汽车电动助力转向系统的预测控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及汽车的动力转向技术领域，具体设及一种汽车电动助力转向系统的预 测控制方法。
【背景技术】
[0002] 汽车电动助力转向系统W其节能环保，易于装配，占用空间小，易于控制的特点， 已逐渐成为汽车助力转向系统的主流。电动助力转向系统可W在汽车转向过程中，根据车 速的变化提供不同的助力，从而提高汽车操纵的稳定性，其中控制系统的设计是电动助力 转向系统的关键技术，电动助力转向系统控制性能的好坏，直接关系到汽车的操纵性和安 全性。2012年，谭光兴，宋场，吴列军，宁胜花在2012年《计算机测量与控制》20卷第7期 第1796-1799页发表论文"基于整车动力学模型的EPS预测控制策略仿真研究"，将广义预 测控制算法引入到了汽车电动助力转向控制系统中，使得电动助力转向控制系统对未来的 控制情况有了预见性，能够根据系统结构规划未来的控制输入。然而其所采用的广义预测 控制参考轨迹仍旧是在恒值控制中所采用的参考轨迹形式，不适应于电动助力转向系统控 制中目标助力电流快速多变的特点。
【发明内容】
[0003] 为解决现有汽车电动助力转向系统的预测控制方法不适用于目标助力电流快速 多变的应用环境的不足，本发明提供一种汽车电动助力转向系统的预测控制方法，使广义 预测控制算法更适应于转向柱助力式电动助力转向系统快速多变的应用环境。
[0004] 为解决上述问题，本发明是通过W下技术方案实现的：
[0005] 汽车电动助力转向系统的预测控制方法，通过电枢电流预测控制和转向杆位移预 测控制两个闭环控制实现；电枢电流环负责电枢电流跟随助力特性曲线期望的参考电流， W实现对助力力矩的精确控制；转向杆位移环负责实际的转向杆位移跟随期望的转向杆位 移，W实现对车轮转向角的精确控制。
[0006] 上述汽车电动助力转向系统的预测控制方法，具体包括步骤如下：
[0007] 步骤1、采集整车车速V、驾驶员输入力矩Td、方向盘转角0S、助力电机电枢电流I。 W及转向杆位移Xf;
[0008] 步骤2、根据采集到的整车车速V和驾驶员输入力矩Td，通过查找模糊助力特性曲 线得到助力电机目标电枢电流Im;根据采集到驾驶员输入力矩Td和方向盘转角ΘS，通过转 向杆位移估计公式得到理想的转向杆位移X?;
[0009] 步骤3、用电流传感器采集助力电机的实际电枢电流I。，结合步骤2得到的助力电 机目标电枢电流Im，通过参考轨迹设定算法设定理想的助力电流参考轨迹序列Γ;用转向 杆位移传感器采集转向杆的位移量Xf，结合步骤2得到的理想的转向杆位移X"，通过参考 轨迹设定算法设定理想的转向杆位移的参考轨迹序列:
[0010] 步骤4、确定CARIM模型，并根据确定的电动助力转向系统的CARIM模型得到未 来的控制序列技和未来电动助力转向系统电枢电流输出序列万与未来转向杆位移输出序 列支;的关系；
[0011] 步骤5、采用最小方差最优化法对理想的助力电流参考轨迹序列与未来电动助 力转向系统电枢电流输出序列4进行电流预测滚动优化，同时采用最小方差最优化法对理 想的转向杆位移的参考轨迹序列^与未来电动助力转向系统转向杆位移输出序列进 行转向杆位移预测滚动优化，使得系统的未来输出序列与理想的参考轨迹序列趋近，使得 未来的控制序列巧最优化；
[0012] 步骤6、将最优的未来的控制序列巧的第一项，即当前时刻最优的控制量施加到实 际的被控对象电动助力转向系统助力电动机上，驱动助力电动机为驾驶员转向提供助力。
[0013] 步骤2中，转向杆位移估计公式如下：
[0014]
[001引式中，Xrm为理想的转向杆位移，rp为转向齿轮半径，Θ历方向盘转角，Td为驾驶 员输入力矩，氏为扭矩传感器的刚度系数。
[0016] 步骤3中，参考轨迹设定算法设定参考轨迹不是恒定值，参考轨迹向量为：
