一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法與流程

本發(fā)明涉及電動(dòng)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，具有體積小、高效低耗和能提高操縱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于汽車。

EPS的控制模式依據(jù)工況的不同，一般分為助力控制模式、回正控制模式、阻尼控制模式。EPS根據(jù)當(dāng)前汽車行駛的工況采用相應(yīng)的控制模式對(duì)汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進(jìn)行控制，這不僅減輕了駕駛員的負(fù)擔(dān)，也提高了汽車的操縱穩(wěn)定性。汽車在某一行駛工況中，EPS處于一種控制模式，這是一個(gè)連續(xù)動(dòng)態(tài)過程，當(dāng)車速、方向盤轉(zhuǎn)矩、方向盤轉(zhuǎn)角等離散事件輸入發(fā)生變化時(shí)，EPS從一種控制模式躍變到另一種控制模式，EPS兩種模式之間完成切換，從一種連續(xù)動(dòng)態(tài)到另一種連續(xù)動(dòng)態(tài)，這是一個(gè)離散的過程。因此，EPS系統(tǒng)是一個(gè)包含離散事件和連續(xù)動(dòng)態(tài)過程的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，具有典型的混雜系統(tǒng)特征?；祀s系統(tǒng)在切換過程中穩(wěn)定性較差，如果控制性能不佳，EPS各個(gè)模式在切換過程中會(huì)產(chǎn)生電機(jī)電流突變、方向盤抖動(dòng)等現(xiàn)象，這會(huì)嚴(yán)重影響EPS的性能。所以，如何提高EPS多模式之間切換過程的穩(wěn)定性是改善EPS性能的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于背景技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)。

本發(fā)明提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法，包括以下步驟：

S1、獲取車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速信息，并根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速信息選擇控制模式；

S2、基于模糊控制理論建立模糊規(guī)則，并根據(jù)上述模糊規(guī)則設(shè)計(jì)模糊切換控制器，且根據(jù)不同控制模式的目標(biāo)電流與該控制模式的權(quán)重系數(shù)計(jì)算得出輸出電流；

S3、計(jì)算上述輸出電流的微分以及二階微分，并將上述輸出電流的微分以及二階微分作為特征狀態(tài)建立關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合，根據(jù)輸出電流的微分以及二階微分的容許范圍和系統(tǒng)可調(diào)的最大微分和二階微分對(duì)可拓集合進(jìn)行區(qū)域劃分；

S4、基于可拓理論對(duì)模糊切換控制器進(jìn)行性能拓展，在可拓集合不同區(qū)域設(shè)定不同控制方法；且建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，并結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)、輸出電流的微分以及二階微分判定輸出電流處于可拓集合的哪個(gè)區(qū)域內(nèi)，并利用該區(qū)域?qū)?yīng)的控制方法對(duì)電流進(jìn)行優(yōu)化，且將優(yōu)化后的電量輸入至電機(jī)。

優(yōu)選地，步驟S1具體包括：通過傳感器獲取車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩T_h、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c、車速V信息；

當(dāng)或V≥70km/h&&|T_h|＞2N·m時(shí)，選擇助力模式；

當(dāng)時(shí)，選擇回正模式；

當(dāng)V≥70km/h&&|T_h|≤2N·m時(shí)，選擇阻尼模式。

優(yōu)選地，步驟S2具體包括：

基于模糊控制理論，選用三角形隸屬度函數(shù)并建立模糊規(guī)則；將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩T_h、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c、車速V信息作為模糊切換控制器輸入，各模式的權(quán)重系數(shù)σ作為輸出，分別對(duì)模糊切換控制器的輸入和輸出設(shè)定基本論域、模糊論域、模糊子集；

