c a s 公司， 都成功研制出了各自的e p s 7 j 。e p s 助力形式的范围也从低速助力型向全速助力 型发展，并且其功能和安全性能也进一步得到了加强。新一代的e p s 贝u 不仅在低 速和停车时提供助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性；其应用范围也 从微型轿车向大型轿车和客车方向发展。相信随着e p s 技术的日趋完善、成本的 大幅度降低，其应用范围将会越来越广泛。 在国外，e p s 已经进入批量生产阶段，并成为汽车零部件高新技术产品。在 国内，虽然国家已将电动助力转向系统的研究和开发列为高新科技产业项目之 一，但大多数仍处于实验室研究阶段，部分科研院所已经进行了装车实验。如国 内的清华大学早在1 9 9 2 年就开始了e p s 的研究，曾研制出e p s 的样机，并在试验 台上进行了性能试验。2 0 0 2 年，经调查发现国内有许多企业和科研院校正在对 e p s 进行研制中，如清华大学、同济大学、江苏大学、吉林大学以及株洲易力达 有限公司和南摩公司等。2 0 0 3 年上海市科委科技对电动助力转向器的开发与研究 5 基于遗传算法和鲁棒控制理论的e p s 控制技术研究 进行了立项，其中斥巨资于同济大学汽车学院用于e p s 控制器的研究与开发。但 各种迹象表明，尽管实验室台架试验结果良好，但实车试验性能还有待改进；特 别是在转向盘抖动，以及回正阻尼控制等方面还存在着许多的问题。株洲易力达 有限公司和南摩股份有限公司是国内少数几个能自行开发并进行小批量生产用 于汽车装配的公司。其目前的产品主要装配在排量为1 3 l 1 6 l 的紧凑型小轿车 上。目前国内有2 1 家汽车厂家的4 3 个汽车品种均能装配e p s 产品，另外还有6 个 厂家8 个车型具有装配e p s 的潜力，其中有重庆长安的奥拓、吉利的美日、羚羊、 奇瑞的q q 、豪情，广州本田的飞度，悦达起亚的千里马，天津丰田的威驰，东 南汽车的菱帅等。昌河在其爱迪尔和北斗星轿车等车型上已将e p s 作为选装器 件，并且在三星级以上轿车上将其作为标准配置。控制策略是e p s 的核心技术之 一，国内外学者先后提出了p i d 控制、模糊p i d 控制、神经网络等控制策略，但 绝大多数研究只是进行了模拟仿真研究，实验研究的较少。 综上所述，今后，e p s 研究将主要集中在以下几个方面： ( 1 ) e p s 控制策略及与其他系统的协调集成。助力控制的根本目的是在转 向过程中为减轻驾驶员的转向操纵力，将助力电机的输出助力通过减速机构作用 到机械转向系上的一种基本控制模式。助力控制策略是根据输入转矩和车速信号 在转向助力特性曲线中选定助力电机的助力大小，辅助驾驶员实现转向功能。因 此，控制策略是e p s 研究的重点。汽车转向系统与车身、悬架之间存在相互关系， 转向时车身的侧倾角和横摆角速度等参数对悬架的作用有重要影响，因此设计中 综合考虑悬架与e p s 性能集成化的控制系统十分重要。转向系统的性能特性是影 响汽车操纵稳定性能和平顺性的一个重要因素。要使汽车具备良好的操纵稳定 性，如良好的瞬态响应特性、稳态特性和适当的不足转向特性，转向系统的参数 控制就必须以整车的相关参数为基础进行，并且通过和整车性能的匹配才能从一 定程度上保证其性能。 ( 2 )系统匹配技术。主要包括助力特性的匹配、传感器的匹配、电机及减 速机构的匹配以及e p s 系统与汽车上其它子系统进行匹配，这是能使整车性能达 到最优的关键。 ( 3 )稳定性和可靠性。汽车转向系统是驾乘人员的“生命线 之一，必须 保证高度可靠性。e p s 除了应有良好的硬件保证外，还需要良好的软件做支撑。 主要研究方向是冗余与容错控制技术的应用，即若e p s 系统在运行过程中，有故 障发生，则可利用外加资源的冗余技术或采用容错控制技术来达到对故障所产生 的影响屏蔽。