CN113428219A - 一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的系统和方法 - Google Patents

一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明请求保护一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的系统和方法，涉及智能汽车电动助力转向系统EPS控制技术。上层控制器发出转向角度请求值，并计算角度差输入超前校正装置，超前校正装置校正处理获得新的角度信号，输入PID控制器进行放大处理，经过放大处理后的角度信号输入被控对象EPS执行机构，EPS执行机构的输出值反馈到超前校正装置前的误差检测点点进行差值比较，直到上层控制器请求角度与方向盘实际角度一致。通过传递函数改变系统输入角度相位角，可以将EPS对上层控制器的响应曲线速度进行提升，也能一定程度上使得整个系统更加稳定，保证稳态误差在需求范围内。

Description

一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的系统和方法
技术领域
本发明涉及智能汽车电动助力转向系统EPS控制技术，具体涉及基于传递函数快速响应控制汽车安全性能。
背景技术
随着人们对汽车功能需求日益的增加，汽车技术的不断发展，越来越多智能汽车配备了高级功能，如APA,IACC,LKA等功能，这些高级功能都是由各个控制器之间相互配合，相互协作才能实现的。对于用户而言，这些功能带来便利的同时，在意的肯定是舒适和安全的问题，所以对于功能开发的整个流程中，除了功能本身按照设定的需求完成相应的步骤之外，对于功能的性能和安全也是相当重要的一步，这涉及到用户对整个功能的评价，所以在这些高级功能开发的过程中，会有对各个功能设定一些性能和安全目标。
EPS作为高级功能执行器的一部分，负责了整车转向的性能和安全，对于IACC,APA等高级功能，EPS通常采用经典PID算法(PID控制是比例积分微分控制的简称)，因为PID作为应用最为广泛的控制器，其算法简单明了，各个控制参数选定较为方便，且具有控制适应性好，较强鲁棒性。经典PID控制器的精髓就是“以误差反馈来消除误差”，但是这种直接取目标与实际行为之间的误差并不合理，因为系统输出存在一定惯性，不可能发生跳变，而且标值是系统外部给定的，可能跳变，直接采用它们之间的误差来消除误差显然是不合理的，而且误差积分的引入会使得闭环变得迟钝，这对响应速度往往影响很大。
对于高级功能EPS采用的控制算法一般为PID控制，通过对PID各项参数的调节，来满足性能和安全指标，但仅有PID控制可能无法完全满足各项指标，其中由于信号之间相互传输延迟和转向系统机械部分应力传导和摩擦阻力等因素的原因，响应时间往往很难达到指标需求，对于PID的控制方式，往往是采用调大P值(比例控制器)来提高系统的响应速度，但是过度调大P值，会导致系统稳定性降低。
中国发明专利申请CN107771146A公开一种用于控制动力转向装置的方法，，使用相位超前滤波器来从动力转向控制稳定性设置中分离手动转向设置，生成方向盘扭矩设定点；测量实际上由驾驶员施加在方向盘上的实际方向盘扭矩；确定方向盘扭矩设定点和实际方向盘扭矩之间被称为“方向盘扭矩误差”的差值；然后从第一经滤波的比例分量(CPF)和第二微分反馈分量(CD)生成动力辅助电动机(2)的电动机扭矩设定点(T2_set)，在一方面，所述第一经滤波的比例分量(CPF)从通过经由相位超前滤波器对所述方向盘扭矩误差进行滤波而获取，所述方向盘扭矩误差由被第一辅助增益加权；在另一方面，所述第二微分反馈分量从通过计算所述实际方向盘扭矩的时间导数并用第二增益对所述实际方向盘扭矩的所述时间导数进行加权而获取。
中国发明专利申请CN105246764B公开了一种电动助力转向装置，该电动助力转向装置使调谐变得容易，谋求制动颤振、摆振的抑制，可以获得安全舒适的转向性能，在自动转向模式中，可以依照计算出的目标转向角正确地进行转向，并且，即使目标转向角为急转向时也可以平滑地进行转向，即使在低车速时通过提高响应性或稳态偏差也可以追随目标转向角。电动助力转向装置具备计算出电动机电流指令值的转向角控制单元和输入电动机电流指令值并切换的切换单元。该转向角控制单元由生成反馈控制电流指令值的反馈控制单元、生成SAT补偿电流指令值的SAT补偿单元及从反馈控制电流指令值和SAT补偿电流指令值生成电动机电流指令值的输出单元构成；根据自动转向模式和手动转向模式的切换指令来切换该切换单元；在自动转向模式时，基于电动机电流指令值对电动机进行驱动控制。但该专利技术针对转向系统本身问题，而没有针对的是转向系统中具体功能的优化。
