汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制研究

汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制研究摘要：為了提高汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性,對(duì)其控制策略進(jìn)行了研究。首先,通過(guò)分析系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)微分方程,采用Matlab/Simulink軟件構(gòu)建汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的仿真模型。設(shè)計(jì)基于車(chē)輪轉(zhuǎn)角的改進(jìn)滑膜控制策略,在雙移線變道工況和階躍信號(hào)轉(zhuǎn)向工況下進(jìn)行多次聯(lián)合仿真試驗(yàn)。結(jié)果表明,改進(jìn)的滑膜控制具有良好的控制效果,此研究的線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可以提高車(chē)輛轉(zhuǎn)向操縱的穩(wěn)定性。前言由于汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)的機(jī)械連接,因此必須采用合理的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)方向盤(pán)與轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的信號(hào)傳輸,以確保轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性和安全性。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了一種電機(jī)轉(zhuǎn)速模型觀測(cè)器,以便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)由于系統(tǒng)參數(shù)變化所帶來(lái)的低頻干擾,并對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償。文獻(xiàn)[2]通過(guò)分析轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu),采用模糊自適應(yīng)PID控制,有效地抑制了電流誤差,提高了助力力矩的精確度。文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)地總結(jié)了汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展,并分析了線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的關(guān)鍵控制策略。文獻(xiàn)[4]利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬出不同工況下的轉(zhuǎn)向助力矩,仿真結(jié)果表明,車(chē)輛具有良好的轉(zhuǎn)向輕便性。SBW系統(tǒng)工作環(huán)境較為復(fù)雜,容易受到外界干擾的影響,方向盤(pán)與轉(zhuǎn)向電機(jī)之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換與傳輸過(guò)程的準(zhǔn)確性尤為重要。本次研究將建立基于前輪轉(zhuǎn)角誤差控制的系統(tǒng)模型,以改善系統(tǒng)控制的有效性,提高汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向的準(zhǔn)確性。1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作原理及動(dòng)力學(xué)建模1.1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要是由方向盤(pán)模塊和轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊組成,其組成如圖1所示。當(dāng)汽車(chē)轉(zhuǎn)向時(shí),傳感器將方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩信號(hào)傳遞到主控制器ECU。ECU根據(jù)方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩及車(chē)輛狀態(tài)等信息,經(jīng)計(jì)算處理后,得到轉(zhuǎn)向電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流,并通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將其施加給驅(qū)動(dòng)電機(jī),以控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī),輸出相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩,從而保證汽車(chē)穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。路感電機(jī)可以根據(jù)路面信息模擬出相應(yīng)的路感信息,并通過(guò)方向盤(pán)傳遞給駕駛員,使其掌握車(chē)輛在路面的行駛狀態(tài),從而加強(qiáng)對(duì)車(chē)輛的操控。圖1線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的組成1.2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模1.2.1方向盤(pán)模型方向盤(pán)模型主要由方向盤(pán)、減速器、路感電機(jī)等部分組成[7]。其動(dòng)力學(xué)微分方程如式(1)、式(2)所示:(1)(2)式中:Tsw

——方向盤(pán)轉(zhuǎn)矩,N·m;Jsw

——方向盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;θsw

——方向盤(pán)轉(zhuǎn)角,(°);Bsw

——轉(zhuǎn)向柱阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°);Ksw

——轉(zhuǎn)向柱扭轉(zhuǎn)剛度,(N·m)/(°);θm

——路感電機(jī)軸轉(zhuǎn)角,(°);Gm

——路感電機(jī)減速器減速比;Tm

——路感電機(jī)轉(zhuǎn)矩,N·m;Jm

——路感電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;Bm

——路感電機(jī)軸阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°)。1.2.2轉(zhuǎn)向執(zhí)行模型轉(zhuǎn)向執(zhí)行模型動(dòng)力學(xué)方程如式(3)—式(5)所示:(3)式中:TM

