電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多學科優(yōu)化設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)該系統(tǒng)，尤其是一種用于提高轉(zhuǎn)向的輕便性和 靈敏性，為駕駛者提供合適的路感的動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)該系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 車輛操縱穩(wěn)定性是汽車研究的一個重要方面。其中，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)對駕駛員的力反饋 對車輛操縱穩(wěn)定性影響明顯。由于電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是復雜的機電耦合子系統(tǒng)，其設(shè)計、參 數(shù)優(yōu)化以及與整車的匹配受到眾多機械與控制參數(shù)的影響和制約，在EPS系統(tǒng)的初始設(shè)計 時，通常將機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制器性能參數(shù)單獨設(shè)計。這樣優(yōu)化出的設(shè)計參數(shù)往往不能使 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能達到全局最優(yōu)，從而影響車輛操穩(wěn)性和行駛安全性。由于近年來，眾多品牌的 乘用車都出現(xiàn)了各種各樣的EPS系統(tǒng)問題，若能從系統(tǒng)工程分析的角度對EPS進行全局優(yōu) 化設(shè)計，勢必可以極大的降低故障發(fā)生的概率，而針對EPS系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計選取必須 通過綜合考慮機械、控制參數(shù)的多學科全局優(yōu)化方法得到，并通過整車操穩(wěn)性的主客觀評 價方法進行匹配驗證。
[0003] 在傳統(tǒng)的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)設(shè)計中，先是通過理論來設(shè)計EPS的機械結(jié)構(gòu)參數(shù)， 然后采用相應(yīng)的控制策略來設(shè)計控制器。這種設(shè)計方法把一個機電系統(tǒng)的設(shè)計一分為二， 雖然在前后兩步設(shè)計過程中都使用了優(yōu)化設(shè)計思想，但機械結(jié)構(gòu)和電機控制器之間存在錯 綜復雜的相互關(guān)系，使得機械結(jié)構(gòu)與控制結(jié)構(gòu)之間存在耦合，因此在設(shè)計之初就需要考慮 這兩者之間的關(guān)系，以得到全局最優(yōu)參數(shù)。另一方面，由于被控對象與控制器之間又是相互 聯(lián)系的。因此對兩個系統(tǒng)同時優(yōu)化設(shè)計，比單獨設(shè)計更合理，也期望得到更佳的結(jié)果。EPS 是一個高度協(xié)調(diào)的機電一體系統(tǒng)，為了能夠更加提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)性能并且減少能源消耗。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提出一種電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多學科優(yōu)化設(shè)計方法，結(jié)合多學科協(xié)同優(yōu)化 對EPS系統(tǒng)機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的參數(shù)進行集成優(yōu)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，以操縱路感和轉(zhuǎn) 向靈敏度為優(yōu)化性能指標，分別運用遺傳算法和粒子群算法兩種優(yōu)化方法進行優(yōu)化，最終 使EPS系統(tǒng)得以全局優(yōu)化，達到提高整車操縱穩(wěn)定性的目的，實現(xiàn)了多科學多目標優(yōu)化設(shè) 計。這種通過機械參數(shù)和控制參數(shù)的多目標集成優(yōu)化，為EPS系統(tǒng)的優(yōu)化提供一種新的解 決方案，這是提出該策略的誘因。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多學科優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下 具體步驟：
[0006] 1.車輛系統(tǒng)建模
[0007] 建立二自由度車輛模型，并對EPS模型的各部件進行受力分析，得到各自的運動 方程：轉(zhuǎn)向柱：/,A + CA + ?： = ?； + ./;風4,) ⑴助力電機：
(?)輸出軸：
：?齒條： CN 105137758 A 說明書 2/10 頁
[0008] 其中
[0009]
[0010] 由扭矩傳感器測量的車速和轉(zhuǎn)向柱力矩為輸入量，通過試驗得出助力脈譜特性， 由助力電流計算出助力扭矩；
[0011] 2.優(yōu)化目標的建立
[0012] 采用橫擺角速度與轉(zhuǎn)向角之比r (S)/0h(s)來表示轉(zhuǎn)向靈敏度，即車輛方向盤轉(zhuǎn) 角到車輛橫擺角速度響應(yīng)的傳遞函數(shù)表示：
[0013]
(?)