这也将是下一代转向系统必须采用的技术。 ( 4 ) 转向器、电动机及蓄电池【8 】。e p s 中系统中的齿轮齿条式转向器输出力 矩较小，无法满足中、大型车的需要，采用变传动比又会影响路感。循环球式转 向器虽然结构较复杂，但能满足中、大型车的需要，因此必然成为以后的研究热 6 硕士学位论文 点。随着永磁材料和电子元器件的性价比的不断提高和制造工艺的发展，永磁同 步电机，由于稀土永磁材料具备卓越的磁性能大大加快了稀土永磁同步电机的发 展速度，并使其具有结构简单、质量小、运行可靠、效率高等优点，必将取代传 统的电动机，推动e p s 系统的深入发展。 此外，汽车上的电子装置越来越多，若能采用4 2 v 的蓄电池，则可以使电动 机在较低的输出电流下获得较高的输出功率，既降低了e p s 系统的能耗和发热， 还能改善系统的性能。 ( 5 ) 自动转向和线控转向技术【9 1 。无人驾驶汽车、智能汽车已经成为汽车行 业的热门的研究领域，如何设计适应无人驾驶的具备自动转向功能转向系统是汽 车电子控制技术的重要研究内容，并且成为了汽车智能转向系统的发展趋势之 一。随着智能交通系统i t s 和现代通讯技术的进一步完善，自动转向系统具有非 常光明的未来。 转向 转角 齿条 转向蕊总成 图1 6 线控转向系统结构示意图 线控转向系统( s t e e r i n g b y w i r e ，s b w ) 取消了转向盘与转向拉杆之间的 机械连接结构，解除了转向盘与车轮之间的机械约束和干涉，使之可以相对独立 运动，完全由电机实现转向，如图1 6 所示。s b w 系统主要由转向盘总成、前轮 转向机构和控制器等部分组成，转向盘总成把各种转向信号输入给控制器，控制 7 基于遗传算法和鲁棒控制理论的e p s 控制技术研究 器对所采集的信号如车速、转向盘转角转矩、横摆角速度、转向器位移、加速度 等进行分析处理，然后对转向电机和转向回正电机发出指令，控制其工作，使汽 车实现转向功能并反馈给驾驶员相应的路感信息。控制器还能对汽车的行驶状态 或驾驶员的操作指令进行判断，必要时进行自动驾驶控制，使汽车能够安全稳定 的行驶。与e p s 相比，s b w 能够提供更佳的操纵稳定性；被动和主动安全性更 高；转向路感性能设计更加自由；舒适性更好。未来汽车正在向着低排放、零污 染燃料电池等方向发展，s b w 其特有的卓越性，使得其研究既可以为线控转向 系统提供良好的技术研究平台，也使得其自身的应用前景更加广泛。 1 4 鲁棒控制的研究背景和发展概况 鲁棒控制理论，来源于工业实际。对于设计者而言，希望通过对所设计的控 制器的控制达到所需的性能要求。但是许多实际控制问题过程中，控制对象可能 十分复杂且存在着许多不确定性因素，从而影响了控制系统的控制效果，这就要 求设计者在控制系统设计过程中必须考虑这些不确定因素。另外，随着系统使用 环境和工作条件的变化，被控对象本身的特性也随之发生变化，这使得控制系统 和实际被控对象之间产生误差，影响控制性能。由此，鲁棒控制理论应运而生。 鲁棒控制理论，是专门用于分析和处理具有不确定性系统的控制理论。鲁棒控制 理论研究的问题可分为两大方面： ( 1 ) 鲁棒性能分析，分析系统存在各种不确定性因素及外界干扰时，系统性 能变化的分析，主要包括系统的稳定性能和动态性能等。 ( 2 ) 鲁棒控制系统的设计，也就是鲁棒综合，即采用什么控制结构和设计方 法可保证系统具有好的鲁棒性，包括如何应对系统中存在的不确定性及外加干扰 的影响。 1 4 1 鲁棒控制原理 现代控制理论的的许多研究结果都是基于对象的数学模型。根据系统设计的 性能要求，通过对被控数学模型进行分析来设计目标系统的控制规律，并将所设 计的控制规律应用于目标被控对象，以此来保证目标系统具备所期望的性能。