一种电控液压助力转向系统及基于该系统的多目标优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及汽车电控液压转向系统领域，特别是一种电控液压助力转向系统及基 于该系统的多目标优化方法。
【背景技术】
[0002] 电控液压助力转向系统是一种由电动机驱动，由车速传感器监控车速，电控单元 ECU获取数据后通过控制转向控制阀的开启程度、叶片栗驱动电机的转速改变油液压力，实 现转向助力力度的大小调节的新型汽车动力转向系统，目前广泛应用于汽车动力转向中。 相比传统的液压助力转向系统，电控液压助力转向系统拥有更好的汽车高速行驶时的操纵 感觉和动态响应以及行驶过程中经济性等优势，由于该系统以电机代替发动机直接驱动液 压栗，车速和转向盘转速将影响电机转速的大小，在车速低、转向盘角速度大时，ECU响应使 得电机转速增大，增大液压油流量，增大转向助力；反之，电机转速降低，系统提供的助力减 小。
[0003] 但是在现有的电控液压助力转向系统的研究中，一方面，只能根据车速和转向盘 转矩确定电机转速，再通过控制电机的转速来控制助力转矩，液压系统中的转阀开度只能 依赖于转向盘转角进行线性调节，不适合多工况下均能满足使汽车转向能耗尽量小的要 求，系统结构在降低能耗方面还有很大程度的改进；另一方面，目前对电控液压助力转向系 统优化设计方面的研究不能综合考虑汽车转向过程中系统的能量消耗，同时兼顾驾驶员的 转向感受。目前，针对对机械系统参数和液压栗参数进行多目标优化设计，使得转向系统以 较小的能量消耗并保证驾驶员获得良好的操纵稳定性和转向路感的报道尚未见公开。
【发明内容】
[0004] 针对上述问题，本发明提供一种电控液压助力转向系统，并基于该系统，根据由传 感器得到的车速、转向盘转角、转向力矩、汽车横摆角速度以及路面信号基础上，综合考虑 电机转速、转阀开度、机械转向系统参数、液压栗参数的电控液压助力转向系统及其多目标 优化方法，本发明是这样实现的：
[0005] -种电控液压助力转向系统，其特征在于，包括转向机械单元、转阀开度调节单 元、油栗调节单元和电子控制单元ECU ;
[0006] 所述转向机械单元包括依次连接的转向盘、转向轴、齿轮齿条转向器以及两端连 有车轮的转向横拉杆，转向横拉杆上设有液压缸，转向轴上设有扭矩传感器；
[0007] 所述转阀开度调节单元包括相连的转阀及转阀调节电机，转阀与液压油箱之间设 有液压回油管路，转阀与液压缸之间设有液压缸进油管路和液压缸回油管路，
[0008] 液压缸两侧设有液压传感器元件；
[0009] 所述油栗调节单元包括相连的双作用叶片栗和油栗驱动电机；双作用叶片栗分别 与液压油箱和转阀相连，将由液压油箱输出的液压油通过转阀进油管路在转阀处分流至液 压缸进油管路和液压缸回油管路；
[0010] 所述电子控制单元ECU与扭矩传感器和液压传感器元件相连，接收他们发出的电 信号，并向转阀调节电机和油栗驱动电机发出控制信号。
[0011] 进一步，本发明中，所述电子控制单元ECU还连有车载光学传感器，接收由车载光 学传感器发出的电信号。
[0012] -种基于电控液压助力转向系统的多目标优化方法，具体步骤如下：
[0013] 1)利用建模软件MATLAB-Simulink，建立电动液压助力转向系统模型、整车动力 学模型，以及能耗数学模型，其中电动液压助力转向系统模型包括电机模型、转向盘模型、 齿轮齿条模型、转向栗模型、转阀模型、输入和输出轴模型、液压位置伺服控制模型、轮胎模 型；
[0014] 2)将转向系统能耗、转向路感以及转向灵敏度作为电控液压助力转向的性能评价 指标，并建立三个性能评价指标的量化公式；
[0015] 其中，转向路感的量化公式为：
[0017] 式⑴中，Th为转向盘输入转矩，为转向螺杆的助力转矩，为齿条质量，％为 小齿轮半径，Ill为转向系统转向盘转角到前轮转角的传动比，Jni为电机与油栗的转动惯量， Ap为液压缸活塞面积，B1^为齿条阻尼系数，Bni为电机与油栗的粘性阻尼系数，P为油液密 度，A为阀间隙的油流量面积，nv为油栗的容积效率，C q为阀间隙的流量系数，K为电机助力 系数，Ka为转向助力电机转矩系数，K s为转矩传感器刚度，k ττ为转向轴与扭杆的综合刚度， q为栗的排量，B为定子厚度，