[0015]
[0014] 由公式1和EPS模型公式得轉(zhuǎn)向靈敏度評價傳遞函數(shù)：
[0016]
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] 式中：m為整車質(zhì)量；V為車速；Qf分別為前后輪胎側(cè)偏剛度；β為質(zhì)心側(cè)偏角； γ為橫擺角速度；a為前輪到質(zhì)心的距離；b為后輪到質(zhì)心的距離；I = a+b ;ΙΖ為車身橫擺 轉(zhuǎn)動慣量；Ν2為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器傳動比；Kv為助力增益；K t為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。
[0021] 求出操縱路感評價函數(shù)：
[0024] 根據(jù)勞斯判據(jù)判斷穩(wěn)定性，獲得系統(tǒng)的特征方程和各項系數(shù)，并將系統(tǒng)特征方程 的系數(shù)排成Routh表，并得出系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件；
[0025] 3. EPS參數(shù)優(yōu)化
[0026] (1)目標函數(shù)的確定：多目標優(yōu)化問題的基本模型
[0027] min F (x) = Cf1 (x), f2(x),.....,f3(x))T (13)
[0028]
[0029] L x U x = (X1, x2, ... xn)
[0030] 式中F(x)為目標函數(shù)，g (X)為不等式約束函數(shù)，h (X)為等式約束函數(shù)，x為決策 矢量，L、U為X的上下界。
[0031] 建立以操縱路感和轉(zhuǎn)向靈敏度為目標函數(shù)的優(yōu)化模型，操縱路感的頻域能量：
[0032]
(14):
[0033] 轉(zhuǎn)向靈敏度頻域能量：
[0034]
(15)
[0035] 由于優(yōu)化算法中進行優(yōu)化時是使目標函數(shù)最小化，所以取優(yōu)化目標函數(shù)為：
[0036] 目標函數(shù) I imin-A (Ks，Ini, N1, Kp，K1, Kd)
[0037] 目標函數(shù) 2 :min_f2 (Ks，Ini, N1, Kp，K1, Kd)
[0038] 約束條件的確定，開始優(yōu)化前根據(jù)分析確定參數(shù)的上下界：40 < Ks< 180 5 ^ N1^ 30 0. 0001 ^ I 0. 001 0 ^ K 20 0 ^ K ^ 10 0 ^ K 10
[0039] (2)優(yōu)化算法：
[0040] 采用遺傳算法和改進的粒子群算法，來尋找全局最優(yōu)值，更新各粒子速度和位置 的公式為：
[0041] (16)
[0042]
[0043] 其中：w表示慣性權(quán)重；Cl、C2為學習因子；r i、r2為介于0到1之間均勻分布的隨 機函數(shù)自動生成；t表示第t次迭代，d代表決策變量的維數(shù)，average (pg/)代表對"記憶 體"中當前最優(yōu)Pareto解兩兩相互比較所得的較優(yōu)粒子；
[0044] (3)優(yōu)化步驟：
[0045] 首先通過Simulink模型，求得一組名義系統(tǒng)參數(shù)，即Ks，NI, 1"，Kp，K1, Kd的初始值， 設(shè)定系統(tǒng)在2秒內(nèi)穩(wěn)定，橫擺角速度峰值在0. 3左右，且增益幅度不超過20%的條件下，確 定一組名義模型參數(shù)：
[0046] 1)建立以操縱路感和轉(zhuǎn)向靈敏度為目標函數(shù)的模型，將控制器參數(shù)取名義定值， 利用兩優(yōu)化算法分別進行優(yōu)化機械系統(tǒng)參數(shù)K s、Nl、Ini;
[0047] 2)根據(jù)EPS控制和優(yōu)化的需要，設(shè)計PID控制器控制策略，將機械結(jié)構(gòu)參數(shù)取名義 定值，優(yōu)化控制器參數(shù)K p、Kp Kd;
[0048] 3)將機械結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制系統(tǒng)參數(shù)同時設(shè)為自變量，利用兩種算法進行協(xié)同優(yōu) 化。代入simulink模型進行驗證并比較最終優(yōu)化效果。
[0049] 本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明結(jié)合多學科協(xié)同優(yōu)化對EPS系統(tǒng)機械系統(tǒng)和控制系 統(tǒng)的參數(shù)進行集成優(yōu)化設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，以操縱路感和轉(zhuǎn)向靈敏度為優(yōu)化性能指標，分別 運用遺傳算法和粒子群算法兩種優(yōu)化方法進行優(yōu)化，最終使EPS系統(tǒng)得以全局優(yōu)化，達到 提高整車操縱穩(wěn)定性的目的，實現(xiàn)了多科學多目標優(yōu)化設(shè)計。