優(yōu)選地，對(duì)模糊切換控制器的輸入和輸出設(shè)定基本論域、模糊論域、模糊子集具體包括：

對(duì)于控制助力—阻尼模式的模糊切換控制器：

T_h的基本論域定為[-5,5]、

模糊論域定為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、

模糊子集為{NB₁,NB₂,NM₁,NM₂,NS₁,NS₂,ZO,PS₁,PS₂,PM₁,PM₂,PB₁,PB₂}；

V的基本論域定為[50,90]、

模糊論域定為{1,2,3,4,5,6}、

模糊子集為{PS₁,PS₂,PM₁,PM₂,PB₁,PB₂}；

模糊切換控制器輸出的基本論域?yàn)閇0,1]、

模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}、

模糊子集為{ZO,PS,PM,PB}；

對(duì)于控制助力—回正模式的模糊切換控制器：

θ_c的基本論域定為[-3,3]、

模糊論域定為{-3,-2,-1,0,1,2,3}、

模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

模糊切換控制器輸出的基本論域?yàn)閇0,1]、

模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}、

模糊子集為{ZO,PS,PM,PB}；

將阻尼模式、助力模式、回正模式三種模式的目標(biāo)電流同對(duì)應(yīng)模式下的權(quán)重系數(shù)相乘再求和得出輸出電流，設(shè)計(jì)模糊切換控制器控制器具體包括：

模糊切換控制器作為上層控制器控制目標(biāo)電流的輸出，完成各模式之間的切換，下層EPS采用PID控制器進(jìn)行控制；

輸出電流即可通過下式得出：

其中，I₁為助力模式的目標(biāo)電流，I₂為阻尼模式的目標(biāo)電流，I₃為回正模式的目標(biāo)電流，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄均為模糊切換器輸出加權(quán)系數(shù)。

優(yōu)選地，步驟S3具體包括：

根據(jù)上述輸出電流I，計(jì)算其微分以及二階微分提取以及組成特征狀態(tài)并建立關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合；

設(shè)輸出電流的微分的容許范圍分別為輸出電流的二階微分的容許范圍為系統(tǒng)可調(diào)的最大微分和二階微分分別為以作為可拓集合的橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)，和作為橫坐標(biāo)的域值邊界，其中經(jīng)典域范圍為可拓域范圍為作為縱坐標(biāo)的域值邊界，其中經(jīng)典域范圍為可拓域范圍為

優(yōu)選地，步驟S4具體包括：

輸出電流I的微分以及二階微分組成的特征平面，設(shè)特征平面的原點(diǎn)為S₀(0,0)，記對(duì)特征平面上任一點(diǎn)定義關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

其中，R_oy為經(jīng)典域，

為可拓集合不同區(qū)域設(shè)定不同控制方法具體包括：

在經(jīng)典域內(nèi)，測(cè)度模式為M₁＝{S|K(S)≥0}，采用模糊切換控制策略；

在可拓域內(nèi)，測(cè)度模式為M₂＝{S|-1≤K(S)≤0}，模糊切換控制策略輸出為：

其中，K_C為當(dāng)前測(cè)度模式的控制系數(shù)，為目標(biāo)電流微分的符號(hào)函數(shù)；

在非域內(nèi)，測(cè)度模式為M₃＝{S|K(S)≤-1}，取模糊切換控制器輸出最大值u_m作為模糊切換控制策略；

即EPS可拓模糊切換控制器輸出為：

根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)值對(duì)應(yīng)不同的域選擇該域?qū)?yīng)的控制，得到所需電流值。

本發(fā)明提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制系統(tǒng)，包括：

模式選擇模塊，用于獲取車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速信息，并根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速信息選擇控制模式；

電流計(jì)算模塊，用于基于模糊控制理論建立模糊規(guī)則，并根據(jù)上述模糊規(guī)則設(shè)計(jì)模糊切換控制器，且根據(jù)不同控制模式的目標(biāo)電流與該控制模式的權(quán)重系數(shù)計(jì)算得出輸出電流；

集合建立模塊，用于計(jì)算上述輸出電流的微分以及二階微分，并將上述輸出電流的微分以及二階微分作為特征狀態(tài)建立關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合，根據(jù)輸出電流的微分以及二階微分的容許范圍和系統(tǒng)可調(diào)的最大微分和二階微分對(duì)可拓集合進(jìn)行區(qū)域劃分；