Ni为预测时域长度；参考轨迹确定方法如下：
[0017]yr化+1) =YrGO+uGO
[0018] 参考轨迹未来的设定值ω并不是一个恒定量，其变化趋势恒定，其未来的设定值 递推序列如下：
[0019]ω化+1) = 3Χω化)-3Χω化-1) +ω化-2)
[0020] 其中，控制参考轨迹y^k+1)趋近于变化的设定值ω化+1)的参考轨迹控制量 U化)，采用增量式数字PID的形式确定，其公式如下：
[0021]U似=U化-1) +ΔU化）
[0022] ΔU化）=kpX[e(k)-e化-1) ]+kiXe(k)+kdX[e(k) -2Xe化-1)+e化-2)]
[0023]其中kp，ki，kd为PID参数；
[0024] e化+1) =ω化+l)-yr化+1)
[00巧]=ω化）+Δω(k)-Yr(k)-u化）
[0026] =e化)+Δω似-u化）
[0027] 控制要求|e化+1)I《|e化）I;
[0028] 未来变化速率相同的设定值序列：
[0029] ω化+1) =ω化)+e(k)= 2ω化)-ω化-1)
[0030] 未来变化趋势相同的设定值序列
[0031] e化+1) =e(k) +(e(k)-e化-1)) = 2Xe(k)-e化-1)
[0032]ω(k+1) =ω化)+e(k+1) = 3ω(k)-3ω(k_l) +ω化-2)
[0033] 未来变化的设定值要求限制其变化范围在当前设定值为中屯、的一个可允许的变 化范围内I ω化+Ν)-ω化）I《Gm。、，为允许的最大变化范围。
[0034] 步骤3中，通过参考轨迹设定算法设定理想的助力电流参考轨迹序列r的具体过 程如下：
[003引 If化+1) = Ir(k)+Ui(k)
[0036] 参考轨迹未来的设定值Im并不是一个恒定量，其变化趋势恒定，其未来的设定值 递推序列如下：
[0037] Im化+1) = 3 X Im似-3 X Im化-1) +Im化-2)
[0038] 其中，控制参考轨迹If化+1)趋近于变化的设定值Im化+1)的参考轨迹控制量 Ui化)，采用增量式数字PID的形式确定，其公式如下：
[0039] Ui化）=Ui化-1)+ ΔUi化）
[0040] ΔUi化）=kpX [e;化)-e;化-1)] +kiX e;化)+kdX [e;似-2X e;化-1)+e;化-2)]
[0041]其中kp，ki，kd为PID参数；
[004引ei(k+l) = Im化+1)-Ir(k+1)
[0043] =Im(k) +ΔIm(k)-If(k)-Ui(k)
[0044] =e;化）+ ΔIm似-Ui化）
[004引控制要求|ei(k+l) I《|e;似I ;
[004引其中，参考轨迹的初始值If似=laGO、UiOc-l) = 0、e;似=Im似-Ia(k)、 化-1) = Im化-l)-Uk-l)、ei化-2) = Uk-2)-Ia化-2);其中，Uk)为当前电流传感器采 集到的电枢电流，1。化-1)与1。化-扣为前两个采样时刻采集到的电枢电流；Im似为当前时 刻的目标助力电流，Im(k-l)与Im化-2)为前两个采样时刻的目标助力电流。
[0047] 步骤3中，通过参考轨迹设定算法设定理想的转向杆位移的参考轨迹序列文；的 具体过程如下：
[0048]Xrr化+1)= Xrr(k)+Ur(k)
[0049] 参考轨迹未来的设定值Xfm并不是一个恒定量，其变化趋势恒定，其未来的设定值 递推序列如下：
[0050]Xrm化+1)=3XXrm似-3XX? 化-1) +X? 化-2)
[005。其中，控制参考轨迹x"(k+l)趋近于变化的设定值X"(k+1)的参考轨迹控制量Uf化)，采用增量式数字PID的形式确定，其公式如下：
[0052]Uf(k) = Uf化-l) + AUf化）
[0053]ΔUf化）=kpX [Gf(k)-Gf(k-1)] +kiX化)+kdX [Gf(k) -2X化-1)+6r化-