摘 要：為了提高線性轉向控制系統(tǒng)控制性能以及控制系統(tǒng)的快速性、準確性、穩(wěn)定性，基于快速控制原型技術搭建RCP測試平臺，對比不同控制策略對線性轉向系統(tǒng)控制性能的影響。通過建立執(zhí)行電機的數學模型，依據其動態(tài)特性逐步設計優(yōu)化PD控制器、串級三閉環(huán)PID控制器以及模糊PID控制器，分析3種控制器的階躍響應性能。基于dSPACE設計搭建RCP快速原型控制測試平臺，分別對控制器的跟隨性能進行半實物仿真實驗，對比分析控制器的性能優(yōu)劣。半實物仿真實驗結果表明：模糊PID控制策略在轉角跟隨性能控制中更為優(yōu)異。

關鍵詞：汽車；線控轉向；模糊PID；半實物仿真

中圖分類號：TP273文獻標志碼：A文章編號：1671-5276（2024）03-0229-05

Research on Automotive Wire-controlled Steering Controller Based onRapid Control Prototype

Abstract：In order to improve the control performance of linear steering control system with rapidity， accuracy and stability， this paper builds a RCP test platform based on the rapid control prototype technology， and compares the effects of different control strategies on the control performance of the linear steering system. With the establishment of the mathematical model of the executive motor， the PD controller， cascade three closed loop PID controller and fuzzy PID controller are gradually designed and optimized according to their dynamic characteristics， and the step response performance of the three controllers is analyzed.The RCP rapid prototype control test platform is built based on dSPACE design， the following performance of the controller is tested in semi-physical simulation and the performance advantages and disadvantages of the controller are compared and analyzed. The results show that the fuzzy PID control strategy is superior in the control of corner following performance.

Keywords：car; linear steering; fuzzy PID; semi-physical simulation

0 引言

汽車線控轉向系統(tǒng)是在傳統(tǒng)轉向系統(tǒng)基礎上逐漸改進而來的，是由控制器根據采集到的轉角及車輛狀態(tài)信息，經過控制算法控制前輪執(zhí)行電機輸出合適的轉角，從而控制車輛行駛方向，因此能夠實現方向盤與車輪之間的解耦［1］。這種技術在很大程度上改善了操縱性能并且提升了駕駛的舒適性［2］。

目前針對線性轉向系統(tǒng)的控制研究多基于仿真分析，并且在仿真層面提出并驗證了多種具有較好效果的控制策略，但真實的被控對象受多種因素影響，因此這些控制策略還需要實物試驗的驗證［3］。

現有的實物驗證控制器開發(fā)過多依賴于嵌入式軟件，而這種控制方法的缺點在于開發(fā)周期長、成本較高。本文基于dSPACE控制平臺并引入RCP技術（RCP技術被廣泛應用于控制器開發(fā)初期）可以更有效地驗證控制策略的可行性，調整控制器參數，從而縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率，節(jié)省開發(fā)成本。利用RCP技術實時性高的特點，在不需要開發(fā)控制器硬件的前提下對真實的被控對象實現對控制策略的快速驗證，有助于在短時間內實現對多種控制策略的驗證［4］。

1 半實物仿真試驗平臺的設計

本文設計的RCP測試平臺選用的控制設備為dSPACE 1104，基于項目支持，由德方設計并搭建了快速響應控制試驗平臺［5］。主要由實物層、信號接口層、實時仿真層以及人機交互層4部分構成［6］，如圖1所示。

1.1 線控轉向試驗臺

線控轉向執(zhí)行機構試驗臺如圖2所示，可分為3個部分：一是轉向驅動部分（執(zhí)行電機）；二是由轉向節(jié)、橫拉桿、轉向臂和下擺臂組成的轉向執(zhí)行結構，傳動機構類型為曲柄搖桿機構。執(zhí)行電機受控產生驅動力矩通過轉向執(zhí)行機構將驅動力矩傳遞到車輪完成指定轉向動作；三是轉向車輪。轉向執(zhí)行機構由轉向臂（曲柄）、橫拉桿（連桿）、轉向節(jié)（搖桿）和下擺臂構成，即執(zhí)行電機通過對轉向臂施加力矩驅動車輪擺動。

1.2 信號接口與dSPACE

dSPACE 1104單板系統(tǒng)提供符合工業(yè)標準的各種接口［7］，包括A/D和D/A轉換接口、Digital I/O、Slave PWM I/O、增量編碼器接口、RS232和RS485通信接口。表1是試驗臺所使用到的接口及其相應的功能。