電流優(yōu)化模塊，用于基于可拓理論對(duì)模糊切換控制器進(jìn)行性能拓展，在可拓集合不同區(qū)域設(shè)定不同控制方法；且建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，并結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)、輸出電流的微分以及二階微分判定輸出電流處于可拓集合的哪個(gè)區(qū)域內(nèi)，并利用該區(qū)域?qū)?yīng)的控制方法對(duì)電流進(jìn)行優(yōu)化，且將優(yōu)化后的電量輸入至電機(jī)。

優(yōu)選地，模式選擇模塊具體用于：通過傳感器獲取車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩T_h、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c、車速V信息；

當(dāng)或V≥70km/h&&|T_h|＞2N·m時(shí)，選擇助力模式；

當(dāng)時(shí)，選擇回正模式；

當(dāng)V≥70km/h&&|T_h|≤2N·m時(shí)，選擇阻尼模式。

優(yōu)選地，電流計(jì)算模塊具體用于：

基于模糊控制理論，選用三角形隸屬度函數(shù)并建立模糊規(guī)則；將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩T_h、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c、車速V信息作為模糊切換控制器輸入，各模式的權(quán)重系數(shù)σ作為輸出，分別對(duì)模糊切換控制器的輸入和輸出設(shè)定基本論域、模糊論域、模糊子集；

優(yōu)選地，對(duì)模糊切換控制器的輸入和輸出設(shè)定基本論域、模糊論域、模糊子集具體包括：

對(duì)于控制助力—阻尼模式的模糊切換控制器：

T_h的基本論域定為[-5,5]、

模糊論域定為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、

模糊子集為{NB₁,NB₂,NM₁,NM₂,NS₁,NS₂,ZO,PS₁,PS₂,PM₁,PM₂,PB₁,PB₂}；

V的基本論域定為[50,90]、

模糊論域定為{1,2,3,4,5,6}、

模糊子集為{PS₁,PS₂,PM₁,PM₂,PB₁,PB₂}；

模糊切換控制器輸出的基本論域?yàn)閇0,1]、

模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}、

模糊子集為{ZO,PS,PM,PB}；

對(duì)于控制助力—回正模式的模糊切換控制器：

θ_c的基本論域定為[-3,3]、

模糊論域定為{-3,-2,-1,0,1,2,3}、

模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

模糊切換控制器輸出的基本論域?yàn)閇0,1]、

模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}、

模糊子集為{ZO,PS,PM,PB}；

將阻尼模式、助力模式、回正模式三種模式的目標(biāo)電流同對(duì)應(yīng)模式下的權(quán)重系數(shù)相乘再求和得出輸出電流，設(shè)計(jì)模糊切換控制器控制器具體包括：

模糊切換控制器作為上層控制器控制目標(biāo)電流的輸出，完成各模式之間的切換，下層EPS采用PID控制器進(jìn)行控制；

輸出電流即可通過下式得出：

其中，I₁為助力模式的目標(biāo)電流，I₂為阻尼模式的目標(biāo)電流，I₃為回正模式的目標(biāo)電流，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄均為模糊切換器輸出加權(quán)系數(shù)。

優(yōu)選地，集合建立模塊具體用于：

根據(jù)上述輸出電流I，計(jì)算其微分以及二階微分提取以及組成特征狀態(tài)并建立關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合；

設(shè)輸出電流的微分的容許范圍分別為輸出電流的二階微分的容許范圍為系統(tǒng)可調(diào)的最大微分和二階微分分別為以作為可拓集合的橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)，作為橫坐標(biāo)的域值邊界，其中經(jīng)典域范圍為可拓域范圍為作為縱坐標(biāo)的域值邊界，其中經(jīng)典域范圍為可拓域范圍為

優(yōu)選地，電流優(yōu)化模塊具體用于：

輸出電流I的微分以及二階微分組成的特征平面，設(shè)特征平面的原點(diǎn)為S₀(0,0)，記對(duì)特征平面上任一點(diǎn)定義關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