然 而，在大多数实际情况下对象模型不可能被精确用数学模型来描述，或在系统运 行过程中所建立的模型和实际对象产生偏离时，基于这样模型所设计出来的控制 系统很难达到所期望的性能要求u j 。 对于复杂的物理系统模型，通常存在这样两个问题： 1 、对物理系统的解析模型的描述很困难，甚至不可能被精确的刻画，因此， 为了便于处理，不得不简化模型，这种情况我们称之为模糊化误差； 2 、一个模型，无论对么详细，都不可能是一个物理系统的精确表示。因此， 8 硕士学位论文 模型存在着本质的不确定性，且存在外部输入干扰，统称为系统本身和外部干扰。 这两个问题可以归类为模型和系统的不确定性【l o 】。 鲁棒控制理论正是专门分析和处理具有不确定性系统的控制理论。如果一个 系统的品质，诸如稳定性、干扰抑制性能、最优性能指标等，对于系统中所存在 的不确定性的影响不敏感，则称为该系统具有鲁棒性，或者称为鲁棒最优、鲁棒 稳定性、鲁棒干扰抑制性能等。当以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定 控制器称为鲁棒控制器【l 。 1 4 2 鲁棒控制理论及技术在电动助力转向系统中的应用 随着微电子技术的发展和普及，越来越多的汽车零部件和系统都应用了新 的电子技术，并且，现代汽车技术正在朝着电子化、智能化方向大步迈进。这也 加速了各种现代控制理论在现代汽车控制技术中的应用。 当前，现代控制技术主要包括最优控制、p i d 控制、模糊控制、模糊p i d 控 制、神经网络、自适应控制等控制策略，这些控制策略各有其优缺点，并被应用 于不同的汽车系统控制中。鲁棒控制在近几十年的发展很快，并形成了较为完整 。 的理论体系，在工程中的应用也更加广泛。国内外许多学者已经将鲁棒控制理论 。 应用于电动助力转向系统的控制中，且它能很好的解决电动助力转向系统因模型 和外界干扰等不确定因素而引起的系统干扰，使系统获得良好的鲁棒性能。 1 5 遗传算法概述 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 是以自然选择和遗传理论为基础， 将适者生存的生物进化规则与生物遗传过程中群体内部染色体随机进行信息交 换的机制相结合的一种高效全局寻优搜索算法。g a 不同于传统寻优算法的搜索 方式，它通过模拟自然界生物进化得过程，利用人工进化的方式对其目标空间进 行随机寻优搜索，并将问题域中的可能解表示成群体中的个体或者是染色体，然 后对每一个个体用符号串形式进行编码，模拟达尔文的生物遗传选择和自然优胜 劣汰的进化过程，并且对群体进行反复的遗传学操作( 遗传、交叉和变异) 。通 过预定目标的适应度函数对所产生的每一个目标个体进行评价，并依据适者生 存、优胜劣汰的进化规则，不断得到更优的群体，同时在群体中用全局并行的搜 索方式来搜索群体中的最优个体，以此来得到能够满足目标要求的最优解。遗传 算法现已被广泛应用于求解多模型、非线性、多目标等复杂系统的优化问题 【1 2 ，1 3 】 o 本文将利用遗传算法对鲁棒控制器的求解过程进行优化，降低控制器的保守 性阶次，提高电动转向系统的抗干扰性能。 9 基于遗传算法和鲁棒控制理论的e p s 控制技术研究 图4 3 基本遗传算法流程图 1 6 本文研究的主要内容及意义 随着汽车制造技术以及微电子技术的不断进步，人们对汽车环保、舒适、节 能、安全的要求越来越高。在国外，汽车电动助力转向器正在逐步取代传统机械 式转向器和液压助力式转向器。电动助力转向技术满足目前汽车转向技术的发展 方向，而且将来会占据越来越重要的地位。在国内，电动助力转向系统的开发和 应用还处于初级阶段，具备自主知识产权的有生产能力的生产厂家还很少，市场 上的产品基本被国外的公司所垄断。而且，国外的许多厂家除了申请了必要的国 际专利外，还在我国申请了一些电动助力转向系统的专利。