CN105109549A - 基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，属于汽车液压助力转向系统领域，包括如下步骤：步骤1，将电磁转差离合器外转子与发动机相连，内转子与转向泵相连，建立电磁转差离合器式电控液压转向系统；步骤2，利用电控单元(ECU)采集电磁转差离合器式电控液压转向系统中转向泵的转速信号；步骤3，基于步骤2中所述的转速，建立电磁转差离合器(ESC)动态方程，包括：建立电磁转差离合器(ESC)在d-q轴下的数学模型；步骤4，基于步骤3中所述的数学模型，设计基于转速估计的自适应模糊滑模控制器。本发明利用自适应模糊控制和模糊滑模控制的优点，通过动态自适应律产生满意的系统响应，明显地消除干扰、减少了抖振现象。

Description

基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法

技术领域

本发明属于汽车液压助力转向系统领域，特别涉及一种基于转速估计的自适应模糊滑模控制。

背景技术

目前重型车辆(大型客车、大型货车、半挂牵引车等)普遍采用助力特性单一的液压助力转向系统(HPS)，由于HPS的助力特性不能随车速变化而变化，当车速较高时(超过80km/h)，转向盘反馈给驾驶员的路感明显减弱，驾驶员会感到车辆“发飘”，导致精神紧张和误操作，直接影响车辆的操纵稳定性和行驶安全性。通过对汽车行驶过程的统计结果表明，车辆80％以上的行驶里程(或时间)处于非转向状态，但HPS的转向泵在发动机直接驱动下一直处于运行状态，转向泵转速越高，液压回路的能量损失就越大，浪费的发动机功率就越多。

电磁转差离合器是一种基于电磁力学原理的非接触式传动装置，结构紧凑、无机械磨损、性能稳定可靠、可实现无级变速，近年来在调速电机、静液传动、工程机械、船舶等领域得到了广泛应用。然而想要在工况更多变的情况下控制电磁转差离合器进行更精确的调速，如将电磁转差离合器应用于汽车自动变速器或助力转向系统中，则需要对电磁转差离合器进行全面的综合性能试验，为改进和开发电磁转差离合器提供基础数据。

传统的模糊控制器设计不依靠被控对象的模型，但它却非常依靠控制专家或操作者的经验知识，不便于控制参数的学习和调整，且难以保证控制系统的稳定性。自适应模糊控制则是具有自适应学习算法的模糊逻辑系统，其学习算法是依靠数据信息来调整模糊逻辑系统的参数，且可以保证控制系统的稳定性，但这些控制方案都是用误差和误差变化率作为模糊输入变量，所以在实际中需要较多的模糊规则。而模糊滑模控制是用滑模面作为模糊输入变量，可以大大的减少模糊规则。

由于电磁转差离合器(ESC)传递转矩和功率的范围较大，可实现10:1转差范围内的无级变速，通过改变其电流就可控制主、从动部件的转差；同时，能满足驱动和控制重型车辆HPS转向泵的动力学性能要求。专利CN202987263U提出的将ESC连接于发动机与转向泵之间所构成的电磁转差离合器式电控液压转向系统(ESC-ElectricallyControlledHydraulicPowerSteering,E-ECHPS),既继承了传统HPS的基本结构和原理，又利用了ESC的性能特点，通过按需控制转向泵的功率输出而有机协调重型车辆的低速转向轻便性、良好的高速转向路感。

但在转向过程中，由于E-ECHPS系统存在的不确定性(如发动机转速波动)和外界干扰(如路面随机作用力、侧向风力)，转化为转向泵转速波动和转向盘转角/转矩跳动，引起ESC控制电流的抖动而导致转向泵转速发生变动。所以系统自身的不确定性及外界干扰成为E-ECHPS系统控制的主要问题。