——轉(zhuǎn)向電機(jī)轉(zhuǎn)矩,N·m;JM

——轉(zhuǎn)向電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;θM

——轉(zhuǎn)向電機(jī)軸轉(zhuǎn)角,(°);BM

——轉(zhuǎn)向電機(jī)軸阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°);KM

——轉(zhuǎn)向電機(jī)軸扭轉(zhuǎn)剛度,(N·m)/(°);Xr

——齒條位移,m;GM

——轉(zhuǎn)向電機(jī)減速器減速比;rp

——轉(zhuǎn)向器小齒輪分度圓半徑,m。(4)式中:mr

——齒條質(zhì)量,kg;Br

——齒條阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°);Kr

——齒條剛度,(N·m)/(°);Kkp1

——左轉(zhuǎn)向輪扭轉(zhuǎn)剛度,(N·m)/(°);NL1

——左側(cè)齒條到轉(zhuǎn)向輪傳動(dòng)比;θFW1

——左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角,(°);Kkp2

——右轉(zhuǎn)向輪扭轉(zhuǎn)剛度,(N·m)/(°);NL2

——右側(cè)齒條到轉(zhuǎn)向輪傳動(dòng)比;θFW2

——右轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)角,(°)。(5)式中:JFW1

——左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;Bkp1

——左轉(zhuǎn)向輪阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°);T1

——左轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向阻力矩,N·m。1.3理想傳動(dòng)比設(shè)計(jì)1.3.1理想傳動(dòng)比的特點(diǎn)由于SBW系統(tǒng)取消了方向盤(pán)與轉(zhuǎn)向輪之間的機(jī)械連接,因此可以設(shè)計(jì)隨車(chē)速變化而變化的可變傳動(dòng)比。固定傳動(dòng)比與可變傳動(dòng)比隨車(chē)速增大的轉(zhuǎn)向增益變化如圖2所示。固定傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向增益隨著車(chē)速變化有較大波動(dòng),而當(dāng)可變傳動(dòng)比為40km/h時(shí),轉(zhuǎn)向增益就達(dá)到定值,無(wú)需再根據(jù)車(chē)速判斷方向盤(pán)的補(bǔ)償角,降低了駕駛的負(fù)擔(dān)。圖2傳動(dòng)比隨車(chē)速增大的轉(zhuǎn)向增益變化1.3.2傳動(dòng)比設(shè)計(jì)汽車(chē)在轉(zhuǎn)向過(guò)程中,其轉(zhuǎn)向方程ξ如式(6)所示:ξ=57.3L/R+Kay(6)式中:L

——軸距,m;R

——轉(zhuǎn)向半徑,m;K

——不足轉(zhuǎn)向梯度;ay

——側(cè)向加速度,m/s2。汽車(chē)在轉(zhuǎn)向時(shí)的轉(zhuǎn)向半徑與航向角成正比,而航向角主要由橫擺角速度決定。車(chē)速對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性的影響如圖3所示。圖3車(chē)速對(duì)汽車(chē)轉(zhuǎn)向特性的影響當(dāng)不足轉(zhuǎn)向梯度K>0時(shí),汽車(chē)即會(huì)出現(xiàn)不足轉(zhuǎn)向。在不足轉(zhuǎn)向的情況下,因質(zhì)心處側(cè)向加速度而產(chǎn)生的前輪側(cè)向滑動(dòng)要大于后輪。轉(zhuǎn)向半徑不變時(shí),轉(zhuǎn)向角需隨車(chē)速的增大而增大,且與Kay成正比。轉(zhuǎn)向角隨側(cè)向加速度、車(chē)速的平方呈線性增長(zhǎng)。當(dāng)不足轉(zhuǎn)向梯度K=0時(shí),即為中性轉(zhuǎn)向。此時(shí)車(chē)輛質(zhì)心處側(cè)向加速度的力在前、后輪所產(chǎn)生的側(cè)偏角相等。轉(zhuǎn)向半徑不變的條件下,當(dāng)車(chē)速變化時(shí)轉(zhuǎn)向角不需要改變。當(dāng)不足轉(zhuǎn)向梯度K<0時(shí),則會(huì)出現(xiàn)過(guò)度轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向半徑不變時(shí),質(zhì)心處的側(cè)向加速度使得后輪的側(cè)偏角大于前輪。轉(zhuǎn)向角必須隨車(chē)速的增大而減小。根據(jù)汽車(chē)二自由度模型可得:(7)(8)式中:β

——汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角,(°);K1、K2

——前后輪側(cè)偏剛度,N/(°);u

——質(zhì)心速度在x軸的分量,m/s;a、b

——為質(zhì)心到前后軸的距離,m;ωr

——汽車(chē)橫擺角速度,(°)/s;δf

——前輪轉(zhuǎn)角,(°);m

——汽車(chē)整備質(zhì)量,kg;v

——質(zhì)心速度在y軸的分量,m/s;Iz

——汽車(chē)?yán)@z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2。在橫擺角速度增益不變的情況下,設(shè)橫擺角速度增益為Kw,橫擺角速度可表示為:ωf=Gwθsw=Gwθf(wàn)i(9)此時(shí)可得傳動(dòng)比i的計(jì)算表達(dá)式如式(10)所示:(10)L=a+b式中:L

——軸距,m;Gw

——橫擺角速度增益,(s-1)。2線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制策略研究2.1基于前輪轉(zhuǎn)角的PID控制首先,在CarSim模型中設(shè)置車(chē)輛參數(shù)、仿真道路工況等信息;然后,根據(jù)CarSim輸出的車(chē)速、橫擺角速度和方向盤(pán)轉(zhuǎn)角等數(shù)據(jù)得到汽車(chē)實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角δf;最后,將δf與理想理想前輪轉(zhuǎn)角(由理想傳動(dòng)比模塊計(jì)算得出)作差,得到前輪轉(zhuǎn)角偏差△δf。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)通過(guò)PID控制得到轉(zhuǎn)向電機(jī)的轉(zhuǎn)角調(diào)節(jié)角度,轉(zhuǎn)向執(zhí)行機(jī)構(gòu)將前輪轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)傳輸?shù)紺arSim模型中,形成閉環(huán)的控制系統(tǒng)。線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制流程框圖如圖4所示。圖4線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制流程框圖2.2基于前輪轉(zhuǎn)角的改進(jìn)滑膜控制2.2.1趨近律設(shè)計(jì)本次研究采用指數(shù)趨近律為了解決滑膜面出現(xiàn)的抖振現(xiàn)象,需對(duì)趨近律加以改進(jìn)。取函數(shù)則趨近律如式(11)所示:(11)式中:s

——滑膜面;s0

——初始值,sn=|s0|+σ;σ

——隨機(jī)正實(shí)數(shù);ε

——抖振指數(shù),ε>0;k1,k2,k3

——系統(tǒng)參數(shù)。2.2.2滑膜面設(shè)計(jì)設(shè)車(chē)輪期望轉(zhuǎn)角為δr,則轉(zhuǎn)角誤差為e=δr-δw。設(shè)滑膜面為控制律如式(12)所示:u=k3tan(s/ε)]/g(12)根據(jù)轉(zhuǎn)向電機(jī)、轉(zhuǎn)向輪以及傳動(dòng)比的動(dòng)力學(xué)方程可得:fn(δw,δw)+Δf(δw,δw)+d(t)gu+fn(δw,δw)+d(δw,δw)(13)其中,g=k/Jeqd(t)=-kTdis/Jeq式中:δr

——車(chē)輪期望轉(zhuǎn)角,(°);δw

——車(chē)輪實(shí)際轉(zhuǎn)角,(°);fn

——與δw和δr相關(guān)的函數(shù);Tw2m

——車(chē)輪作用到轉(zhuǎn)向電機(jī)軸的力矩,N·m;

電機(jī)控制力矩,N·m;Tdis

——擾動(dòng)力矩,N·m;TF

——車(chē)輪與地面的摩擦力矩,N·m;Te

——車(chē)輪的回正力矩,N·m;k

——減速比。Jeq

——轉(zhuǎn)向電機(jī)到轉(zhuǎn)向輪之間的總成轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,kg·m2;Beq

