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专利号: 2021115777215
申请人: 合肥工业大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种包含反馈时滞的汽车自动转向系统的控制参数优化方法,其特征是按如下步骤进行:步骤1:利用式(1)建立包含反馈时滞的PD控制器的汽车自动转向系统动力学模型:式(1)中,Im为转向控制电机,电机传动轴,与转向传动轴的转动惯量总和;Is为转向齿条、转向拉杆与转向轮的转动惯量总和;t表示时刻; 与θm(t)是转向电机传动轴在传动过程中t时刻的角加速度与角度; 与δs(t)是汽车转向车轮在实际转动过程中t时刻的角加速度、角速度与角度;Cs表示转向齿条、拉杆与转向车轮转动时的总阻尼系数;Ki表示汽车自动转向系统从电机传动到转向车轮的总等效刚度;im表示电机传动轴转角到车轮转角的传动比;Tc(t)表示t时刻的电机控制力矩输出:式(2)中,δd表示自动转向系统的目标转角;Td表示在δd转角下所需的稳态电机作动力矩;KP表示PD控制器待确定的比例控制系数;KD表示PD控制器待确定的微分控制系数;τ表示PD控制器存在的时间迟滞,其中τ>0;Mtyre为转向车轮轮胎的回正力矩,并有:Mtyre=‑Ktyreδs(t)     (3)

式(3)中,Ktyre表示转向轮胎的线性回正刚度;

步骤2:利用式(4)得到式(1)在拉普拉斯变换后的汽车自动转向系统的特征方程D(λ):式(4)中,:=表示定义,λ表示汽车自动转向系统动力学模型的特征根,且λ=ν+iωn;i表示虚数,ν表示汽车自动转向系统响应幅值的衰减率,ωn为汽车自动转向系统响应振动的频率;令式(4)在最接近零点的主特征根为λ1=ν1+iωn1;ν1为主响应衰减率;ωn1为振动主频;

利用式(5)获得时域下汽车自动转向系统t时刻的主频响应δs(t):

式(5)中,A0表示响应的初始幅值,φ0表示响应相位差,均由初始t=0时刻的电机转角θm(0)、电机转动角速度 和车轮转角δs(0)、车轮转动角速度 计算得到;

步骤3:将ν1在实数轴向右平移ζ个单位,即 为平移后主响应衰减率,定义ζ为系统最低稳定性裕度,并代入式(4)中,取临界点 执行实、虚部分离,从而获得实部Re(D)和虚部Im(D)的表达式;

步骤4:取ωn=0,并代入部Re(D)和虚部Im(D)的表达式,从而利用式(6)获取所述自动转向系统在失稳发散时的临界边界f1:式(6)中,S为代入实、虚部的表达式后得到的关于稳定性裕度ζ的四次多项式方程;

步骤5:当ωn>0时,利用式(7)获取实部Re(D)和虚部Im(D)的表达式中分离出KP和KD后的振荡失稳的临界边界f2:式(7)中,A1,A2为代入实、虚部的表达式后得到的耦合表达式;

步骤6:将PD控制器预期的目标衰减率ζd≥0代入式(6)和式(7)中,从而分别获得在KP‑KD平面上的发散失稳边界曲线f1(KP,KD;ζd)=0和振荡失稳边界曲线f2(KP,KD;ζd)=0;

若两边界曲线在系统振动主频ωn1趋近于0时存在围成的封闭区域,则表明所述封闭区域内所有控制参数(KP,KD)的组合均满足PD控制器预期的设计要求,使得转向系统的时域响‑ζt应沿着e 路径快速收敛;若不存在封闭区域,则表明预期的目标衰减率ζd过大,超出系统可行范围,并减小ζd的值后,重复步骤6;

步骤7:利用式(8)获取失稳发散时的临界边界f1=0和振荡失稳的临界边界f2=0分别在系统振动主频ωn1→0处时的斜率方程df1(ζ)、df2(ζ):步骤8:利用式(9)获得式(8)中的斜率方程df1(ζ)、df2(ζ)相等时的最大衰减率ζmax的求解方程:df1(ζmax)‑df2(ζmax)=0     (9)

对式(9)进行求解,得到的最小实数解 即为所述汽车自动转向系统在时滞τ下能实现的最优系统响应速度;

步骤9:将最优最大衰减率 代入式(6)和式(7)联立求解待确定的比例控制系数KP和微分控制系数KD,解得(KP,ζ,KD,ζ)为所述汽车自动转向系统在时滞τ下最优化的PD控制器参数组合。