EPS参数的优化设计及仿真

第27卷第1期辽宁工程技术大学学报(自然科学版)2008年2月.Vol.27 No.1Joumal of Liaoning Technical University ( Natural Science )Feb. 2008文章编号: 1080-0208010076-0305EPS参数的优化设计及仿真臧怀泉，刘敏(燕山大学电气工程学院，河北秦皇岛066004)摘要:为了提高汽车操纵的轻便性和灵活性，提出了将单纯形方法与模糊PID控制方法相结合设计EPS控制器的改进方法，为优化设计提供了理论依据。建立了EPS的数学模型、设计了调节控制器参数的模糊控制规则，并运用MalLab优化控制工具箱建立系统模型并进行了Simulink仿真实验研究。仿真结果表明:本设计方法大大地改善了系统的时域响应提高了汽车操纵的轻便性和灵活性。关键词:电动助力转向; 单纯形;模糊PID; Simulink 仿真中图分类号: TP391.9文献标识码: AOptimal design and simulation of EPS parameterbased on matlab/simulinkZANG Huaiquan, LIU Min(College of Electrical Engineering of Yanshan University, Qinhuangdao 066004, China)Abstract: To raise the handiness and agility of vehicles steering, a method which combines simplicity shapealgorithm with fuzzy PID control method, is brought forward to design EPS contoller. This method providestheoretical basis for optimizing the design of the controller. Then we build the EPS math model and design fuzzycontrol rules of regulating controller's parameters. The system model is buitlt with optimization toolbox inMatL ab and the simulation experiment studies are carried out in Simulink. The results of simulation experimentconfirm that this method can enormously improve the time domain performance evaluation, and improvehandiness and agility of vehicles steerer.Key words: electric power seering; simplicity shape algorithm: fuzzy PID; simulink simulation0引言汽车在稳态时转向4。据此对系统的各组成部分进电动助力转向是一种由电动机提供直接辅助行受力分析，并建立相应的运动微分方程:对转向转矩的动力转向系统，减轻了驾驶员的操纵力，提轴、转向机构及电机助力机构分析得高了汽车操纵的轻便性和灵活性”。电动助力转向系统由传感器、控制器、直流电机和传动机构等组dθ.pd6+ Kθ=T% +T。(1)成。控制系统的参数优化设计是在控制对象已知，dt控制器结构、型式确定的情况下，通过调整控制器的参数，使控制系统调节品质最佳。本文通过对电U=K,°_+RI+Ld(2)动助力转向系统分析并建立数学模型，将优化设计中的单纯形寻优法和MatLab优化控制工具箱有机对转矩传感器分析得地结合起来，建立电动助力转向系统机电-体化仿T,=K,(0,-6)(3)真模型，从而实现EPS转向轻便性和操纵稳定性。‘根据系统的机械特性得T。=TxG。,由于1BPS数学模型的建立T=K.I,则T。=K.G.I .(4)由系统的速度匹配特性得为了便于研究，我们假设转向系统的各组成部中国煤化工(5)分在转向过程中功率完全传递没有功率损耗，并且式中，MHC N M H G惯量和当量阻尼收稿日期: 2007-05-16基金项目:国家自然科学基金资助项目(50237020)作者简介:臧怀泉(1963-),男，黑龙江齐齐哈尔人，博士，教授，主要从事计算机仿真技术，控制理论与应用等方面的研究本文编校:杨瑞华第1期臧怀泉，等: EPS 参数的优化设计及仿真77系数; K为转向系统的刚度系数: Tp、 T分别为re NBNSNSZEPS PM PB方向盘转矩和电机转矩经减速机构后的助力转矩;PS NM NSZEPSPMPB PBK。为电机电磁力常数; 0为电机转角; R和L分PMNSzPS PM PBPB PB别为电机的等效电阻和电感; U、I分别为电机电枢PB z1sPMPMPEPBPB.电压和电流: G。 为减速机构传动比; T为电动机表2 ki模糊控制规则电磁转矩; K, 为传感器刚度;和0分别为方向Tab.2 fuzzy logic control rule ofki盘转角和转向柱转角。