其中，R_oy為經(jīng)典域，

為可拓集合不同區(qū)域設(shè)定不同控制方法具體包括：

在經(jīng)典域內(nèi)，測(cè)度模式為M₁＝{S|K(S)≥0}，采用模糊切換控制策略；

在可拓域內(nèi)，測(cè)度模式為M₂＝{S|-1≤K(S)≤0}，模糊切換控制策略輸出為：

其中，K_C為當(dāng)前測(cè)度模式的控制系數(shù)，為目標(biāo)電流微分的符號(hào)函數(shù)；

在非域內(nèi)，測(cè)度模式為M₃＝{S|K(S)≤-1}，取模糊切換控制器輸出最大值u_m作為模糊切換控制策略；

即EPS可拓模糊切換控制器輸出為：

根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)值對(duì)應(yīng)不同的域選擇該域?qū)?yīng)的控制，得到所需電流值。

本發(fā)明提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)，基于模糊控制理論，針對(duì)EPS混雜系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了上層模糊切換控制器，通過輸出權(quán)重系數(shù)來完成EPS多個(gè)模式之間的切換，因此減小了切換過程中的沖擊，提升了切換過程的平穩(wěn)性，較大改善了EPS控制性能；進(jìn)一步地，本發(fā)明選用輸入到電機(jī)的目標(biāo)電流的微分和二階微分作為特征狀態(tài)提取量，基于可拓理論對(duì)特征狀態(tài)進(jìn)行劃分，對(duì)應(yīng)可拓集合中的經(jīng)典域、可拓域和非域，且當(dāng)上述特征狀態(tài)處于不同的集合狀態(tài)時(shí)采用不同的控制策略以優(yōu)化此目標(biāo)電流，從而獲得了更好的控制性能，實(shí)現(xiàn)了EPS多模式的平滑切換。

附圖說明

圖1為一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法的步驟示意圖；

圖2為一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)的EPS控制模式的切換示意圖；

圖4為一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)的EPS模糊切換控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)的EPS可拓模糊切換控制器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)的關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為一種電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)的試驗(yàn)系統(tǒng)框圖；

圖8為實(shí)施例中助力-阻尼模式切換目標(biāo)電流硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖；

圖9為實(shí)施例中助力-阻尼模式切換轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖；

圖10為實(shí)施例中助力-阻尼模式切換橫擺角速度硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖；

圖11為實(shí)施例中阻尼-助力模式切換目標(biāo)電流仿真硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖；

圖12為實(shí)施例中阻尼-助力模式切換轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖；

圖13為實(shí)施例中阻尼-助力模式切換橫擺角速度硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖；

圖14為實(shí)施例中回正-助力模式切換目標(biāo)電流硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖；

圖15為實(shí)施例中回正-助力模式切換轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖；

圖16為實(shí)施例中回正-助力模式切換橫擺角速度硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果比較示意圖。

具體實(shí)施方式

參照?qǐng)D1、圖3-圖7，圖1、圖3-圖7為本發(fā)明提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法，包括以下步驟：

S1、獲取車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速信息，并根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速信息選擇控制模式；

步驟S1具體包括：通過傳感器獲取車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩T_h、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c、車速V信息；

當(dāng)或V≥70km/h&&|T_h|＞2N·m時(shí)，選擇助力模式；

當(dāng)時(shí)，選擇回正模式；

當(dāng)V≥70km/h&&|T_h|≤2N·m時(shí)，選擇阻尼模式。

S2、基于模糊控制理論建立模糊規(guī)則，并根據(jù)上述模糊規(guī)則設(shè)計(jì)模糊切換控制器，且根據(jù)不同控制模式的目標(biāo)電流與該控制模式的權(quán)重系數(shù)計(jì)算得出輸出電流；

步驟S2具體包括：根據(jù)上述所建立的輸入、輸出及模糊規(guī)則設(shè)計(jì)模糊切換控制器，將阻尼模式、助力模式、回正模式三種模式的目標(biāo)電流同控制器輸出的權(quán)重系數(shù)相乘再求和就可得到包含切換過程的輸出電流，即通過調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)完成各模式之間的平滑切換；控制器的具體設(shè)計(jì)如下：

基于模糊控制理論，選用三角形隸屬度函數(shù)并建立模糊規(guī)則；將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩T_h、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c、車速V信息作為模糊切換控制器輸入，各模式的權(quán)重系數(shù)σ作為輸出，分別對(duì)模糊切換控制器的輸入和輸出設(shè)定基本論域、模糊論域、模糊子集；

