自控原理论文

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1、汽车四轮转向鲁棒控制方法研究及应用姓名：XXX学号：110240XXX专业：自动化指导教师:2014年5月28日摘要：轮转向技术能显著改善汽车的转向特性，提高汽车高速行驶的稳定性和低速转弯和泊车的机动灵活性的先进转向技术。本文在分析和研究前人研究成果的基础之上提出了一种前轮满足转向梯形机构，后轮分别采用两个电机进行转向控制的三自由度汽车四轮转向鲁棒控制系统。使控制效果最终达到转向时四个车轮同时进行转动并且将所受外界干扰抑制到最低从而保持一个稳定的最佳操纵状态。关键词：四轮转向；鲁棒控制；转向梯形机构；MATLAB/simulink仿真1.1论文研究课题的提出汽车操纵稳定性主动控制一直以来都是国

2、际汽车技术研究的热点之一。随着高速公路的发展，车辆高速化，车流密集化，使得交通事故呈现上升趋势，因此,人们对于车辆行驶的稳定性及安全性要求也越来越高。同时，在用汽车数量的不断上升使道路越发显得拥挤，从而对汽车机动性能的要求也越来越高。由于车辆行驶中所受路面环境影响和侧向风力等外界干扰，控制建模中存在未建模不确定性因素，以及模型车参数扰动等不稳定性因素。因此，在设计过程中希望所设计的控制器即使在这些不确定性因素的影响下仍然可以保持系统的稳定性。而鲁棒控制方法恰恰适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时已知过程的动态特性且可以预估不确定因素的变化范围。鲁棒控制设计选择线性反馈律，使得闭环系统的

3、稳定性对于扰动具有一定的抗干扰能力。Hco控制是设计控制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下使相对于外界干扰的输出取极小值的一种优化控制法。它将鲁棒性直接反映在控制性能指标上，设计出的控制律具有其他方法无法比拟的鲁棒稳定性。因此，研究四轮转向鲁棒控制方法具有重要的意义。本文在分析前人研究成果的基础之上提出了一种前轮满足转向梯形机构，后轮分别采用两个电机进行转向控制的三自由度汽车四轮转向鲁棒控制系统。使控制效果最终达到转向时四个车轮同时进行转动并且将所受外界干扰抑制到最低从而保持一个稳定的最佳操纵状态。1.2课题的研究目的及意义研究设计模型汽车四轮转向控制系统的主要目的是研究设计智能化的四轮转向控

4、制器并找出一种合适的控制方法增强汽车在高速行驶或者在侧向风力作用下的操纵稳定性、行驶安全性及改善低速时汽车的机动灵活性，并在模型车上进行调试得到理想的控制效果。1. 1.3四轮转向机理3.1阿克曼定理与转向梯形机构阿克曼Ackerman定理认为，转向梯形机构是用来保证汽车转弯行驶时，所有车轮都能绕一个瞬时转向中心，在不同的圆周上作无滑动的纯滚动，汽车转向时内轮的转弯半径较小，外轮转弯半径较大。因此，为了减少转弯时的前轮额外的轮胎磨损和动力消耗，左右轮的转角必须有一个合理的关系。1. 3.2四轮转向系统的基本组成及工作原理4WS汽车是在前轮转向系统的基础上，在汽车的后悬架上安装一套后轮转向系统，

5、两者之间通过一定的方式联系，使得汽车在前轮转向的同时后轮也参与转向，从而达到提高汽车低速行驶的机动性和高速行驶的稳定性，典型的电控4WS系统主要由前轮转向系统、传感器、ECU、后轮转向执行机构和后轮转向传动机构等。目前，以电控液压式4WS应用最多。3.3四轮转向系统的控制类型转角随动型转角随动型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转受到前轮偏转控制。作被动转向，即后轮偏转方向和转角大小受方向盘转动的方向和转角大小的控制，结构上通过一根后轮转向传动轴将前后轮转向机构相连，一般都采用机械传动和人力直接控制。这种4WS系统存在一定的系统结构和动态控制的局限性，尤其在高速急转时，使汽车的操纵稳定性恶化，在现

