模糊PID控制策略在汽車助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的應(yīng)用

李智勇，戴 蓉

LI Zhi-yong1, DAI Rong2

（1. 四川工程職業(yè)技術(shù)學院 電氣信息工程系，德陽 618000；2. 中國民用航空飛行學院 計算機學院，廣漢 618307）

0 引言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是汽車技術(shù)發(fā)展的趨勢，它具有結(jié)構(gòu)簡單、節(jié)能環(huán)保、安全可靠等優(yōu)點，能夠滿足人們對汽車駕駛安全、穩(wěn)定、靈活的要求。合理的控制策略是影響EPS性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的PID控制策略存在許多弊端，已經(jīng)不能滿足發(fā)展的需要，因而出現(xiàn)了一些先進的理論例如魯棒控制理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論等，希望提升系統(tǒng)抗干擾性和穩(wěn)定性等。本文采用了模糊控制理論來優(yōu)化PID控制器，算法簡單、性能優(yōu)異，尤其適合EPS的非線性系統(tǒng)，意義重大。

1 EPS系統(tǒng)原理

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(簡稱EPS)是一種由電動助力機直接提供轉(zhuǎn)向輔助扭矩的動力系統(tǒng)，將挑戰(zhàn)成為液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)而成為汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的今后發(fā)展方向。EPS系統(tǒng)具有裝配靈活、調(diào)整簡單、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點。如圖1所示，EPS主要由輸入軸、電機、扭矩傳感器、循環(huán)球螺桿和ECU等部分組成。

圖1 EPS結(jié)構(gòu)圖

汽車駕駛員在轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向盤的轉(zhuǎn)矩大小和轉(zhuǎn)向被轉(zhuǎn)矩傳感器所檢測，電壓信號再輸給ECU，ECU再將檢測到的各種信息發(fā)出指令給電動機控制器，使其輸出合適的轉(zhuǎn)向助力轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)轉(zhuǎn)汽車向。

EPS具有以下優(yōu)勢，使得它近年來獲得廣泛應(yīng)用：

1）電機僅轉(zhuǎn)向時提供助力，節(jié)省燃油。

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有發(fā)動機帶動轉(zhuǎn)向油泵，不管無論是否轉(zhuǎn)向都會消耗發(fā)動機一定的動力。而EPS不轉(zhuǎn)向時并不消耗能量，電機僅僅在轉(zhuǎn)向時才提供助力，這樣EPS就能降低燃油消耗。實驗表明，不轉(zhuǎn)向時可以降低燃油消耗2.5%左右，轉(zhuǎn)向時，降低5.5%左右。

2）軟件能夠調(diào)整轉(zhuǎn)向助力的大小，同時兼顧高速操縱的穩(wěn)定性和低速轉(zhuǎn)向的輕便性。

通過軟件調(diào)整助力，低速時系統(tǒng)提供較大的轉(zhuǎn)向助力，使得轉(zhuǎn)向輕便；車速慢慢提高，系統(tǒng)提供的轉(zhuǎn)向助力逐漸減小，轉(zhuǎn)向時所需的轉(zhuǎn)向力就逐漸增大，提高車輛的穩(wěn)定性。

另外，EPS還施加一定的附加回正或者阻尼力矩，同時兼顧車輛在高速、低速時都具有較好的回正性能。

3）結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)量輕巧，易于保養(yǎng)。

EPS省去了液壓轉(zhuǎn)向油泵、液壓管路等部件，電機、減速機構(gòu)又和轉(zhuǎn)向柱、轉(zhuǎn)向器形成整體，整體系統(tǒng)緊湊，生產(chǎn)裝配性好，易于保養(yǎng)。

4）EPS可以通過程序的設(shè)置和不同的車型相匹配，縮短開發(fā)周期。

2 EPS的模糊PID控制策略

EPS的控制需要解決確定電機目標電流和對目標電流進行跟蹤兩大問題。

2.1 確定目標電流

目標電流由助力特性曲線確定，相同力矩下，目標電流按照車速的遞增而下降，助力隨電流的增大而加大，本文選擇線性助力特性曲線，通過查詢表格確定目標電流，具有輕便的特性。從圖2中可以看出，轉(zhuǎn)向盤輸入力矩用Td表示，助力轉(zhuǎn)矩用Ta，最大助力時的轉(zhuǎn)向盤力矩表示為Tdmax，線性助力特性數(shù)據(jù)量小、結(jié)構(gòu)簡單、方便存儲而且容易進行調(diào)整。

