一模糊PID控制策略在电动助力转向系统中的应用

1、第21卷 第4期石家庄铁道学院学报(自然科学版Vo.l21 No.4 2008年12月J OURNAL OF S H IJI AZ HUANG RA I L WAY I N STI TUTE(NATURAL SC I E NCEDec.2008模糊PI D控制策略在电动助力转向系统中的应用郑建华1, 高占凤1, 吴文江2(1.石家庄铁道学院计算机与信息工程分院,河北石家庄 050043;2.石家庄铁道学院工程训练中心,河北石家庄 050043摘要:助力转向控制策略是EPS系统的核心技术之一。为提高电动转向系统的动态响应速度和抗干扰能力,经分析采用模糊PI D控制策略实现助力控制。模糊控制器以电

2、流误差及误差变化率为输入,电机电压为输出,根据设定的模糊控制规则在线调整比例系数、微分系数和积分系数,以使系统性能达到预定要求。应用M atlab软件进行了计算机仿真,仿真结果表明基于模糊PI D控制策略的EPS比传统PI D控制具有更好的助力特性和抗干扰能力。关键词:电动助力转向;仿真;模糊控制;控制策略中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1674-0300(200804-0079-051 引言电动助力转向(E lectric Po w er S teering,简称EPS系统是一种直接依靠电动机提供辅助转矩的动力转向系统,是为了满足人们对驾驶轻便性、操纵稳定性、驾驶安全性和节

3、能环保的要求而产生的。它可以根据不同的使用工况控制电动机提供不同的辅助动力,这也符合当前电控技术与汽车技术相结合的趋势1。EPS系统以其结构简单、控制灵活、安全可靠、节能环保等优点成为了汽车传统转向系统理想的升级换代产品。EPS系统以蓄电池为能源,由电子控制单元控制电机提供动力。电子控制单元根据输入转矩和车速信号确定电机目标电流,按照设定的控制策略控制电机跟踪目标电流为转向机构提供大小适宜的助力。控制策略是影响EPS系统助力性能的关键因素,选择一种合适的控制策略对设计良好的EPS系统尤为重要。采用传统的PI D控制算法设计的系统稳定性能和抗干扰性能较差。近年来,许多学者在探讨将先进的控制理论应

4、用于电动转向系统地研究,如将鲁棒控制理论、模糊控制理论、神经网络控制理论应用于转向控制系统,减小路面激励干扰和传感器测量噪声的影响,提高系统的稳定性、跟踪性和抗干扰性。据分析可知传统的控制理论很难实现电动转向控制系统的设计目标,为此,笔者将模糊控制理论应用于控制系统的研究,设计出模糊PI D控制器。该控制器采用闭环控制结构,根据输入目标电流和电机输出电流的偏差以及偏差变化率实时调整PI D控制参数,克服了常规PI D控制参数固定不变的弊端,增强了系统的稳定性和跟踪性。模糊PI D控制算法将PI D控制和模糊控制两种控制方法结合起来,能够发挥各自的优点,克服彼此的不足,而且算法简单,不需要知道系

5、统精确的数学模型,非常适合于EPS非线性系统控制,具有重要的研究意义。2 EPS系统的组成和工作原理一个EPS系统通常由扭矩传感器、车速传感器、电子控制单元ECU、电动机、减速机构等组成2。当转动方向盘时,扭矩传感器根据连接输入轴和输出轴的扭杆变形大小产生一个电信号,电子控制单元根据信号电压值计算出方向盘转矩;与此同时,车速传感器根据车速产生一定频率的脉冲信号,电子控制单收稿日期:2008-07-09作者简介:郑建华 男 1979年出生 硕士研究生基金项目:河北省自然科学基金(F200700067980 石家庄铁道学院学报(自然科学版第21卷元根据脉冲频率判断出车速。电子控制单元根据方向盘转矩

6、和车速查助力特性曲线表确定电机电压信号,产生相应的助力转矩,经减速机构施加在转向机构上,得到一个与工况相适应的转向作用力。3 模糊PI D 控制策略EPS 的控制要解决两个问题,一是根据基本助力特性确定电机的目标电流,二是通过控制电动机电枢两端的电压,跟踪目标电流。3.1 目标电流的确定目前常用的助力特性曲线有三种典型的形式:直线型、折线型、曲线型3,如图1所示。图1中,T d 为转向盘输入力矩;T a 为电机助力转矩;T d0为电动机开始提供助力时的转向盘输入力矩;T d max 为电动机提供最大助力时的转向盘输入力矩。直线型助力特性最简单,数据量小,存储方便,有利于控制系统的设计,在实际中