leKi由于电动机电感很小，可以忽略不计，则式(2)NB NMNSZEPSPM PB可化简为NB NB NBNBNMNMNSZNM NEze PSU=RI+Kddm(6)NS NBNMNMNSZEPSPM将式(1) (2) (3) (4)经拉氏变换得JE NBNSNSZEPS PM’PBBPI(s)= [U(s)- K,G se(s)](7)RPM NS ZE PSPMPBPB PBPBzEPSPMPMPBBPB.I()=一[U(s)- K.G,θ(s)s](8)表3 kd 模糊控制规则Tab.3 fuzzy logic control rule of kdT(s)= K,[Q,(s)-θ(s)](9)dekdNB NhNSzEPSPMPBT。= K.GJI(s)(10)VB NB NM 'NSPMPMPS ZE系统的结构参数采用文献的数据并结合本文NMNBNBNMPMPSZENS的力学模型经过换算后得到3。其结构参数为NS zEPS PMJ =1.81N. m.s/rad , B = 18.3N.m.s/ rad,zE PB PSPSZENSNMNK = 62.22N. m/rad ,G。= 30,PS PM PS ZENSNM"NBNBKn = 40N.m/ rad, K. = 0.02N.m/A,PM PS z8VM NIR=0.15QPB ZE NSNMNMPBPB PB2EPS的模糊PID控制3、 单纯形寻优方法的应用模糊PID控制是利用模糊控制规则在线对PID由于EPS系统是-一个灵活系统，同时实时性也参数进行修改.以e和de作为模糊推理控制器的两很强，'单纯的通过专家经验获取控制规则制定控制个输入，将e和de划分为7个模糊子集{NB, NM，器 难以达到最佳的控制效果。因此提出将单纯形寻NS, ZE, PS, PM, PB}, 即{“负大”,“负中”,“负优方法与模糊PID控制相结合建立一种新的控制方小”，“零”，“正小”，“正中”，“正大”},输出分别法问，如图1。为k、ki、kd, 仿真过程中采用表1、2、3的模糊规一目标函数则14),并采用Mamdani模糊推理方法。Ra_ +， Us表l知p模糊控制规则山[投期PD- +G∞]一厂调节器Tab.1 fuzzy logie control rule of kpNBNMNSZEPSPMPB图1控制系统参 数优化设计原理图NB PBPMPSNMNMNS zE中国煤化工systemNMPBPBPMNMNSzEPSs PMPSPSPSZEPS PMMYHCNMHG将e(t)和e()同78辽宁工程技术大学学报(自然科学版)第27卷时考虑，并对各项进行时间项加权。J=J+J2,曲线较为光滑平稳，说明电动助力转向系统具有良J表示系统误差的大小，J2 反映系统的误差变化好的稳定性。率，取Je()]= [x(a(2()+a2()2Jdt4仿真实验结果分析我们使用目标优化的方法在MATLAB6.5环境下用SIMULINK 来搭建仿真模型并对系统进行仿真分析，如图2。.Je图4模糊PID控制和优儿系统的阶跃响应目标函数团Q+模精PID }→回Cul 118 +Bs+K+Fig.4 step response of fuzzy PID电机转向机构control and optimal system5结论图2系统仿真模型图Fig.2 model diagram of system simulation在模糊控制理论基础上建立控制器参数的模糊控制规则，由于EPS系统是一个灵活系统，同时实时性也很强，单纯的通过专家经验获取控制规则设计控制器难以达到最佳的控制效果，因而将优化理论与模糊控制方法相结合,通过Simulink建立仿真模型并进行系统分析，得到的仿真曲线超调量小，调整时间相对于模糊PID控制明显缩短，助力> 18跟踪性得到改善,实验表明该方法使EPS具有良好的操纵稳定性和转向灵活性。参考文献:一s1[1]刘照.杨家军,鏖道训,基于混合 灵敏度方法的电动助力转向系统控图3 PID 控制和模糊PID控制下的阶跃响应制D].中国机械工程003.<5):874-876.(2] 余志生汽车理论[M].北京:机械工业出版社, 200:103-107,145-150.Fig.3 step response of PID controland fuzzy PID control3]陈无畏,王妍,等.汽车电动助 力转向系统的自适应LQG控制]机械工程学报2005.41(12);167-172.为了保证系统的助力轻便性能，在原来机械转[4]韦巍智能控制技术[M.北京: 机械工业出版社20006.06向系统中加入模糊PID控制,图3中1是PID控制，[5]张志远万沛霖汽车自动巡航系统智能控制策略[门辽宁工程技术大2是模糊PID控制，很明显模糊PID控制能够较强学学报206252):234-237.的保证EPS系统操纵稳定性。图4中1是通过修改[6]刘金琨.先进PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:电子工业出版模糊规则得到的EPS系统阶跃响应，2是将单纯形社.2003:49-59.寻优方法和模糊PID控制相结合得到的仿真结果，通过优化所得的系统仿真曲线超调量明显减小，稳定时间缩短，表明系统的助力跟踪性比较好，同时中国煤化工MYHCNMHG