CN106828591A - 一种电动助力转向系统多模式切换控制方法 - Google Patents

一种电动助力转向系统多模式切换控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统；所述方法包括以下步骤：S1、获取车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息并选择控制模式；S2、设计模糊切换控制器，且根据目标电流与权重系数计算得出输出电流；S3、计算上述输出电流的微分以及二阶微分并建立关于特征状态的可拓集合并进行区域划分；S4、基于可拓理论对模糊切换控制器进行性能拓展，在可拓集合不同区域设定不同控制方法，且建立关联函数，并判定输出电流处于可拓集合的哪个区域内，并将优化后的电量输入至电机。本发明根据电流处于不同的集合状态时采用不同的控制策略以优化此目标电流，从而获得了更好的控制性能，实现了EPS多模式的平滑切换。

Description

一种电动助力转向系统多模式切换控制方法
技术领域
本发明涉及电动汽车转向系统控制技术领域，尤其涉及一种电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统。
背景技术
电动助力转向系统相比传统的液压助力转向系统，具有体积小、高效低耗和能提高操纵稳定性等特点，目前已经普遍应用于汽车。
EPS的控制模式依据工况的不同，一般分为助力控制模式、回正控制模式、阻尼控制模式。EPS根据当前汽车行驶的工况采用相应的控制模式对汽车转向系统进行控制，这不仅减轻了驾驶员的负担，也提高了汽车的操纵稳定性。汽车在某一行驶工况中，EPS处于一种控制模式，这是一个连续动态过程，当车速、方向盘转矩、方向盘转角等离散事件输入发生变化时，EPS从一种控制模式跃变到另一种控制模式，EPS两种模式之间完成切换，从一种连续动态到另一种连续动态，这是一个离散的过程。因此，EPS系统是一个包含离散事件和连续动态过程的复杂动力学系统，具有典型的混杂系统特征。混杂系统在切换过程中稳定性较差，如果控制性能不佳，EPS各个模式在切换过程中会产生电机电流突变、方向盘抖动等现象，这会严重影响EPS的性能。所以，如何提高EPS多模式之间切换过程的稳定性是改善EPS性能的关键。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统。
本发明提出的电动助力转向系统多模式切换控制方法，包括以下步骤：
S1、获取车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息，并根据车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息选择控制模式；
S2、基于模糊控制理论建立模糊规则，并根据上述模糊规则设计模糊切换控制器，且根据不同控制模式的目标电流与该控制模式的权重系数计算得出输出电流；
S3、计算上述输出电流的微分以及二阶微分，并将上述输出电流的微分以及二阶微分作为特征状态建立关于特征状态的可拓集合，根据输出电流的微分以及二阶微分的容许范围和系统可调的最大微分和二阶微分对可拓集合进行区域划分；
S4、基于可拓理论对模糊切换控制器进行性能拓展，在可拓集合不同区域设定不同控制方法；且建立关联函数，并结合关联函数、输出电流的微分以及二阶微分判定输出电流处于可拓集合的哪个区域内，并利用该区域对应的控制方法对电流进行优化，且将优化后的电量输入至电机。
优选地，步骤S1具体包括：通过传感器获取车辆转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息；
当或V≥70km/h&&|Th|＞2N·m时，选择助力模式；
当时，选择回正模式；
当V≥70km/h&&|Th|≤2N·m时，选择阻尼模式。
优选地，步骤S2具体包括：
基于模糊控制理论，选用三角形隶属度函数并建立模糊规则；将转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息作为模糊切换控制器输入，各模式的权重系数σ作为输出，分别对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集；
优选地，对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集具体包括：
对于控制助力—阻尼模式的模糊切换控制器：
Th的基本论域定为[-5,5]、
模糊论域定为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{NB1,NB2,NM1,NM2,NS1,NS2,ZO,PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
V的基本论域定为[50,90]、
模糊论域定为{1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
对于控制助力—回正模式的模糊切换控制器：
θc的基本论域定为[-3,3]、
模糊论域定为{-3,-2,-1,0,1,2,3}、