本試驗臺選用RB-35永磁直流電機作為執(zhí)行電機，選用RN-VNH2調速器作為電機驅動器。驅動器接收幅值為5 V的PWM脈沖信號，通過調節(jié)PWM方波信號的占空比實現速度的調節(jié)，通過給定高低電平實現方向的調節(jié)。另外，該驅動器配備溫度檢測功能，通過一個輸出接口輸出模擬電壓與控制板溫度形成線性關系檢測控制板溫度。

試驗臺反饋信號使用編碼器檢測，選用庫伯勒1024線數型增量式編碼器dSPACE 1104的編碼器接口可以采集TTL或者RS422輸出信號，分別以采集總脈沖數以及采樣時間脈沖數的形式輸出。

1.3 執(zhí)行電機的等效數學模型的建立

對執(zhí)行電機的數學模型進行推算，其中電樞回路電壓方程為

感應電動勢為

E=Ke×n（2）

在空載狀態(tài)下，轉子機械動力學方程為

電機輸出轉矩為

Te=Kt×ia（4）

式中：Kt為電機轉矩常數；Ke為電機電壓常數；J為電機轉子轉動慣量。

經過拉普拉斯變化并帶入電機相應參數，依次算出電機輸入電壓與其輸出轉速、輸出轉角以及輸出電流的傳遞函數，如式（5）-式（7）所示。

2 控制器設計

PID控制是現今應用最廣泛的控制策略之一。PID控制具有如下優(yōu)點：1）工作原理較為簡單，使用比較方便，可以及時設置PID控制器的參數KP、KI和KD；2）適應性及魯棒性較強，可改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。

本文根據輸入電壓與各輸出之間的傳遞函數，確定本系統(tǒng)設計的目標首先要保證輸出穩(wěn)定，其次具有較好的動態(tài)性能以及穩(wěn)態(tài)性能。由此，控制目標設定為在不超過5%超調量的前提下盡可能地減少上升時間。

2.1 單閉環(huán)PD控制器設計

PID控制器的輸入是理想輸出值r（t）與實際輸出值y（t）之間的誤差e（t），將誤差經過比例、積分、微分環(huán)節(jié)后得到執(zhí)行電機的輸出u（t）。

其中控制器的輸入即偏差為

e（t）=r（t）－y（t）（8）

控制器的輸出為

不同的比例、積分和微分系數對系統(tǒng)性能有不同的影響。其中PID參數整定基本上有兩種方法：一是理論計算整定法，即根據系統(tǒng)的傳遞函數和設計目標，通過已有的公式反算確定PID控制器的參數。然而該方法較為復雜，并且對系統(tǒng)傳遞函數的精度要求較高，因此本文不使用該方法；二是工程整定方法，這種方法更多基于工程經驗，不需要仿真而在實驗中測試，該方法簡單實用，使用步驟較為明了，從而在工程實踐中得到大量的應用?？刂乒こ讨谐Ｓ玫募夹g整定方法包括臨界比例度法和ISTE最優(yōu)參數整定方法等。

本文使用Ziegler和Nichols提出的臨界比例度法進行PID控制器參數整定［8］。根據整定結果確定積分參數為0的PD控制器，在Simulink中搭建輸入電壓與輸出轉角的控制系統(tǒng)并進行單位階躍相應仿真。為更好地對比控制器性能，依據控制器的設計目標在區(qū)間范圍內對參數進行微調，得到階躍響應性能對比如圖3所示。

從4種參數選定的控制器性能分析中發(fā)現，當選擇KP=5.36，KD=0.125時，超調量為4.7%，上升時間為0.041s，因此選KP=5.36，KD=0.125作為單閉環(huán)PD控制器設計結果。

2.2 串級三閉環(huán)PID控制

為了提高響應性能，嘗試從內到外設計串級三閉環(huán)PID控制策略，即電流環(huán)、速度環(huán)和位置環(huán)。

串級三閉環(huán)控制系統(tǒng)的設計特點及優(yōu)點是系統(tǒng)的主故障輸入包含在內環(huán)中，具有超前控制功能，能有效抑制干擾并盡可能提高響應速度。與單閉環(huán)PD控制系統(tǒng)相比，串級三級控制系統(tǒng)具有更高的工作頻率、更小的振動周期、更短的調節(jié)時間和更快的響應速度。串級三閉環(huán)PID控制系統(tǒng)如圖4所示。

