本(ben)發(fa)明屬(shu)于屬(shu)于汽車(che)線控轉向(xiang)，涉(she)及(ji)一種(zhong)線控轉向(xiang)系統(tong)轉角跟(gen)蹤(zong)與容錯(cuo)控制(zhi)方(fang)法，具體(ti)涉(she)及(ji)一種(zhong)基(ji)于預設性能的(de)(de)轉角跟(gen)蹤(zong)和(he)齒條位移傳感器故障下的(de)(de)容錯(cuo)控制(zhi)方(fang)法。

背景技術：

1、隨著(zhu)汽車(che)電動(dong)化和(he)(he)智能(neng)(neng)化的(de)(de)快速發展，線(xian)控(kong)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)由于(yu)在個(ge)性(xing)(xing)化駕(jia)駛(shi)(shi)體(ti)驗、主動(dong)安全(quan)和(he)(he)駕(jia)駛(shi)(shi)舒適性(xing)(xing)等方(fang)面(mian)具有(you)的(de)(de)優勢而被(bei)迫(po)切需要。相較(jiao)于(yu)傳(chuan)統(tong)(tong)的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)械轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)，線(xian)控(kong)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)取消(xiao)了(le)方(fang)向(xiang)(xiang)(xiang)盤(pan)與(yu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)執行機(ji)(ji)(ji)構之(zhi)間的(de)(de)機(ji)(ji)(ji)械連接，改為(wei)由電信號傳(chuan)遞轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)指(zhi)令，駕(jia)駛(shi)(shi)員所需的(de)(de)路(lu)面(mian)信息與(yu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)所需的(de)(de)車(che)輪旋轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)分別由路(lu)感電機(ji)(ji)(ji)和(he)(he)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)電機(ji)(ji)(ji)控(kong)制(zhi)，不僅(jin)避免了(le)機(ji)(ji)(ji)械轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)中不利路(lu)面(mian)振動(dong)、固定(ding)(ding)傳(chuan)動(dong)比和(he)(he)潛在安全(quan)隱患的(de)(de)缺點(dian)，而且滿足了(le)智能(neng)(neng)汽車(che)的(de)(de)車(che)輪轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角(jiao)單獨可控(kong)的(de)(de)要求。轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角(jiao)跟蹤控(kong)制(zhi)作為(wei)線(xian)控(kong)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)系(xi)(xi)統(tong)(tong)的(de)(de)關鍵技術之(zhi)一關系(xi)(xi)著(zhu)汽車(che)正常轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)功(gong)能(neng)(neng)的(de)(de)實現，對汽車(che)安全(quan)行駛(shi)(shi)有(you)至關重要的(de)(de)影響。因(yin)此(ci)，高瞬態和(he)(he)高精度的(de)(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角(jiao)跟蹤控(kong)制(zhi)方(fang)法(fa)可以很(hen)好的(de)(de)實現汽車(che)的(de)(de)期(qi)望轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)(xiang)，同(tong)時也對汽車(che)主動(dong)安全(quan)的(de)(de)穩定(ding)(ding)性(xing)(xing)控(kong)制(zhi)奠定(ding)(ding)基礎(chu)。