模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
将阻尼模式、助力模式、回正模式三种模式的目标电流同对应模式下的权重系数相乘再求和得出输出电流，设计模糊切换控制器控制器具体包括：
模糊切换控制器作为上层控制器控制目标电流的输出，完成各模式之间的切换，下层EPS采用PID控制器进行控制；
输出电流即可通过下式得出：
其中，I1为助力模式的目标电流，I2为阻尼模式的目标电流，I3为回正模式的目标电流，σ1、σ2、σ3、σ4均为模糊切换器输出加权系数。
优选地，步骤S3具体包括：
根据上述输出电流I，计算其微分以及二阶微分提取以及组成特征状态并建立关于特征状态的可拓集合；
设输出电流的微分的容许范围分别为输出电流的二阶微分的容许范围为系统可调的最大微分和二阶微分分别为以作为可拓集合的横坐标、为纵坐标，和作为横坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为作为纵坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为
优选地，步骤S4具体包括：
输出电流I的微分以及二阶微分组成的特征平面，设特征平面的原点为S0(0,0)，记对特征平面上任一点定义关联函数为：
其中，Roy为经典域，
为可拓集合不同区域设定不同控制方法具体包括：
在经典域内，测度模式为M1＝{S|K(S)≥0}，采用模糊切换控制策略；
在可拓域内，测度模式为M2＝{S|-1≤K(S)≤0}，模糊切换控制策略输出为：
其中，KC为当前测度模式的控制系数，为目标电流微分的符号函数；
在非域内，测度模式为M3＝{S|K(S)≤-1}，取模糊切换控制器输出最大值um作为模糊切换控制策略；
即EPS可拓模糊切换控制器输出为：
根据关联函数值对应不同的域选择该域对应的控制，得到所需电流值。
本发明提出的电动助力转向系统多模式切换控制系统，包括：
模式选择模块，用于获取车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息，并根据车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息选择控制模式；
电流计算模块，用于基于模糊控制理论建立模糊规则，并根据上述模糊规则设计模糊切换控制器，且根据不同控制模式的目标电流与该控制模式的权重系数计算得出输出电流；
集合建立模块，用于计算上述输出电流的微分以及二阶微分，并将上述输出电流的微分以及二阶微分作为特征状态建立关于特征状态的可拓集合，根据输出电流的微分以及二阶微分的容许范围和系统可调的最大微分和二阶微分对可拓集合进行区域划分；
电流优化模块，用于基于可拓理论对模糊切换控制器进行性能拓展，在可拓集合不同区域设定不同控制方法；且建立关联函数，并结合关联函数、输出电流的微分以及二阶微分判定输出电流处于可拓集合的哪个区域内，并利用该区域对应的控制方法对电流进行优化，且将优化后的电量输入至电机。
优选地，模式选择模块具体用于：通过传感器获取车辆转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息；
当或V≥70km/h&&|Th|＞2N·m时，选择助力模式；
当时，选择回正模式；
当V≥70km/h&&|Th|≤2N·m时，选择阻尼模式。
优选地，电流计算模块具体用于：
基于模糊控制理论，选用三角形隶属度函数并建立模糊规则；将转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息作为模糊切换控制器输入，各模式的权重系数σ作为输出，分别对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集；
优选地，对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集具体包括：
对于控制助力—阻尼模式的模糊切换控制器：
Th的基本论域定为[-5,5]、
模糊论域定为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{NB1,NB2,NM1,NM2,NS1,NS2,ZO,PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
V的基本论域定为[50,90]、
模糊论域定为{1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
对于控制助力—回正模式的模糊切换控制器：
θc的基本论域定为[-3,3]、
模糊论域定为{-3,-2,-1,0,1,2,3}、
模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
将阻尼模式、助力模式、回正模式三种模式的目标电流同对应模式下的权重系数相乘再求和得出输出电流，设计模糊切换控制器控制器具体包括：
模糊切换控制器作为上层控制器控制目标电流的输出，完成各模式之间的切换，下层EPS采用PID控制器进行控制；
输出电流即可通过下式得出：
