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（MIMO），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”（03GG008-001）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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文研究意义与课题背景
• 1.2 现代控制理论及技术在汽车产品中的应用
• 1.2.1 PID控制及其在汽车产品中的应用
• 1.2.2 最优控制及其在汽车产品中的应用
• 1.2.3 自适应控制及其在汽车产品中的应用
• 1.2.4 模糊控制技术及其在汽车产品中的应用
• 1.2.5 人工神经网络及其在汽车产品中的应用
• 1.3 鲁棒控制理论的研究进展与应用技术评述
• 1.3.1 鲁棒性问题的提出
• 1.3.2 鲁棒性理论的研究进展与应用技术
• 1.3.3 鲁棒性理论的应用技术
• 1.4 电动助力转向系统EPS的基本工作原理
• 1.4.1 EPS的基本工作原理
• 1.4.2 EPS的分类
• 1.4.3 助力转向系统的发展历程及 EPS的特点
• 1.5 EPS系统的开发研究现状
• 1.6 EPS控制技术的研究现状与发展趋势
• 1.6.1 EPS控制技术的国外研究进展
• 1.6.2 EPS国内研究现状
• 1.7 EPS控制技术研究的关键问题
• 1.7.1 实现 EPS系统性能的鲁棒性
• 1.7.2 以转向路感为代表的转向性能控制
• 1.8 本文的技术路线及主要工作
• 1.8.1 研究的技术路线
• 1.8.2 论文研究的主要工作
• 附录·本文 EPS系统相关工程参数确定
• 2 动力转向传动系统的动力学数学模型与分析
• 2.1 EPS系统性能特性对控制技术的要求分析
• 2.1.1 转向轻便性
• 2.1.2 操纵稳定性
• 2.1.3 燃油经济性
• 2.1.4 助力特性
• 2.2 EPS系统的动力学解析模型
• 2.3 EPS系统的动力学状态空间模型
• 2.4 EPS系统的原始状态下性能分析与算例
• 2.4.1 EPS系统的稳定性分析
• 2.4.2 EPS系统的原始动态特性分析
• 2.4.3 EPS原始系统性能的脆弱性
• 2.5 需开展研究的技术问题
• 2.6 本章小结
• 3 转向系统模型不确定性的理论分析及控制目标
• 3.1 转向系统模型中的不确定性及鲁棒稳定性问题的提出
• 3.2 不确定性 EPS闭环控制系统鲁棒设计的理论基础
• 3.2.1 鲁棒控制理论中被控对象的不确定性描述的一般方法及其表示模型
• 3.2.2 被控对象的不确定性稳定性检验判据
• 3.2.3 被控对象的不确定性鲁棒性能判据
• 3.3 EPS模型不确定性闭环控制系统的性能目标
• 3.4 本章小结
• ∞控制理论的转向系统鲁棒控制器设计与仿真实验'>4 基于H_∞控制理论的转向系统鲁棒控制器设计与仿真实验
• ∞优化控制理论基础'>4.1 H_∞优化控制理论基础
• ∞控制器设计'>4.2 EPS控制系统的鲁棒 H_∞控制器设计
• ∞标准化问题'>4.2.1 控制模型的H_∞标准化问题
• ∞ EPS广义控制系统模型的构造'>4.2.2 含有模型摄动的H_∞EPS广义控制系统模型的构造
• 4.2.3 EPS控制系统的权函数的构造
• ∞问题求解的线性矩阵不等式 LMI算法'>4.3 标准 H_∞问题求解的线性矩阵不等式 LMI算法
• 4.4 基于LMI算法的EPS模型鲁棒控制器的设计
• 4.5 EPS转向系统控制模型鲁棒稳定性与鲁棒性能验证分析
• 4.5.1 助力误差的控制效果的分析
• 4.5.2 道路路感的控制效果的分析
• 4.5.3 闭环系统鲁棒性的检验
• 4.6 本章总结
• 4.7 附录:本章部分重要Matlab程序
• 5 转向器跟随特性分析与控制模型仿真实验研究
• 5.1 转角跟随性表征与控制系统建模
• 5.1.1 EPS系统角输入跟随性的含义与表示方式
• ∞控制模型'>5.1.2 EPS转向系统角输入跟随性性能控制的标准H_∞控制模型
• ∞控制模型'>5.1.3 跟随性能控制的混合灵敏度鲁棒 H_∞控制模型
• 5.2 角转向跟随性鲁棒控制器设计求解
• 5.3 EPS系统角输入跟随性能分析与仿真实例
• 5.3.1 转角跟随性精度与加权函数的相关性分析
• 5.3.2 转角跟随控制系统模型鲁棒性检验
• δ和力跟随误差e_a的关系分析'>5.3.3 角跟随偏差e_δ和力跟随误差e_a的关系分析
• 5.3.4 小齿轮转角δ对方向盘转角α的跟随性效果分析
• 5.4 本章小结
• 5.5 附录.部分程序
• 6 转向系统路感特性分析与控制策略研究
• 6.1 路感的来源与路感强度的定义
• 6.1.1 路感的来源
• 6.1.2 路感的定义与EPS系统路感可调性
• 6.2 EPS模型中理想的路感强度的分析
• 6.2.1 理想的EPS系统的助力特性图谱
• 6.2.2 直线型助力特性EPS系统中理想的路感图谱
• 6.3 EPS鲁棒被控系统的路感表现
• 6.3.1 路感的调整方式
• 6.3.2 EPS鲁棒控制系统路感表现
• 6.4 本章小结
• 6.5 附录.部分程序
• 7 电动助力转向台架试验装置设计方案与开发技术
• 7.1 EPS台架试验装置总体设计要求分析
• 7.2 EPS台架试验装置设计方案要点分析
• 7.3 EPS台架试验装置总体构成
• 7.4 EPS台架试验测试项目设计
• 7.4.1 性能试验测试项目
• 7.4.2 可靠性试验测试项目
• 7.4.3 动态试验项目
• 7.4.4 静态试验项目
• 7.5 EPS台架试验装置开发的关键技术
• 7.5.1 直流伺服电机单片机PWM驱动技术
• 7.5.2 测试数据采集处理数字滤波技术
• 7.5.3 比例阀D/A信号波形硬件合成方法
• 7.5.4 单片机与微机串行传输通信技术
• 7.6 本章总结
• 8 全文总结与展望
• 8.1 全文工作总结
• 8.2 工作创新点
• 8.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