用于线控转向路感模拟的操纵力矩分析与鲁棒控制方法

技术领域

本发明涉及汽车线控底盘技术领域，尤其是涉及一种用于线控转向路感模拟的操纵力矩分析与鲁棒控制方法。

背景技术

线控转向系统取消了上下转向间的机械连接，可以实现灵活调节手感、变传动比、主动转向等功能，是汽车智能化的一项代表性技术。由于路感无法直接通过机械结构传递到方向盘上，需要设计路感模拟算法，控制操纵力矩模拟执行器(Hand Wheel Actuator，HWA)的电机生成合适的操纵手感。现有的路感模拟算法一般包括两部分，第一部分是设计期望操纵力矩算法；第二部分是设计操纵力矩控制策略，控制实际操纵力矩跟踪期望操纵力矩。

所使用的期望操纵力矩设计的方法，可以分为函数拟合法和动力学模型估计法两类。前者将期望操纵力矩视为车速和转角的二维函数，该函数可以通过设计Map图或建立车辆动力学模型构造得到。后者先基于干扰观测法或(扩展)卡尔曼滤波法设计观测器估计齿条力，然后再按照几种力矩叠加的思路设计期望操纵力矩，并提供不同手感模式(运动型、舒适型)的设计方法。

所使用的操纵力矩控制方法，包括开环控制、PID控制、自抗扰控制、鲁棒控制、闭环+摩擦力前馈补偿控制等，实现操纵力矩对于期望操纵力矩的跟踪控制。然而现有的大多数力矩控制存在以下两点不足：(1)忽略了期望操纵力矩设计特性对力矩闭环的稳定性影响，容易导致期望操纵力矩参数标定时出现高频抖动的问题，即下文提到的力矩闭环的鲁棒性问题。(2)仅着重考虑跟踪精度、带宽等少数性能指标，较少的研究能全面地兼顾力矩闭环的鲁棒性、抗干扰性、稳定裕度等其他多个性能指标。最终导致了线控转向路感模拟的操纵力矩平顺性较差、期望操纵力矩参数标定不便等问题。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种提高操纵力矩鲁棒性的用于线控转向路感模拟的操纵力矩分析与鲁棒控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于线控转向路感模拟的操纵力矩分析与鲁棒控制方法，包括以下步骤：

获取操纵力矩被控对象的相关参数；

基于所述相关参数建立操纵力矩被控对象的动力学模型；

基于所述动力学模型，通过考虑期望操纵力矩的操纵力矩闭环控制、操纵力矩前馈控制和摩擦力前馈补偿控制求解操纵力矩控制量，以控制被控对象进行线控转向路感模拟。

进一步地，所述动力学模型的表达式为：

式中，J

进一步地，所述求解操纵力矩控制量的具体步骤包括：

基于所述动力学模型，考虑期望操纵力矩以通过采用鲁棒控制理论获得鲁棒性能最优的操纵力矩闭环控制；

采用操纵力矩前馈控制方法，计算操纵力矩前馈控制；

采用摩擦力前馈补偿方法，计算摩擦力前馈补偿控制；

基于所述操纵力矩闭环控制、操纵力矩前馈控制和摩擦力前馈补偿控制，获得操纵力矩控制量。

进一步地，所述操纵力矩闭环控制的获取步骤具体包括：

通过引入权函数、评价输入和评价输出，将所述被控对象的动力学模型转化为广义被控对象的动力学模型；

基于鲁棒控制理论，建立广义被控对象的H

确定所述广义动力学模型中的权函数；

基于确定的权函数和所述H

进一步地，所述广义被控对象的动力学模型的表达式为：

其中

式中，Z

进一步地，所述权函数W

式中，

进一步地，所述广义被控对象的H

||G

式中，G

进一步地，所述操纵力矩前馈控制的计算表达式为：

u

式中，u

进一步地，所述期望操纵力矩的计算表达式为：

式中，T

进一步地，所述摩擦力前馈补偿控制的计算表达式为：

式中，u

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)现有研究中忽略了期望操纵力矩设计特性对力矩闭环的稳定性影响，即鲁棒性问题，本发明考虑期望操纵力矩特性设计操纵力矩闭环的线性化分析，以及操纵力矩闭环控制、前馈控制和摩擦力前馈补偿控制，显著提高了操纵力矩控制方法的鲁棒性。

(2)本发明除了考虑多数研究着重考虑的力矩跟踪精度、带宽性能指标以外，还考虑了非线性摩擦力扰动以及驾驶员负载扰动等多个性能指标，方便地通过操纵力矩闭环控制中的权函数设计、前馈控制量设计，达到较好的力矩控制效果，使操纵力矩控制具有良好的鲁棒稳定性、平顺性、抗噪声性、跟踪精度和带宽。