发明内容

本发明针对转向过程中，系统自身的不确定性和外界干扰对E-ECHPS的影响，提出了一种基于转速估计的自适应模糊滑模控制方法，该自适应模糊滑模控制方法可以补偿系统不确定性和外界干扰，并且有效的降低传统滑模控制方法中的抖振现象。为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案如下：

基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，包括如下步骤：

步骤1，将电磁转差离合器外转子与发动机相连，内转子与转向泵相连，建立电磁转差离合器式电控液压转向系统；

步骤2，利用电控单元(ECU)采集电磁转差离合器式电控液压转向系统中转向泵的转速；

步骤3，基于步骤2中所述的转速，建立电磁转差离合器(ESC)动态方程，包括：建立电磁转差离合器(ESC)在d-q轴下的数学模型；

步骤4，基于步骤3中所述的数学模型，设计基于转速估计的自适应模糊滑模控制器，包括如下步骤：

步骤4.1，设计等效滑模控制器；

步骤4.2，建立模糊逻辑系统；

步骤4.3，设计自适应模糊滑模控制器；

步骤4.4，基于Lyapunov函数，设计等效滑模控制器中的自适应参数及的自适应律。

进一步地，所述步骤3中的数学模型具体为：

电压方程

电磁转矩方程

运动方程

其中，L_d为外转子直轴自感、L_q为外转子交轴自感，L_f为内转子线圈自感，M_sf为内转子和外转子的互感，R_f为内转子线圈电阻、R_s为外转子线圈电阻，R_L为三相绕组等效外阻，i_d为直轴电流、i_q为交轴电流，i_f为励磁电流，u_f为励磁电压，p为外转子极对数，Ω₁为外转子机械角速度、Ω₂为内转子机械角速度；J₁为外转子的转动惯量、J₂为内转子的转动惯量，B₁为外转子的转动阻尼系数、B₂为内转子的转动阻尼系数，T_e为电磁转矩，T_p为负载转矩。

进一步地，所述步骤4.1的实现步骤包括：

步骤4.1.1，根据ESC的运动方程，定义滑模面函数

步骤4.1.2，对步骤4.1.1中所述的滑模面函数s求导

步骤4.1.3，使步骤4.1.2中滑模面函数的导数得到等效控制电流其中k₁为滑模系数，e为跟踪误差，满足e＝Ω₂-Ω_d，其中Ω_d为理想转速。

进一步地，所述步骤4.2中所述的模糊逻辑系统由IF-THEN模糊语句构成。

进一步地，所述步骤4.3的实现步骤包括：

步骤4.3.1，用f的估计值代替f，用g的估计值代替g，增加切换控制器，得到自适应滑模控制律u，所述

其中u_sw为切换控制量，其中k₂为正常数；

步骤4.3.2，定义最优参数：

其中Ω_f和Ω_g分别为θ_f和θ_g的集合；

步骤4.3.3，定义最小逼近误差

步骤4.3.4，将步骤4.3.2中的最优参数和步骤4.3.3中的最小逼近误差代入步骤步骤4.1.2中滑模面函数的导数

进一步地，所述步骤4.4的实现步骤包括：

步骤4.4.1，定义Lyapunov函数

步骤4.4.2，将Lyapunov函数对时间t求导，得到：

步骤4.4.3，设计自适应律

步骤4.4.4，根据步骤4.4.2和步骤4.4.3得到：

步骤4.4.5，采用模糊逼近理论，依据步骤4.4.4中的关系式判断电磁转差离合器式电控液压转向系统的稳定性。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用自适应模糊控制方法和模糊滑模控制方法各自的优点，通过动态自适应律来产生满意的系统响应。

