Pid控制系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种PID控制系统，比例系数乘法部（58）将比例系数（Cp）乘以阀开度指令值（θv*）。第一角度偏差运算部（54A）对比例系数乘法部58的输出值（Cp·θv*）和检测出的阀驱动用马达（15）的旋转角之间的偏差进行运算。微分系数乘法部（60）将微分系数（Cd）乘以阀开度指令值（θv*）。第三角度偏差运算部（54C）对微分系数乘法部（60）的输出值（Cd·θv*）和所检测出的阀驱动用马达（15）的旋转角之间的偏差进行运算。
【专利说明】PID控制系统
【技术领域】
[0001]本公开基于2012年10月24日的日本专利申请N0.2012-234940号所包含的说明书、附图和摘要，并将其全部内容援引到此。
[0002]本发明涉及PID控制系统。
【背景技术】
[0003]以往公知有将来自油压泵的工作油经由液压控制阀供给至与车辆的转向机构结合的动力缸，从而辅助转向力的液压式动力转向装置。在通常的液压式动力转向装置中，液压控制阀经由转向轴机械地连结于转向盘等转向构件，根据转向构件的操作来调节液压控制阀的开度。
[0004]例如，参照日本特开2006 - 325313号公报，日本特开2004 — 130899号公报，日本特开平6 - 138905号公报，以及日本特开2008 — 506587号公报。
[0005]作为液压式动力转向装置，不使液压控制阀与转向构件机械式连结，而通过电动马达(阀驱动用马达)控制液压控制阀的开度的装置正在进行开发。本
【发明者】对通过PID控制对阀驱动用马达进行控制的系统进行研究，而导致做出本发明。
【发明内容】
[0006]本发明的目的之一在于提供一种能够改善目标值追随特性而不降低干扰抑制特性的PID控制系统。
[0007]作为本发明的一方式的PID控制系统是包括:用于对控制对象进行控制的控制单元；设定目标值的目标值设定器；用于检测上述控制对象的控制量的控制量检测器；以及以由上述控制量检测器检测出的控制量等于由上述目标值设定器设定的目标值的方式，对上述控制单元进行PID控制的PID控制器的PID控制系统。上述PID控制系统具有:设定比例系数的比例系数设定器；用于设定微分系数的微分系数设定器；将由上述比例系数设定器设定的比例系数乘以由上述目标值设定器设定的目标值的比例系数乘法器；将由上述微分系数设定器设定的微分系数乘以由上述目标值设定器设定的目标值的微分系数乘法器；运算上述比例系数乘法器的输出值和由上述控制量检测器检测出的控制量之间的偏差的第一偏差运算器；运算由上述目标值设定器设定的目标值和由上述控制量检测器检测出的控制量之间的偏差的第二偏差运算器；以及运算上述微分系数乘法器的输出值和由上述控制量检测器检测出的控制量之间的偏差的第三偏差运算器。上述PID控制器具有:基于由上述第一偏差运算器运算的偏差来运算比例操作量的比例单元；基于由上述第二偏差运算器运算的偏差来运算积分操作量的积分单元；以及基于由上述第三偏差运算器运算的偏差来运算微分操作量的微分单元。
[0008]根据该构成，通过调整比例系数以及微分系数，而能够不改变干扰抑制特性，就抑制相对于目标值变化的响应的过冲。由此，能够改善目标值追随特性而不使干扰抑制特性降低。[0009]在上述方式的PID控制系统中，上述比例系数设定器可以构成在O以上I以下的范围内设定上述比例系数，上述微分系数设定器可以构成为在O以上I以下的范围内设定上述微分系数。
[0010]在上述方式PID控制系统中，上述PID控制器可以还具有将由上述比例单元运算的比例操作量、由上述积分单元运算的积分操作量、和由上述微分单元运算的微分操作量相加的加法器。