据奥尔威咨询公司统 计，目前中国国产e p s 的市场份额仅约为9 ，而外方独资和中外合资企业的产品 占据了其中的9 0 以上。因此目前开发和研究用于小轿车和轻型汽车的具备自主 知识产权的e p s 具有明显的经济效益和社会效益，也为我国汽车行业参与国际汽 车市场竞争提供一种有竞争力的机电一体化高新技术产品。同时，电动助力转向 系统对于汽车的节能、环保、安全等方面也具有积极的意义。 本文研究得到湖南省科技计划项目的资助，围绕电动助力转向e c u 开发及其 抗干扰技术展开研究，主要研究内容有： 第一章，讨论了动力转向技术发展过程和趋势，分析了e p a s 结构特点和国 内外研究现状，明确了研究方向。 第二章，分析电动助力转向系统结构组成及关键部件，详细阐述其工作原理， 1 0 硕士学位论文 并通过建立简化物理模型，根据e p s 物理模型列出动力学微分方程，然后用适当 的数学方法对模型进行计算求解，得到动力学模型。 第三章，分析电动助力转向系统的助力特性，对助力特性曲线进行理论设计， 并提出对系统的助力控制和回正阻尼控制策略。 第四章，分析了设计过程引起系统干扰的主要原因，通过硬件抗干扰设计和 基于遗传算法的皿也混合鲁棒控制设计减小电动助力转向系干扰问题。实验 数据分析，分析比较了有无e p s 两种和控制策略应用情况下，原地转向助力特性 实验、操纵稳定性实验曲线。 第五章，硬件在环实验台架的建设方案。 第六章，对全文进行总结，并对今后进一步深入研究，提出改进思路和建议。 基于遗传算法和鲁棒控制理论的e p s 控制技术研究 第2 章汽车电动助力转向系统结构原理及动力学分析 2 1 引言 电动助力转向系统( e l e c t i c a lp o w e ra s s i s t e ds t e e r i n g ) 保留了传统机械转向 系统的结构，利用电动机提供直接辅助转矩，减轻驾驶员的操纵力，改善汽车的 操纵轻便性和灵活性从而提高汽车的安全性能。由于电动助力转向系统处于特定 的工作环境，系统本身受到诸如车速、传感器精度与灵敏度、路面激励产生的系 统扰动等一系列的因素的影响，且它是一个比较复杂的非线性随动系统，精确的 数学模型很难获得。事实上系统对精度的要求并不是非常高，但对实时性要求较 高，因此模型的建立与控制方式对其至关重要。本章将对电动助力转向系统的结 构进行详细的分析，并建立可靠的数学模型。 2 2 汽车电动助力转向系统的结构和工作原理 2 2 1 汽车电动助力转向系统工作原理 电动助力转向系统有多种形式，其结构部件也不尽相同，但其基本原理是一 致的。它主要由车速传感器、扭矩传感器、助力电机、离合器、减速机构、电子 控制单元( e c u ) 、转向器等组成。其结构示意图如图2 1 所示。 图2 1 电动助力转向系统示意图 1 2 硕士学位论文 其基本工作原理为：当驾驶员旋转方向盘时，转向助力系统开始进入工作状 态。安装于转向柱上的方向盘转矩传感器将检测到的方向盘转矩信号以电信号的 方式送至转向助力控制单元( e c u ) ，与此同时，将转角传感器所检测到的转向 盘的旋转速度和旋转角度信号发送给控制单元，作用在方向盘上的力矩经过传递 驱动转向小齿轮旋转，控制单元根据车速、转向力矩、方向盘转角、方向盘转速 通过存储在控制单元中的助力特性曲线计算出所需的助力力矩大小，将指令发送 给电动机，通过电磁离合器和减速机构并控制电动机开始工作，由电动机驱动小 齿轮，提供转向助力，从而驱动转向齿条，完成助力转向控制。不转向时，助力 电机不工作。其流程如图2 2 所示 图2 2 电动助力转向系统工作原理图 2 2 2 电动助力转向系统关键部件组成 2 2 2 1 扭矩传感器和车速传感器 扭矩传感器是用来测量驾驶员作用在转向盘上的扭矩大小与方向。扭矩传感 器有多种类型，主要分为接触式和非接触式，考虑到成