依據臨界比例法分別對電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)的子控制器進行PID參數整定，選定各子環(huán)參數并在區(qū)間內進行微調，對比階躍響應性能如圖5所示，圖例中［236 0 6；0.3；0.11 6］代表位置環(huán)PID控制參數KP=236、KI =0、KD=6；速度環(huán)P控制參數KP=0.3；電流環(huán)PI控制參數KP=0.11、KI =6。

對比4組選定的PID參數，保證超調量滿足需求的情況下，選擇電流環(huán)KP=0.11、KI=6；速度環(huán)KP=0.3；位置環(huán)KP=236、KD=6時，上升時間為0.031s，超調量為4.4%。以此作為串級三閉環(huán)PID控制策略的設計結果。

2.3 模糊PID控制

串級三閉環(huán)控制策略的參數設置過程復雜。為了改善誤差并試圖進一步提高系統(tǒng)響應性能，基于串級三閉環(huán)PID控制器，在最外環(huán)上增加了模糊自適應PID控制策略。

模糊控制器的基本工作原理是將誤差信號e作為模糊控制器的輸入語言變量，誤差e經過模糊后，得到模糊集E，由E和模糊控制規(guī)則得到模糊控制變量U，再經過模糊決策、清晰化后輸出精確的控制量u來控制被控對象［9］。本文使用二維模糊控制器，將執(zhí)行電機的實際轉動角度與理想角度之間的偏差和及其變化率作為模糊控制器的兩個輸入變量，并將比例、積分和微分系數的增量作為輸出。模糊PID的階躍響應曲線如圖6所示。

可以看到，模糊PID控制器系統(tǒng)階躍響應超調量是1.5%，上升時間是0.029s，相較于串級三閉環(huán)的上升時間有所減小。

為了分析單閉環(huán)PD控制策略、串級三閉環(huán)PID控制策略和模糊自適應PID控制策略的階躍響應結果，3種控制策略仿真調試獲得相對較優(yōu)參數的階躍響應曲線對比如圖7所示，結果對比如表2所示。

控制策略的階躍響應仿真結果表明：把超調量控制在大約5%時，串級三閉環(huán)PID控制策略的上升時間較單閉環(huán)PD控制策略的上升時間降低了24.39%；模糊自適應PID控制策略的上升時間較串級三閉環(huán)PID控制策略的上升時間降低了6.45%。

3 半實物仿真試驗

由于仿真測試的局限性，所以本文基于設計的線控轉向轉角跟蹤控制策略RCP測試平臺對上文提出的控制器進行半實物仿真試驗。

3.1 RCP測試模型搭建

考慮到線控轉向系統(tǒng)的實際用途，所以在半實物仿真試驗階段主要對3種控制器的跟隨性能進行測試對比。因此設置3種不同幅值和頻率的正弦波用以作為跟隨性能測試的信號輸入，3種信號如表3所示。

在Simulink中搭建控制邏輯圖并編譯，利用Controldesk軟件可將編譯的代碼燒錄到控制板之中。測試模型如圖8所示。

3.2 跟隨性能誤差對比

將3種控制器在不同工況下的跟隨性能誤差作為評判指標進行整理，得到跟隨誤差如圖9所示（本刊為黑白印刷，如有疑問請咨詢作者）。

從跟隨性能誤差曲線可以看出，在低頻率低幅值的工況中，3種控制器誤差都相對較小，但單閉環(huán)控制以及串級三閉環(huán)PID控制器在起始以及截止時刻都存在較大的跟隨誤差。在高頻高幅值的工況下，3種控制器均存在較大的滯后與誤差。

為進一步量化3種控制器跟隨性能，對3種控制器在3種工況下的誤差取散點的方均根，得到每種控制器在3個工況下的方均根誤差均值如表4所示。對比表明，模糊PID控制器在跟隨性能中是最優(yōu)的。

4 結語

利用實驗室已有的半實物仿真平臺，對線控轉向技術的控制策略做了逐步優(yōu)化。利用臨界比例度法對PID控制器參數進行整定，依次選用單閉環(huán)PD控制器、串級閉環(huán)控制器、模糊控制器對轉角的階躍響應性能進行了評判，利用dSPACE結合Simulink進行半實物仿真試驗，對各種控制策略的跟隨性能進行了進一步評判。仿真及試驗結果證明，模糊控制器在線控轉向技術中作為控制器最為優(yōu)越。

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