[0011]作为本发明的一方式PID控制系统是包括:用于对控制对象进行控制的控制单元；设定目标值的目标值设定器；用于检测上述控制对象的控制量的控制量检测器；以由上述控制量检测器检测出的控制量等于由上述目标值设定器设定的目标值的方式，对上述控制单元进行PID控制的PID控制器的PID控制系统。该PID控制系统包括:对由上述目标值设定器设定的目标值进行低通滤波处理的滤波器；以及运算基于上述滤波器的低通滤波处理后的目标值和由上述控制量检测器检测出的控制量之间的偏差的偏差运算器，上述PID控制器包括基于由上述偏差运算器运算的偏差来运算比例操作量的比例单元、和基于由上述偏差运算器运算的偏差来运算积分操作量的积分单元。
[0012]在该构成中，目标值通过滤波器被进行低通滤波处理，对低通滤波处理后的目标值和控制量之间的偏差进行运算，基于该偏差运算比例操作量以及积分操作量。目标值的变化通过滤波器变得缓慢，所以能够抑制相对于目标值变化的响应的过冲。即使设置这样的滤波器，由于干扰抑制特性不变化，所以能够改善目标值追随特性而不降低干扰抑制特性。
[0013]在上述方式的PID控制系统中，上述PID控制器可以还包括基于由上述控制量检测器检测出的控制量的时间变化量，来运算微分操作量的微分单元。根据该构成，由于相对于目标值的变化的微分动作不进行，所以能够进一步改善目标值追随特性。
[0014]在上述方式的PID控制系统中，上述PID控制器可以还包括将由上述比例单元运算的比例操作量、由上述积分单元运算的积分操作量、和由上述微分单元运算的微分操作量相加的加法器。
[0015]在上述方式的PID控制系统中，上述微分单元可以还包括运算由上述控制量检测器检测出的控制量的时间变化量的变化量运算器，上述PID控制器也可以包括:将由上述比例单元运算的比例操作量和由上述积分单元运算的积分操作量相加的第一加法器；基于规定的限制值限制上述第一加法器的输出值的限制器；以及对由上述限制器进行的限制处理后的上述第一加法器的输出值和由上述变化量运算器运算的上述控制量的时间变化量之间的偏差进行运算的设备。
[0016]在该构成中，作为第一加法器的输出值的比例操作量和积分操作量的总和被限制器限制，所以能够抑制操作量的急剧变化。由此，能够进一步抑制相对于目标值变化的响应的过冲。
[0017]在上述方式的PID控制系统中，若将上述PID控制器所使用的比例增益设为Kp，将上述PID控制器所使用的积分增益设为Ki，将拉普拉斯算子设为S，则上述滤波器也可以具有以H (S) = Ki / (Kps + Ki)表示的传递函数H (S)。
【专利附图】
【附图说明】[0018]通过以下参照附图对本发明的优选实施方式进行的详细描述，本发明上述的和其它的特点和优点得以进一步明确。其中，附图标记表示本发明的要素，其中，
[0019]图1是表示应用了本发明的一实施方式的PID控制系统的液压式动力转向装置的概略结构的示意图。
[0020]图2是阀驱动用马达控制部的控制框图。
[0021]图3是表示阀驱动用马达控制部的其他例子的控制框图。
[0022]图4是表示阀驱动用马达控制部的又一例子的控制框图。
[0023]图5是本 申请人:已经开发的阀驱动用马达控制装置的控制框图(参考图)。
[0024]图6是表示辅助扭矩指令值相对于检测转向扭矩的设定例的图表。
[0025]图7是表示阀开度指令值相对于辅助扭矩指令值的设定例的图表。
【具体实施方式】
[0026]以下，参照附图来说明本发明的各实施方式。
[0027]图1是表示应用了本发明的一实施方式的PID控制系统的液压式动力转向装置的概略结构的示意图。