2、目前，線控(kong)(kong)(kong)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角跟(gen)(gen)蹤(zong)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)方法(fa)主要包括滑(hua)模(mo)(mo)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)、模(mo)(mo)型預(yu)測控(kong)(kong)(kong)制(zhi)和(he)(he)自(zi)適應(ying)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)等(deng)，但(dan)(dan)是滑(hua)模(mo)(mo)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)在(zai)滑(hua)模(mo)(mo)面附近(jin)的(de)高頻切換會產生(sheng)(sheng)抖(dou)振(zhen)現(xian)象，對系(xi)統(tong)產生(sheng)(sheng)不(bu)利(li)影響，為了減輕抖(dou)振(zhen)，提(ti)出了自(zi)適應(ying)滑(hua)模(mo)(mo)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)和(he)(he)飽和(he)(he)切換函數，但(dan)(dan)是增加了系(xi)統(tong)設計(ji)的(de)復雜度和(he)(he)實(shi)現(xian)難度，同(tong)時抖(dou)振(zhen)不(bu)能(neng)(neng)被(bei)完全(quan)消除(chu)(chu)。除(chu)(chu)此之外，基于(yu)粒子群(qun)優化算(suan)法(fa)自(zi)整定pid和(he)(he)反步法(fa)的(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)器增益取得了較(jiao)(jiao)好(hao)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)角跟(gen)(gen)蹤(zong)結果，但(dan)(dan)是引入的(de)智能(neng)(neng)優化算(suan)法(fa)帶(dai)來了大的(de)計(ji)算(suan)量(liang)而(er)難以嵌入式應(ying)用。同(tong)時，現(xian)有(you)(you)研究(jiu)更多關注于(yu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)角跟(gen)(gen)蹤(zong)的(de)穩(wen)態性能(neng)(neng)，對轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)角跟(gen)(gen)蹤(zong)的(de)瞬態性能(neng)(neng)關注較(jiao)(jiao)少，但(dan)(dan)是線控(kong)(kong)(kong)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)角需(xu)要高瞬態響應(ying)駕駛員指令(ling)，以快速的(de)完成(cheng)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)功能(neng)(neng)，因(yin)(yin)此，只關注轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)角跟(gen)(gen)蹤(zong)的(de)穩(wen)態性能(neng)(neng)不(bu)能(neng)(neng)滿足線控(kong)(kong)(kong)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)系(xi)統(tong)對轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角跟(gen)(gen)蹤(zong)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)的(de)要求。并(bing)且上述提(ti)到的(de)研究(jiu)都假(jia)設轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角傳(chuan)感器總是工(gong)作(zuo)正常，但(dan)(dan)是在(zai)實(shi)際工(gong)程應(ying)用中受工(gong)作(zuo)環境等(deng)影響，轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角傳(chuan)感器可能(neng)(neng)發生(sheng)(sheng)故(gu)(gu)障(zhang)而(er)導(dao)致控(kong)(kong)(kong)制(zhi)算(suan)法(fa)的(de)整體失效(xiao)，進而(er)造(zao)成(cheng)車輛不(bu)能(neng)(neng)完成(cheng)正常轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)向(xiang)(xiang)，存在(zai)極(ji)大安全(quan)隱患，因(yin)(yin)此，研究(jiu)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角傳(chuan)感器故(gu)(gu)障(zhang)下的(de)轉(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)(zhuan)角跟(gen)(gen)蹤(zong)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)是有(you)(you)意義的(de)。

技術實現思路

1、為避免上(shang)述現(xian)有(you)技術所存在的(de)(de)(de)(de)不足之處，本發(fa)明提供了一種(zhong)(zhong)具有(you)預(yu)設性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)線控(kong)(kong)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)系統轉(zhuan)(zhuan)角(jiao)(jiao)跟(gen)蹤與容(rong)錯控(kong)(kong)制方法(fa)。該方法(fa)基于擴張狀態觀測器(qi)(qi)估計線控(kong)(kong)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)系統中的(de)(de)(de)(de)外部擾(rao)動并(bing)在轉(zhuan)(zhuan)角(jiao)(jiao)跟(gen)蹤控(kong)(kong)制器(qi)(qi)設計中實現(xian)前饋(kui)補償，然后設計一種(zhong)(zhong)有(you)限時間收(shou)斂(lian)的(de)(de)(de)(de)性(xing)能(neng)函數，并(bing)利用(yong)反步技術設計轉(zhuan)(zhuan)角(jiao)(jiao)跟(gen)蹤控(kong)(kong)制器(qi)(qi)，使轉(zhuan)(zhuan)角(jiao)(jiao)跟(gen)蹤誤差在有(you)限時間內(nei)收(shou)斂(lian)到預(yu)設的(de)(de)(de)(de)殘差集內(nei)，同時保證線控(kong)(kong)轉(zhuan)(zhuan)向(xiang)系統轉(zhuan)(zhuan)角(jiao)(jiao)跟(gen)蹤控(kong)(kong)制的(de)(de)(de)(de)瞬態性(xing)能(neng)和穩態性(xing)能(neng)。針對(dui)齒條位移傳(chuan)感器(qi)(qi)可(ke)能(neng)發(fa)生故障而導致轉(zhuan)(zhuan)角(jiao)(jiao)跟(gen)蹤算法(fa)失效的(de)(de)(de)(de)問題，設計一種(zhong)(zhong)基于電機旋轉(zhuan)(zhuan)變壓器(qi)(qi)冗余(yu)的(de)(de)(de)(de)容(rong)錯策略。