【附圖說明】
[0050] 圖1是本發(fā)明集成優(yōu)化框圖；
[0051] 圖2a是EPS折線型助力特性圖；
[0052] 圖2b是EPS助力特性試驗Map圖；
[0053] 圖3是機械參數(shù)多目標優(yōu)化圖；
[0054] 圖4是控制參數(shù)多目標優(yōu)化圖；
[0055] 圖5是多目標參數(shù)集成優(yōu)化圖；
[0056] 圖6是機械參數(shù)多目標粒子群優(yōu)化結(jié)果圖；
[0057] 圖7是控制參數(shù)多目標粒子群優(yōu)化結(jié)果圖；
[0058] 圖8是多目標集成多目標粒子群優(yōu)化結(jié)果圖；
[0059] 圖9是采用遺傳算法的橫擺角速度優(yōu)化結(jié)果圖；
[0060] 圖10是采用改進的粒子群算法的橫擺角速度優(yōu)化結(jié)果圖；
[0061] 圖11是采用遺傳算法的質(zhì)心側(cè)偏角優(yōu)化結(jié)果圖；
[0062] 圖12是采用改進的粒子群算法的質(zhì)心側(cè)偏角優(yōu)化結(jié)果圖；
[0063] 圖13是優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)向靈敏度對比曲線圖；
[0064] 圖14是優(yōu)化前后的轉(zhuǎn)向路感對比曲線圖。
【具體實施方式】
[0065] 下面結(jié)合附圖與實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0066] 如圖1所示，本發(fā)明的電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的多學科優(yōu)化設(shè)計方法，包括以下具體 步驟：
[0067] 1.車輛系統(tǒng)建模
[0068] 建立二自由度車輛模型，并對EPS模型的各部件進行受力分析，得到各自的運動 方程：轉(zhuǎn)向柱：/A+d I； = I；+人(M6) ⑴助力電機：
[0069] 其中
[0070] CN 105137758 A 1冗 P月卞> 6/10 頁
[0071] 合理的轉(zhuǎn)向助力特性曲線不僅可保持汽車低速行駛時轉(zhuǎn)向輕便靈活，而且可保持 中高速行駛時的路感和操縱穩(wěn)定性。該車初始設(shè)計采用的是折線型助力特性曲線圖（如圖 2a)，車速和轉(zhuǎn)向柱力矩（由扭矩傳感器測量）為輸入量，通過試驗得出助力脈譜特性，由助 力電流計算出助力扭矩，實際助力Map特性如圖2b所示。
[0072] 2.優(yōu)化目標的建立
[0073] 在本發(fā)明中，為了更加直接客觀的反映轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和整車系統(tǒng)的綜合性能，擬采用 橫擺角速度與轉(zhuǎn)向角之比r (S)/Θ h(s)來表示轉(zhuǎn)向靈敏度，即車輛方向盤轉(zhuǎn)角到車輛橫擺 角速度響應(yīng)的傳遞函數(shù)表示。結(jié)合上面公式可知：
[0074]
(6)
[0075] 由公式1和EPS模型公式得轉(zhuǎn)向靈敏度評價傳遞函數(shù)：
[0076]
(7)
[0077]
(8)
[0078]
(9)
[0081] 式中：m為整車質(zhì)量；V為車速；Qf分別為前后輪胎側(cè)偏剛度；β為質(zhì)心側(cè)偏角； γ為橫擺角速度；a為前輪到質(zhì)心的距離；b為后輪到質(zhì)心的距離；I = a+b ;ΙΖ為車身橫擺 轉(zhuǎn)動慣量；Ν2為齒輪齒條轉(zhuǎn)向器傳動比；Kv為助力增益；K t為電動機的電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)。
[0082] 求出操縱路感評價函數(shù)：
[0083]
其中：
(U)
[0084] Th^Ts=Ks(9h-0e) =-Ks9e (12)
[0085] 根據(jù)勞斯判據(jù)判斷穩(wěn)定性，獲得系統(tǒng)的特征方程和各項系數(shù)，并將系統(tǒng)特征方程 的系數(shù)按下列形式排成Routh表，并得出系統(tǒng)穩(wěn)定的必要條件。
[0086] 3. EPS參數(shù)優(yōu)化
[0087] 目標函數(shù)的確定：多目標優(yōu)化問題的基本模型
[0088] min F (x) = (f j (x), f2 (x),....., f3 (x))T (13)
[0089]
[0090] L ^ x ^ U X= (x1; x2, · · · xn)