一種汽車線控轉向系統的分數階pid控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于汽車領域，涉及一種汽車線控轉向系統中的控制方法。
【背景技術】
[0002] 汽車轉向系統是決定汽車安全系統的關鍵總成。由于傳統轉向機械系統中，轉向 盤與轉向輪之間是由機械連接的，存在著轉向系統中的傳動比固定、傳動比不能隨車速變 化以及轉向柱的存在威脅著駕駛員的人身安全等缺陷。汽車線控轉向系統正是這種背景下 發展起來的，汽車線控轉向系統取消了轉向盤與轉向輪之間的機械連接，完全由電動機控 制實現轉向，擺脫了傳統轉向系統的各種限制，不僅使整車設計更靈活，而且還提高了駕駛 員的舒適感及自身的安全性，給汽車轉向特性的設計帶來無限的空間，是汽車轉向系統的 重大革新。
[0003] 雖然汽車線控轉向系統正蓬勃發展，但在現有的技術當中汽車線控轉向系統仍受 到轉向電機中電感非線性、參數的不確定性、未建模動態以及前輪回正力矩等因素的影響， 從而導致系統的整體穩定性不高。另外，在目前工業生產的汽車轉向系統中對于轉向電機 的控制一般采用的是整數階PID控制，但由于實際的研宄對象一般都不是理想的整數階系 統，而是由任意階次的微分方程與積分方程構成的，因此整數階PID控制器對實際被控對 象的控制有一定的局限性。

【發明內容】

[0004] 發明目的：實際的汽車線控轉向系統容易受到內部摩擦及外部干擾等非線性因素 的影響，且轉向電機中電感非線性也容易引起轉向力矩的波動，因此實際的汽車線控轉向 系統并不是理想的整數階系統，因此本發明給出了一種分數階PID控制方法，用以控制實 際的汽車線控轉向系統中的轉向電機，由于分數階PID控制器具有比整數階PID控制器更 好的魯棒性，可以較好的抑制電機中電感非線性因素的影響，減少或消除轉矩波動，從而給 汽車線控轉系系統提供良好的穩定性。
[0005] 技術方案：汽車線控轉向系統主要由方向盤模塊、控制器模塊、轉向電機模塊以及 前輪轉向模塊等組成。本發明所述的汽車線控轉向系統中轉向電機的分數階PID控制方法 主要包括以下步驟：
[0006] 步驟1 :根據汽車線控轉向系統中的力矩平衡原理建立動力學模型（1. 1)，結合轉 向電機的電壓平衡方程（1.2)便可得到系統的傳遞函數，根據參數已知量計算得出系統的 相角與增益；
[0009] 其中Td為方向盤的輸入力矩；N為減速器的減速比為轉向電機的轉動慣量； 9 為轉向電機的轉角；為轉向電機的電磁力矩；為電機的電樞電阻；為電機的電樞 電流；Kt為反電動勢常量；為電樞電感；為電樞電壓；為電機的電磁轉矩常數。根據 上述動力學方程，可得到系統的傳遞函數：
[0011] 由此可計算得到系統的相角與增益分別為：
[0014] 其中夂=KA，=KJ，，A2 =KA+B義-從乂，B2 =JA+B上。
[0015] 步驟2 :根據分數階PID控制器的傳遞函數（1.6)，計算得出分數階PID控制器的 相角與增益；
[0017] 其中HKd、人、y分別為分數階PID控制器的比例系數、積分系數、微分系數、 積分階次、微分階次。計算得出分數階PID控制器的相角與增益分別為：
[0021] 步驟3:聯立汽車線控系統的傳遞函數（1.3)與分數階PID控制器的傳遞函數 (1. 6)，根據步驟1和步驟2中的各自的相角與增益便可計算得出開環系統的相角與增益；
(1.10)