6、代的4WS系统中已很少采用。车速感应型车速感应型四轮转向装置的工作特点是后轮偏转的方向和转角大小主要受车速高低的控制，在转向工程中，同时还受前轮转角、侧向加速度、横摆角速度等动态参数的综合控制作用。这种4WS系统综合考虑了汽车的各种动念参数对汽车转向行驶工程中的操纵稳定性的影响，动态模态控制效果好。是目前4WS汽车上主要采用的四轮转向装置。按照控制和驱动后轮转向机构的方式不同，4WS系统可以分为机械式、液压式、电动机械式，电控液压式和电控电动式等几种类型。1.3.4四轮转向控制目标4WS汽车的控制目标是：(6) 低速时，后轮与前轮反向转向，减少汽车的最小转弯半径，尽量使四个车轮的转角瞬心点交在

7、同一点上，提高汽车的机动性；中高速时，后轮与前轮同向转向，使汽车由于行驶方向改变而产生的横摆角速度和侧向加速度很快达到稳态，提高汽车高速时的操纵稳定性；对沿行驶路线行驶的车辆车身姿势进行控制，减小车辆的质心侧偏角尽量控制车辆的质心侧偏角p保持为零；抵御由车辆自身参数变化因素对车辆转向响应特性的影响，并保持所期望的车辆转向响应特性；改善车辆的转向响应特性；减少车辆横摆角速度与侧向加速度之间的相位差以及各自相位；增加对外界环境变化的抗干扰能力；改善轮胎附着力极限附近的响应：这些控制目标并不是孤立的，它们之间紧密地联系着.为了达到这些控制目标，需要有合理的控制策略和算法。(1) 1.3.5四轮转向的

8、几种主要控制方法PID控制PID控制方法不需要了解被控对象的数学模型，只需要根据经验对调节器进行探测，缺点是只适用于线性系统，而且被控对象的参数变化比较敏感。最优控制最优控制方法就是利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求解系统最优控制输入的一种设计方法。由于最优控制规律是建立在系第一章绪论7统理想数学模型基础之上的，而实际的控制中往往采用降阶模型且存在多种约束条件，因此基于最优控制规律设计的控制器作用于实际的受控系统时，大都只能实现次最优控制。在车辆中，一般采用二次型指标的最优控制法。(2) 自适应控制自适应控制主要应用于结构及参数具有严重不确定性的振动系统，大致可分为自适应前馈控制

9、、自校正控制和模型参考自适应控制三类。(3) 鲁棒控制鲁棒控制设计选择线性反馈律，使得闭环系统的稳定性对于扰动具有一定的抗干扰能力。智能控制模糊控制作为智能控制的重要分支，它不仅能提供系统的客观信息，而且可将主观经验和自觉纳入控制系统，为解决不易或无法建模的复杂系统控制问题提供了有力的手段。1. 2.1汽车四轮转向系统动力学分析及系统建模1.1转向方式分析一般来说4W汽车在转向过程中，根据不同的行驶条件，前、后轮转向角遵循一定的规律。目前，典型的四轮转向汽车后轮偏转的规律是：逆相位转向，同相位转向。因而四轮转向车辆可以工作在三种模式下：前轮转向、全轮转向、以及斜行转向。(1) 前轮转向：它是一

10、种常用的转向方式，此时，前外轮的弯道行驶半径大，驾驶员易于用前外轮是否避过障碍来估计整机的行驶路线。(2) 全轮转向：即前后轮同时偏转的转向方式，往往用于对机动性有特殊要求或机架特别长的机械。此时，前后轮的偏转方向相反。斜行转向：即前后轮偏转方向相同的一种转向方式。斜行时，能从斜向靠近或者离开作业面。而且在斜坡上斜行作业时，能提高其横向稳定性。这三种模式下的转向可以细分为：前轮转向(包括左转和右转)、全轮转向(包括左转和右转)以及斜行转向(包括左转和右转)。2. 1.2转向系统要求当汽车转向时各车轮必须作纯滚动而无侧向滑动，否则将会增加转向阻力，加速轮胎磨损。当汽车低速转弯时，后轮与前轮反向转

11、动，这时，前轮转向和后轮转向所产生的汽车质心侧偏角方向亦相反，叠加后使汽车质心侧偏角的稳态值减小。2. 2四轮转向模型车介绍本课题将模型车辆作为研究对象，以鲁棒控制理论作为基础，进行4W模型车辆控制器的设计。实验可以在花费相对较少时间的条件下得到相对准确的实验数据，模型仿真过程中随时改变参数及实验条件，模拟模型车在真实运行状态下的各种情况。试验模型车辆的转向以及驱动都是由电机控制，需要进行机电一体化设计。为了配合模型车四轮转向功能的实现及底盘各部分的布置，本模型车采用前置前驱。前轮采用双横臂式独立悬架，前车桥为断开式转向桥，将两前轮直接通过铰链连接到车架上；后轮采用纵置式钢板弹簧非独立悬架，后

