電動轉向系統助力性能研究

鐘穎強

摘 要：汽車的轉向系統是操控汽車操作的工具，它的助力性能關系到汽車轉向的靈敏度和安全。本文通過對電動轉向系統的助力性能進行研究，以及采用H∞控制理論和采用LMI設計控制器的方法，設計出對扭矩傳感器測量噪聲及路面干擾的抑制控制系統。將仿真建模與實驗檢測結果進行對比分析，如果基本一致，那么說明用這個方法設計的電動轉向系統助力性和跟蹤性是合格的，并且做到了對扭矩傳感器測量噪聲及路面干擾的抑制目標。這個仿真模型的建立為實際電動轉向系統提供了研究基礎和依據。

關鍵詞：電動轉向系統；助力性能；轉向安全；H∞控制理論仿真建模

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.123

1 電力轉向系統的基本概述

汽車的操控主要是依靠轉向系統，轉向系統的好壞直接影響了汽車運行的安全性，轉向系統的助力性是關鍵。電動轉向系統是一種新興的轉向系統。它的助力性能相比普通轉向系統的助力性能要強得多，因此具有廣闊的發展空間。應用將會越來越廣泛。

轉向系統的助力性是指穩定性，抗干擾性和跟蹤性。如果轉向系統的助力性差將會導致汽車的不平穩運行。方向盤操作難甚至失控，對汽車司機的駕駛造成了危害，同時也會加大對他人的風險。因此要制造出助力性能強的轉向系統，提高電動轉向系統的穩定性，抗干擾性和跟蹤性，這樣才能保證汽車的操控的安全性。這一目標成為了現在對電動轉向系統的研究重點。

2 電動轉向系統的設計方法

電動轉向系統的控制器的設計一般采用圖解法，試湊法這些傳統的理論方法，但是這些方法存在不能對助力性能指標的把控的弊端，不能最大優化性能，所以導致助力性能不能達到預期效果。所以為了解決這種問題，現在才用了現代最優控制理論的數學解析法，數學解析法可以達到對性能指標的最大優化目標，能夠做到有效控制預期。采用數學解析法對數學模型有很嚴格的要求，需要對數學模型的精準度進行把控。但是數學模型仍然存在著許多不確定性，這種不可控因素是無法避免的，因此這種現代最優控制理論也無法大范圍應用，它的發展受到了限制。

H∞控制理論是對現代最優控制理論的彌補，在最優控制理論發生不確定性時，設計出仍然能保持穩定性的控制器。這一理論在很大程度上降低了現代最優控制理論對數學模型的依賴性。根據對電動轉向系統的設計實驗分析，發現傳統的控制理論無法滿足電動轉向系統的建立，而H∞控制理論是實現電動轉向系統設計的最優理論，采用據分析可知，采用LMI（LinearMatrixInequalities）設計控制器，達到最優化。

3 H∞控制理論的基本原理

由于數學模型對控制系統的建立存在著不穩定因素，因此采用了H∞控制理論。加拿大學者Zames提出了H∞范數能夠實現對性能指標的最優化，H∞范數控制系統的某些信號間傳函作為基礎。這一理論的提出為H∞控制理論的研究奠定了基礎。Youla等人的控制器參數化和Doyle的結構奇異值理論進一步推動了H∞控制理論的發展。

圖1表示的是廣義系統，P是一個線性時不變系統，由以下公式分析。在式中，.x———狀態向量；u———控制輸入；z———被調輸出；w———外部干擾；k（s）———一個控制器的傳遞函數。設計H∞控制器的實質是使得閉環系統內部穩定，從干擾輸入w到被調輸出z的閉環傳遞函數Twz（s）的H∞范數小于γ，即‖Twz（s）‖∞<γ（2）。

具有H∞性能γ的H∞控制器稱為式（1）所表示系統的γ-次優化H∞控制器。再通過對γ的搜索，可以求取使得閉環系統的干擾抑制度γ最小的控制器，即系統的最優H∞控制器。

在現階段線性系統的H∞控制理論已經發展到了成熟的階段。H∞控制器的主要方法包括時域狀態空間的Riccati方法和LMI方法。采用LMI方法設計H∞控制器解決了Riccati方法存在的問題。LMI方法采用直接的矩陣運算設計控制器。這種方法沒有太多條件的限制。

4 結語

為了保證汽車運行的安全性，轉向系統要具備穩定性，跟蹤性這兩個良好的助力性能。采用LMI方法可以使電動轉向系統H∞控制器的設計達到最優化。H∞控制理論方法對設計出良好的電動轉向系統的助力性能起到了關鍵的作用。這為后續的對于電動轉向系統的研究奠定了基礎，做出了飛躍性進展。使H∞控制理論廣泛地應用在對電動轉向系統的研究中。為提高電動轉向系統助力性能的研究奠定了基礎，具有很大的價值和意義。

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