優(yōu)選地，對(duì)模糊切換控制器的輸入和輸出設(shè)定基本論域、模糊論域、模糊子集具體包括：

對(duì)于控制助力—阻尼模式的模糊切換控制器：

T_h的基本論域定為[-5,5]、

模糊論域定為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、

模糊子集為{NB₁,NB₂,NM₁,NM₂,NS₁,NS₂,ZO,PS₁,PS₂,PM₁,PM₂,PB₁,PB₂}；

V的基本論域定為[50,90]、

模糊論域定為{1,2,3,4,5,6}、

模糊子集為{PS₁,PS₂,PM₁,PM₂,PB₁,PB₂}；

模糊切換控制器輸出的基本論域?yàn)閇0,1]、

模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}、

模糊子集為{ZO,PS,PM,PB}；

對(duì)于控制助力—回正模式的模糊切換控制器：

θ_c的基本論域定為[-3,3]、

模糊論域定為{-3,-2,-1,0,1,2,3}、

模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

模糊切換控制器輸出的基本論域?yàn)閇0,1]、

模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}、

模糊子集為{ZO,PS,PM,PB}；

將阻尼模式、助力模式、回正模式三種模式的目標(biāo)電流同對(duì)應(yīng)模式下的權(quán)重系數(shù)相乘再求和得出輸出電流，設(shè)計(jì)模糊切換控制器控制器具體包括：

模糊切換控制器作為上層控制器控制目標(biāo)電流的輸出，完成各模式之間的切換，下層EPS采用PID控制器進(jìn)行控制；

輸出電流即可通過下式得出：

其中，I₁為助力模式的目標(biāo)電流，I₂為阻尼模式的目標(biāo)電流，I₃為回正模式的目標(biāo)電流，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄均為模糊切換器輸出加權(quán)系數(shù)。

模糊切換控制是模糊多模型控制的一種，與傳統(tǒng)意義上的模糊控制不同，其輸出一般不是控制對(duì)象的直接輸入，而是作為控制器的輸出調(diào)整指令?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)輸入條件對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，在某一時(shí)刻，只有一個(gè)模糊切換控制器進(jìn)行工作。模糊切換控制器通過輸出的權(quán)數(shù)來完成兩種模式的相互切換，在切換的過程中，前一個(gè)模式的加權(quán)系數(shù)從1降為0，后一個(gè)模式的加權(quán)系數(shù)從0升為1，從而完成切換。

在模糊切換控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)模糊切換控制器，分別為阻力-阻尼模糊切換控制器和助力-回正模糊切換控制器。由于車輛在高速下進(jìn)行回正并不需要電機(jī)提供阻力，所以不涉及阻尼-回正模式之間的模糊切換及控制器。當(dāng)車在低速時(shí)，不需要進(jìn)行阻尼控制，只有助力和回正模式相互切換，此時(shí)，模糊切換控制器2工作。當(dāng)車速較高時(shí)，不需要再給電機(jī)提供回正目標(biāo)電流，模糊切換控制器1完成助力和阻尼模式之間的切換。

S3、計(jì)算上述輸出電流的微分以及二階微分，并將上述輸出電流的微分以及二階微分作為特征狀態(tài)建立關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合，根據(jù)輸出電流的微分以及二階微分的容許范圍和系統(tǒng)可調(diào)的最大微分和二階微分對(duì)可拓集合進(jìn)行區(qū)域劃分；步驟S3具體包括：

根據(jù)上述輸出電流I，計(jì)算其微分以及二階微分提取以及組成特征狀態(tài)并建立關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合；

設(shè)輸出電流的微分的容許范圍分別為輸出電流的二階微分的容許范圍為系統(tǒng)可調(diào)的最大微分和二階微分分別為以作為可拓集合的橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)，作為橫坐標(biāo)的域值邊界，其中經(jīng)典域范圍為可拓域范圍為作為縱坐標(biāo)的域值邊界，其中經(jīng)典域范圍為可拓域范圍為