7、容易调整,但是助力力矩随方向盘转矩变化的关系一旦确定,不能得到不同的转向特性要求;曲线型助力特性有利于实现连续、均匀助力,能根据需要的转向特性要求调节曲线形状,但特性复杂,数据存储量大,调整不方便;折线型助力特性的优、缺点则介于两者之间。本系统采用直线型助力特性曲线。在软件设计中用表格表示助力特性曲线,通过查表确定电机目标电流。 图1 助力特性曲线3.2 跟踪目标电流控制器设计的核心问题是用何种算法准确快速跟踪目标电流。在EPS 系统的控制算法研究上,基于PI D 控制的策略是最普遍的。常规PI D 控制器是按照误差的比例(P Propo rtional、积分(I Inte -gral和微分(

8、D Derivati v e的线性组合构成控制量,对被控对象进行控制。经过比例、积分和微分调节系统实际输出会逐渐接近于给定的目标值,达到跟踪目标电流的目的。虽然传统的PI D 控制能够取得较好的控制效果,但它的局限性是将参数K P 、K I 、K D 作为精确的参数来处理。实际上要得到满意的响应特性,这些参数在不同的情况下应取不同的值4。由于EPS 系统具有非线性特性,因而固定的一组参数是不能满足要求的,仅仅采用常规PI D 控制难以达到满意的控制效果。因此在设计中引入了模糊控制的思想,根据各种工况在线调整PI D 控制参数,以便提高系统的动态响应速度,达到快速跟踪的目的。3.3 模糊控制规则

9、的设计模糊规则的建立是设计模糊控制器的关键。模糊控制器根据一系列模糊规则进行综合分析并做出控制决策,调整加到被控对象的控制作用,从而使系统达到预期的目标。模糊PI D 控制器的PI D 参数整定原则如下:(1调节过程初期当误差e 较大时,为了尽快减小误差,加快系统的响应速度,应取较大的K P ;过程中期当e 处于中等大小时,适当减小K P ,防止系统超调过大;当e 很小时将K P 调小,使系统超调减小,提高系统稳定性。根据e 和误差变化率ec 可判断出误差在增大还是减小,如果误差向增大的趋势发展则调大K P ,如果误差向减小的趋势发展则调小K P 。(2PI D 控制器中,积分作用主要是消除静

10、态误差。通常在调节过程初期,为防止系统饱和非线性特性等影响所产生的积分饱和现象,而引起系统超调量的增加,这时积分应取弱些;在过程中期,积分作用应适中,不宜过大,以避免对动态稳定性造成影响;到过程后期,应增强积分作用,以减少系统静态误差,从而提高控制精度5。第4期郑建华等:模糊PI D控制策略在电动助力转向系统中的应用81(3PI D控制器中,微分作用主要用来改善系统的动态性能5。在调节过程初期,为了避免由于开始时误差e的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的范围,应取较小的K D;当e处于中等大小时,为了保证系统的响应速度,K D取值要大小适中;在调节过程后期,K D应调小,增加系

11、统对扰动的抑制能力。根据PI D参数的整定原则,总结工程设计人员的技术知识和实际操做经验,结合电动助力转向系统的特点建立对K P、K I、K D三个参数整定的模糊控制规则,如表1、表2和表3所示。表中输入变量e的变化范围为-10,10,将其分为七个模糊等级,分别为NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB。输入变量ec的变化范围为-8,8,将其分为七个模糊等级,分别为NB、NM、N S、Z、PS、P M、PB。输出变量 K P、 K I、 K D的变化范围分别为-3,3、-0.5,0.5和-0.005,0.005,分为七个模糊等级,分别为NB、NM、NS、Z、PS、P M、PB。表1 KP模糊规则

12、表eecNB NM N S Z PS PM PBN B PB PB PB PB P M PS Z NM PB PB PB PB P M Z NS N S P M P M PM PS Z N S NM Z NM N S Z Z N S N S NM PS NM N S Z Z PS PM PM PM N S Z PS PM PB PB PB PB Z PS PM PM P M PB PB表2 KI模糊规则表eecNB NM N S Z PS PM PBN B NB N B NM NM N S PS Z NM NB N B NM N S N S Z Z N S NB NM NM Z PS PS P

13、S Z NM N S PM Z N S NM N B PS NM N S Z Z PS PM PM PM NM N S NM Z P M PB PB PB Z PS PS Z PB PB PB表3 KD模糊规则表eecNB NM N S Z PS PM PBN B PS N S N B NB NB NM PSNM PS N S N B NM NM N S ZN S Z N S NM NM N S N S ZZ Z N S N S N S N S N S ZPS PS Z Z Z Z Z PSPM P M P M PS PS PS PM PBPB PB P M PM PM PS PS PB4 仿

14、真用M atlab中的Si m u li n k工具箱进行仿真,模糊控制器的输入输出变量的隶属度函数均采用三角形隶属度函数,模糊推理方法采用M andani推理法,反模糊法采用重心法。建立模糊PI D控制器S i m u li n k仿真模型,如图2所示。模糊控制器经过模糊化、模糊推理和解模糊化得到比例系数、微分系数和积分系数的修正值 K P、 K I、 K D,代入下式计算:K P=K P0+ K P;K I= K I0+ K I;K D=K D0+ K D。其中,K P0=20,K I0=4,K D0=0.02,是参数设置的初值;K P、K I、K D是最后推理的结果。将模糊PI D控制器