[0028]液压式动力转向装置I是用于赋予车辆的转向机构2转向辅助力的装置。转向机构2具备:作为为了车辆的操向而由驾驶员操作的转向构件的转向盘3、与该转向盘3连结的转向轴4、与转向轴4的前端部连结并具有小齿轮6的齿轮轴5、具有与小齿轮6啮合的齿条7a并作为在车辆的左右方向上延伸的转向轴的齿条轴7。
[0029]在齿条轴7的两端分别连结有转向横拉杆8,该转向横拉杆8分别连结在支承左右转向轮9、10的转向节臂11。转向节臂11被设置成能够绕转向主销12转动。
[0030]若操作转向盘3而使转向轴4旋转，则该旋转通过小齿轮6以及齿条7a，而转换为齿条轴7沿轴向的直线运动。该直线运动被转换成转向节臂11绕转向主销12的旋转运动，由此，左右转向轮9、10被转向。
[0031 ] 在转向轴4的周围配置有用于检测作为转向轴4的旋转角的转向角的转向角传感器31。在该实施方式中，转向角传感器31是检测转向轴4距转向轴4的中立位置的正反两方向的旋转角的装置，将从中立位置向右方向的旋转角例如作为正值输出，将从中立位置向左方向的旋转角例如作为负值输出。齿轮轴5上设置有用于检测转向扭矩Th的扭矩传感器32。
[0032]液压式动力转向装置I包括液压控制阀14、动力缸17以及液压泵23。液压控制阀14例如是旋转阀，并具有转子外壳(省略图示)和用于切换工作油的流通方向的转子(省略图示)。通过电动马达15，以下称为阀驱动用马达15，而使液压控制阀14的转子旋转，控制液压控制阀14的开度。阀驱动用马达15由三相无刷马达构成。在阀驱动用马达15的附近配置有用于检测阀驱动用马达15的转子的旋转角Θ V的、例如有分解器构成的旋转角传感器33。
[0033]液压控制阀14与赋予转向机构2转向辅助力的动力缸16连接。动力缸16与转向机构2结合。动力缸16具备与齿条轴7 —体设置的活塞17、和被该活塞17划分的一对缸室18、19，缸室18、19分别经由对应的油路20、21，与液压控制阀14连接。
[0034]液压控制阀14配置在通过贮液罐22以及转向辅助力产生用的液压泵23的油循环路24的中途部。液压泵23例如由齿轮泵构成，通过电动马达25，以下称为泵驱动用马达25，进行驱动，将存积在贮液罐22的工作油抽出并供给给液压控制阀14。多余量的工作油从液压控制阀14经由油循环路24返回到贮液罐22。
[0035]泵驱动用马达25被单向地旋转驱动，从而驱动液压泵23。泵驱动用马达25的输出轴与液压泵23的输入轴连结，通过泵驱动用马达25的输出轴旋转，液压泵23的输入轴进行旋转而实现液压泵23的驱动。泵驱动用马达25由三相无刷马达构成。在泵驱动用马达25附近配置有用于检测泵驱动用马达25的转子的旋转角的、例如由分解器构成的旋转角传感器34。
[0036]在通过阀驱动用马达15使液压控制阀14的转子从作为基准旋转角度位置的中立位置向一个方向旋转的情况下，液压控制阀14经由油路20、21中的一方来向动力缸16的缸室18、19中的一方供给工作油，并且使另一方的工作油返回到贮液罐22。在通过阀驱动用马达15使液压控制阀14的转子从中立位置向另一个方向旋转的情况下，经由油路20、21中的另一方向缸室18、19中的另一方供给工作油，并且使一方的工作油返回到贮液罐22。
[0037]在液压控制阀14的转子处于中立位置的情况下，液压控制阀14成为平衡状态，在转向中立状态下动力缸16的两缸室18、19被维持成等压，工作油在油循环路24中循环。若利用阀驱动用马达15使液压控制阀14的转子旋转，则向动力缸16的缸室18、19中的任意一方供给工作油，从而活塞17沿车辆宽度方向(车辆的左右方向)移动。
[0038]由此，转向辅助力作用于齿条轴7。