12、车桥为整体式转向桥，中部向下，两端向上翘起一定角度，配合主销的内倾。本模型车的悬架中省去了减振器的设计，前悬架采用螺旋弹簧和导向杆组合，两端分别连接在车架和车桥的上臂，后悬架采用单片的钢板弹簧连接车架与后桥。本模型车是采用双电机独立驱动的纯电动车，由于使用直流电机PW调速技术，可以方便的实现电机的变速、倒转，所以在设计中省去了变速器、离合器。模型车采用齿轮减速机构进行动力的传递及力矩方向的改变并实现减速增矩的作用。采用两个直流永磁电机分别独立驱动左前轮和右前轮，由于两个电机可以分开控制，所以可以在控制器上加载一定控制算法实现电子差速，替代传统的差速器。3. 3.1鲁棒控制理论基础1.1鲁棒性所

13、谓“鲁棒性”，是指控制系统在一定(结构、大小)参数的扰动下，维持某些性能的特性。在对控制系统进行设计和分析前，一般需要对被研究的对象进行建模，系统控制器的设计一般是在理想的情况下完成的。如果事先对系统的建模比较精确，即所建立的系统模型能够完全反映实际系统的动态属性，则按照该模型设计的控制器在实际环境中仍然可以保证它的稳定性。然而在实际工程应用中，许多系统存在外界干扰或系统参数扰动等不稳定性因素，有些系统还存在没有或无法进行数学建模的部分。我们希望所设计的控制器即使在这些不确定因素的影响下仍然可以使系统保持稳定，即所设计的控制系统具有一定的鲁棒性3.1、2鲁棒性能指标鲁棒性能指标【13】是以最差

14、跟踪误差能量来描述的。定义所有可能的参考输入的集合为R-R(s)=Wds)Ro(s):Orollz1)(3.1)令e(t)=r(t).y(t)为由控制器C和对象P形成的标准单位反馈系统的跟踪误差。己知最差的误差能量(包括R中所有可能的r)是supllellz=sunWr00)(1+P00)C(jt0)-1I=-W;(1+PC)q。(3.2)如果一个期望的误差能量范围(即y。)是给定的，那么应该把控制器设计为对所有可能的P=Po+ADPA达到IIWr(1+PC)一1Y，(3.3)这就是鲁棒性能指标的条件。当然，只有系统是鲁棒稳定的，这个定义才有意义。因此，如果一个控制器是鲁棒稳定的控制器，并且对

15、所有的PP式(3.3)成立，这个控制器才能得到鲁棒性能指标3.1.3不确定性的描述模型与真实系统之间总是存在着误差，而且，一般情况下误差并非定值。这种误差被称为系统的不确定性。从描述的角度可以分为两类：参数不确定性和非参数不确定性。这种区分的本质在于对系统规律的了解程度。相对而言，后者比前者更具有普遍适用的意义，且较容易进行数学描述，在实际分析不确定性系统时，我们一方面尽可能通过先验信息将不确定环节分离出来，从而获得更为精确的结果(太保守的结果有时是无意义的)；另一方面，又希望操作简便，结果简洁，适用范围广。3.1.4标准鲁棒控制问题鲁棒多变量反馈控制的设计问题可以简单地描述为系统设计控制规律

16、使系统在环境或系统本身的不确定性影响下仍然具有指定允许误差范围内的系统响应和系统误差。这里的不确定性包括很多方面，但其中最重要的是指系统的外界干扰(噪声)信号和系统传递函数的建模误差。鲁棒控制系统设计将采用HR范数作为这类不确定性因素的度量。3.1.5鲁棒控制系统及系统灵敏度要设计一个高精度的控制系统是经典反馈设计的难点。解决这一难点的关键可以追溯到1930s年H.S.Black和H.W.Bode的论文。当这个问题参考作为灵敏度设计的问题时，出版了大量的文献并且从那时开始关注对大型具有不确定性控制对象的控制系统进行控制设计。设计者希望获得一个控制系统，它的控制性能可以充分克服一系列不确定参数。