(2)基于Lyapunov方法设计的自适应算法能够保证整个闭环系统的全局渐进稳定性；由于对固定增益进行模糊逼近，明显的减少了抖振现象。

(3)本发明基于转速估计的控制系统在重型车辆转向系统的应用中具有良好的前景。

附图说明

图1为传统液压助力转向系统转速-流量关系图；

图2为ESC的结构原理图；

图3为E-ECHPS系统组成原理图；

图4为E-ECHPS系统转速-流量关系图；

图5为E-ECHPS系统控制策略示意图；

图6为本发明的电磁转差离合器基于转速估计的自适应模糊滑模控制系统结构框图；

图7为仿真时发动机输入；

图8为PID控制及自适应模糊滑模控制在E-ECHPS系统仿真中的鲁棒性对比。

具体实施方式

下面参照附图对本发明作以下具体的详细说明。

如图1所示，当发动机处于怠速时，转向泵的输出流量就达到最大值，这样车辆在原地转向时HPS可提供足够的转向助力，以满足转向轻便性的要求。随着车辆行驶速度提高，转向泵的转速也相应提高，由图1可知，转向泵的理论流量Q_P与实际流量Q_L的差值(即溢流流量)不断扩大，这意味着转向泵浪费的能量不断提高。

如图2所示，电磁转差离合器(ESC)由内转子、外转子组成，其中外转子中嵌有三相绕组，内转子中嵌有励磁绕组。在励磁绕组的作用下，三相绕组中感应出三相交流电，三相交流电产生的电枢磁场与励磁磁场相互作用使内转子跟随外转子异步转动。控制器根据实际工况要求控制超级电容的输出电流以改变励磁电流，从而实现转向泵转矩和转速的调节。

如图3所示，将ESC联接于发动机及转向泵之间构成电磁转差离合器式电控液压转向系统(E-ECHPS；电磁转差离合器(ESC)外转子与发动机相连，内转子与转向泵相连，ESC的输出转速等于转向泵的转速。因此本发明针对ESC进行自适应模糊滑模控制，通过调节ESC的励磁电流，改变ESC输入轴及输出轴的转矩差来实现对转向泵转矩和转速的调节。通过ECU接收车速、发动机转速、方向盘转矩/转角以及转向泵转速等信号，进而调节ESC的励磁电流，改变ESC输入轴及输出轴的转矩差，进而实现对转向泵转矩和转速的调节。发动机上装有检测发动机转速的传感器，转向泵上装有检测油泵转速的传感器，转向盘和转阀之间装有转矩/转角传感器，用于检测方向盘输入转矩和转角。当车辆转向时，输出控制模块ECU根据车速信号和传感器检测到的发动机转速信号、转向泵转速信号、转向盘输入转矩/转角信号计算电磁离合器的输入电流、转向泵的转速和转矩，调节转向泵的输出流量。此时助力缸也会根据转向泵的输出流量提供相应的助力，辅助驱动转向器转动，进而实现车辆的便捷转向。

如图4所示，在车辆行驶过程中，通过控制电磁离合器输入端与输出端的转速差，使转向泵的转速处于[n_min,n_max]范围内，转向泵的输出流量控制在[Q_min,Q_max]之间，转向泵内就不会产生溢流流量，从而使转向泵的能耗明显降低。

如图5所示，根据重型车辆不同工况下的运行和转向操纵的特点，以实现E-ECHPS节能和转向操纵性有机协调为目标，提出“不转向时维持液压系统基本压力、低速和原地转向时提供最大助力、中高速转向时提供恰当的随速可变助力”控制思想，以按需功率匹配和理想助力特性为约束条件，将该系统的节能和操控协调问题转化为非线性变参数动态系统的自适应控制问题。通过将模糊控制与滑模控制相结合，用模糊规则动态调节滑动模态变结构控制参数来解决系统自身及外界对E-ECHPS系统的影响；运用李雅普诺夫函数(Lyapunov)推导规则参数调整的自适应率,获得在线调节控制参数的自适应模糊控制规律，进而获得在不确定性和干扰因素作用下的系统稳定性条件，实现精确的系统功率匹配与助力特性调节，并提出系统性能的综合评价指标。