[0039]由转向角传感器31检测出的转向角、由扭矩传感器32检测出的转向扭矩Th、旋转角传感器33的输出信号、旋转角传感器34的输出信号、由车速传感器35检测出的车速Sp、用于检测流向阀驱动用马达15的电流的电流传感器36的输出信号，分别被输入由运算机构成的控制装置40。控制装置40经由驱动电路41控制阀驱动用马达15，并且经由驱动电路42控制泵驱动用马达25。
[0040]控制装置40包括:用于控制阀驱动用马达15的驱动电路41的阀驱动用马达控制部43、和用于控制泵驱动用马达25的泵驱动用马达控制部44。阀驱动用马达控制部43构成本发明的一实施方式的PID控制系统。对于阀驱动用马达控制部43将在后述。
[0041]泵驱动用马达控制部44例如，如下述那样，控制泵驱动用马达25。泵驱动用马达控制部44基于旋转角传感器34的输出信号来运算泵驱动用马达25的旋转速度。泵驱动用马达控制部44通过对转向角传感器41的输出值进行微分来运算转向角速度。
[0042]泵驱动用马达控制部44基于转向角速度，运算泵驱动用马达25的旋转速度指令值。旋转速度指令值在转向角速度为零时被设定为规定值，转向角速度越快则被设定成越大的值。泵驱动用马达控制部44以泵驱动用马达25的旋转速度变得与旋转速度指令值相等的方式，控制泵驱动用马达25的驱动电路42。泵驱动用马达控制部44也可以以泵驱动用马达25的旋转速度成为预定的规定速度的方式控制驱动电路42。
[0043]在对阀驱动用马达控制部43进行说明前，参照图5来说明本 申请人:已经开发的阀驱动用马达控制装置。
[0044]图5是本 申请人:已开发的阀驱动用马达控制装置100的控制框图(参考图)。
[0045]阀驱动用马达控制装置100作为通过软件处理实现的功能实现单元，具备:辅助扭矩指令值设定部151、阀开度指令值设定部152、角度偏差运算部154、PID控制部155、电流偏差运算部156和PI控制部157。
[0046]辅助扭矩指令值设定部151基于由扭矩传感器32检测出的检测转向扭矩Th和由车速传感器35检测出的车速Sp,设定要通过动力缸16产生的辅助扭矩的指令值、亦即辅助扭矩指令值Ta* [N*m]0具体地说，辅助扭矩指令值设定部151基于按车速存储了检测转向扭矩和辅助扭矩指令值的关系的映射表，设定辅助扭矩指令值Ta*。图6是表示辅助扭矩指令值相对于检测转向扭矩的设定例的图表。
[0047]对检测转向扭矩Th来说，例如用于向右方向的转向的扭矩被取正值，用于向左方向的转向的扭矩被取负值。辅助扭矩指令值Ta*在通过动力缸16产生用于右方向转向的辅助扭矩时被取正值，在通过动力缸16产生用于左方向转向的辅助扭矩时被取负值。
[0048]辅助扭矩指令值Ta*相对于检测转向扭矩Th的正值而取正值，相对于检测转向扭矩Th的负值而取负值。在检测转向扭矩Th为一 Tl?Tl的范围内的微小值时，辅助扭矩为零。而且，在检测转向扭矩Th在一 Tl?Tl的范围以外的区域中，辅助扭矩指令值Ta*被设定成检测转向扭矩Th的绝对值越大则其绝对值越大。另外，辅助扭矩指令值Ta*被设定成由车速传感器35检测出的车速Sp越大则其绝对值越小。
[0049]阀开度指令值设定部152基于由辅助扭矩指令值设定部151设定的辅助扭矩指令值Ta*，设定作为液压控制阀14的开度的指令值(阀驱动用马达15的旋转角的指令值)的阀开度指令值(马达旋转角指令值)Θ V* [deg]。在该例子中，将液压控制阀14的转子位于中立位置时的阀驱动用马达15的旋转角设为0°。若阀驱动用马达15的旋转角变得大于0°，则以通过动力缸16产生用于右方向转向的辅助扭矩的方式，控制液压控制阀14的开度。另一方面，若阀驱动用马达15的旋转角变得小于0°，则以通过动力缸16产生用于左方向转向的辅助扭矩的方式，控制液压控制阀14的开度。此外，阀驱动用马达15的旋转角度的绝对值越大，则通过动力缸16产生的辅助扭矩的绝对值越大。
