模糊PID控制策略在汽車助力轉向系統中的應用

李智勇，戴 蓉

LI Zhi-yong1, DAI Rong2

（1. 四川工程職業技術學院 電氣信息工程系，德陽 618000；2. 中國民用航空飛行學院 計算機學院，廣漢 618307）

0 引言

電動助力轉向系統是汽車技術發展的趨勢，它具有結構簡單、節能環保、安全可靠等優點，能夠滿足人們對汽車駕駛安全、穩定、靈活的要求。合理的控制策略是影響EPS性能的關鍵。傳統的PID控制策略存在許多弊端，已經不能滿足發展的需要，因而出現了一些先進的理論例如魯棒控制理論、神經網絡控制理論等，希望提升系統抗干擾性和穩定性等。本文采用了模糊控制理論來優化PID控制器，算法簡單、性能優異，尤其適合EPS的非線性系統，意義重大。

1 EPS系統原理

電動助力轉向系統(簡稱EPS)是一種由電動助力機直接提供轉向輔助扭矩的動力系統，將挑戰成為液壓轉向系統而成為汽車轉向系統的今后發展方向。EPS系統具有裝配靈活、調整簡單、節能環保等優點。如圖1所示，EPS主要由輸入軸、電機、扭矩傳感器、循環球螺桿和ECU等部分組成。

圖1 EPS結構圖

汽車駕駛員在轉向時，轉向盤的轉矩大小和轉向被轉矩傳感器所檢測，電壓信號再輸給ECU，ECU再將檢測到的各種信息發出指令給電動機控制器，使其輸出合適的轉向助力轉矩，實現轉汽車向。

EPS具有以下優勢，使得它近年來獲得廣泛應用：

1）電機僅轉向時提供助力，節省燃油。

傳統的轉向系統有發動機帶動轉向油泵，不管無論是否轉向都會消耗發動機一定的動力。而EPS不轉向時并不消耗能量，電機僅僅在轉向時才提供助力，這樣EPS就能降低燃油消耗。實驗表明，不轉向時可以降低燃油消耗2.5%左右，轉向時，降低5.5%左右。

2）軟件能夠調整轉向助力的大小，同時兼顧高速操縱的穩定性和低速轉向的輕便性。

通過軟件調整助力，低速時系統提供較大的轉向助力，使得轉向輕便；車速慢慢提高，系統提供的轉向助力逐漸減小，轉向時所需的轉向力就逐漸增大，提高車輛的穩定性。

另外，EPS還施加一定的附加回正或者阻尼力矩，同時兼顧車輛在高速、低速時都具有較好的回正性能。

3）結構緊湊，質量輕巧，易于保養。

EPS省去了液壓轉向油泵、液壓管路等部件，電機、減速機構又和轉向柱、轉向器形成整體，整體系統緊湊，生產裝配性好，易于保養。

4）EPS可以通過程序的設置和不同的車型相匹配，縮短開發周期。

2 EPS的模糊PID控制策略

EPS的控制需要解決確定電機目標電流和對目標電流進行跟蹤兩大問題。

2.1 確定目標電流

目標電流由助力特性曲線確定，相同力矩下，目標電流按照車速的遞增而下降，助力隨電流的增大而加大，本文選擇線性助力特性曲線，通過查詢表格確定目標電流，具有輕便的特性。從圖2中可以看出，轉向盤輸入力矩用Td表示，助力轉矩用Ta，最大助力時的轉向盤力矩表示為Tdmax，線性助力特性數據量小、結構簡單、方便存儲而且容易進行調整。

圖2 線性特性曲線

2.2 跟蹤目標電流

EPS系統中最被廣泛采用的是基于PID的控制策略，通常按照誤差比例、積分、微分線性組合，進行控制。通過調節使系統輸出接近目標值，實現跟蹤目標轉矩。但是這種方式采用精確的參數，并不能得到滿意的特性。本文采用的模糊PID控制，其結構如圖3在不同情況下調整kp、ki、kd參數，保持為最佳，提高動態響應速度。

圖3 模糊PID控制圖

2.3 模糊PID控制設計

設計控制器的關鍵是建立模糊規則，總結技術知識和操作經驗，建立比例系數kp、積分系數ki、微分系數kd三張模糊控制表，如表1、表2、表3。將輸入變量e和誤差變化率ec設成{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} 7個模糊等級， kp、ki、kd＝ {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

模糊推理的規則如下：

1）誤差較大時，要提高響應速度，同時為了避免系統響應出現超調，kp取大值，ki取零；誤差偏小時，防止振蕩、不穩定，kp減小，ki取小值；當偏差很小，為使系統快速穩定，kp繼續減小。ki取稍大值或者不變。

表1 kp的模糊規則表

表2 ki的模糊規則表

表3 kd的模糊規則表

2）e越大，kp越小，ki越大，反之同樣如此，考慮時需要結合偏差大小。

3）偏差與其變化率同號時，被控量的變化方向向著偏離既定值，kp取大值；偏差較大時，kp取小值，可以達到加快控制的動態過程的目的。

4）微分可以阻止偏差變化，改善動態特性，消除振蕩，kp可以加大，減小穩態誤差，使控制效果滿意。e較大時，kd為0，被PI控制；e較小時，kd為正，PID控制。

3 仿真和結果

本文的仿真實驗選擇軟件MATLAB 7.0.1。設置初始值 kp0＝ 10，ki0＝ 1000，kd0＝ 0.005，輸出變量Dkp變化范圍在[-9, 9]、Dki[-1000, 1000]、Dkd[-0.005,0.005]。

給轉向盤輸入階躍信號和正弦信號作為其力矩輸入信號，模擬常規和快速兩種方向盤轉動情況下的電磁轉矩作為輸出信號。輸出信號和目標轉矩放入模糊控制器做模糊PID調節，完成后其值看作是控制助力電壓信號。本文將常規PID和模糊PID控制器進行EPS系統控制的仿真實驗。圖4的結果表明，模糊PID控制明顯優于常規PID控制的EPS系統。模糊PID控制下快速轉動方向盤時可靠性和穩定性更好，系統響應時間短、輸出平穩、抗干擾，系統的助力跟蹤性能良好。

4 結論

模糊PID控制策略結合了常規PID控制和模糊控制，文章首先介紹了電動助力轉向的原理，然后設計模糊PID控制，確定模糊規則、調整控制參數等，說明模糊PID控制的精確控制和良好性能，EPS能輕便改善轉向。通過MATLAB的仿真結果證明模糊PID控制效果優于PID控制，性能更好、更可靠。

圖4 模糊PID控制仿真

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