【线控转向系统反馈控制策略研究概述3500字】

线控转向系统反馈控制策略研究概述目录TOC\o"1-3"\h\u23317线控转向系统反馈控制策略研究概述 1301111.1可拓控制理论 2158541.2可拓滑模控制器设计 3137981.3仿真试验验证 7虽然已经搭建好SBW系统基于变角传动比的前馈控制，但是该控制的条件是基于稳态条件下的控制。但汽车在实际行驶时，行驶的道路并非平整不变，而是复杂的非线性工况。因此单依靠变传动比的前馈控制在非稳态行驶条件下，并不能保证汽车处于良好的行驶稳定性。因此需要搭建一个能够基于车辆的动态参数实时进行调整的反馈控制，来对车辆进行实时调整，改善车辆的行驶状态。在此选择基于横摆角速度的动态反馈控制。反馈控制器在SBW系统中就是通过传感器接收到横摆角速度信号，经过反馈控制器计算，得到前轮转角一个修正值，然后将该修正值加到前轮转角上，完成转向的反馈控制优化。控制简图见图1.1。因SBW系统的转向设计有较大的空间，因此对于控制策略也有着较高的要求。对于PID控制和滑模控制等控制算法的单独应用都无法很好的满足汽车较高行驶稳定性的要求。有思路是将可拓控制理论引入上述控制算法，可拓控制会规划控制区域，根据不同的控制区域制定相配的控制算法，来获得更好的控制效果[50]。图1.1控制简图Fig.1.1Controlstrategydiagram在此选择将可拓控制理论与滑模控制进行组合搭建可拓滑模反馈控制器，来进行转向轮转角的修正值计算。1.1可拓控制理论可拓控制是可拓学的延伸，基于可拓理论开发的一种非常实用的算法。通过将输入信号关联度引入控制器作为对控制器输出信号的参照，使被控信号控制在合适的范围中。在可拓理论之中需要建立可拓集合来描述信号变化的规律，体现信号之间的转变关系。利用可拓集合可以准确的描述控制过程中信号地变化时的状态[51]。对于可拓控制理论的应用，首先明确以下几个概念：1）可拓集合可拓集合是可拓控制的基础，用任意实数来代表事物表现某种特性的程度。正值代表该可拓集合表现该特性的程度，负数代表不表现该特性的程度，0则代表介于两者之间。设为论域，若对中任意元素，都有一实数与之对应，则得：为该可拓集合下的关联函数。为的正域。同样依次可得为负域，为零界。2）关联函数特征状态的取值范围为经典域，可以经由控制指标确定。被控对象的特征状态可以在可拓域中通过控制策略进行改善来进行控制。在进行可拓控制时，控制系统的特征状态必须先形确定，在确定了之后，对其进行分析，才可建立相关可拓集合，依据可拓集合得到关联函数，来进行特征状态与可拓集合关联度的确定。关联函数的计算在可拓控制中是必须进行的，只有进行了该过程才能对特征状态进行判断，从而进行后续控制。如图1.2，两个分界值确定了，可转变与不可转变为符合要求之间的界限。图1.2关联函数分界值Fig.1.2Cutoffvalueofcorrelationfunction当时，特征状态处于非域，即无法对此状态下的系统进行控制。此时需要进行被控参数和控制参数的重新设置。3）测度模式划分即系统会根据特征状态和可拓集合的关联度值进行整合，之后对特征状态的关联度值进行划分，明确不同的控制范围，进而确定控制类型的过程。挑选不同的控制算法策略，实现对控制目标的优化过程。1.2可拓滑模控制器设计滑模控制（）在上世纪就已经开始为人们所应用。该控制算法有着较强的鲁棒性，没有固定的系统结构，会根据特征状态向目标值靠近。同时也是因为滑模控制的抗扰动性强、自适应性强、鲁棒性强、控制精度高和响应迅速等优点与汽车在行驶时要求对外部环境变化有较好的抵抗能力相适应[50]。因此，在此选择滑模控制器来进行反馈控制。首先定义滑模的切换平面：，当状态(ωr,ωr)且式（4.3）与二自由度方程联立可得：ωr滑模趋近的规律选择指数趋近，表达式为：式中系数。该方程能够保证当系统的特征状态不在滑模面上时，使其向期望滑模面靠近，即。将式（4.4）（4.5）进行联立可得反馈输出为ωr此处选择的是符号函数，但是该函数不连续，会对控制器性能产生影响。因此我们在此处将其进行替代选用饱和函数，即：综上，可得反馈滑模控制器的输出为：ωr之后需要对反馈控制器在值域进行拓展，实现全值域范围内可拓，以达到提升控制器性能的目的。其设计流程为特征量选取、可拓集合划分、关联度计算、测度模式划分到最后控制策略的选取即可得到控制器的输出值。1）特征量选取通常在选取特征量时，对特征量的基本要求为要能体现对汽车性能的状态变化，且会同时选择该特征量的期望状态值与实际状态值进行差值计算，并取其微分作为特征量。