[0050]阀开度指令值设定部152基于存储了辅助扭矩指令值Ta*和阀开度指令值θ v*的关系的映射表，设定阀开度指令值θν*。图7是表示阀开度指令值Θ V*相对于辅助扭矩指令值Ta*的设定例的图表。阀开度指令值Θ V*相对于辅助扭矩指令值Ta*的正值取正值，相对于辅助扭矩指令值Ta*的负值取负值。阀开度指令值Θ V*被设定成辅助扭矩指令值Ta*的绝对值越大则其绝对值越大。
[0051]角度偏差运算部154对由阀开度指令值设定部152设定的阀开度指令值θ ν*和由旋转角传感器33检测出的阀驱动用马达15的旋转角(实际角度)θ ν之间的偏差Λ θν(=θ V* — θ V)进行运算。
[0052]PID控制部155针对由角度偏差运算部154运算出的角度偏差Λ θ ν进行PID运算。由角度偏差运算部154以及PID控制部155，构成用于将阀驱动用马达15的旋转角θν引导为阀开度指令值θ ν*的旋转角反馈控制器。PID控制部155通过针对角度偏差Λ θ ν进行PID运算，对阀驱动用马达15的电流指令值I* [Α]进行运算。
[0053]电流偏差运算部156对由PID控制部155求得的电流指令值I*和由电流传感器36检测出的马达电流(实际电流)Ι [Α]之间的偏差ΛΙ (= I* — I)进行运算。PI控制部157针对由电流偏差运算部156运算出的电流偏差Λ I (= I* — I)进行PI运算。由电流偏差运算部156以及PI控制部157，构成用于将流向阀驱动用马达15的马达电流I引导为电流指令值I*的电流反馈控制器。PI控制部157通过针对电流偏差Λ I进行PI运算，而对要施加到阀驱动用马达15的电压指令值V* [V]进行运算。
[0054]在图5中，阀驱动用马达15被记载为作为数学模型的马达模型。马达模型能够表示为I / (L*s + R)。R是电枢绕组电阻[Ω]，L是电枢绕组电感[H]，s是微分算子(拉普拉斯算子)。可以认为对阀驱动用马达15施加由PI控制部157运算出的电压指令值V*和感应电压E [V]之间的偏差。由此，马达电流I [A]流向阀驱动用马达15。该马达电流I通过电流传感器36被检测出，并反馈到电流偏差运算部156。
[0055]马达电流I乘以阀驱动用马达15的扭矩常数Kt [N.m / A]而得的值为马达扭矩Tm [N *m]0从该马达扭矩Tm中减去来自齿条轴7的负荷扭矩TL [N-m]而得的值为赋予给液压控制阀14的扭矩Tv [N*m]0扭矩Tv乘以I / (J.s)而得的值为马达旋转速度ω [rad / s]。J是马达惯性[kg.m2], s是微分算子(拉普拉斯算子)。马达旋转速度ω乘以阀驱动用马达15的反向电压常数Ke [V-s / rad]而得的值为感应电压E [V]。
[0056]马达旋转速度ω乘以I / s而得的值为阀驱动用马达15的旋转角。I / s为积分算子。旋转角传感器33检测阀驱动用马达15的旋转角[deg]。通过旋转角传感器33检测到的旋转角被反馈到角度偏差运算部103。此外，赋予给液压控制阀14的扭矩Tv表示为J.d2 ( θ ν) / dt2。
[0057]这样一来，以液压控制阀14的开度θ ν变得与阀开度指令值θ V*相等的方式，反馈控制阀驱动用马达15。
[0058]在阀驱动用马达控制装置100中，若省略电流反馈环路，则赋予给液压控制阀14的扭矩Tv (= J.d2 ( θ ν) / dt2)以下式(I)表示。其中，在式(I)中，Kp、Ki以及Kd分别表示PID控制部155所使用的比例增益、积分增益以及微分增益。
[0059]
【权利要求】
