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汽车EPS混杂控制系统理论、设计及实现研究

赵景波  
【摘要】:与传统的液压动力转向装置相比,汽车电动助力转向(ElectricPower Steering,EPS)具有安全、节能、环保等优点,对改善车辆的驾驶轻便性、提高车辆的操纵稳定性和安全性有重要作用,已成为乘用车动力转向系统的主流技术。助力电机、转矩传感器和控制器是EPS系统的三大关键部件,控制器的核心是控制策略及其算法实现,也是实现EPS控制功能要求、提高自适应能力和智能化水平的关键,是自主研发的技术瓶颈。 EPS系统是一个包含离散事件和连续动态过程的复杂动力学系统,具有很强的非线性,同时,影响汽车转向操纵性能的因素较多,因此,EPS系统具有典型的混杂系统特征,用单一的控制策略难以协调多种工况下的转向性能要求之间的矛盾。本文将混杂控制理论应用于EPS控制策略的设计,研究EPS系统的混杂动态行为及其混杂控制方法,探索改善EPS控制系统性能的新理论和新技术,主要进行以下方面的研究工作: 1.EPS混杂控制系统模型结构研究 分析了EPS系统的动力学模型、控制结构及其混杂特性,建立了EPS混杂控制系统的功能模型结构和实现模型结构,为EPS混杂控制系统的动态行为研究及其设计、实现提供了依据。 2.EPS混杂控制系统的设计理论和方法研究 分析了EPS混杂控制系统的动态行为,构建了多模式切换控制的混杂控制器结构,根据不同的行驶工况分为助力控制、回正控制和阻尼控制模式,分别设计了柔性PID控制算法、模糊PID控制算法、Bang-Bang-PID控制算法以及切换监督器和稳定监督器。 3.EPS混杂控制系统的实现技术研究 分析了EPS混杂控制系统的测试及试验方案,提出了EPS电动机的匹配方法及流程,设计了EPS混杂控制系统的H桥驱动装置,开发了各工况控制算法和切换控制器的实现流程。 4.EPS混杂控制系统的测试及试验设计 设计了EPS混杂控制系统的测试平台,进行了电动机运行特性测试、控制器性能测试和实车试验,分析了EPS混杂控制系统的动静态性能和控制功能。 研究表明,EPS混杂控制系统具有理论分析和工程应用的先进性、优越性和可行性;在不同的离散事件驱动下,EPS混杂控制系统的控制模式切换是有效的,可满足不同工况的控制功能需求。与试验车原控制器相比,对助力过程采用柔性PID控制后,在原地转向时转向盘输入转矩的峰值和标准差改善了5.82%和9.21%,在双纽线操纵试验时改善了8.50%和4.52%,在蛇形试验时改善了4.04%~5.19%,有效提高了汽车的转向轻便性,降低了驾驶员的疲劳强度。对回正过程采用模糊PID控制后,30km/h时的最终残留角和稳定时间分别改善了40%和13.3%,60km/h时的“摆头”现象得到明显抑制,回正不足或回正超调控制得到改善;对阻尼控制过程采用Bang-Bang-PID控制后,转向盘上的把持力矩幅值改善了7.69%,不仅消除了电动机的转矩脉动引起的转向盘转矩抖动,而且提高了直线行驶的稳定性和快速收敛性。研究表明,采用混杂控制理论方法有效解决了EPS控制过程中的多工况、多影响因素引起的非线性控制问题,显著提高了EPS系统的自适应能力和智能化水平。


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