S4、基于可拓理論對(duì)模糊切換控制器進(jìn)行性能拓展，以對(duì)可拓集合進(jìn)行區(qū)域劃分，且為可拓集合不同區(qū)域設(shè)定不同控制方法；且建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，并結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)、輸出電流的微分以及二階微分判定輸出電流處于可拓集合的哪個(gè)區(qū)域內(nèi)，并利用該區(qū)域?qū)?yīng)的控制方法對(duì)電流進(jìn)行優(yōu)化，且將優(yōu)化后的電量輸入至電機(jī)，電機(jī)產(chǎn)生平穩(wěn)變化的力矩以達(dá)到電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式之間平滑切換的目的。

步驟S4具體包括：

輸出電流I的微分以及二階微分組成的特征平面，設(shè)特征平面的原點(diǎn)為S₀(0,0)，記對(duì)特征平面上任一點(diǎn)定義關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

其中，R_oy為經(jīng)典域，

為可拓集合不同區(qū)域設(shè)定不同控制方法具體包括：

在經(jīng)典域內(nèi)，測(cè)度模式為M₁＝{S|K(S)≥0}，此時(shí)特征狀態(tài)處于模糊切換控制可以控制的集合，采用模糊切換控制策略；

在可拓域內(nèi)，測(cè)度模式為M₂＝{S|-1≤K(S)≤0}，測(cè)度模式M₂是可拓控制策略發(fā)揮作用的主要區(qū)域，控制器是為了盡可能拓展EPS系統(tǒng)切換時(shí)的控制性能提升空間，則模糊切換控制策略輸出為：

其中，K_C為當(dāng)前測(cè)度模式的控制系數(shù)，為目標(biāo)電流微分的符號(hào)函數(shù)；

在非域內(nèi)，測(cè)度模式為M₃＝{S|K(S)≤-1}，此模式下，特征狀態(tài)已經(jīng)較遠(yuǎn)地偏離了經(jīng)典域，無法使特征狀態(tài)轉(zhuǎn)變到符合控制要求的范圍，取模糊切換控制器輸出最大值u_m作為模糊切換控制策略；

即EPS可拓模糊切換控制器輸出為：

根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)值對(duì)應(yīng)不同的域選擇該域?qū)?yīng)的控制，得到所需電流值。

參照?qǐng)D2-圖7，圖2-圖7為本發(fā)明提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制系統(tǒng)，包括：

模式選擇模塊，用于獲取車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速信息，并根據(jù)車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角、車速信息選擇控制模式；

模式選擇模塊具體用于：通過傳感器獲取車輛轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩T_h、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c、車速V信息；

當(dāng)或V≥70km/h&&|T_h|＞2N·m時(shí)，選擇助力模式；

當(dāng)時(shí)，選擇回正模式；

當(dāng)V≥70km/h&&|T_h|≤2N·m時(shí)，選擇阻尼模式。

電流計(jì)算模塊，用于基于模糊控制理論建立模糊規(guī)則，并根據(jù)上述模糊規(guī)則設(shè)計(jì)模糊切換控制器，且根據(jù)不同控制模式的目標(biāo)電流與該控制模式的權(quán)重系數(shù)計(jì)算得出輸出電流；

電流計(jì)算模塊具體用于：根據(jù)上述所建立的輸入、輸出及模糊規(guī)則設(shè)計(jì)模糊切換控制器，將阻尼模式、助力模式、回正模式三種模式的目標(biāo)電流同控制器輸出的權(quán)重系數(shù)相乘再求和就可得到包含切換過程的輸出電流，即通過調(diào)節(jié)權(quán)重系數(shù)完成各模式之間的平滑切換；控制器的具體設(shè)計(jì)如下：

基于模糊控制理論，選用三角形隸屬度函數(shù)并建立模糊規(guī)則；將轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩T_h、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c、車速V信息作為模糊切換控制器輸入，各模式的權(quán)重系數(shù)σ作為輸出，分別對(duì)模糊切換控制器的輸入和輸出設(shè)定基本論域、模糊論域、模糊子集；

