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原文传递基于鲁棒控制理论的汽车电动转向助力系统控制技术研究

论文题名：	基于鲁棒控制理论的汽车电动转向助力系统控制技术研究
关键词：	电动转向系统;系统建模;模型摄动;鲁棒控制;转向跟随性;路感
摘要：	现代汽车技术是现代高科技迅速发展的集中表现，它实际上是机械、电子、计算机、控制工程、材料工程、生物工程和信息技术等多学科技术交叉的产物。在这些汽车控制技术应用中，计算机动力转向控制PS（Power Steering）由于既能改善驾驶者的转向操纵感觉，又能减轻驾驶者的体内消耗，还能提高汽车的转向性能和安全性，受到广泛的重视。研究与开发EPS技术，与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合，对提高我国汽车工业水平，缩小与汽车强国的差距，具有一定的现实与长远意义。 EPS性能分析要求EPS不仅在低速和停车时提供可跟随（可控）的转向助力，而且还能在高速时提高汽车的操纵稳定性，保持足够的路感。EPS控制面临的是一个多控制目标，多输入多输出（MIM0），带有一定程度非线性、时变的不确定性控制对象，因此，传统的基于线性控制对象精确建模的经典控制理论遭遇到一定的挑战。本论文在四川省科技厅重点科技攻关项目“汽车电动助力转向系统（EPS）研究与开发”（O3GG008-001）的资助下，结合现代鲁棒控制理论与技术，展开了对EPS含不确定性转向系统控制模型及其控制下的性能研究。主要研究内容涉及：实现EPS系统性能的鲁棒控制与实现以转向跟随性和转向路感为代表的转向性能控制。主要研究成果如下：（1）首先建立了EPS系统的动力学微分模型并转化成状态空间模型。在EPS系统的动力学模型基础上，结合给定的参考参数，详细讨论了EPS线性系统本身在原始状态下的动态性能。包括稳定性分析、系统输入输出响应分析。通过EPS原始状态下的动态性能分析，指出了EPS系统存在的性能脆弱性问题，以及采用控制器以鲁棒化系统动态性能的必要性。分析揭示EPS转向系统控制问题从本质上归属于这样一类问题：不确定系统的鲁棒性能分析与综合问题。（2）针对EPS转向系统的不确定性属性进行了理论分析。利用鲁棒理论讨论了其表达方式，给出其鲁棒稳定性判据和鲁棒性能判据。根据EPS转向系统实际需要，讨论了其控制器需满足的多个控制目标。针对实际EPS系统同时存在模型摄动问题和参数摄动问题以及外界干扰，利用基于现代鲁棒控制理论的混合灵敏度设计方法，建立了既能有效覆盖结构性摄动（主要是系统参数性摄动）又能覆盖非结构性摄动（未建模或未知动态）的EPS鲁棒控制器。通过大量的仔细设计的仿真分析，主要包括：助力误差的控制效果的分析，闭环系统鲁棒性的检验（对结构性摄动和非结构性摄动）。阐述应用H<,∞>相关理论和计算技术来作为EPS控制技术的合理性：基于H<,∞>控制理论的转向系统控制器设计模型具有强的健壮性，足以应对实际。EPS转向系统可能发生的结构性摄动（参数摄动为代表）和非结构性摄动，而同时具有可以接受的性能表现。完全克服了EPS原始系统性能的脆弱性。表明了控制的有效性。（3）在应用基于H<,∞>理论的混合灵敏度设计方法中，EPS混合灵敏度模型向H<,∞>标准问题模型的转化。对多控制目标／单控制变量系统（典型如EPS系统）中加权函数与鲁棒性能和鲁棒稳定性的关系进行了较深入研究。仿真分析揭示出调整某项性能加权函数不仅影响相应的控制指标，而且由于不同控制指标共用单控制变量输出，也会影响其他控制指标。揭示出控制指标之间的相关性。并有效用于指导EPS多控制目标鲁棒控制器的实际设计。（4）利用设计的鲁棒控制方法，对EPS被控系统进行了跟随性的性能仿真研究。在分析转向器跟随性的含义和特征的基础上，重点阐述转向角跟随性的控制器设计问题和控制模型，研究转向角跟随性与转向力跟随性的关系，采用混合灵敏度设计方法，提出角输入跟随性性能控制的混合灵敏度H<,∞>控制模型。通过方向盘转角a与小齿轮转角δ跟随性仿真实验，对控制效果进行了分析，验证了基于混合灵敏度设计方法的鲁棒控制系统能够达到了预期的控制效果。证明了鲁棒控制的有效性。（5）研究了鲁棒性控制系统的路感问题。给出了路感强度的定义，给出了EPS系统的直线式助力特性曲线的理想助力图谱和对应的理想路感曲线图谱。建立了获得转向助力特性和路感的算法流程。分析证明了被控系统在满足鲁棒控制器设计性能目标的同时，能够表现出较为良好的路感特性。充分体现出EPS系统可以程序控制调节路感，而不必改动系统机械结构及其参数的优势。（6）进行电动助力转向台架试验装置开发。从EPS台架试验装置总体设计需求分析起步，阐述开发的EPS台架试验装置的组成原理、总体方案、实验项目设计和开发中需解决的关键技术。
作者：	田大庆
专业：	机械制造及其自动化
导师：	殷国富
授予学位：	博士
授予学位单位：	四川大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文