在此次试验中是对汽车的转向性能进行优化，因此本文章选择以汽车转向的常用观察参量和性能表现参量横摆角速度为动态监测参量。此处在获取车辆模型的期望横摆角速度和实际横摆角速度，并进行差值计算得到两参量差值和差值微分，即可组成特征状态。2）可拓集合选取由期望与实际的差值作为横坐标，差值的导数作为纵坐标建立状态区域。设横纵坐标的允许范围依次为和，系统可调的最大偏差值分别为和，最终得到可拓集合，选取。见图1.3图1.3可拓集合Fig.1.3Extensionset3）关联度选取定义特征平面的原点为，定义和，对于坐标面上任意一点，关联函数为：4）测度模式与控制策略选取完成对可拓集合测度模式的辨认之后，选择适合的控制思路和策略。测度模式：当时，此时对应于可拓集合中的经典域，此时直接采用滑模控制可达到最好的控制效果，采用滑模控制即可。测度模式：当时，对应于可拓集合中的可拓域，此时可拓滑模控制器的控制性能变差，但是可以通过对控制系统的调节，改善控制效果，进而达到优化转向的控制目的。此时的控制器输出为：式中，即输入的实际横摆角速度与期望横摆角速度的偏差；为控制器增益，取值；为可拓控制系数，取值；为偏差的符号函数。测度模式：当时，对应于可拓集合中的非域，此时控制器已经不能达到保证控制系统稳定性的目标，无法满足控制需求，即超调。此时会输出控制器的幅值作为该测度模式下的输出值。综上，得到可拓滑模反馈控制器的输出为：最终在Simulink中搭建该反馈控制器，得到反馈控制器模型如图1.4图1.4可拓滑模反馈控制器模型Fig.1.4ExtensionSlidingModeFeedbackControllerModel1.3仿真试验验证为了对搭建的反馈控制模型进行检验，检验可拓滑模控制的引入是否在前馈控制的基础上使整车的行驶稳定性能更加可靠。选取方向盘角阶跃试验工况、鱼钩试验工况及双移线工况进行仿真验证。1.3.1方向盘角阶跃试验方向盘角阶跃试验工况参数为：汽车仿真试验行驶车速为108km/h，仿真行驶路面的路面附着系数为0.85。对反馈控制器引入前后，汽车行驶的转向特性参数横摆角速度、侧向加速度和质心侧偏角进行对比分析。同时引入控制目标模型，汽车理想二自由度模型作为参照。仿真实验结果如图1.5~图1.7所示图1.5横摆角速度图1.6质心侧偏角Fig.1.5YawrateFig.1.6Slipangleofcentroid图1.7侧向加速度Fig.1.7Lateralacceleration首先，从图1.5和图1.6中可以看出在加入反馈控制器之后，汽车的行驶稳定性参数横摆角速度和质心侧偏角均向理想二自由度车辆模型靠近，说明可拓滑模反馈控制器的引入，在方向盘角阶跃工况下确实对车辆模型的行驶稳定性起到了优化作用。其次，通过对两者的对比发现，在该试验工况下，反馈控制器的引入对质心侧偏角的优化效果较为显著，对于横摆角角速度的优化效果则一般。最后，通过对比侧向加速度，在只有变角传动比前馈控制的条件下车量在转弯时的侧向加速度更大，反馈控制器会略微减小转弯时的侧向加速度。通过与后续试验的对比，在高速阶段的控制器优化效果更加显著。1.3.2鱼钩试验鱼钩试验工况参数为：汽车仿真试验行驶车速为72km/h，仿真行驶路面的路面附着系数为0.85。对反馈控制器引入前后，汽车行驶的转向特性参数横摆角速度、侧向加速度和质心侧偏角进行对比分析。同样汽车理想二自由度模型作为参照。仿真实验结果如图1.8~图1.10所示图1.8横摆角速度图1.9质心侧偏角Fig.1.8YawrateFig.1.9Slipangleofcentroid图1.10侧向加速度Fig.1.10Lateralacceleration分析图1.8和图1.9，可以发现在引入可拓滑模反馈控制器后，仍有一定的优化效果，但是相较于车速较高角阶跃试验工况来说，优化程度则较小。说明在中等车速行驶的条件下，反馈控制器的作用会有所下降。通过对图1.10的分析可知，此时的有无反馈控制器对汽车转弯行驶时的，侧向加速度影响并不明显，但仍有些许提升。1.3.3双移线工况试验双移线试验工况参数为：汽车仿真试验行驶车速为72km/h，仿真行驶路面的路面附着系数为0.85。对反馈控制器引入前后，汽车行驶的转向特性参数横摆角速度、侧向加速度和质心侧偏角进行对比分析。同样汽车理想二自由度模型作为参照。仿真实验结果如图1.11~图1.13所示图1.11横摆角速度图1.12质心侧偏角Fig.1.8YawrateFig.1.9Slipangleofcentroid图1.13侧向加速度Fig.1.1