優(yōu)選地，對(duì)模糊切換控制器的輸入和輸出設(shè)定基本論域、模糊論域、模糊子集具體包括：

對(duì)于控制助力—阻尼模式的模糊切換控制器：

T_h的基本論域定為[-5,5]、

模糊論域定為{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,6}、

模糊子集為{NB₁,NB₂,NM₁,NM₂,NS₁,NS₂,ZO,PS₁,PS₂,PM₁,PM₂,PB₁,PB₂}；

V的基本論域定為[50,90]、

模糊論域定為{1,2,3,4,5,6}、

模糊子集為{PS₁,PS₂,PM₁,PM₂,PB₁,PB₂}；

模糊切換控制器輸出的基本論域?yàn)閇0,1]、

模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}、

模糊子集為{ZO,PS,PM,PB}；

對(duì)于控制助力—回正模式的模糊切換控制器：

θ_c的基本論域定為[-3,3]、

模糊論域定為{-3,-2,-1,0,1,2,3}、

模糊子集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}；

模糊切換控制器輸出的基本論域?yàn)閇0,1]、

模糊論域?yàn)閧0,1,2,3}、

模糊子集為{ZO,PS,PM,PB}；

將阻尼模式、助力模式、回正模式三種模式的目標(biāo)電流同對(duì)應(yīng)模式下的權(quán)重系數(shù)相乘再求和得出輸出電流，設(shè)計(jì)模糊切換控制器控制器具體包括：

模糊切換控制器作為上層控制器控制目標(biāo)電流的輸出，完成各模式之間的切換，下層EPS采用PID控制器進(jìn)行控制；

輸出電流即可通過下式得出：

其中，I₁為助力模式的目標(biāo)電流，I₂為阻尼模式的目標(biāo)電流，I₃為回正模式的目標(biāo)電流，σ₁、σ₂、σ₃、σ₄均為模糊切換器輸出加權(quán)系數(shù)。

模糊切換控制是模糊多模型控制的一種，與傳統(tǒng)意義上的模糊控制不同，其輸出一般不是控制對(duì)象的直接輸入，而是作為控制器的輸出調(diào)整指令?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)輸入條件對(duì)當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行判斷，在某一時(shí)刻，只有一個(gè)模糊切換控制器進(jìn)行工作。模糊切換控制器通過輸出的權(quán)數(shù)來完成兩種模式的相互切換，在切換的過程中，前一個(gè)模式的加權(quán)系數(shù)從1降為0，后一個(gè)模式的加權(quán)系數(shù)從0升為1，從而完成切換。

在模糊切換控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了兩個(gè)模糊切換控制器，分別為阻力-阻尼模糊切換控制器和助力-回正模糊切換控制器。由于車輛在高速下進(jìn)行回正并不需要電機(jī)提供阻力，所以不涉及阻尼-回正模式之間的模糊切換及控制器。當(dāng)車在低速時(shí)，不需要進(jìn)行阻尼控制，只有助力和回正模式相互切換，此時(shí)，模糊切換控制器2工作。當(dāng)車速較高時(shí)，不需要再給電機(jī)提供回正目標(biāo)電流，模糊切換控制器1完成助力和阻尼模式之間的切換。

集合建立模塊，用于計(jì)算上述輸出電流的微分以及二階微分，并將上述輸出電流的微分以及二階微分作為特征狀態(tài)建立關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合，根據(jù)輸出電流的微分以及二階微分的容許范圍和系統(tǒng)可調(diào)的最大微分和二階微分對(duì)可拓集合進(jìn)行區(qū)域劃分；

集合建立模塊具體用于：

根據(jù)上述輸出電流I，計(jì)算其微分以及二階微分提取以及組成特征狀態(tài)并建立關(guān)于特征狀態(tài)的可拓集合；

設(shè)輸出電流的微分的容許范圍分別為輸出電流的二階微分的容許范圍為系統(tǒng)可調(diào)的最大微分和二階微分分別為以作為可拓集合的橫坐標(biāo)、為縱坐標(biāo)，作為橫坐標(biāo)的域值邊界，其中經(jīng)典域范圍為可拓域范圍為作為縱坐標(biāo)的域值邊界，其中經(jīng)典域范圍為可拓域范圍為