[0018] R2为定子长轴半径，R i为定子短轴半径，Z为叶片栗叶片数，t为叶片厚度；
[0019] 转向灵敏度量化公式为：
[0021] 式（2)中，δ (s)为经拉普拉斯变换后的前轮转角，Θ s (s)为经拉普拉斯变换后的 方向盘转角，β (S)为经拉普拉斯变换后的横摆加速度，Φ (S)为经拉普拉斯变换后的质心 侧偏角，Wr (S)为经拉普拉斯变换后的横摆角速度，η为双作用叶片栗的转速，η为转向输出 轴到前轮的传动比，a为汽车质心到前轴距离，u为汽车车速，d为为车辆1/2轮距，E1为侧 倾转向系数，kp k2为前轮侧偏刚度；
[0022] 转向系统能耗量化公式为：
[0024] 式（3)中，E为转向系统总能耗功率，Pecu ^为ECU消耗功率，P E _^_为电机损 失功率，P_p lciss为液压栗损耗功率，Pv lciss为转阀损耗功率；Ua为液压栗驱动电机的有效电 压，Ia为发动机电流，Ra为电枢电流的负载电阻，为非电枢电流上的电阻，UA电源电 压，L为转阀开口长度，w为转阀开口宽度，K。为转向轴刚度，K n为转矩传感器刚度；
[0025] 3)以转向路感和转向系统能耗为优化目标，转向灵敏度为系统约束条件，建立电 控液压助力转向系统多目标优化模型，电控液压助力转向系统优化的目标函数f(x)为：
[0027] 式⑷中：路感函数f (X1)为路面信息有效频率范围（0, ω。）的频域能量平均值， 优化方案中ω。= 40Hz ;能耗函数f (X2)为系统电机的能量损耗和转阀的能量损耗；
[0028] 电控液压助力转向系统优化的约束条件为：
[0030] 在优化过程中ω。= 40Hz，并且式（5)函数满足0· 0008彡f(x 3)彡0· 0099的约 束条件；
[0031] 4)将定子厚度B，电机与油栗的转动惯量Jni，转矩传感器刚度Ks，液压栗转速n，转 阀转角Θ作为电控液压助力转向系统的设计变量；
[0032] 5)利用优化软件：isight，采用融合布谷鸟算法的改进Memetic智能算法对式 (1) - (4)中的机械参数、液压系统参数进行优化，根据优化结果得出最优pareto解集，并选 取最优安协解；
[0033] 6)将获得的最优妥协解各参数对应的能耗值与优化前的能耗值进行比较，若低于 优化前的能耗值，则认为优化有效。
[0034] 进一步，本发明中，步骤5)所述融合布谷鸟算法的改进Memetic智能算法具体步 骤如下：
[0035] 51)编码：
[0036] 根据设计变量的取值范围及约束条件限制，得到解空间的可行解数据，并将其表 示成搜索空间的浮点型串结构数据，这些串结构数据的不同组合即构成了不同的可行解； [0037] 52)产生初始种群：
[0038] 初始种群为随机产生，对于N = 0时刻，随机产生M个可行解，具体随机产生的可 行解&为：
[0040] x_为可行解范围的上边界，X _为可行解范围的下边界；
[0041] 53)适应度计算：
[0042] 将得到的可行解代入目标函数，所得到的目标函数值对应于适应度，目标函数值 越优所对应个体作为优良个体；
[0043] 54)群体 Meme 协作，
[0044] 从上代群体中选取M个优良个体，进入下一次迭代过程，选择概率如下式：
[0046] 对初始产生的M个个体，按照如下杂交算子进行计算，产生新种群：
[0049] 式中：PpP2S从种群中随机选取的两个父个体；石_、/Th为通过交叉算子运算 后产生的子代对应新个体;《^?2为[0, 1]上随机产生的随机数；
[0050] 在杂交运算产生的新种群中，按下式给出的变异算子进行变异操作，选取若干个 体：
[0052] 式中：V为选取的变异参数；Vnew为变异后的参数；sign随机取0或I ;b up、blb分别 为参数取值的上界和下界；r为[0, 1]上随机产生的随机数；t = gygni为种群进化的标志