一种汽车线控转向系统的分数阶pid控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车领域，涉及一种汽车线控转向系统中的控制方法。
【背景技术】
[0002] 汽车转向系统是决定汽车安全系统的关键总成。由于传统转向机械系统中，转向 盘与转向轮之间是由机械连接的，存在着转向系统中的传动比固定、传动比不能随车速变 化以及转向柱的存在威胁着驾驶员的人身安全等缺陷。汽车线控转向系统正是这种背景下 发展起来的，汽车线控转向系统取消了转向盘与转向轮之间的机械连接，完全由电动机控 制实现转向，摆脱了传统转向系统的各种限制，不仅使整车设计更灵活，而且还提高了驾驶 员的舒适感及自身的安全性，给汽车转向特性的设计带来无限的空间，是汽车转向系统的 重大革新。
[0003] 虽然汽车线控转向系统正蓬勃发展，但在现有的技术当中汽车线控转向系统仍受 到转向电机中电感非线性、参数的不确定性、未建模动态以及前轮回正力矩等因素的影响， 从而导致系统的整体稳定性不高。另外，在目前工业生产的汽车转向系统中对于转向电机 的控制一般采用的是整数阶PID控制，但由于实际的研宄对象一般都不是理想的整数阶系 统，而是由任意阶次的微分方程与积分方程构成的，因此整数阶PID控制器对实际被控对 象的控制有一定的局限性。
【发明内容】
[0004] 发明目的：实际的汽车线控转向系统容易受到内部摩擦及外部干扰等非线性因素 的影响，且转向电机中电感非线性也容易引起转向力矩的波动，因此实际的汽车线控转向 系统并不是理想的整数阶系统，因此本发明给出了一种分数阶PID控制方法，用以控制实 际的汽车线控转向系统中的转向电机，由于分数阶PID控制器具有比整数阶PID控制器更 好的鲁棒性，可以较好的抑制电机中电感非线性因素的影响，减少或消除转矩波动，从而给 汽车线控转系系统提供良好的稳定性。
[0005] 技术方案：汽车线控转向系统主要由方向盘模块、控制器模块、转向电机模块以及 前轮转向模块等组成。本发明所述的汽车线控转向系统中转向电机的分数阶PID控制方法 主要包括以下步骤：
[0006] 步骤1 :根据汽车线控转向系统中的力矩平衡原理建立动力学模型（1. 1)，结合转 向电机的电压平衡方程（1.2)便可得到系统的传递函数，根据参数已知量计算得出系统的 相角与增益；
[0009] 其中Td为方向盘的输入力矩；N为减速器的减速比为转向电机的转动惯量； 9 为转向电机的转角；为转向电机的电磁力矩；为电机的电枢电阻；为电机的电枢 电流；Kt为反电动势常量；为电枢电感；为电枢电压；为电机的电磁转矩常数。根据 上述动力学方程，可得到系统的传递函数：
[0011] 由此可计算得到系统的相角与增益分别为：
[0014] 其中夂=KA，=KJ，，A2 =KA+B义-从乂，B2 =JA+B上。
[0015] 步骤2 :根据分数阶PID控制器的传递函数（1.6)，计算得出分数阶PID控制器的 相角与增益；
[0017] 其中HKd、人、y分别为分数阶PID控制器的比例系数、积分系数、微分系数、 积分阶次、微分阶次。计算得出分数阶PID控制器的相角与增益分别为：
[0021] 步骤3:联立汽车线控系统的传递函数（1.3)与分数阶PID控制器的传递函数 (1. 6)，根据步骤1和步骤2中的各自的相角与增益便可计算得出开环系统的相角与增益；
(1.10)
[0024] 步骤4 :利用开环系统的稳定裕量指标，分别作为分数阶PID控制器参数计算的目 标函数式（1. 11)及约束条件式（1. 12)_ (1. 15)，采用粒子群优化算法对目标函数进行求取 极小值，计算得出分数阶PID控制器的五个控制参数，即：比例系数Kp、积分系数&、微分系 数K D、积分阶次A、微分阶次y，用以实现分数阶PIXDW控制器对汽车线控转向系统的转向 电机控制。
[0030] 其中w。为开环系统的穿越频率；巾m为给定的相位裕量;w h与w 别为所设定频 率段范围，H与N是该频率段所对应上限值。
[0031] 步骤5:根据所整定的分数阶PID控制器参数，利用其时域表达式计算出分数阶 PID控制器的输出量u (t)，通过PWM方式来驱动控制电机。
[0032] u(t) = Kpe (t) +KjD_ A e (t) +KdDu e (t) (1. 19)
[0033] 其中：e(t)是汽车线控转向系统中的转向电机输出的实际力矩TMal与给定的 理想力矩！\^的差值，且在计算过程当中，分数阶微分项与积分项的运算由浮点型的TI DSP28355来完成。
[0034] 有益效果：本发明对汽车线控转向系统中的转向电机的控制方法所涉及的技术问 题进行了详细的描述，将较为先进的分数阶PID控制器引入到汽车线控转向系统中对转向 电机的电压进行控制，使其输出理想的转向力矩，因为分数阶PID控制器的微积分阶次可 取非整数连续值，从而使得分数阶控制器较传统整数阶PID控制器的结构更为灵活，且对 一般的实际物理控制对象皆适用；本发明根据汽车线控转向系统的开环系统传递函数的相 角及增益，利用粒子群优化算法对目标函数进行优化，从而计算可得到分数阶PID控制器 的控制参数，实现对汽车线控系统的理想控制；本发明中分数阶PID控制器采用的是浮点 型的TI DSP28355处理器，为分数阶微积分的阶次运算提供了平台；与传统的整数阶PID控 制器相比，本文明中所用的分数阶PID控制器具有鲁棒性强、应用范围广等特点。
【附图说明】
[0035]图1是汽车线控转向系统结构图；
[0036] 图2是分数阶PID控制算法流程图。
【具体实施方式】
[0037] 以下将结合附图以及实施例对本发明做进一步的详细说明，本实施对本发明不构 成限定。
[0038] 汽车线控转向系统主要由转向盘模块1、前轮转向模块10、控制器6、路感模拟装 置4、总线集成5、转向电机7、转向前轮9、转矩传感器2、转角传感器3及车速传感器8等部 分组成，其典型结构如图1所示：当驾驶员操纵转向盘1时，转矩传感器2、转角传感器3以 及车速传感器8将当前采集到的转动信息及车速信息通过总线集成5传送到控制器6,控制 单元根据车辆当前的状态信息进行分析计算，启动转向电机7,使转向电机产生对应的转向 力矩，从而驱动前轮转向模块10转动。
[0039] 汽车在运行过程当中，车速传感器8实时采集到车速信息和转矩传感器2及转角 传感器3采集到的方向盘转角转矩信息，并将这些信息通过总线5传送到控制器6中，由 控制器计算出理想给定转矩的大小，通过力矩传感器检测出转向电机的实际输出力矩，采 用闭环控制将力矩差值提供给分数阶控制器进行控制，从而得到控制转向电机的理想电压 值，使得转向电机输出适当的力矩作用于前轮转向机构，促使汽车前轮顺利转向。
[0040] 根据汽车运行过程中线控转向系统各模块间的传递函数，可以计算得出系统传递 函数为：
[0042] 其中Td为方向盘的输入力矩；N为减速器的减速比Jm