其中，I1为助力模式的目标电流，I2为阻尼模式的目标电流，I3为回正模式的目标电流，σ1、σ2、σ3、σ4均为模糊切换器输出加权系数。
优选地，集合建立模块具体用于：
根据上述输出电流I，计算其微分以及二阶微分提取以及组成特征状态并建立关于特征状态的可拓集合；
设输出电流的微分的容许范围分别为输出电流的二阶微分的容许范围为系统可调的最大微分和二阶微分分别为以作为可拓集合的横坐标、为纵坐标，作为横坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为作为纵坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为
优选地，电流优化模块具体用于：
输出电流I的微分以及二阶微分组成的特征平面，设特征平面的原点为S0(0,0)，记对特征平面上任一点定义关联函数为：
其中，Roy为经典域，
为可拓集合不同区域设定不同控制方法具体包括：
在经典域内，测度模式为M1＝{S|K(S)≥0}，采用模糊切换控制策略；
在可拓域内，测度模式为M2＝{S|-1≤K(S)≤0}，模糊切换控制策略输出为：
其中，KC为当前测度模式的控制系数，为目标电流微分的符号函数；
在非域内，测度模式为M3＝{S|K(S)≤-1}，取模糊切换控制器输出最大值um作为模糊切换控制策略；
即EPS可拓模糊切换控制器输出为：
根据关联函数值对应不同的域选择该域对应的控制，得到所需电流值。
本发明提出的电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统，基于模糊控制理论，针对EPS混杂系统的特点，设计了上层模糊切换控制器，通过输出权重系数来完成EPS多个模式之间的切换，因此减小了切换过程中的冲击，提升了切换过程的平稳性，较大改善了EPS控制性能；进一步地，本发明选用输入到电机的目标电流的微分和二阶微分作为特征状态提取量，基于可拓理论对特征状态进行划分，对应可拓集合中的经典域、可拓域和非域，且当上述特征状态处于不同的集合状态时采用不同的控制策略以优化此目标电流，从而获得了更好的控制性能，实现了EPS多模式的平滑切换。
附图说明
图1为一种电动助力转向系统多模式切换控制方法的步骤示意图；
图2为一种电动助力转向系统多模式切换控制系统的结构示意图；
图3为一种电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统的EPS控制模式的切换示意图；
图4为一种电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统的EPS模糊切换控制系统的结构示意图；
图5为一种电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统的EPS可拓模糊切换控制器的结构示意图；
图6为一种电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统的关于特征状态的可拓集合的结构示意图；
图7为一种电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统的试验系统框图；
图8为实施例中助力-阻尼模式切换目标电流硬件在环试验结果比较示意图；
图9为实施例中助力-阻尼模式切换转向盘转角硬件在环试验结果比较示意图；
图10为实施例中助力-阻尼模式切换横摆角速度硬件在环试验结果比较示意图；
图11为实施例中阻尼-助力模式切换目标电流仿真硬件在环试验结果比较示意图；
图12为实施例中阻尼-助力模式切换转向盘转角硬件在环试验结果比较示意图；
图13为实施例中阻尼-助力模式切换横摆角速度硬件在环试验结果比较示意图；
图14为实施例中回正-助力模式切换目标电流硬件在环试验结果比较示意图；
图15为实施例中回正-助力模式切换转向盘转角硬件在环试验结果比较示意图；
图16为实施例中回正-助力模式切换横摆角速度硬件在环试验结果比较示意图。
具体实施方式
参照图1、图3-图7，图1、图3-图7为本发明提出的电动助力转向系统多模式切换控制方法，包括以下步骤：
S1、获取车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息，并根据车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息选择控制模式；
步骤S1具体包括：通过传感器获取车辆转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息；
当或V≥70km/h&&|Th|＞2N·m时，选择助力模式；
当时，选择回正模式；
当V≥70km/h&&|Th|≤2N·m时，选择阻尼模式。
S2、基于模糊控制理论建立模糊规则，并根据上述模糊规则设计模糊切换控制器，且根据不同控制模式的目标电流与该控制模式的权重系数计算得出输出电流；
步骤S2具体包括：根据上述所建立的输入、输出及模糊规则设计模糊切换控制器，将阻尼模式、助力模式、回正模式三种模式的目标电流同控制器输出的权重系数相乘再求和就可得到包含切换过程的输出电流，即通过调节权重系数完成各模式之间的平滑切换；控制器的具体设计如下：