17、这个控制系统就被称为鲁棒控制系统。一个鲁棒控制系统当其具有三个特性（1）低敏感度，（2）稳定于一系列参数变化之上，（3）连续满足一系列系统参数变化。鲁棒性是灵敏度用来影响而不被考虑纳入分析和设计阶段。例如，干扰，噪声，以及未建模动态不确定性。该系统在完成己设计任务的同时应该能够克服这些消极影响。3.2.14WS模型车辆系统的可控制性与可观测性为了实现4WS模型车辆的鲁棒控制，必须分析4WS模型车辆系统的可控制性与可观测性。鲁棒控制是根据系统状态变量提供反馈增益来实现。如果该反馈增益对4WS系统的状态可控，就可得到最理想的控制效果，达到使质心侧偏角最小的目的。否则无法进行控制。4WS系统具有可观

18、测性就是可以通过对输出量在有限时问内的观测把系统状态辨识出来，从而可对4WS系统进行鲁棒控制。3. 2.14ws模型车辆系统的状态观测器设计为了实现状态反馈，需要系统全部的状态变量。但在实际系统中，大部分状态变量很难直接测量到。因此，为了实现状态反馈控制，需要通过一个模型，利用己知的信息（如输出量与输入量）对系统状态变量进行估计。这样，可以构造一个与已知实际系统（A，B,C）具有同样动态方程的模拟系统，用模拟系统的状态向量灾（t）作为实际系统状态向量x（t）的估计值。因此，状态控制器可以看成是实际控制对象的一个实时仿真系统。它利用控制对象的数学模型和输入变量，采用适当的控制方法，以保证状态观测

19、器的状态可以很快地逼近控制对象的状态。因而状态观测器的状态又称为实际状态的估计值或者估计状态。汽车四轮转向控制器硬件电路设计1硬件电路总体设计方案硬件电路设计思路如下：该模型车采用无线遥控的方式实施操作，通过一对射频模块传输无线控制信号。控制端上位机为普通PC机，通过计算机串口将控制指令传输给与其相连的射频模块发送出去。模型车为电机驱动的电动小车，小车的fj后轮转向电机及驱动电机均由车载ECU模块来控制。车载ECU通过车载无线模块接收上位机的控制指令。控制指令包括转速、转角及制动控制三部分组成，用来模拟真实车辆中驾驶员对车辆的控制输入一一车速控制、方向盘控制、制动器控制。车载ECU接收到上述指

20、令后，驱动小车行驶，同时采集安放在车身各处传感器信号，如：前轮转角、后轮转角、电机速度、超声波测距信号等，对模型车的运动状态进行判断，并运用相关算法，自动判断并驱动后轮转向方向及大小，低速泊车实现主动避障，高速转向实现防侧倾的功能。同时，ECU也可将采集到的各传感信号通过无线模块传送给上位PC机中，用于控制效果的分析等。如：可安装陀螺仪传感器检测模型车横摆角速度和车身侧倾角等状态信息，然后进行实时采集通过无线模块传送到PC机中进行存储记录分析。4.2模型车主控制器电路设计4.2.1主控制器DSP芯片主控制器DSP芯片的选择是转向控制方案的一个重要环节，它直接影响到转向控制系统的性能。本文所设计

21、的控制系统要控制两个驱动电机和三个转向电机，这五个电机均为永磁直流电机。系统的运行要进行两方面的控制，一种是两个驱动电机的转速控制，通过霍尔编码器分别检测两个电机的转速，利用PID等控制方法实时调整PWM的占空比改变电枢两端电压来控制电机转速。另一种是前后轮转角的位置控制，通过前后轮转角传感器检测转角的大小来控制转向电机的启动和制动，因此选择DSP芯片时必须选用带有PWM输出功能的芯片。4.2.2电源模块设计电源模块为整个控制电路提供电源，电源供电质量的好坏关系到整个控制系统的稳定性。四轮转向模型车电源由12V和24V的蓄电池提供，其中24V电源用来给驱动电机供电。在进行电源设计时，根据需要所

22、完成的功能和所选择的芯片不同而把它分为四部分。选用LM2576S.5.O开关稳压集成电路芯片将蓄电池12V电源转化为5V，对电路板上需要+5V电压芯片提供电源。LM2576系列开关稳压集成电路是美国国家半导体公司生产的输出电流为3A的集成稳压电路芯片，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制和热关断电路等：芯片可提供外部控制引脚，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。UA723是一个输出电压可调的精密稳压器，最大输入可达40V，输出电压范围在2V至U38V之间可调，本系统要