1.一种PID控制系统，其包括: 用于对控制对象进行控制的控制单元； 设定目标值的目标值设定器； 用于检测所述控制对象的控制量的控制量检测器； 以由所述控制量检测器检测出的控制量等于由所述目标值设定器设定的目标值的方式，对所述控制单元进行PID控制的PID控制器； 设定比例系数的比例系数设定器； 用于设定微分系数的微分系数设定器； 将由所述目标值设定器设定的目标值乘以由所述比例系数设定器设定的比例系数的比例系数乘法器； 将由所述目标值设定器设定的目标值乘以由所述微分系数设定器设定的微分系数的微分系数乘法器； 运算所述比例系数乘法器的输出值与由所述控制量检测器检测出的控制量之间的偏差的第一偏差运算器； 运算由所述目标值设定器设定的目标值与由所述控制量检测器检测出的控制量之间的偏差的第二偏差运算器；以及 运算所述微分系数乘法器的输出值与由所述控制量检测器检测出的控制量之间的偏差的第二偏差运算器，其中， 所述PID控制器包括: 基于由所述第一偏差运算器运算的偏差来运算比例操作量的比例单元； 基于由所述第二偏差运算器运算的偏差来运算积分操作量的积分单元；以及 基于由所述第三偏差运算器运算的偏差来运算微分操作量的微分单元。
2.根据权利要求1所述的PID控制系统，其中， 所述比例系数设定器构成为在O以上I以下的范围内设定所述比例系数，所述微分系数设定器构成为在O以上I以下的范围内设定所述微分系数。
3.根据权利要求1或2所述的PID控制系统，其中 所述PID控制器还包括:将由所述比例单元运算的比例操作量、由所述积分单元运算的积分操作量和由所述微分单元运算的微分操作量相加的加法器。
4.一种PID控制系统，其包括: 用于对控制对象进行控制的控制单元； 设定目标值的目标值设定器； 用于检测所述控制对象的控制量的控制量检测器； 以由所述控制量检测器检测出的控制量等于由所述目标值设定器设定的目标值的方式，对所述控制单元进行PID控制的PID控制器； 对由所述目标值设定器设定的目标值进行低通滤波处理的滤波器；以及运算由所述滤波器进行的低通滤波 处理后的目标值与由所述控制量检测器检测出的控制量之间的偏差的偏差运算器，其中， 所述PID控制器包括:基于由所述偏差运算器运算的偏差来运算比例操作量的比例单元；以及基于由所述偏差运算器运算的偏差来运算积分操作量的积分单元。
5.根据权利要求4所述的PID控制系统，其中， 所述PID控制器还包括基于由所述控制量检测器检测出的控制量的时间变化量，来运算微分操作量的微分单元。
6.根据权利要求5所述的PID控制系统，其中， 所述PID控制器还包括:将由所述比例单元运算的比例操作量、由所述积分单元运算的积分操作量和由所述微分单元运算的微分操作量相加的加法器。
7.根据权利要求5所述的PID控制系统，其中， 所述微分单元包括运算由所述控制量检测器检测出的控制量的时间变化量的变化量运算器； 所述PID控制器包括:将由所述比例单元运算的比例操作量和由所述积分单元运算的积分操作量相加的第一加法器；基于规定的限制值限制所述第一加法器的输出值的限制器；以及运算由所述限制器进行的限制处理后的所述第一加法器的输出值与由所述变化量运算器运算的所述控制量的时间变化量之间的偏差的机构。
8.根据权利要求4~7中任一项所述的PID控制系统，其中， 若将所述PID控制器所使用的比例增益设为Kp，将所述PID控制器所使用的积分增益设为Ki，将拉普拉斯算 子设为S，则所述滤波器具有以H (S)=Ki / (Kps + Ki)表示的传递函数H (S)。
【文档编号】B62D5/065GK103770834SQ201310495145
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年10月21日 优先权日:2012年10月24日
【发明者】大前秀人, 酒卷正彦 申请人:株式会社捷太格特