基于模糊控制理论，选用三角形隶属度函数并建立模糊规则；将转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息作为模糊切换控制器输入，各模式的权重系数σ作为输出，分别对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集；
优选地，对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集具体包括：
对于控制助力—阻尼模式的模糊切换控制器：
Th的基本论域定为[-5,5]、
模糊论域定为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{NB1,NB2,NM1,NM2,NS1,NS2,ZO,PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
V的基本论域定为[50,90]、
模糊论域定为{1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
对于控制助力—回正模式的模糊切换控制器：
θc的基本论域定为[-3,3]、
模糊论域定为{-3,-2,-1,0,1,2,3}、
模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
将阻尼模式、助力模式、回正模式三种模式的目标电流同对应模式下的权重系数相乘再求和得出输出电流，设计模糊切换控制器控制器具体包括：
模糊切换控制器作为上层控制器控制目标电流的输出，完成各模式之间的切换，下层EPS采用PID控制器进行控制；
输出电流即可通过下式得出：
其中，I1为助力模式的目标电流，I2为阻尼模式的目标电流，I3为回正模式的目标电流，σ1、σ2、σ3、σ4均为模糊切换器输出加权系数。
模糊切换控制是模糊多模型控制的一种，与传统意义上的模糊控制不同，其输出一般不是控制对象的直接输入，而是作为控制器的输出调整指令。控制系统根据输入条件对当前状态进行判断，在某一时刻，只有一个模糊切换控制器进行工作。模糊切换控制器通过输出的权数来完成两种模式的相互切换，在切换的过程中，前一个模式的加权系数从1降为0，后一个模式的加权系数从0升为1，从而完成切换。
在模糊切换控制系统中设计了两个模糊切换控制器，分别为阻力-阻尼模糊切换控制器和助力-回正模糊切换控制器。由于车辆在高速下进行回正并不需要电机提供阻力，所以不涉及阻尼-回正模式之间的模糊切换及控制器。当车在低速时，不需要进行阻尼控制，只有助力和回正模式相互切换，此时，模糊切换控制器2工作。当车速较高时，不需要再给电机提供回正目标电流，模糊切换控制器1完成助力和阻尼模式之间的切换。
S3、计算上述输出电流的微分以及二阶微分，并将上述输出电流的微分以及二阶微分作为特征状态建立关于特征状态的可拓集合，根据输出电流的微分以及二阶微分的容许范围和系统可调的最大微分和二阶微分对可拓集合进行区域划分；步骤S3具体包括：
根据上述输出电流I，计算其微分以及二阶微分提取以及组成特征状态并建立关于特征状态的可拓集合；
设输出电流的微分的容许范围分别为输出电流的二阶微分的容许范围为系统可调的最大微分和二阶微分分别为以作为可拓集合的横坐标、为纵坐标，作为横坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为作为纵坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为
S4、基于可拓理论对模糊切换控制器进行性能拓展，以对可拓集合进行区域划分，且为可拓集合不同区域设定不同控制方法；且建立关联函数，并结合关联函数、输出电流的微分以及二阶微分判定输出电流处于可拓集合的哪个区域内，并利用该区域对应的控制方法对电流进行优化，且将优化后的电量输入至电机，电机产生平稳变化的力矩以达到电动助力转向系统多模式之间平滑切换的目的。
步骤S4具体包括：
输出电流I的微分以及二阶微分组成的特征平面，设特征平面的原点为S0(0,0)，记对特征平面上任一点定义关联函数为：
其中，Roy为经典域，
为可拓集合不同区域设定不同控制方法具体包括：
在经典域内，测度模式为M1＝{S|K(S)≥0}，此时特征状态处于模糊切换控制可以控制的集合，采用模糊切换控制策略；
在可拓域内，测度模式为M2＝{S|-1≤K(S)≤0}，测度模式M2是可拓控制策略发挥作用的主要区域，控制器是为了尽可能拓展EPS系统切换时的控制性能提升空间，则模糊切换控制策略输出为：
其中，KC为当前测度模式的控制系数，为目标电流微分的符号函数；
在非域内，测度模式为M3＝{S|K(S)≤-1}，此模式下，特征状态已经较远地偏离了经典域，无法使特征状态转变到符合控制要求的范围，取模糊切换控制器输出最大值um作为模糊切换控制策略；
即EPS可拓模糊切换控制器输出为：
根据关联函数值对应不同的域选择该域对应的控制，得到所需电流值。
参照图2-图7，图2-图7为本发明提出的电动助力转向系统多模式切换控制系统，包括：
模式选择模块，用于获取车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息，并根据车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息选择控制模式；