23、求UA723输出电压3.3V，为传感器提供精密稳压电源。传感器发送的模拟信号要经过A/D转换，转化为数字信号为了保证转换信号的精度，设计一精密稳压电源作为A/D转换的基准电压。LM317是可调节3端正电压稳压器，他的线性调整率和负载调整率比标准的固定稳压器好。第叫章汽下pq轮转向控制器碘件1U路设计工作时，LM317建立并保持输出与调节端之间1.25V的标准参考电压(Vref)，典型应用如图4.3所示：其输出电压为VrO2Vrref(1+R2/R1)+IAdiR2(4.1)输出电压范围为1.2V到37V，本系统设计需要为DSP芯片A/D转换提供3.3V的基准电压，其阻值选择和电源设计如图4.7

24、所示。另外本系统还需要3.3V电源为DSP和驱动缓冲器等其他芯片提供电源，本文选择LM2596S.3.3直接将12V转换到3.3V其输出最大电流可达到3A。4.2.3输入模块设计数字控制器的输入量共有6路：四路模拟量输入(前轮转角传感器、左后轮转角传感器、右后轮转角传感器、超声波传感器)和两路数字量输入(左侧车轮转第pq章汽印叫轮转向控制器硬件I乜路设计61速传感器和右侧车轮转速传感器)。当输入量为模拟量时可以通过TMS320LF2407A芯片内部自带的A/D转换器进行转换，不需要增加其他外围芯片就能直接处理模拟信号，既可以满足要求又可以节约成本。4.3.1车身状态传感器为了能够实现4WS控制

25、算法，并检验出控制效果的好坏，对反应车身平衡状态的质心侧偏角，横摆角速度和车身侧倾角速度必须进行测量。测量的横摆角速度和车身侧倾角速度可以通过集成的微型陀螺仪芯片获得，而质心侧偏角一般无法直接测量，可以建立较准确的数学模型通过测得的车速及前后轮转角运算得出。为了保证控制实时性，这一部分的计算可以进行离线计算机仿真，将计算结果绘制出质心侧偏角与车速及前后轮转角三维关系表格，存入电子控制系统的数据存储器中，通过查表的方式实时获得相应工况下的车辆质心侧偏角，作为参考控制量。4. 总结与展望随着汽车保有量的逐年增长，人们对汽车高速运行时的稳定性、主动安全性及低速运行时的机动性等要求越来越高，而汽车四轮

26、转向技术正是汽车主动底盘技术的重要组成部分。因此，汽车四轮转向技术在汽车电子控制研究中成为了热点。本文总结前人的研究成果，进行了以下研究工作。大量搜集四轮转向的相关资料，分析并总结前人对四轮转向技术的研究，对传统二自由度及三自由度四轮转向控制模型进行了对比分析，提出了一种符合本课题汽车模型的特定三自由度四轮转向控制模型，为后续的四轮转向控制系统设计提供理论依据，设计合理的汽车转向模式和后轮的转向角度，以增强汽车行驶的安全性。对四轮转向的几种主要控制方法进行了对比分析，最终提出并设计了鲁棒H-控制器，对高速行驶下的转向系统进行了仿真分析，得出的数据结果非常理想，证明该鲁棒控制器在汽车高速行驶时，

27、前轮及后轮取不同范围内的摄动值，都能保证其主动安全性及稳定性。设计四轮转向模型车的电子控制系统，选用TMS320LF2407作为主控芯片，通过控制电机驱动芯片MC3348和切、IH3SP3睐控制三个转向电机和两个驱动电机转动，实现四轮转向模型车的运行，通过CAN、线接口将采集到的信号传输至四轮转向控制电路板，选用CCIII0FX作为无线通信系统的射频芯片。进行了原理图及PC板设计。基于模型车的4W控制系统的软件设计，由三个方面的软件组成，即用于操纵和显示记录控制效果的上位机界面，进行数据及控制指令传送的无线通信系统软件和包括4W控制算法的车载DS主控制器软件。本文对无线通信和车载数字控制器的各程序流程进行了设计。四轮转向控制算法是四轮转向控制技术的核心内容，本文针对高速运行下的四轮转向模型车进行鲁棒控制的设计，并提出在低速泊车时运用外部传感器采集车身及周围信号进行相应泊车控制，是本文的创新点。因此，速度作为一个已知量进行控制，若将速度作为输入量，进行实时控制，将需要改变控制模型，并且需要进行变量间去干扰化，将作为今后的研究方向。在电路板的设计工程中，由于没有经过实际测量仍然有可能会出现一些问题。鲁棒控制方法是一种稳定性好且鲁棒性强的理想研究方法，将为实际四轮转向控制提供良好的理论依据，四轮转向控制将成为今后汽车底盘控制的主导方向。