附图说明

图1为本发明实施例的方法流程示意图；

图2为本发明实施例的HWA示意图；

图3为本发明实施例的原理整体框图；

图4为本发明实施例的未考虑G

图5为本发明实施例的不同工作点G

图6为本发明实施例的不同工作点G

图7为本发明实施例的基于H

图8为本发明实施例的权函数W

图9为本发明实施例的权函数W

图10为本发明实施例的HWA硬件在环试验示意图；

图11为本发明实施例的HWA硬件在环试验实物图；

图12为本发明实施例的HWA硬件在环试验慢速操纵工况的试验结果；

图13为本发明实施例的HWA硬件在环试验慢速操纵工况的试验结果；

图14为本发明实施例的HWA硬件在环试验小角度快速操纵工况的试验结果；

图15为本发明实施例的在模拟颠簸路面工况试验的操纵力矩作FFT分析结果；

图16为本发明实施例的实车试验慢速操纵工况的试验结果；

图17为本发明实施例的实车试验小角度快速操纵工况的试验结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例提供一种用于线控转向路感模拟的操纵力矩分析与鲁棒控制方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1、获取操纵力矩被控对象的相关参数。

操纵力矩控制的被控对象是线控转向系统中的操纵力矩模拟执行器(Hand WheelActuator，HWA)，如图2所示。将HWA简化为一个双质量系统获取相关参数，包括管柱上端和下端的惯量、阻尼、转角以及扭杆的刚度等。

S2、基于所述相关参数建立操纵力矩被控对象的动力学模型。

操纵力矩模拟执行器的动力学方程包括管柱上端的动力学方程和管柱下端的动力学方程，分别如下所示。

管柱上端的动力学方程为：

管柱下端的动力学方程为：

其中，扭杆形变为：

式中，J

管柱下端的动力学方程可以进一步改写为：

式中：J

对管柱下端的动力学方程进行拉氏变换，便可得到HWA机械部分的被控对象：

式中：T

S3、基于所述动力学模型，通过考虑期望操纵力矩设计操纵力矩闭环控制、操纵力矩前馈控制和摩擦力前馈补偿控制求解操纵力矩控制量。

常规的操纵力矩闭环，如图3中内虚线框所示，忽略了期望操纵力矩和力矩闭环之间的耦合关系，其参考输入是期望操纵力矩T

本实施例中的操纵力矩闭环分析方法，考虑期望操纵力矩设计特性的操纵力矩闭环系统，如图3中外虚线框所示。实际情况中，期望操纵力矩T

式中，T

上式中，T

本实施例通过控制操纵力矩闭环控制的鲁棒性、操纵力矩前馈控制和摩擦力前馈补偿控制以提高操纵力矩控制方法鲁棒性等问题。

控制操纵力矩闭环控制的鲁棒性问题，指的是期望操纵力矩特性G

本实施例还考虑了操纵力矩闭环控制的抗干扰性问题，系统扰动输入包含非线性摩擦力扰动T

对于含闭环控制器C

式中，A(s)、G(s)分别为路感电机响应特性传递函数和被控对象动力学传递函数。

而驾驶员负载扰动T

该指标描述了驾驶员操纵方向盘转角θ

为此，本实施例采用于H

其中，

式中，Z

标准基于H

||G

其中，

式中，G

操纵力矩闭环控制器的设计最终落实到每个权函数W

(1)z

(2)z

(3)d

其中，

(4)d

(5)d

通过求解对应的线性矩阵不等式(Linear Matrix Inequality，LMI),即可求解出相应H

操纵力矩前馈控制设计方法，用以抑制驾驶员负载扰动T

u

其中，前馈控制器C

摩擦力前馈补偿设计，用以减小非线性摩擦力扰动T

式中：f

通过上述获得的操纵力矩闭环控制、操纵力矩前馈控制和摩擦力前馈补偿控制共同构成操纵力矩控制量，以控制被控对象实现线控转向路感模拟。

为验证上述方法的有效性，本实例以某一HWA为应用场景。如图10所示的HWA台架硬件在环半实物仿真示意图以及图11所示的台架实物图，设计的操纵力矩控制算法与其他算法在dSPACE Scalexio快速控制原型中运行，实时采集驾驶员通过踏板实物的加减速信息、HWA实物的管柱下端的转角转速和扭杆力矩，计算HWA电机控制指令，控制电机产生操纵力矩。

图12和图13为车速为60kph、方向盘操纵频率为0.2Hz、幅度为±70deg的慢速操纵工况的试验结果，可以得出结论：操纵力矩具有较高的跟踪精度；同时操纵力矩的力矩波动基本小于0.1Nm，在人体一般感受阈值之下，具有良好的平顺性。

图14为小角度快速操纵工况试验结果，可以得出结论：在快速操纵时，操纵力矩跟踪精度依然较高，无“发空”问题和力矩波动。

图15为模拟颠簸路面工况的试验，在期望操纵力矩中叠加随机激励，对操纵力矩测量数据进行快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)的结果，可以得出结论：力矩控制的带宽大于20Hz。

图16和图17分别为实车试验慢速操纵和小角度快速操纵工况的结果，与半实物仿真结果一致，操纵力矩具有良好的平顺性、跟踪精度和稳定性，小角度快速操纵时无“手感发空”问题，验证了本实施例操纵力矩算法的有效性。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。