——轉(zhuǎn)向電機(jī)到轉(zhuǎn)向輪之間的總成阻尼系數(shù),(N·m·s)/(°)。2.2.3驗(yàn)證滑模控制的穩(wěn)定性選取李雅普諾夫函數(shù),如式(14)所示:(14)由式(12)—式(14)可得,假設(shè)dl≤d≤du,dl、du分別為干擾的上、下界。當(dāng)s>0時(shí),為了使取d=dl;當(dāng)s<0時(shí),為了使取d=du。設(shè)d1=(du-dl)/2,d2=(du+dl)/2,則可取系統(tǒng)干擾則當(dāng)η≥d時(shí),滿足穩(wěn)定條件。3Simulink與CarSim聯(lián)合仿真分析3.1建立整車(chē)聯(lián)合仿真模型首先,在CarSim軟件中設(shè)置系統(tǒng)輸入、輸出和行駛工況。車(chē)型選用B級(jí)車(chē),行駛工況選擇雙移線變道工況和方向盤(pán)階躍信號(hào)工況,其中階躍信號(hào)中的方向盤(pán)轉(zhuǎn)角為57.3°,階躍時(shí)間為1.5s,仿真時(shí)間為14s。車(chē)輛及道路參數(shù)如表1所示,整車(chē)模型如圖5所示。表1車(chē)輛及道路參數(shù)圖5整車(chē)聯(lián)合仿真模型3.2仿真結(jié)果分析3.2.1變傳動(dòng)比當(dāng)車(chē)輛處于低速如起步狀態(tài)時(shí),為保證汽車(chē)操縱的穩(wěn)定性,需要將傳動(dòng)比設(shè)定為一定值,此時(shí)i取3.7。由式(10)可知,傳動(dòng)比i隨著車(chē)速u(mài)的增大而增大,因此需要對(duì)傳動(dòng)比設(shè)定上限(imax=23.5)。所設(shè)計(jì)的理想傳動(dòng)比曲線如圖6所示。圖6理想傳動(dòng)比曲線3.2.2雙移線工況仿真為了較好地體現(xiàn)車(chē)輛超車(chē)時(shí)的狀態(tài)參數(shù),選擇雙移線測(cè)試工況。雙移線工況仿真數(shù)據(jù)如表2所示:β

max為汽車(chē)質(zhì)心側(cè)偏角在仿真過(guò)程中的峰值,(°);ωmax為汽車(chē)橫擺角速度在仿真過(guò)程中的峰值,(°)/s;

t1為質(zhì)心側(cè)偏角到達(dá)峰值所用時(shí)間,s;t2為橫擺角速度到達(dá)峰值所用時(shí)間,s。仿真結(jié)果如圖7所示。圖7雙移線工況仿真結(jié)果由表2可知,由滑膜控制的橫擺角速度最大值比PID控制的減小了0.95(°)/s,質(zhì)心側(cè)偏角最大值減小了0.03°,t1、t2分別減少了1.95s和0.09s。由圖7可知,與PID控制相比,經(jīng)過(guò)滑膜控制的橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角振動(dòng)幅度更小,能更快地到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。經(jīng)過(guò)滑膜控制優(yōu)化后的實(shí)際車(chē)輪轉(zhuǎn)角與期望轉(zhuǎn)角也基本趨于一致。3.2.3階躍信號(hào)工況仿真方向盤(pán)階躍工況主要考察的是汽車(chē)快速進(jìn)入穩(wěn)定行駛狀態(tài)特性。階躍工況仿真數(shù)據(jù)如表3所示,階躍信號(hào)工況仿真結(jié)果如圖8所示。圖8階躍信號(hào)工況仿真結(jié)果由表3可知,與PID控制相比,由滑膜控制的橫擺角速度最大值比減小了0.41(°)/s,質(zhì)心側(cè)偏角最大值減小了0.03°,t1、t2分別減少了0.18s和0.69s。由圖8可知,與PID控制相比,由滑模控制的橫擺角速度和質(zhì)的超調(diào)量更小,能更快地到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài),有較好的瞬態(tài)響應(yīng)特性。經(jīng)過(guò)滑膜控制優(yōu)化后,實(shí)際車(chē)輪轉(zhuǎn)角相較于期望轉(zhuǎn)角滯后0.40s,說(shuō)明線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良好的角跟隨特性。4結(jié)語(yǔ)本次針對(duì)汽車(chē)線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制算法進(jìn)行了研究,并對(duì)建立聯(lián)合仿真模型、設(shè)計(jì)變傳動(dòng)比控制及仿真試驗(yàn)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹與分析。在