模式选择模块具体用于：通过传感器获取车辆转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息；
当或V≥70km/h&&|Th|＞2N·m时，选择助力模式；
当时，选择回正模式；
当V≥70km/h&&|Th|≤2N·m时，选择阻尼模式。
电流计算模块，用于基于模糊控制理论建立模糊规则，并根据上述模糊规则设计模糊切换控制器，且根据不同控制模式的目标电流与该控制模式的权重系数计算得出输出电流；
电流计算模块具体用于：根据上述所建立的输入、输出及模糊规则设计模糊切换控制器，将阻尼模式、助力模式、回正模式三种模式的目标电流同控制器输出的权重系数相乘再求和就可得到包含切换过程的输出电流，即通过调节权重系数完成各模式之间的平滑切换；控制器的具体设计如下：
基于模糊控制理论，选用三角形隶属度函数并建立模糊规则；将转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息作为模糊切换控制器输入，各模式的权重系数σ作为输出，分别对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集；
优选地，对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集具体包括：
对于控制助力—阻尼模式的模糊切换控制器：
Th的基本论域定为[-5,5]、
模糊论域定为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{NB1,NB2,NM1,NM2,NS1,NS2,ZO,PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
V的基本论域定为[50,90]、
模糊论域定为{1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
对于控制助力—回正模式的模糊切换控制器：
θc的基本论域定为[-3,3]、
模糊论域定为{-3,-2,-1,0,1,2,3}、
模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
将阻尼模式、助力模式、回正模式三种模式的目标电流同对应模式下的权重系数相乘再求和得出输出电流，设计模糊切换控制器控制器具体包括：
模糊切换控制器作为上层控制器控制目标电流的输出，完成各模式之间的切换，下层EPS采用PID控制器进行控制；
输出电流即可通过下式得出：
其中，I1为助力模式的目标电流，I2为阻尼模式的目标电流，I3为回正模式的目标电流，σ1、σ2、σ3、σ4均为模糊切换器输出加权系数。
模糊切换控制是模糊多模型控制的一种，与传统意义上的模糊控制不同，其输出一般不是控制对象的直接输入，而是作为控制器的输出调整指令。控制系统根据输入条件对当前状态进行判断，在某一时刻，只有一个模糊切换控制器进行工作。模糊切换控制器通过输出的权数来完成两种模式的相互切换，在切换的过程中，前一个模式的加权系数从1降为0，后一个模式的加权系数从0升为1，从而完成切换。
在模糊切换控制系统中设计了两个模糊切换控制器，分别为阻力-阻尼模糊切换控制器和助力-回正模糊切换控制器。由于车辆在高速下进行回正并不需要电机提供阻力，所以不涉及阻尼-回正模式之间的模糊切换及控制器。当车在低速时，不需要进行阻尼控制，只有助力和回正模式相互切换，此时，模糊切换控制器2工作。当车速较高时，不需要再给电机提供回正目标电流，模糊切换控制器1完成助力和阻尼模式之间的切换。
集合建立模块，用于计算上述输出电流的微分以及二阶微分，并将上述输出电流的微分以及二阶微分作为特征状态建立关于特征状态的可拓集合，根据输出电流的微分以及二阶微分的容许范围和系统可调的最大微分和二阶微分对可拓集合进行区域划分；
集合建立模块具体用于：
根据上述输出电流I，计算其微分以及二阶微分提取以及组成特征状态并建立关于特征状态的可拓集合；
设输出电流的微分的容许范围分别为输出电流的二阶微分的容许范围为系统可调的最大微分和二阶微分分别为以作为可拓集合的横坐标、为纵坐标，作为横坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为作为纵坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为
电流优化模块，用于基于可拓理论对模糊切换控制器进行性能拓展，以对可拓集合进行区域划分，且为可拓集合不同区域设定不同控制方法；且建立关联函数，并结合关联函数、输出电流的微分以及二阶微分判定输出电流处于可拓集合的哪个区域内，并利用该区域对应的控制方法对电流进行优化，且将优化后的电量输入至电机。
电流优化模块具体用于：
输出电流I的微分以及二阶微分组成的特征平面，设特征平面的原点为S0(0,0)，记对特征平面上任一点定义关联函数为：
其中，Roy为经典域，
为可拓集合不同区域设定不同控制方法具体包括：
在经典域内，测度模式为M1＝{S|K(S)≥0}，此时特征状态处于模糊切换控制可以控制的集合，采用模糊切换控制策略；