发明内容
本发明针对现有技术研究中没有针对转向系统功能优化等问题，(提出一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的系统。
本发明解决上述技术问题的具体技术方案是，一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的系统，对于EPS控制系统而言，在某些高级功能的控制算法中，采用PID控制算法，此算法可以用数学方式表达成一个传递函数，而基于此传递函数，可以在前面增加一个传递函数来实现相应的功能，增加的传递函数串联在前向通道中，作为串联超前校正装置，校正的目的是以达到系统动态性能指标为目的。
一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的系统，包括：上层控制器、超前校正装置、PID控制器、EPS执行机构、反馈控制单元，上层控制器发出转向角度请求值，通过误差监测点与方向盘实际角度比较计算角度差输入超前校正装置，超前校正装置校正处理获得校正角度差信号，输入PID控制器进行处理，经过PID处理后的校正角度差信号输入被控对象EPS执行机构，EPS执行机构的输出值通过反馈控制单元反馈到超前校正装置前的误差检测点，进行差值比较，直到上层控制器请求角度与方向盘实际角度一致。
进一步地，超前校正装置通过超前校正装置传递函数改变输入的角度差信号频域上的截止频率和相角裕量，超前校正装置传递函数为
Figure BDA0003190573790000041
其中，传递函数中参数a决定输入角度信号的相角裕量，传递函数中参数TS决定了输入角度信号的截至频率。根据相角裕量γ调用公式：ψm＝γ′-γ+β计算超前校正装置的最大相角，根据最大相角调用公式：
Figure BDA0003190573790000042
计算超前校正装置传递函数的参数a；根据校正后的截止频率w′c、参数a调用公式：
Figure BDA0003190573790000043
计算参数Ts。
超前校正装置设置在前向通道中，串联在误差检测点之后和放大元件PID控制器之前，使得系统能量最小的前端校正装置的功率较小。
本发明还提出一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的方法，包括步骤，上层控制器发出转向角度请求值，通过误差监测点与方向盘实际角度比较计算角度差输入超前校正装置，超前校正装置校正处理获得校正角度差信号，输入PID控制器进行处理，经过PID处理后的校正角度差信号输入被控对象EPS执行机构，EPS执行机构的输出值反馈到超前校正装置前的误差检测点，进行差值比较，直到上层控制器请求角度与方向盘实际角度一致。
整个控制系统是由上层控制器向EPS发出转向角度请求，EPS通过对当前方向盘实际角度与上层控制器请求角度之间存在的角度差值来实现控制。系统结合上层控制器发出转向角度请求值计算角度差输入给超前校正装置，经校正装置处理后，输出的角度信号值会产生一个相位超前于输入信号一个角度且对截止频率进行优化，然后再将这个新的角度信号输入给PID控制算法进行放大处理，然后输入给被控对象即EPS执行机构，每执行一次之后，都会比较上层控制器的请求角度和当前方向盘的转角，若还存在差值，再将EPS的输出进行反馈控制，最终达到上层控制器请求角度于方向盘实际角度一致。
该控制方法通过传递函数改变系统输入角度相位角，可以将EPS对上层控制器的响应曲线速度进行提升，也能一定程度上使得整个系统更加稳定，保证稳态误差在需求范围内。在提高系统的响应速度情况下仍保持系统稳定性。
附图说明
图1为现有技术上层控制器和EPS与整车通信的架构图；
图2为本发明通过EPS快速响应控制汽车安全性能流程示意图；
图3为未校正系统和校正系统的Bode图(波特图)；
图4为未校正系统和校正系统的阶跃响应图。
具体实施方式
