第27卷第1期遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2008年2月.Vol.27 No.1Joumal of Liaoning Technical University ( Natural Science )Feb. 2008文章編號(hào): 1080-0208010076-0305EPS參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真臧懷泉，劉敏(燕山大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北秦皇島066004)摘要:為了提高汽車操縱的輕便性和靈活性，提出了將單純形方法與模糊PID控制方法相結(jié)合設(shè)計(jì)EPS控制器的改進(jìn)方法，為優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。建立了EPS的數(shù)學(xué)模型、設(shè)計(jì)了調(diào)節(jié)控制器參數(shù)的模糊控制規(guī)則，并運(yùn)用MalLab優(yōu)化控制工具箱建立系統(tǒng)模型并進(jìn)行了Simulink仿真實(shí)驗(yàn)研究。仿真結(jié)果表明:本設(shè)計(jì)方法大大地改善了系統(tǒng)的時(shí)域響應(yīng)提高了汽車操縱的輕便性和靈活性。關(guān)鍵詞:電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向; 單純形;模糊PID; Simulink 仿真中圖分類號(hào): TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: 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引言汽車在穩(wěn)態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)向4。據(jù)此對(duì)系統(tǒng)的各組成部分進(jìn)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向是一種由電動(dòng)機(jī)提供直接輔助行受力分析，并建立相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)微分方程:對(duì)轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)矩的動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，減輕了駕駛員的操縱力，提軸、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)及電機(jī)助力機(jī)構(gòu)分析得高了汽車操縱的輕便性和靈活性”。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由傳感器、控制器、直流電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等組dθ.pd6+ Kθ=T% +T。(1)成。控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是在控制對(duì)象已知，dt控制器結(jié)構(gòu)、型式確定的情況下，通過調(diào)整控制器的參數(shù)，使控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)最佳。本文通過對(duì)電U=K,°_+RI+Ld(2)動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)分析并建立數(shù)學(xué)模型，將優(yōu)化設(shè)計(jì)中的單純形尋優(yōu)法和MatLab優(yōu)化控制工具箱有機(jī)對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器分析得地結(jié)合起來，建立電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機(jī)電-體化仿T,=K,(0,-6)(3)真模型，從而實(shí)現(xiàn)EPS轉(zhuǎn)向輕便性和操縱穩(wěn)定性?！鶕?jù)系統(tǒng)的機(jī)械特性得T。=TxG。,由于1BPS數(shù)學(xué)模型的建立T=K.I,則T。=K.G.I .(4)由系統(tǒng)的速度匹配特性得為了便于研究，我們假設(shè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的各組成部中國(guó)煤化工(5)分在轉(zhuǎn)向過程中功率完全傳遞沒有功率損耗，并且式中，MHC N M H G慣量和當(dāng)量阻尼收稿日期: 2007-05-16基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50237020)作者簡(jiǎn)介:臧懷泉(1963-),男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，教授，主要從事計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，控制理論與應(yīng)用等方面的研究本文編校:楊瑞華第1期臧懷泉，等: EPS 參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真77系數(shù); K為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的剛度系數(shù): Tp、 T分別為re NBNSNSZEPS PM PB方向盤轉(zhuǎn)矩和電機(jī)轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速機(jī)構(gòu)后的助力轉(zhuǎn)矩;PS NM NSZEPSPMPB PBK。為電機(jī)電磁力常數(shù); 0為電機(jī)轉(zhuǎn)角; R和L分PMNSzPS PM PBPB PB別為電機(jī)的等效電阻和電感; U、I分別為電機(jī)電樞PB z1sPMPMPEPBPB.電壓和電流: G。 為減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比; T為電動(dòng)機(jī)表2 ki模糊控制規(guī)則電磁轉(zhuǎn)矩; K, 為傳感器剛度;和0分別為方向Tab.2 fuzzy logic control rule ofki盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)向柱轉(zhuǎn)角。