如图6所示，通过ESC的动态方程建立ESC的仿真模型，将输出的实际转速Ω₂与理想转速Ω_d间的差值进行滑模面的设计，并以滑模面s及其一阶导数作为模糊控制的输入，得到等效控制量u_eq及补偿控制量u_sw，将两者相加作为ESC模型的输入，最终实现一闭环的控制系统。

如图7所示，根据仿真结果，发动机的初始转速为3000r/min，在1.5s时转速下降到1000r/min，维持0.5s后转速回升到初始值。

如图8所示，图中曲线分别为理想转速(IRS)、自适应模糊滑模控制(AFSMC)及PID控制作用于ESC的仿真曲线。由于在1.5s时发动机转速发生变化，PID控制在1.5s时仿真出现明显波动，而自适应模糊滑模控制(AFSMC)却不受影响，表明自适应模糊滑模控制具有较好的抗干扰能力。

本发明提出的基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，具体实现包括以下两部分：

一、建立电磁转差离合器的无量纲动态方程。

为了便于分析问题,我们先做如下假设：

第一，忽略磁路饱和及铁损，各绕组的自感和互感都是线性的；

第二，不考虑温度和频率变化对电机电阻的影响。

基于以上假设，我们可以得到电磁转差离合器在d-q轴下的数学模型：

电压方程

电磁转矩方程

运动方程

其中，L_d为外转子直轴自感、L_q为外转子交轴自感，L_f为内转子线圈自感，M_sf为内转子和外转子的互感，R_f为内转子线圈电阻、R_s为外转子线圈电阻，R_L为三相绕组等效外阻，i_d为直轴电流、i_q为交轴电流，i_f为励磁电流，u_f为励磁电压，p为外转子极对数，Ω₁为外转子机械角速度、Ω₂为内转子机械角速度；J₁为外转子的转动惯量、J₂为内转子的转动惯量，B₁为外转子的转动阻尼系数、B₂为内转子的转动阻尼系数，T_e为电磁转矩，T_p为负载转矩；由于外转子直轴、交轴自感近似相等，即L_d≈L_q，则有电磁转矩

根据重型车辆不同工况下的运行和转向操纵的特点，以实现E-ECHPS节能和转向操纵性有机协调为目标，提出“不转向时维持液压系统基本压力、低速和原地转向时提供最大助力、中高速转向时提供恰当的随速可变助力”控制思想，以按需功率匹配和理想助力特性为约束条件，将该系统的节能和操控协调问题转化为非线性变参数动态系统的自适应控制问题。

由于ESC在生产装配上存在误差使其在运行过程中转动惯量发生变化、转动时材料的发热导致电感系数的变化等，使得系统在运行过程中的存在某些不确定性因素以及外界干扰如汽车行驶过程中的侧向风、发动机转速的波动、转向盘的抖动、压力/流量波动等。本发明针对系统的不确定性和外界干扰进行了自适应模糊滑模控制器的设计，并对控制器的参数在线自适应调节及稳定性进行分析，具体实施方案如下：

二、设计基于转速估计的自适应模糊滑模控制器。

电磁转差离合器自适应模糊滑模控制系统的结构框图如图3所示。具体设计步骤如下：

(1)设计等效滑模控制器。

根据ESC的运动方程(3)，定义滑模面函数

对式子(4)的滑模面函数s求导并令不考虑不确定性和外界干扰，得到等效控制电流u_eq，其表达式为：

其中k₁为滑模系数，e为跟踪误差，满足e＝Ω₂-Ω_d，其中Ω_d为理想转速。

(2)建立模糊逻辑系统，所述模糊逻辑系统的基本结构是由如下形式的“IF-THEN”模糊语句构成：

R^l：IFsisANDisTHENu_fcisB^l；

其中，和为输入变量模糊子集的语言变量，B^l是输出变量模糊子集的语言变量，l＝1,2,...,49代表模糊控制规则的数目。

模糊推理采用单点模糊化，乘积推理和中心平均加权进行解模糊运算，确定输出变量u_fc，令u_fc＝y(x)；

其中为x_i的隶属度函数。引入向量ξ(x)，上式变为

y(x)＝θ^Tξ(x)(7)