[0024] 步驟4 :利用開環系統的穩定裕量指標，分別作為分數階PID控制器參數計算的目 標函數式（1. 11)及約束條件式（1. 12)_ (1. 15)，采用粒子群優化算法對目標函數進行求取 極小值，計算得出分數階PID控制器的五個控制參數，即：比例系數Kp、積分系數&、微分系 數K D、積分階次A、微分階次y，用以實現分數階PIXDW控制器對汽車線控轉向系統的轉向 電機控制。
[0030] 其中w。為開環系統的穿越頻率；巾m為給定的相位裕量;w h與w 別為所設定頻 率段范圍，H與N是該頻率段所對應上限值。
[0031] 步驟5:根據所整定的分數階PID控制器參數，利用其時域表達式計算出分數階 PID控制器的輸出量u (t)，通過PWM方式來驅動控制電機。
[0032] u(t) = Kpe (t) +KjD_ A e (t) +KdDu e (t) (1. 19)
[0033] 其中：e(t)是汽車線控轉向系統中的轉向電機輸出的實際力矩TMal與給定的 理想力矩！\^的差值，且在計算過程當中，分數階微分項與積分項的運算由浮點型的TI DSP28355來完成。
[0034] 有益效果：本發明對汽車線控轉向系統中的轉向電機的控制方法所涉及的技術問 題進行了詳細的描述，將較為先進的分數階PID控制器引入到汽車線控轉向系統中對轉向 電機的電壓進行控制，使其輸出理想的轉向力矩，因為分數階PID控制器的微積分階次可 取非整數連續值，從而使得分數階控制器較傳統整數階PID控制器的結構更為靈活，且對 一般的實際物理控制對象皆適用；本發明根據汽車線控轉向系統的開環系統傳遞函數的相 角及增益，利用粒子群優化算法對目標函數進行優化，從而計算可得到分數階PID控制器 的控制參數，實現對汽車線控系統的理想控制；本發明中分數階PID控制器采用的是浮點 型的TI DSP28355處理器，為分數階微積分的階次運算提供了平臺；與傳統的整數階PID控 制器相比，本文明中所用的分數階PID控制器具有魯棒性強、應用范圍廣等特點。
【附圖說明】
[0035]圖1是汽車線控轉向系統結構圖；
[0036] 圖2是分數階PID控制算法流程圖。
【具體實施方式】
[0037] 以下將結合附圖以及實施例對本發明做進一步的詳細說明，本實施對本發明不構 成限定。
[0038] 汽車線控轉向系統主要由轉向盤模塊1、前輪轉向模塊10、控制器6、路感模擬裝 置4、總線集成5、轉向電機7、轉向前輪9、轉矩傳感器2、轉角傳感器3及車速傳感器8等部 分組成，其典型結構如圖1所示：當駕駛員操縱轉向盤1時，轉矩傳感器2、轉角傳感器3以 及車速傳感器8將當前采集到的轉動信息及車速信息通過總線集成5傳送到控制器6,控制 單元根據車輛當前的狀態信息進行分析計算，啟動轉向電機7,使轉向電機產生對應的轉向 力矩，從而驅動前輪轉向模塊10轉動。
[0039] 汽車在運行過程當中，車速傳感器8實時采集到車速信息和轉矩傳感器2及轉角 傳感器3采集到的方向盤轉角轉矩信息，并將這些信息通過總線5傳送到控制器6中，由 控制器計算出理想給定轉矩的大小，通過力矩傳感器檢測出轉向電機的實際輸出力矩，采 用閉環控制將力矩差值提供給分數階控制器進行控制，從而得到控制轉向電機的理想電壓 值，使得轉向電機輸出適當的力矩作用于前輪轉向機構，促使汽車前輪順利轉向。
[0040] 根據汽車運行過程中線控轉向系統各模塊間的傳遞函數，可以計算得出系統傳遞 函數為：
[0042] 其中Td為方向盤的輸入力矩；N為減速器的減速比Jm