leKi由于電動(dòng)機(jī)電感很小，可以忽略不計(jì)，則式(2)NB NMNSZEPSPM PB可化簡(jiǎn)為NB NB NBNBNMNMNSZNM NEze PSU=RI+Kddm(6)NS NBNMNMNSZEPSPM將式(1) (2) (3) (4)經(jīng)拉氏變換得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 模糊控制規(guī)則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系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)采用文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)并結(jié)合本文NMNBNBNMPMPSZENS的力學(xué)模型經(jīng)過換算后得到3。其結(jié)構(gòu)參數(shù)為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、 單純形尋優(yōu)方法的應(yīng)用模糊PID控制是利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID由于EPS系統(tǒng)是-一個(gè)靈活系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)時(shí)性也參數(shù)進(jìn)行修改.以e和de作為模糊推理控制器的兩很強(qiáng)，'單純的通過專家經(jīng)驗(yàn)獲取控制規(guī)則制定控制個(gè)輸入，將e和de劃分為7個(gè)模糊子集{NB, NM，器 難以達(dá)到最佳的控制效果。因此提出將單純形尋NS, ZE, PS, PM, PB}, 即{“負(fù)大”,“負(fù)中”,“負(fù)優(yōu)方法與模糊PID控制相結(jié)合建立一種新的控制方小”，“零”，“正小”，“正中”，“正大”},輸出分別法問，如圖1。為k、ki、kd, 仿真過程中采用表1、2、3的模糊規(guī)一目標(biāo)函數(shù)則14),并采用Mamdani模糊推理方法。Ra_ +， Us表l知p模糊控制規(guī)則山[投期PD- +G∞]一廠調(diào)節(jié)器Tab.1 fuzzy logie control rule of kpNBNMNSZEPSPMPB圖1控制系統(tǒng)參 數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理圖NB PBPMPSNMNMNS zE中國(guó)煤化工systemNMPBPBPMNMNSzEPSs PMPSPSPSZEPS PMMYHCNMHG將e(t)和e()同78遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)第27卷時(shí)考慮，并對(duì)各項(xiàng)進(jìn)行時(shí)間項(xiàng)加權(quán)。J=J+J2,曲線較為光滑平穩(wěn)，說明電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有良J表示系統(tǒng)誤差的大小，J2 反映系統(tǒng)的誤差變化好的穩(wěn)定性。率，取Je()]= [x(a(2()+a2()2Jdt4仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析我們使用目標(biāo)優(yōu)化的方法在MATLAB6.5環(huán)境下用SIMULINK 來搭建仿真模型并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，如圖2。.Je圖4模糊PID控制和優(yōu)兒系統(tǒng)的階躍響應(yīng)目標(biāo)函數(shù)團(tuán)Q+模精PID }→回Cul 118 +Bs+K+Fig.4 step response of fuzzy PID電機(jī)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)control and optimal system5結(jié)論圖2系統(tǒng)仿真模型圖Fig.2 model diagram of system simulation在模糊控制理論基礎(chǔ)上建立控制器參數(shù)的模糊控制規(guī)則，由于EPS系統(tǒng)是一個(gè)靈活系統(tǒng)，同時(shí)實(shí)時(shí)性也很強(qiáng)，單純的通過專家經(jīng)驗(yàn)獲取控制規(guī)則設(shè)計(jì)控制器難以達(dá)到最佳的控制效果，因而將優(yōu)化理論與模糊控制方法相結(jié)合,通過Simulink建立仿真模型并進(jìn)行系統(tǒng)分析，得到的仿真曲線超調(diào)量小，調(diào)整時(shí)間相對(duì)于模糊PID控制明顯縮短，助力> 18跟蹤性得到改善,實(shí)驗(yàn)表明該方法使EPS具有良好的操縱穩(wěn)定性和轉(zhuǎn)向靈活性。參考文獻(xiàn):一s1[1]劉照.楊家軍,鏖道訓(xùn),基于混合 靈敏度方法的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控圖3 PID 控制和模糊PID控制下的階躍響應(yīng)制D].中國(guó)機(jī)械工程003.<5):874-876.(2] 余志生汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 200:103-107,145-150.Fig.3 step response of PID controland fuzzy PID control3]陳無畏,王妍,等.汽車電動(dòng)助 力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的自適應(yīng)LQG控制]機(jī)械工程學(xué)報(bào)2005.41(12);167-172.為了保證系統(tǒng)的助力輕便性能，在原來機(jī)械轉(zhuǎn)[4]韋巍智能控制技術(shù)[M.北京: 機(jī)械工業(yè)出版社20006.06向系統(tǒng)中加入模糊PID控制,圖3中1是PID控制，[5]張志遠(yuǎn)萬沛霖汽車自動(dòng)巡航系統(tǒng)智能控制策略[門遼寧工程技術(shù)大2是模糊PID控制，很明顯模糊PID控制能夠較強(qiáng)學(xué)學(xué)報(bào)206252):234-237.的保證EPS系統(tǒng)操縱穩(wěn)定性。圖4中1是通過修改[6]劉金琨.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真[M].北京:電子工業(yè)出版模糊規(guī)則得到的EPS系統(tǒng)階躍響應(yīng)，2是將單純形社.2003:49-59.尋優(yōu)方法和模糊PID控制相結(jié)合得到的仿真結(jié)果，通過優(yōu)化所得的系統(tǒng)仿真曲線超調(diào)量明顯減小，穩(wěn)定時(shí)間縮短，表明系統(tǒng)的助力跟蹤性比較好，同時(shí)中國(guó)煤化工MYHCNMHG