在可拓域内，测度模式为M2＝{S|-1≤K(S)≤0}，测度模式M2是可拓控制策略发挥作用的主要区域，控制器是为了尽可能拓展EPS系统切换时的控制性能提升空间，则模糊切换控制策略输出为：
其中，KC为当前测度模式的控制系数，为目标电流微分的符号函数；
在非域内，测度模式为M3＝{S|K(S)≤-1}，此模式下，特征状态已经较远地偏离了经典域，无法使特征状态转变到符合控制要求的范围，取模糊切换控制器输出最大值um作为模糊切换控制策略；
即EPS可拓模糊切换控制器输出为：
根据关联函数值对应不同的域选择该域对应的控制，得到所需电流值。
本发明提出的电动助力转向系统多模式切换控制方法及系统，基于模糊控制理论，针对EPS混杂系统的特点，设计了上层模糊切换控制器，通过输出权重系数来完成EPS多个模式之间的切换，因此减小了切换过程中的冲击，提升了切换过程的平稳性，较大改善了EPS控制性能；进一步地，本发明选用输入到电机的目标电流的微分和二阶微分作为特征状态提取量，基于可拓理论对特征状态进行划分，对应可拓集合中的经典域、可拓域和非域，且当上述特征状态处于不同的集合状态时采用不同的控制策略以优化此目标电流，从而获得了更好的控制性能，实现了EPS多模式的平滑切换。
优选地，采用三个性能指标对本方法的有效性和可行性进行验证，三个指标分别为切换后的电流I、转向盘转角θc以及横摆角速度ωr；电流I和转向盘转角θc可以通过传感器直接采集，横摆角速度ωr需要通过线性二自由度模型获得。所述的二自由度模型为：
二自由度车辆所受到的外力沿y轴方向的合力与绕质心的力矩为：
车辆前后轮侧偏角为：
整理之后得到该二自由度汽车模型的动力学方程：
其中，β为车辆质心侧偏角，ωr为车辆横摆角速度，m为车辆的整车质量，Iz为车辆绕z轴的转动惯量，lf为质心到前轴中心的距离，lr为质心到后轴中心的距离，δf为车辆前轮的转角，Cf为车辆前轮胎的侧偏刚度，Cr为车辆后轮胎的侧偏刚度。
为验证上述方法及系统的有效性和可行性，以下结合具体实施例对上述方法及系统进行验证：
搭建用于EPS多模式切换的台架进行试验。本专利以某款装配有EPS的转向管柱和阻力模拟伺服电机为基础搭建试验台架,并联合LabVIEW进行试验研究。试验台架主要设备包括转向管柱、阻力模拟伺服电动机、各种传感器、助力电机、PXI主机、SCB-68接线板和计算机等，具体试验系统如图7所示。在试验过程中，利用接口系统采集转向盘转角传感器、转向盘转矩传感器等信号，并将信号传送给PXI主机；在LabVIEW中编写控制算法，由PXI主机执行；接口系统同时也将车辆模型中的转向阻力矩和目标力矩分别发送到伺服电动机控制器和EPS电动机控制器，以此实施多种模式的切换控制。
硬件在环试验在三种工况下进行，分别为：基于车速的助力模式到阻尼模式的切换、基于方向盘转矩的阻尼模式到助力模式的切换、基于方向盘转角的回正模式到助力模式的切换。每种工况都采用直接切换、模糊切换和可拓模糊切换三种控制策略进行试验。
进行模糊控制切换的模糊控制规则如下表所示：
表1助力—阻尼模式切换模糊规则表
表2助力—回正模式切换模糊规则表
EPS系统在工作过程中,主要工作在助力模式、回正模式和阻尼模式下，三者各自构成了自己的连续动态过程；外界离散事件输入或控制模式下连续动态的演化会引起EPS各模式的跃变，即多模式之间的相互切换。EPS直接切换进行控制，就是按照图3所示的方式，当切换条件满足时，直接切换至另一种工作模式。模糊切换和可拓模糊切换两种控制策略已经详细给出。
(1)助力—阻尼模式切换
给定方向盘转矩为2N·m，车速以50km/h的速度递增到90km/h，在这一过程中，EPS从助力模式切换到阻尼模式，分别采用直接切换、模糊切换和可拓模糊切换三种控制策略进行试验。经反复试验，可拓模糊切换控制器中的主要参数取KC＝[1-1]。图8-图10给出的是以车速70km/h作为EPS切换点的试验结果图。
(2)阻尼—助力模式切换
设车速为80km/h，方向盘力矩从0N·m递增到5N·m，在这一过程中，EPS 从阻尼模式切换到助力模式，分别采用直接切换、模糊切换和可拓模糊切换三种控制策略进行试验。可拓模糊切换控制器中的主要参数取 KC＝[-11]。图11-图13给出的是以转向盘力矩2N·m作为EPS切换点的试验结果图。
(3)回正—助力模式切换
设车速为20km/h，在回正过程中施加转向力，EPS从回正模式切换到助力模式，分别采用直接切换、模糊切换和可拓模糊切换三种控制策略进行试验。可拓模糊切换控制器中的主要参数取KC＝[-1 1]。图14-图16给出的是以转向盘转速和转速微分乘积为0作为EPS切换点的试验结果图。
硬件在环试验结果说明采用本发明的控制方法时，模糊切换控制能大幅改善EPS的控制性能，有效遏制EPS模式切换过程中的电流突变和性能恶化，减小了切换过程的冲击，方向盘转角和横摆角速度在切换时也能更好的平稳过渡。可拓模糊切换控制在模糊切换控制的基础上对目标的电流进行优化，进一步提升了系统的控制性能，实现了EPS混杂系统在多模式切换过程中的平滑切换。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息，并根据车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息选择控制模式；