EPS作为高级功能执行器的一部分，负责了整车转向的性能和安全，在上位机向EPS发出转角请求后，EPS需要快速且稳定的响应上位机的需求，以保证整车能够顺利完成转向的动作。对于EPS响应上层控制器(上位机)发出的转角需求提出了相应的性能和安全指标，这些性能和安全指标在时域分析里可以用以单位阶跃响应的超调量、峰值时间、调节时间及典型输入下的稳态误差等时域特征量的定量指标来刻画控制系统性能，比较直观易懂。相对于时域指标来说，频域指标是以系统的相角裕量、幅值裕量、谐振峰值、谐振频率、截止频率等频域特征量，就不如时域指标那么直观，但频域指标易于校正。对于高级功能EPS采用的控制算法一般为PID控制，通过对PID各项参数的调节，来满足性能和安全指标，但仅有PID控制可能无法百分百的满足各项指标，其中由于信号之间相互传输延迟和转向系统机械部分应力传导和摩擦阻力等因素的原因，响应时间往往很难达到指标需求，对于PID的控制方式，往往是采用调大P值(比例控制器)来提高系统的响应速度，但是过度调大P值，会导致系统稳定性降低，所以本发明提出增加超前校正装置，通过传递函数控制来满足指标需求，并能在不降低系统稳定性前提下，有效提高响应速度，超前校正装置利用超前网络的超前特性改变频率响应曲线的形状，产生足够大的相位超前角，以补偿原系统中的因各类原因造成的过大的相角滞后。相当于EPS对上位机发出的转角请求，提前开始做出响应，再由后续的PID控制来调节响应结果。
为更清楚的说明本发明技术方案，下面结合附图和具体实例对本发明进行进一步说明。
图1所示为目前上层控制器和EPS与整车通信的架构图，上位机发出指令采用CAN通信通过网关传输给执行器EPS。
图2所示为本发明通过EPS快速响应控制汽车安全性能流程示意图上层控制器发出转向角度请求值，以及方向盘实际角度比较计算角度差输入超前校正装置，校正装置处理后获得校正角度差信号，校正角度差信号输入PID控制器进行放大或者执行，获得PID处理信号值输入被控对象EPS执行机构，EPS执行机构的输出通过反馈控制单元反馈到超前校正装置前的误差检测点点进行差值比较，重复上述过程，直到上层控制器请求角度与方向盘实际角度一致。
超前校正装置采用串联校正方式，串联校正是把校正装置设置在固有部分之前系统的前向通道中，改变系统的结构，以达到改善系统性能。本实施例将串联校正装置放置在误差检测点之后和放大元件(PID控制器)之前系统能量最小的前端校正装置的功率较小，设计及实现都比较简单。
超前校正利用超前网络进行串联校正，在前向通道中串联传递函数为：
Figure BDA0003190573790000071
其中参数a、Ts为可调值。输入超前校正装置的角度信号进行相位超前处理，即在PID控制放大前就对输入信号进行了预先处理，使得控制系统的响应速度得到提升。
超前校正装置中传递函数Gc(s)由决定输入角度信号的相角裕量参数a和决定输入角度信号的截至频率的参数TS构建为
Figure BDA0003190573790000072
根据上层控制器对EPS控制系统稳态误差的要求(请求角度与方向盘实际角度的最终差值)确定系统应有的开环增益K；合适的K值可保证稳定误差指标在需求范围内。可采用如下方法构建传递函数：
初始化阶段，在未加入超前校正装置处理前，根据PID控制的传递函数获取本控制系统相角裕量γ，开环截止频率wc，(可通过绘转向系统的Bode图(波特图)确定)，其中，相角裕量γ的值关系到系统响应曲线的稳定性，开环截止频率wc关系到系统响应曲线的速度。
对相角最大值进行限定，保证了系统的稳定性，可根据相角裕量γ调用公式：ψm＝γ′-γ+β计算超前校正装置的最大相角。(其中γ′为调整后相角裕量，其值可根据理论设置，最优可选45度)，β调整角度可根据经验值确定调整范围最优为5-10度。
根据最大相角调用公式：
Figure BDA0003190573790000081
计算超前校正装置传递函数的参数a。传递函数的参数a加入超前校正装置后转向系统的截止频率w′c满足关系：10loga＝-10logw′c。
如果想要提升校正系统的截止频率wc应该大于校正前系统的截止频率wc，根据校正后的截止频率w′c、超前校正装置传递函数的参数a计算超前校正传递函数的参数Ts：
Figure BDA0003190573790000082
根据参数a和Ts确定校正装置的传递函数：
Figure BDA0003190573790000083
超前校正装置校正处理获得新的请求转向角度和新的角度差，超前校正装置将改变输入的两个角度信号的频域上的截止频率和相角裕量，传递函数中参数a决定了输入角度信号的相角裕量，而传递函数中的TS决定了输入角度信号的截至频率，然后经过PID控制单元进行放大处理，经过放大处理后的角度信号输入被控对象EPS执行机构，EPS执行完成后，输入一个角度，此角度将反馈回误差检查点与上层控制器请求角度继续比较，直到上层控制器请求角度与反馈角度达成一致。通过传递函数改变系统输入角度相位角，可以将EPS对上层控制器的响应曲线速度进行提升，也能一定程度上使得整个系统更加稳定，保证稳态误差在需求范围内。