15、封装后加入到EPS系统中,建立电动助力转向控制系统模型,如图3所示。输入82 石家庄铁道学院学报(自然科学版第21卷信号为方向盘转矩和车速,根据助力特性曲线计算得到助力转矩。助力转矩除以电机转矩系数即为电机目标电流值,再由模糊控制器和助力电机构成闭环跟踪电机目标电流值,输出信号为电机助力转矩。由下面的电动机模型、电动机动力学模型、电机转矩方程和电机反电动势方程可以得到仿真图3中EPS 系统的传递函数。L m d I m /d t +R m I m +E =U a (1J m d 2m /d t 2+B m d m /d t =T s -T m(2T m =K a I m(3E =K b d m

16、 /d t(4式中,L m 为电机电枢电阻,I m 为电机电流,R m 为电机电枢电阻,E 为电机反电动势,U a 为电动转向控制系统提供的助力电压,J m 为电机的转动惯量, m 为电机的转角,B m 为电机的阻尼系数,T s 为目标助力转矩,T m 为电机输出的转矩,K a 为电机转矩系数。K b为电机反电动势系数。 图2 模糊P I D控制器仿真模型 图3 EPS 系统模糊自整定P I D 参数控制仿真模型 图4 仿真结果对控制系统模型进行仿真,以阶跃信号为输入信号,助力电动机产生的助力转矩为输出信号。当车速为15km /h 时,助力特性曲线的梯度为1.6,此时若方向盘输入转矩为4.5N

17、 m,则助力转矩应为7.8N m 。图4是采用PI D 控制器和模糊PI D 控制器进行EPS 控制仿真的结果。仿真结果表明模糊PI D 控制的EPS 系统助力性能优于PI D 控制的EPS 系统,超调量减少、响应时间缩短,输出响应平稳,抗干扰能力增强,具有很好的动态跟踪品质和稳态精度。5 结束语模糊PI D 控制算法简单,不需要知道系统精确的数学模型,它将模糊控制和PI D 控制相结合,很好的发挥了两种控制方法的优势。在各种工况下,模糊控制器基第4期郑建华等:模糊PI D控制策略在电动助力转向系统中的应用83于若干条控制规则在线调整PI D参数,使得控制更加快速准确,能够大大减轻驾驶员扭转方

18、向盘的疲劳,提高操纵稳定性,使驾驶员获得满意的路感。仿真结果证明了模糊PI D控制策略的正确性和合理性,适合于EPS系统的助力控制特性。参 考 文 献1陈家瑞,张建文.汽车构造M.北京:机械工业出版社,2005:276-280.2唐小琦,关勇刚.汽车电动助力转向控制系统的研究J.华中科技大学学报:自然科学版,2003,33(7:77-79.3施国标,申荣卫,林逸.电动助力转向系统的建模与仿真技术J.吉林大学学报:工业版,2007,37(1:31-36.4谢刚,殷国富.基于P ID参数模糊自整定控制的电动助力转向系统跟随性研究J.机床与液压,2007,35(7:15-18.5诸静.模糊控制原理与

19、应用M.北京:机械工业出版社,1995:344-352.Applicati on of Fuzzy-PI D Control A lgorith m i nE lectric Po w er Steering Syste mZheng Jianhua1, Gao Zhanfeng1, W uW enjiang2(1.Schoo l of Co m puter and In f o r m ati on Eng ineer i ng,Sh iji azhuang R a il w ay Institute,Shijiazhuang050043,China;2.Eng i neer i ng T

20、ra i n i ng Center,Sh iji azhuang R ail w ay Insti tute,Shijiazhuang050043,ChinaAbst ract:The control strategy i s one o f the core techno log ies i n EPS syste m.I n order to i m prove the speed of dyna m ic response and the ab ility of resisti n g disturbance of the syste m,fuzzy PI D contr o ller

21、 is desi g ned after analysi s,in wh ich,the current error and the var i e ty rate of the current error are i n pu ts and the vo ltage of the m o-to r is the outpu,t and the propo rtional factor,the d ifferentia l factor and the integ ral factor are ad j u sted on-li n e acco r d i n g to the perfor

22、 m ance o f the syste m.A si m ulation using M atlab is perfor m ed,and the si m u l a ti o n result sho w s that the f u zzy PI D contr o ller has m ore satisfactory steering characteristics and ability o f resisting dist u rb-ance than the conventi o na lPI D contro ller.K ey w ords:electric po w

23、er steering;si m u lation;fuzzy contro;l contr o l sche m e(责任编辑 车轩玉 (上接第51页M odel R esearch of Route Choice UnderR ea-l tim e Inform ation Based on Prospect TheoryY ang Zhiyong, Yan Gui y un(C i v il Eng ineer i ng D epart m ent,Fu jian U niversity of T echno l ogy,Fuzhou350007,Chi naAbst ract:Firstly,this paper i n troduces