2、本發明(ming)的目的是通過以下技術方案實現的：

3、一種具有預設性能(neng)的線控轉向系統轉角跟蹤與容(rong)錯控制方法，包括如下步驟：

4、步(bu)驟一(yi)、線控(kong)轉向系統轉向執行(xing)器的(de)動力學(xue)模(mo)型的(de)建立：

5、步驟一一、轉(zhuan)向(xiang)執行器的動力(li)學(xue)模型由轉(zhuan)向(xiang)電機(ji)和連接轉(zhuan)向(xiang)輪(lun)的轉(zhuan)向(xiang)執行機(ji)構組(zu)成，轉(zhuan)向(xiang)電機(ji)的動力(li)學(xue)微分方程為：

6、

7、上式中，jm、bm和(he)km分(fen)(fen)別表示轉向電(dian)機的(de)轉動慣量(liang)、阻(zu)尼(ni)系(xi)數和(he)扭轉剛度(du)(du)，θm、和(he)分(fen)(fen)別為(wei)轉向電(dian)機的(de)旋轉角(jiao)度(du)(du)、角(jiao)速度(du)(du)和(he)角(jiao)加速度(du)(du)，gm為(wei)電(dian)機曲(qu)軸到齒條的(de)減速比，rp為(wei)齒輪(lun)齒條機構中小齒輪(lun)的(de)分(fen)(fen)度(du)(du)圓半(ban)徑，tm為(wei)轉向電(dian)機曲(qu)軸的(de)輸出力矩(ju)；

8、步驟一(yi)二、轉向(xiang)輪與齒(chi)輪齒(chi)條機構(gou)剛性連接，轉向(xiang)輪的動力學模(mo)型表示為齒(chi)條的動力學微分方程：

9、

10、上(shang)式中，mr和(he)(he)br分(fen)別為(wei)齒(chi)(chi)條(tiao)(tiao)的(de)(de)質量和(he)(he)阻尼系數，xr、和(he)(he)分(fen)別為(wei)齒(chi)(chi)條(tiao)(tiao)的(de)(de)位移、速度和(he)(he)加速度，ff是由齒(chi)(chi)條(tiao)(tiao)運動過程(cheng)中產生的(de)(de)摩擦力，fr是車輪外(wai)部(bu)所受(shou)的(de)(de)齒(chi)(chi)條(tiao)(tiao)力；

11、步驟一三、根據(ju)電機輸出曲(qu)軸與齒條(tiao)機構的機械連接關系，得到(dao)轉向(xiang)執行器(qi)的二階微分方(fang)程為：

12、

13、上式中，和分別(bie)為等效(xiao)質量和等效(xiao)阻尼系數，

14、fe＝ff+fr為(wei)廣義齒條力；

15、步(bu)驟二、齒條力估計器的(de)設計：

16、步驟二一(yi)、對步驟一(yi)給出的廣義齒(chi)條力進行估計(ji)，根(gen)據轉向(xiang)執行器的二階微分方(fang)程(cheng)建(jian)立如(ru)下齒(chi)條力估計(ji)器的微分方(fang)程(cheng)：