其中，θ＝[y¹,...,y^M]^T,ξ(x)＝[ξ¹(x),...,ξ^M(x)]^T。

(3)自适应模糊滑模控制器设计。

(3-1)考虑所述等效控制电流u_eq中，f和g未知，用其估计值及代替，自适应调节f和g的参数，并增加切换控制器，可得自适应滑模控制律u，

其中u_sw为切换控制量，其中k₂为正常数；

(3-2)定义最优参数为：

其中Ω_f和Ω_g分别为θ_f和θ_g的集合。

(3-3)定义最小逼近误差：

(3-4)将最优参数及最小逼近误差带入中，可得：

其中

(4)基于Lyapunov函数，设计等效滑模控制器中的自适应参数及的自适应律，实现系统参数的自适应辨识，保证整个闭环系统的全局渐近稳定性。

(4-1)定义Lyapunov函数

(4-2)对时间t求导，则有：

(4-3)设计自适应律带入上式(12)得：

(4-4)根据模糊逼近理论，自适应模糊系统可以实现逼近误差ε非常小，因此由此说明电磁转差离合器式电控液压转向系统(E-ECHPS)的稳定性较好，能够消除不确定性因素和外界干扰、以及消除抖振现象。

以上所述仅用于描述本发明的技术方案和具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，应当理解，在不违背本发明实质内容的前提下，所作任何修改、改进或等同替换等都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将电磁转差离合器外转子与发动机相连，内转子与转向泵相连，建立电磁转差离合器式电控液压转向系统；

步骤2，利用电控单元(ECU)采集电磁转差离合器式电控液压转向系统中转向泵的转速信号；

步骤3，基于步骤2中所述的转速，建立电磁转差离合器(ESC)动态方程；

步骤4，基于步骤3中所述的数学模型，设计基于转速估计的自适应模糊滑模控制器，包括如下步骤：

步骤4.1，设计等效滑模控制器；

步骤4.2，建立模糊逻辑系统；

步骤4.3，设计自适应模糊滑模控制器；

步骤4.4，基于Lyapunov函数，设计等效滑模控制器中的自适应参数及的自适应律。

2.根据权利要求1所述的基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，其特征在于，所述步骤3中的动态方程具体为d-q轴下的数学模型：

电压方程 $\left\{\begin{array}{c}{L}_d{\stackrel{\·}{i}}_d=-M_{sf}{\stackrel{\·}{i}}_f-(R_s+R_L)i_d-p({\mathrm{\Ω}}_1-{\mathrm{\Ω}}_2)L_q{i}_q\\ L_q{\stackrel{\·}{i}}_q=-(R_s+R_L)i_q+p({\mathrm{\Ω}}_1-{\mathrm{\Ω}}_2)(L_d{i}_d+M_{sf}{i}_f)\\ u_f=R_f{i}_f+L_f{\stackrel{\·}{i}}_f+\frac{3}{2}{M}_{sf}{\stackrel{\·}{i}}_d\end{array}\right.;$

电磁转矩方程 $T_e=\frac{3}{2}{\mathrm{pi}}_q\[(L_d-L_q)i_d+M_{sf}{i}_f\];$

运动方程 $\left\{\begin{array}{c}{T}_i=J_1{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_1+B_1{\mathrm{\Ω}}_1+T_e\\ T_e=J_2{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_2+B_2{\mathrm{\Ω}}_2+T_p\end{array}\right.;$