圖2 線性特性曲線

2.2 跟蹤目標電流

EPS系統(tǒng)中最被廣泛采用的是基于PID的控制策略，通常按照誤差比例、積分、微分線性組合，進行控制。通過調(diào)節(jié)使系統(tǒng)輸出接近目標值，實現(xiàn)跟蹤目標轉(zhuǎn)矩。但是這種方式采用精確的參數(shù)，并不能得到滿意的特性。本文采用的模糊PID控制，其結(jié)構(gòu)如圖3在不同情況下調(diào)整kp、ki、kd參數(shù)，保持為最佳，提高動態(tài)響應(yīng)速度。

圖3 模糊PID控制圖

2.3 模糊PID控制設(shè)計

設(shè)計控制器的關(guān)鍵是建立模糊規(guī)則，總結(jié)技術(shù)知識和操作經(jīng)驗，建立比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd三張模糊控制表，如表1、表2、表3。將輸入變量e和誤差變化率ec設(shè)成{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} 7個模糊等級， kp、ki、kd＝ {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

模糊推理的規(guī)則如下：

1）誤差較大時，要提高響應(yīng)速度，同時為了避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)超調(diào)，kp取大值，ki取零；誤差偏小時，防止振蕩、不穩(wěn)定，kp減小，ki取小值；當偏差很小，為使系統(tǒng)快速穩(wěn)定，kp繼續(xù)減小。ki取稍大值或者不變。

表1 kp的模糊規(guī)則表

表2 ki的模糊規(guī)則表

表3 kd的模糊規(guī)則表

2）e越大，kp越小，ki越大，反之同樣如此，考慮時需要結(jié)合偏差大小。

3）偏差與其變化率同號時，被控量的變化方向向著偏離既定值，kp取大值；偏差較大時，kp取小值，可以達到加快控制的動態(tài)過程的目的。

4）微分可以阻止偏差變化，改善動態(tài)特性，消除振蕩，kp可以加大，減小穩(wěn)態(tài)誤差，使控制效果滿意。e較大時，kd為0，被PI控制；e較小時，kd為正，PID控制。

3 仿真和結(jié)果

本文的仿真實驗選擇軟件MATLAB 7.0.1。設(shè)置初始值 kp0＝ 10，ki0＝ 1000，kd0＝ 0.005，輸出變量Dkp變化范圍在[-9, 9]、Dki[-1000, 1000]、Dkd[-0.005,0.005]。

給轉(zhuǎn)向盤輸入階躍信號和正弦信號作為其力矩輸入信號，模擬常規(guī)和快速兩種方向盤轉(zhuǎn)動情況下的電磁轉(zhuǎn)矩作為輸出信號。輸出信號和目標轉(zhuǎn)矩放入模糊控制器做模糊PID調(diào)節(jié)，完成后其值看作是控制助力電壓信號。本文將常規(guī)PID和模糊PID控制器進行EPS系統(tǒng)控制的仿真實驗。圖4的結(jié)果表明，模糊PID控制明顯優(yōu)于常規(guī)PID控制的EPS系統(tǒng)。模糊PID控制下快速轉(zhuǎn)動方向盤時可靠性和穩(wěn)定性更好，系統(tǒng)響應(yīng)時間短、輸出平穩(wěn)、抗干擾，系統(tǒng)的助力跟蹤性能良好。

4 結(jié)論

模糊PID控制策略結(jié)合了常規(guī)PID控制和模糊控制，文章首先介紹了電動助力轉(zhuǎn)向的原理，然后設(shè)計模糊PID控制，確定模糊規(guī)則、調(diào)整控制參數(shù)等，說明模糊PID控制的精確控制和良好性能，EPS能輕便改善轉(zhuǎn)向。通過MATLAB的仿真結(jié)果證明模糊PID控制效果優(yōu)于PID控制，性能更好、更可靠。

圖4 模糊PID控制仿真

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