17、

18、上(shang)式中，x1＝xr和(he)是(shi)估(gu)計(ji)(ji)器(qi)的狀(zhuang)態變量，x3＝fe為(wei)定(ding)義的擴(kuo)張狀(zhuang)態，y＝x1為(wei)估(gu)計(ji)(ji)器(qi)的輸(shu)出變量，和(he)分(fen)別是(shi)對應狀(zhuang)態變量的估(gu)計(ji)(ji)值，z1,z2和(he)z3為(wei)待設(she)計(ji)(ji)的估(gu)計(ji)(ji)器(qi)反饋增(zeng)益(yi)值，被定(ding)義為(wei)：

19、

20、上式中，α1、α2、α3和ε為待(dai)設(she)計參數；

21、步驟二二、估計(ji)器的估計(ji)誤差定義為(wei)：

22、

23、則估計誤差的微分方程(cheng)表示為(wei)：

24、

25、上(shang)式中，是廣義齒條力的微分(fen)，

26、根據勞斯-赫爾維(wei)茲穩定性(xing)判據，當外部(bu)擾動一階微分為零時，上式給定的(de)估計誤差的(de)微分方程穩定的(de)充要條件為：

27、

28、步驟三(san)、轉(zhuan)角跟蹤(zong)控制器的設計：

29、步驟(zou)三一、有限(xian)時(shi)間收斂(lian)的性(xing)能函數被定義為：

30、

31、其中，

32、

33、上式(shi)中，t和tf分(fen)別(bie)是(shi)算法執行(xing)時間(jian)和用(yong)戶預設的誤差收斂時間(jian)，ωtf為收斂后的允(yun)許最(zui)大(da)穩態誤差，ω0為系統(tong)初(chu)始誤差，h為用(yong)戶自(zi)定義的允(yun)許最(zui)小收斂率；

34、步(bu)驟(zou)三二、誤(wu)差變換函數被定義(yi)為：

35、

36、則(ze)轉換后(hou)的新誤差變(bian)量為(wei)：

37、

38、上式中，e1(t)＝x1-x1d為(wei)齒條(tiao)位移跟蹤(zong)誤(wu)差(cha)，x1d為(wei)由方向盤轉(zhuan)角命令轉(zhuan)換后的期望(wang)齒條(tiao)力(li)位移，ξ1(t)為(wei)誤(wu)差(cha)轉(zhuan)換后的新誤(wu)差(cha)變量；

39、步(bu)驟三(san)(san)三(san)(san)、基于反步(bu)法(fa)分兩步(bu)設計轉角跟蹤(zong)控(kong)(kong)制(zhi)器的(de)控(kong)(kong)制(zhi)律：

40、第一步、為書寫方便(bian)，定義ρ(t)＝e1(t)/ω(t)，對步驟三二中轉換(huan)后的誤差(cha)變量(liang)求導(dao)，得：

41、

42、上式中(zhong)，kρ＝(πsec2(πρ/2))/(2ω(t))為一個(ge)正數；

43、然后，定義齒(chi)條速度的誤差為(wei)e2(t)＝x2-x2d，則虛擬控制律x2d表示(shi)為(wei)：

44、

45、上式中(zhong)，k1為待設(she)計的正增(zeng)益值；

46、第二步、對第一步中的齒(chi)條速度跟蹤誤差求導并結合步驟(zou)一二的公(gong)式，得到(dao)期望控(kong)制(zhi)律為(wei)：

47、

48、上式中，d＝fe為(wei)齒條力(li)估計器(qi)的前饋補償值(zhi)，k2為(wei)待設計的正(zheng)增益值(zhi)，為(wei)第一(yi)步中虛擬控(kong)制(zhi)律的微分；