利用MATLAB工具绘制出串联超前校正装置前和串联超前校正装置后的响应曲线，进行对比分析，由频域状态转换为时域状态后，检验已校系统的相角裕度和幅值裕度是否满足要求,则判断响应的超调量、响应时间，稳态误差等参数是否满足提出的性能和安全指标。
从仿真结果可看出，加入校正装置后，图3中的校正后的曲线是在校正前曲线的上方，下面条线为校正前曲线，上面条线为校正后曲线。则当两条曲线的Y轴值相同时，即响应曲线的幅值相同时，校正后的曲线对应的X轴值更大，即截止频率更大，截止频率大则系统响应更快；又如图4，响应更好的曲线为校正后曲线，校正后系统单位阶跃响应时间大大减小，大大提升了系统的响应速度，且超调量明显减小了，阻尼比增大，动态性能得到改善，增强了系统的稳定性。反应到整车上，则现象表现为EPS能够更加快速、稳定且准确的响应上位机所发出来的请求角度值，能够很好的完成转向性能和安全的需求。

Claims (7)

1.一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的系统，其特征在于，包括：上层控制器、超前校正装置、PID控制器、EPS执行机构、反馈控制单元，上层控制器发出转向角度请求值，通过误差监测点与方向盘实际角度比较计算角度差输入超前校正装置，超前校正装置校正处理获得校正角度差信号，输入PID控制器进行处理，经过PID处理后的校正角度差信号输入被控对象EPS执行机构，EPS执行机构的输出值通过反馈控制单元反馈到超前校正装置前的误差检测点，进行差值比较，直到上层控制器请求角度与方向盘实际角度一致。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，超前校正装置通过超前校正装置传递函数改变输入的角度差信号频域上的截止频率和相角裕量，超前校正装置传递函数为
Figure FDA0003190573780000011
其中，传递函数中参数a决定输入角度信号的相角裕量，传递函数中参数TS决定了输入角度信号的截至频率。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，根据相角裕量γ调用公式：
ψm＝γ°-γ+(5°～10°)计算超前校正装置的最大相角，根据最大相角调用公式：
Figure FDA0003190573780000012
计算超前校正装置传递函数的参数a；根据校正后的截止频率
Figure FDA0003190573780000014
参数a调用公式：
Figure FDA0003190573780000013
计算参数Ts。
4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，超前校正装置设置在前向通道中，串联在误差检测点之后和放大元件PID控制器之前，使得系统能量最小的前端校正装置的功率较小。
5.一种基于传递函数快速响应控制汽车安全的方法，其特征在于，上层控制器发出转向角度请求值，通过误差监测点与方向盘实际角度比较计算角度差输入超前校正装置，超前校正装置校正处理获得校正角度差信号，输入PID控制器进行处理，经过PID处理后的校正角度差信号输入被控对象EPS执行机构，EPS执行机构的输出值反馈到超前校正装置前的误差检测点，进行差值比较，直到上层控制器请求角度与方向盘实际角度一致。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，超前校正装置通过超前校正装置传递函数改变输入的角度差信号频域上的截止频率和相角裕量，超前校正装置传递函数为
Figure FDA0003190573780000021
其中，传递函数中参数a决定输入角度信号的相角裕量，传递函数中参数TS决定了输入角度信号的截至频率。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，根据相角裕量γ调用公式：ψm＝γ`-γ+β计算超前校正装置的最大相角，根据最大相角调用公式：
Figure FDA0003190573780000022
计算超前校正装置传递函数的参数a；根据校正后的截止频率
Figure FDA0003190573780000024
参数a调用公式：
Figure FDA0003190573780000025
计算参数Ts。
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Application publication date: 20210924