其中，L_d为外转子直轴自感、L_q为外转子交轴自感，L_f为内转子线圈自感，M_sf为内转子和外转子的互感，R_f为内转子线圈电阻、R_s为外转子线圈电阻，R_L为三相绕组等效外阻，i_d为直轴电流、i_q为交轴电流，i_f为励磁电流，u_f为励磁电压，p为外转子极对数，Ω₁为外转子机械角速度、Ω₂为内转子机械角速度；J₁为外转子的转动惯量、J₂为内转子的转动惯量，B₁为外转子的转动阻尼系数、B₂为内转子的转动阻尼系数，T_e为电磁转矩，T_p为负载转矩。

3.根据权利要求1所述的基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，其特征在于，所述步骤4.1的实现步骤包括：

步骤4.1.1，根据ESC的运动方程，定义滑模面函数

步骤4.1.2，对步骤4.1.1中所述的滑模面函数s求导

步骤4.1.3，使步骤4.1.2中滑模面函数的导数得到等效控制电流 $u_{eq}=\frac{1}{g}(-f-k_{1}e+{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_d);$ 其中 $f=-\frac{B_2}{J_2}{\mathrm{\Ω}}_2-\frac{1}{J_2}{T}_p,g=\frac{1}{J_2}\·\frac{3}{2}{M}_{sf}{\mathrm{pi}}_q,$ k₁为滑模系数，e为跟踪误差，满足e＝Ω₂-Ω_d，其中Ω_d为理想转速。

4.根据权利要求1所述的基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，其特征在于，所述步骤4.2中所述的模糊逻辑系统由IF-THEN模糊语句构成。

5.根据权利要求1或3所述的基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，其特征在于，所述步骤4.3的实现步骤包括：

步骤4.3.1，用f的估计值代替f，用g的估计值代替g，增加切换控制器，得到自适应滑模控制律u，所述 $u=u_{eq}+u_{sw}=\frac{1}{\hat{g}}(-\hat{f}-k_{1}e-k_2\mathrm{sgn}(s)+{\stackrel{\·}{\mathrm{\Ω}}}_d);$

其中 $\hat{f}={\mathrm{\θ}}_f^T\mathrm{\ξ}\left(x\right),\hat{g}={\mathrm{\θ}}_g^T\mathrm{\ξ}\left(x\right),$ u_sw为切换控制量， $u_{sw}=-\frac{1}{\hat{g}}\·k_2\mathrm{sgn}\left(s\right),$ 其中k₂为正常数；

步骤4.3.2，定义最优参数：

$\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_f^{*}=\arg \underset{{\mathrm{\θ}}_f\∈{\mathrm{\Ω}}_f}{\min }\[\sup |\hat{f}-f|\]\\ {\mathrm{\θ}}_g^{*}=\arg \underset{{\mathrm{\θ}}_g\∈{\mathrm{\Ω}}_g}{\min }\[\sup |\hat{g}-g|\]\end{array};$

其中Ω_f和Ω_g分别为θ_f和θ_g的集合；

步骤4.3.3，定义最小逼近误差

步骤4.3.4，将步骤4.3.2中的最优参数和步骤4.3.3中的最小逼近误差代入步骤步骤4.1.2中滑模面函数的导数

6.根据权利要求1所述的基于转速估计的电磁转差离合器自适应模糊滑模控制方法，其特征在于，所述步骤4.4的实现步骤包括：

步骤4.4.1，定义Lyapunov函数

步骤4.4.2，将Lyapunov函数对时间t求导，得到：

步骤4.4.3，设计自适应律

步骤4.4.4，根据步骤4.4.2和步骤4.4.3得到：

$\stackrel{\·}{V}=s\mathrm{\ϵ}-{\mathrm{sk}}_2\mathrm{sgn}\left(s\right)\≤\left|s\right|\mathrm{\ϵ}-\left|s\right|k_2=-(k_2-\mathrm{\ϵ})\left|s\right|;$

步骤4.4.5，采用模糊逼近理论，依据步骤4.4.4中的关系式判断电磁转差离合器式电控液压转向系统的稳定性。