49、步驟(zou)四、位移傳感器故(gu)障的容錯策略設計：

50、利用永磁同步(bu)電機的(de)(de)旋轉變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)測(ce)量的(de)(de)電機角度檢測(ce)齒條位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)是否發生故(gu)障(zhang)(zhang)，當(dang)發生故(gu)障(zhang)(zhang)時，以電機旋轉變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)測(ce)量值(zhi)(zhi)轉換后的(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)值(zhi)(zhi)作(zuo)為(wei)故(gu)障(zhang)(zhang)后的(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)修正值(zhi)(zhi)代替步(bu)驟二和(he)步(bu)驟三(san)中(zhong)涉及到(dao)的(de)(de)齒條位(wei)(wei)移(yi)(yi)信號，實(shi)現(xian)基(ji)于位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)故(gu)障(zhang)(zhang)的(de)(de)容錯策(ce)略設計，為(wei)防止誤檢測(ce)提高故(gu)障(zhang)(zhang)的(de)(de)檢測(ce)準(zhun)確(que)度，設計的(de)(de)位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)故(gu)障(zhang)(zhang)的(de)(de)容錯策(ce)略為(wei)至少(shao)連續tthr周期旋轉變(bian)壓(ya)器(qi)(qi)與位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)的(de)(de)測(ce)量誤差超(chao)過故(gu)障(zhang)(zhang)閾值(zhi)(zhi)θthr，則位(wei)(wei)移(yi)(yi)傳(chuan)(chuan)感器(qi)(qi)故(gu)障(zhang)(zhang)的(de)(de)容錯策(ce)略表示為(wei)：

51、

52、上(shang)式中(zhong)，θr為(wei)位(wei)移傳感器測得的(de)角度，θs為(wei)旋轉變壓器測量(liang)的(de)電機角度經(jing)減(jian)速比轉換后的(de)角度，θthr為(wei)設(she)定的(de)傳感器測量(liang)值(zhi)的(de)偏差閾值(zhi)，tthr為(wei)設(she)定的(de)檢(jian)測故障(zhang)時間(jian)閾值(zhi)，terr為(wei)故障(zhang)發生的(de)時間(jian)。

53、相比于(yu)現有技術，本發(fa)明(ming)具有如(ru)下(xia)優點：

54、一、本發(fa)明的(de)基于有(you)限時間收斂的(de)預設性(xing)能(neng)控(kong)制的(de)轉(zhuan)角跟(gen)蹤控(kong)制方法可(ke)同時保證轉(zhuan)角跟(gen)蹤的(de)瞬(shun)態性(xing)能(neng)和(he)穩態性(xing)能(neng)，并在預設時間內收斂到(dao)預設的(de)殘(can)差集內，即使在齒條位移傳感器(qi)故障條件下(xia)依然可(ke)以實(shi)現很好的(de)轉(zhuan)角跟(gen)蹤性(xing)能(neng)，對智(zhi)能(neng)汽車的(de)無人駕(jia)駛和(he)底盤線控(kong)化發(fa)展具有(you)重要意(yi)義(yi)。

55、二、本發明的(de)基(ji)于齒(chi)條(tiao)力估(gu)計(ji)器的(de)前饋補償方(fang)式能夠減輕外(wai)部擾(rao)動對轉角跟蹤控制(zhi)的(de)不(bu)利影響(xiang)并同時提高(gao)轉角跟蹤的(de)響(xiang)應速(su)度。

56、三、本發明的基(ji)于(yu)旋轉變壓器(qi)的容錯(cuo)策略能夠在不增加安裝額外傳(chuan)感器(qi)的成本和空間等前提下(xia)實(shi)現齒條位移傳(chuan)感器(qi)故(gu)障下(xia)線控轉向系(xi)統的容錯(cuo)能力，提高(gao)了轉角跟蹤控制方(fang)法的可靠性。

57、四、本發(fa)明的(de)具有預(yu)設性能(neng)的(de)線控轉向(xiang)系統轉角跟蹤與(yu)容錯控制(zhi)方法計(ji)算效率高，實時(shi)性好，能(neng)夠方便的(de)實現嵌入式應用(yong)，并提高線控轉向(xiang)系統的(de)可靠性。