S2、基于模糊控制理论建立模糊规则，并根据上述模糊规则设计模糊切换控制器，且根据不同控制模式的目标电流与该控制模式的权重系数计算得出输出电流；
S3、计算上述输出电流的微分以及二阶微分，并将上述输出电流的微分以及二阶微分作为特征状态建立关于特征状态的可拓集合，根据输出电流的微分以及二阶微分的容许范围和系统可调的最大微分和二阶微分对可拓集合进行区域划分；
S4、基于可拓理论对模糊切换控制器进行性能拓展，在可拓集合不同区域设定不同控制方法；且建立关联函数，并结合关联函数、输出电流的微分以及二阶微分判定输出电流处于可拓集合的哪个区域内，并利用该区域对应的控制方法对电流进行优化，且将优化后的电量输入至电机。
2.根据权利要求1所述的电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，步骤S1具体包括：通过传感器获取车辆转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息；
当或V≥70km/h&&|Th|＞2N·m时，选择助力模式；
当时，选择回正模式；
当V≥70km/h&&|Th|≤2N·m时，选择阻尼模式。
3.根据权利要求2所述的电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，步骤S2具体包括：
基于模糊控制理论，选用三角形隶属度函数并建立模糊规则；将转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息作为模糊切换控制器输入，各模式的权重系数σ作为输出，分别对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集；
优选地，对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集具体包括：
对于控制助力—阻尼模式的模糊切换控制器：
Th的基本论域定为[-5,5]、
模糊论域定为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{NB1,NB2,NM1,NM2,NS1,NS2,ZO,PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
V的基本论域定为[50,90]、
模糊论域定为{1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
对于控制助力—回正模式的模糊切换控制器：
θc的基本论域定为[-3,3]、
模糊论域定为{-3,-2,-1,0,1,2,3}、
模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
将阻尼模式、助力模式、回正模式三种模式的目标电流同对应模式下的权重系数相乘再求和得出输出电流，设计模糊切换控制器控制器具体包括：
模糊切换控制器作为上层控制器控制目标电流的输出，完成各模式之间的切换，下层EPS采用PID控制器进行控制；
输出电流即可通过下式得出：
其中，I1为助力模式的目标电流，I2为阻尼模式的目标电流，I3为回正模式的目标电流，σ1、σ2、σ3、σ4均为模糊切换器输出加权系数，控制器1为助力-阻尼模式之间相互切换的模糊切换控制器，控制器2为助力-回正模式之间相互切换的模糊切换控制器。
4.根据权利要求3所述的电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，步骤S3具体包括：
根据上述输出电流I，计算其微分以及二阶微分提取以及组成特征状态并建立关于特征状态的可拓集合；
设输出电流的微分的容许范围分别为输出电流的二阶微分的容许范围为系统可调的最大微分和二阶微分分别为和以作为可拓集合的横坐标、为纵坐标，和作为横坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为 和作为纵坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为
5.根据权利要求4所述的电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，步骤S4具体包括：
输出电流I的微分以及二阶微分组成的特征平面，设特征平面的原点为S0(0,0)，记对特征平面上任一点定义关联函数为：
其中，Roy为经典域，
为可拓集合不同区域设定不同控制方法具体包括：
在经典域内，测度模式为M1＝{S|K(S)≥0}，采用模糊切换控制策略；
在可拓域内，测度模式为M2＝{S|-1≤K(S)≤0}，模糊切换控制策略输出为：
其中，KC为当前测度模式的控制系数，为目标电流微分的符号函数；
在非域内，测度模式为M3＝{S|K(S)≤-1}，取模糊切换控制器输出最大值um作为模糊切换控制策略；
即EPS可拓模糊切换控制器输出为：
根据关联函数值对应不同的域选择该域对应的控制，得到所需电流值。
6.一种电动助力转向系统多模式切换控制系统，其特征在于，包括：
