基于MatLab/Simulink的EPS系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化仿真

賈滿滿

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院 河南 商丘 476000)

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基于MatLab/Simulink的EPS系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化仿真

賈滿滿

(商丘師范學(xué)院 物理與電氣信息學(xué)院 河南 商丘 476000)

大多數(shù)汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)控制器使用PID控制，而控制器參數(shù)設(shè)計通常使用試湊法反復(fù)試驗來確定，所以汽車操縱的輕便性和靈活性不可能達(dá)到最優(yōu).針對這種情況，提出了用單純形法設(shè)計EPS系統(tǒng)控制器參數(shù)，尋找優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)函數(shù).運用MatLab控制工具箱建立系統(tǒng)模型并進(jìn)行了Simulink仿真實驗研究，仿真實驗結(jié)果表明.運用單純形法設(shè)計EPS系統(tǒng)控制器能夠較大的提高其時域響應(yīng)，提高了汽車操縱的輕便性和靈活性，并為優(yōu)化設(shè)計提供了理論依據(jù).

電動助力轉(zhuǎn)向；單純形；PID；Simulink仿真

0　引　言

電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)(EPS)是靠電動機來提供輔助助力，助力的大小受電子控制單元(ECU)控制，從而控制電動機的輸出力矩實現(xiàn)轉(zhuǎn)向助力.EPS控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是在被控對象和控制器已知的條件下，經(jīng)過在線調(diào)節(jié)控制器的參數(shù)，使EPS控制系統(tǒng)達(dá)到優(yōu)化的目的.本文為了提高EPS系統(tǒng)的時域響應(yīng)，提高汽車操縱的跟蹤性和輕便性，避免控制器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計使用試湊法反復(fù)試驗來確定的弊端，通過分析EPS系統(tǒng)并依據(jù)牛頓定理建立其數(shù)學(xué)模型，然后采用單純形法對EPS的PID控制器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.

1　EPS數(shù)學(xué)模型的建立

EPS的機械部分如圖1所示，簡化后由電機組件、方向盤轉(zhuǎn)向柱組件和齒輪齒條組件組成.忽略各種非線性摩擦并根據(jù)牛頓運動定律建立運動方程，得到整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[1,2].

(1)

(2)

(3)

圖1　EPS系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)模型

對上式進(jìn)行變量定義.Jc與Jm分別是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)動慣量與電機子系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量；θc與θm分別是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的角度與助力電機的轉(zhuǎn)動角度；kc與km分別是轉(zhuǎn)向柱剛度與電動機系統(tǒng)管柱剛度；xr和m是轉(zhuǎn)向橫拉桿的位移和質(zhì)量；bc、bm和b分別是轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)向柱子系統(tǒng)阻尼系數(shù)、電機系統(tǒng)阻尼系數(shù)及轉(zhuǎn)向橫拉桿系統(tǒng)阻尼系數(shù)；rp是轉(zhuǎn)向小齒輪的半徑；G是齒輪傳動比；FTR為轉(zhuǎn)向橫拉桿作用力；Td與Tm分別為方向盤輸入扭矩、電動機輸出扭矩[3-5].

2　電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器參數(shù)優(yōu)化

2.1傳統(tǒng)PID控制參數(shù)確定方法

PID控制器是把偏差的比例P、積分I與微分D由線性組合組成控制量，對被控對象進(jìn)行相應(yīng)的控制.其控制規(guī)律為：

(4)

式中比例環(huán)節(jié)成比例地反映控制信號的偏差信號e(t)，如果偏差出現(xiàn)，控制器會產(chǎn)生控制作用來減少偏差.積分環(huán)節(jié)可以消除靜差，積分時間常數(shù)TI決定積分環(huán)節(jié)的強弱，當(dāng)TI越大時，積分作用會越弱.微分環(huán)節(jié)決定偏差信號的變化速率，會在偏差信號變的太大前在控制系統(tǒng)中加入修正信號，進(jìn)而減小調(diào)節(jié)時間.

由于EPS是有差系統(tǒng)，為了保持系統(tǒng)的靜差，在應(yīng)用中控制器采用不完全的PID控制，也即P控制或PD控制.當(dāng)比例系數(shù)太大時，系統(tǒng)可能發(fā)生等幅振蕩，甚至出現(xiàn)發(fā)散振蕩；反之，系統(tǒng)會越穩(wěn)定.微分輸出的方向會阻止被控變量的變化，使偏差不變，因此，當(dāng)被控變量發(fā)生劇烈的變化時，能在劇烈變化發(fā)生瞬間，提供較大的調(diào)節(jié)作用，減少被控變量的波動幅度.

控制器參數(shù)確定的方法通常有經(jīng)驗法、半經(jīng)驗法、反應(yīng)曲線法和理論計算法.

(1)經(jīng)驗法可先設(shè)置比例度，確定系統(tǒng)的振蕩周期Tp，接著根據(jù)被控過程的特點，當(dāng)采用PI控制時，設(shè)置Ti=(0.5-1)Tp;對成分、溫度等被控過程，可采用PID控制，設(shè)置Td=(0.25-0.5)Ti.即比例度從大到小搜索，直到過渡過程符合控制要求.

(2)半經(jīng)驗法先用單純P作用搜索，得到所需衰減比的響應(yīng)曲線，接著根據(jù)相應(yīng)的振蕩周期和參數(shù)等數(shù)據(jù)，用半經(jīng)驗公式計算PI或PID控制器的參數(shù).

(3)反應(yīng)曲線法和理論計算法得出控制器參數(shù).

