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原文传递汽车电动助力转向系统的设计与控制技术研究

论文题名：	汽车电动助力转向系统的设计与控制技术研究
关键词：	状态反馈;容错控制;双机冗余;汽车转向系统;电动助力转向
摘要：	本论文在国家科技型中小企业创新基金“基于冗余容错的汽车电动助力转向系统的研发”和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”的资助下，以转向管柱助力式EPS系统为研究对象，借助现代控制理论、现代设计方法和计算机仿真技术，紧密结合EPS产品开发的关键技术，着重研究转向管柱助力式EPS系统的总体设计方案、控制过程的理论模型与动态性能、EPS系统的控制策略、鲁棒容错控制原理与方法、提高转向跟随性的途径和方法、分析转向回正控制方法等关键技术问题。主要研究成果如下： (1)在对电动助力转向系统功能需求分析的基础上，提出了转向管柱助力式EPS系统的总体设计方案，应用三维CAD技术进行了系统的结构设计。通过分析EPS转向系统的组成和结构形式，确定了系统总体性能参数。详细分析了EPS所涉及的技术领域以及关键技术问题，确定了研发EPS系统的需要解决技术难点问题。 (2)通过对EPS系统组成中各部件包括助力电动机、扭矩传感器和齿轮齿条传动轴、方向盘等环节的分析，建立了EPS系统的动力学模型，并进一步变换得到了适合控制的状态方程模型。通过对初始系统模型的动态性能仿真，分析了其初始状态下的性能表现，指出了研究对象非控制状态下的动态性能非常脆弱。为此，提出了基于极点配置的状态反馈控制策略。利用状态反馈与极点配置，在实现状态反馈极点配置时，利用状态观测器或状态估计器取得系统的状态信号。讨论EPS系统模型满足一定系统性能约束条件下控制的助力特性、路感特性。 (3)在探讨状态反馈控制下电动转向系统的转向路感问题的基础上，提出了在方向盘固定时转向阻力矩作用下方向盘反向转矩(T<,b>)与转向阻力矩(T<,1>)之比就能够代表EPS系统的转向路感的评价方法。通过建立以T<,1>为输入，T<,b>为输出的状态方程，来研究当转向阻力矩(T<,1>)变化时，方向盘反向转矩(T<,b>)的变化规律，从而得出状态反馈控制下的EPS系统路感特性。 (4)分析了制约EPS系统转向跟随性提高的因素，提出了角跟随性是影响EPS跟随性能提高的主要因素的观点。采用在动态过程中PID参数模糊自整定的控制算法，将线性PID控制与模糊控制两者结合起来，组成的模糊PID控制，在动态过程中使PID参数得到改变，以便提高EPS系统角跟随性控制响应速度，达到提高EPS系统转向跟随性的目的。 (5)提出了主动回正控制的概念。建立了EPS系统回正时的状态空间模型，制定了基于全状态反馈的PD控制算法。通过对提出的控制算法进行仿真验证，结果表明本文的算法可提高转向盘的回正性和稳定性。 (6)基于容错控制技术提出了针对传感器故障的、基于能观(或能检)意义上的功能冗余容错的概念并进行了证明。给出了能观意义下传感器重要度的概念和计算公式。该方法能有效地帮助我们确定EPS系统传感器配置的数量，并且该方法对一般系统传感器数量的确定具有普遍性意义。 (7)针对EPS实际系统中存在的不确定性，作者提出了采用基于鲁棒容错控制技术制定EPS系统控制策略和控制器的设计方法。分别针对传感器故障的基于状态反馈鲁棒容错控制、基于Riccati型方程的鲁棒容错控制、基于状态观测器鲁棒容错控制，应用Lyapunov稳定性理论和Lyapunov方程，研究了EPS在参数摄动的线性不确定性条件下对传感器失效时具有完整性鲁棒容错控制的规律，得出了系统完整性鲁棒容错控制的充分条件，提出了EPS的完整性鲁棒容错控制设计方法和步骤。通过数值仿真分析，研究了EPS系统容错控制器对于给定参数、在传感器故障条件下的容错控制的实现问题。 (8)将余度容错技术应用于EPS系统控制器的设计中，以两台8086CPU为主机和备份机，组成非表决式的双机冗余系统。每台CPU作为另-CPU的热备份，双机在任务级上同步运行。着重讨论了EPS控制器双机容错系统实现的比较、状态诊断、切换、同步等容错关键技术。
作者：	谢刚
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