模式选择模块，用于获取车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息，并根据车辆转向盘转矩、转向盘转角、车速信息选择控制模式；
电流计算模块，用于基于模糊控制理论建立模糊规则，并根据上述模糊规则设计模糊切换控制器，且根据不同控制模式的目标电流与该控制模式的权重系数计算得出输出电流；
集合建立模块，用于计算上述输出电流的微分以及二阶微分，并将上述输出电流的微分以及二阶微分作为特征状态建立关于特征状态的可拓集合，根据输出电流的微分以及二阶微分的容许范围和系统可调的最大微分和二阶微分对可拓集合进行区域划分；
电流优化模块，用于基于可拓理论对模糊切换控制器进行性能拓展，在可拓集合不同区域设定不同控制方法；且建立关联函数，并结合关联函数、输出电流的微分以及二阶微分判定输出电流处于可拓集合的哪个区域内，并利用该区域对应的控制方法对电流进行优化，且将优化后的电量输入至电机。
7.根据权利要求6所述的电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，模式选择模块具体用于：通过传感器获取车辆转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息；
当或V≥70km/h&&|Th|＞2N·m时，选择助力模式；
当时，选择回正模式；
当V≥70km/h&&|Th|≤2N·m时，选择阻尼模式。
8.根据权利要求7所述的电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，电流计算模块具体用于：
基于模糊控制理论，选用三角形隶属度函数并建立模糊规则；将转向盘转矩Th、转向盘转角θc、车速V信息作为模糊切换控制器输入，各模式的权重系数σ作为输出，分别对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集；
优选地，对模糊切换控制器的输入和输出设定基本论域、模糊论域、模糊子集具体包括：
对于控制助力—阻尼模式的模糊切换控制器：
Th的基本论域定为[-5,5]、
模糊论域定为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{NB1,NB2,NM1,NM2,NS1,NS2,ZO,PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
V的基本论域定为[50,90]、
模糊论域定为{1,2,3,4,5,6}、
模糊子集为{PS1,PS2,PM1,PM2,PB1,PB2}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
对于控制助力—回正模式的模糊切换控制器：
θc的基本论域定为[-3,3]、
模糊论域定为{-3,-2,-1,0,1,2,3}、
模糊子集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；
模糊切换控制器输出的基本论域为[0,1]、
模糊论域为{0,1,2,3}、
模糊子集为{ZO,PS,PM,PB}；
将阻尼模式、助力模式、回正模式三种模式的目标电流同对应模式下的权重系数相乘再求和得出输出电流，设计模糊切换控制器控制器具体包括：
模糊切换控制器作为上层控制器控制目标电流的输出，完成各模式之间的切换，下层EPS采用PID控制器进行控制；
输出电流即可通过下式得出：
其中，I1为助力模式的目标电流，I2为阻尼模式的目标电流，I3为回正模式的目标电流，σ1、σ2、σ3、σ4均为模糊切换器输出加权系数。
9.根据权利要求8所述的电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，集合建立模块具体用于：
根据上述输出电流I，计算其微分以及二阶微分提取以及组成特征状态并建立关于特征状态的可拓集合；
设输出电流的微分的容许范围分别为输出电流的二阶微分的容许范围为系统可调的最大微分和二阶微分分别为和以作为可拓集合的横坐标、为纵坐标，和作为横坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为 和作为纵坐标的域值边界，其中经典域范围为可拓域范围为
10.根据权利要求9所述的电动助力转向系统多模式切换控制方法，其特征在于，电流优化模块具体用于：
输出电流I的微分以及二阶微分组成的特征平面，设特征平面的原点为S0(0,0)，记对特征平面上任一点定义关联函数为：
其中，Roy为经典域，
为可拓集合不同区域设定不同控制方法具体包括：
在经典域内，测度模式为M1＝{S|K(S)≥0}，采用模糊切换控制策略；
在可拓域内，测度模式为M2＝{S|-1≤K(S)≤0}，模糊切换控制策略输出为：
其中，KC为当前测度模式的控制系数，为目标电流微分的符号函数；
在非域内，测度模式为M3＝{S|K(S)≤-1}，取模糊切换控制器输出最大值um作为模糊切换控制策略；
即EPS可拓模糊切换控制器输出为：
根据关联函数值对应不同的域选择该域对应的控制，得到所需电流值。
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