經(jīng)驗法和半經(jīng)驗法通過閉環(huán)運行觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，通過反復(fù)試湊參數(shù)達(dá)到滿意的結(jié)果，確定PID的控制參數(shù).此方法有一定的局限性，因為需要反復(fù)試驗，控制效果也可能達(dá)不到最優(yōu).反應(yīng)曲線法和理論計算法通過大量計算得到控制器參數(shù)，參數(shù)最優(yōu)值的確定有一定的困難.通過目標(biāo)函數(shù)對控制系統(tǒng)PID參數(shù)的優(yōu)化能解決參數(shù)最優(yōu)問題，本文EPS系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)的確定采用單純形法尋優(yōu).

2.2目標(biāo)函數(shù)的選取

單純形是變量空間內(nèi)最簡單的規(guī)則形體.在如圖2所示的二維空間取平面上的三個點構(gòu)成單純形.單純形的尋優(yōu)過程為[7]：

(1)△XYZ的X點是壞點，便拋棄X點，并把三角形YZ沿邊翻轉(zhuǎn)，可得到新△X1YZ.不斷重復(fù)此過程，就是拋棄壞點，并建立新點.如果壞點重復(fù)，就拋棄次壞點，并接著上述過程.

(2)當(dāng)三角形接近峰頂(即最優(yōu)值)時，會發(fā)生三角形繞相同“好點”轉(zhuǎn)圈的情況，即好點重復(fù)出現(xiàn).假如單純形繞最優(yōu)點翻轉(zhuǎn)的次數(shù)用T表示，變量的維數(shù)用N表示，當(dāng)T≥1.65N時表示三角形達(dá)到峰頂.

圖2　單純形法尋優(yōu)原理

圖3　控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)優(yōu)化設(shè)計原理圖

(3)假如對變量的精度要求比較高，可先把單純的邊長值縮小，然后接著尋優(yōu)過程，一直到滿意的參數(shù).單純形法求出的“好點”為最優(yōu)設(shè)計方案，求出的變量值即為最優(yōu)參數(shù).

(5)

EPS系統(tǒng)利用單純形法仿真流程圖如下圖4所示：

圖4　單純形法參數(shù)尋優(yōu)程序框圖

3　仿真實驗結(jié)果分析

在SIMULINK中搭建EPS系統(tǒng)的仿真模型并進(jìn)行仿真分析，如圖5所示.

圖5　EPS系統(tǒng)仿真模型

在MATLAB的命令窗口中運行程序可以得到優(yōu)化后的參數(shù)，如表1所示.

表1　目標(biāo)函數(shù)優(yōu)化后所得系統(tǒng)參數(shù)

當(dāng)采用比例微分控制時，選取kp=20,kd=1.在原來機械轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中加入了比例控制和比例微分控制，并分別用單純形法進(jìn)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計.其仿真曲線如圖6所示，可以看出，優(yōu)化后EPS系統(tǒng)的仿真曲線減小了超調(diào)量，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間也縮短了.仿真曲線結(jié)果表明EPS系統(tǒng)具有良好的跟蹤性和穩(wěn)定性.

圖6　比例微分控制下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(1是優(yōu)化前，2是優(yōu)化后)

4　結(jié)　論

EPS系統(tǒng)的助力性能直接關(guān)系到汽車的轉(zhuǎn)向操縱性能.EPS系統(tǒng)的助力性能影響轉(zhuǎn)向行駛的安全性，轉(zhuǎn)向助力性能的好壞是由跟蹤性與穩(wěn)定性決定的.本文將單純形法的尋優(yōu)原理與PID控制相結(jié)合應(yīng)用于EPS控制系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，設(shè)計的PID參數(shù)優(yōu)化控制器可使EPS系統(tǒng)具有良好的跟蹤性與穩(wěn)定性，同時也為EPS系統(tǒng)的設(shè)計提供了理論依據(jù).

[1]孟濤,陳慧,余卓平,等.電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的回正與主動阻尼控制策略研究[J].汽車工程,2006, 28(12):1125-1128.

[2]趙萬忠,施國標(biāo).基于實時小波去噪方法的EPS電流跟蹤控制[J].汽車工程,2008,30(3):227-230.

[3]Ji-Hoon Kim, Jae-Bok Song.Control logic for an electric power steering system using assist motor[J].Mechatronics,2002,12(5):447-459.

[4]周洪彥,楊潤生,周發(fā)琳,等.模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在發(fā)電機勵磁控制中的應(yīng)用[J].軍械工程學(xué)院學(xué)報, 2008, 20(5):58-62.

[5]尚喆,許鎮(zhèn)琳,王豪.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)助力特性研究[J].汽車工程,2004,26(3):319-321.

[6]劉照，楊家軍，廖道訓(xùn).基于混合靈敏度方法的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制[J].中國機械工程，2003(5):874-876.

[7]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2003:49-59.

[責(zé)任編輯：徐明忠]

Optimal simulation of EPS system parameter based on MatLab/Simulink

JIA Manman

(College of Physics and Electrical Information, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000,China)

PID control is used by most of the electric power steering controllers, parameters design of controllers is determined by making experiments again and again, so portability and flexibility of vehicle steerering is probably unable to achieve optimization.To deal with this situation, a method is presented for designing parameters of system controller using simplicity shape algorithm, and looking for self-optimizing objective function.Using matlab control toolbox to establish the system model and simulation experiments on simulink.The result of simulation experiments showed that using simplicity shape algorithm to design EPS controller can enormously improve the time domain performance, can improve portability and flexibility of vehicle steerering, and provide a theoretical basis for optimal design.

electric power steering; simplicity shape algorithm; PID; simulink simulation

2016-01-09

商丘師范學(xué)院青年科研基金(2011QN13)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點項目(12B140012,13B140191).

賈滿滿(1983-)，女，河南商丘人，商丘師范學(xué)院助教，碩士,主要從事控制理論與應(yīng)用的研究.

TP391.9

A

1672-3600(2016)09-0030-03