電流優(yōu)化模塊，用于基于可拓理論對(duì)模糊切換控制器進(jìn)行性能拓展，以對(duì)可拓集合進(jìn)行區(qū)域劃分，且為可拓集合不同區(qū)域設(shè)定不同控制方法；且建立關(guān)聯(lián)函數(shù)，并結(jié)合關(guān)聯(lián)函數(shù)、輸出電流的微分以及二階微分判定輸出電流處于可拓集合的哪個(gè)區(qū)域內(nèi)，并利用該區(qū)域?qū)?yīng)的控制方法對(duì)電流進(jìn)行優(yōu)化，且將優(yōu)化后的電量輸入至電機(jī)。

電流優(yōu)化模塊具體用于：

輸出電流I的微分以及二階微分組成的特征平面，設(shè)特征平面的原點(diǎn)為S₀(0,0)，記對(duì)特征平面上任一點(diǎn)定義關(guān)聯(lián)函數(shù)為：

其中，R_oy為經(jīng)典域，

為可拓集合不同區(qū)域設(shè)定不同控制方法具體包括：

在經(jīng)典域內(nèi)，測(cè)度模式為M₁＝{S|K(S)≥0}，此時(shí)特征狀態(tài)處于模糊切換控制可以控制的集合，采用模糊切換控制策略；

在可拓域內(nèi)，測(cè)度模式為M₂＝{S|-1≤K(S)≤0}，測(cè)度模式M₂是可拓控制策略發(fā)揮作用的主要區(qū)域，控制器是為了盡可能拓展EPS系統(tǒng)切換時(shí)的控制性能提升空間，則模糊切換控制策略輸出為：

其中，K_C為當(dāng)前測(cè)度模式的控制系數(shù)，為目標(biāo)電流微分的符號(hào)函數(shù)；

在非域內(nèi)，測(cè)度模式為M₃＝{S|K(S)≤-1}，此模式下，特征狀態(tài)已經(jīng)較遠(yuǎn)地偏離了經(jīng)典域，無法使特征狀態(tài)轉(zhuǎn)變到符合控制要求的范圍，取模糊切換控制器輸出最大值u_m作為模糊切換控制策略；

即EPS可拓模糊切換控制器輸出為：

根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)值對(duì)應(yīng)不同的域選擇該域?qū)?yīng)的控制，得到所需電流值。

本發(fā)明提出的電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)多模式切換控制方法及系統(tǒng)，基于模糊控制理論，針對(duì)EPS混雜系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了上層模糊切換控制器，通過輸出權(quán)重系數(shù)來完成EPS多個(gè)模式之間的切換，因此減小了切換過程中的沖擊，提升了切換過程的平穩(wěn)性，較大改善了EPS控制性能；進(jìn)一步地，本發(fā)明選用輸入到電機(jī)的目標(biāo)電流的微分和二階微分作為特征狀態(tài)提取量，基于可拓理論對(duì)特征狀態(tài)進(jìn)行劃分，對(duì)應(yīng)可拓集合中的經(jīng)典域、可拓域和非域，且當(dāng)上述特征狀態(tài)處于不同的集合狀態(tài)時(shí)采用不同的控制策略以優(yōu)化此目標(biāo)電流，從而獲得了更好的控制性能，實(shí)現(xiàn)了EPS多模式的平滑切換。

優(yōu)選地，采用三個(gè)性能指標(biāo)對(duì)本方法的有效性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證，三個(gè)指標(biāo)分別為切換后的電流I、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c以及橫擺角速度ω_r；電流I和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角θ_c可以通過傳感器直接采集，橫擺角速度ω_r需要通過線性二自由度模型獲得。所述的二自由度模型為：

二自由度車輛所受到的外力沿y軸方向的合力與繞質(zhì)心的力矩為：

車輛前后輪側(cè)偏角為：

整理之后得到該二自由度汽車模型的動(dòng)力學(xué)方程：

其中，β為車輛質(zhì)心側(cè)偏角，ω_r為車輛橫擺角速度，m為車輛的整車質(zhì)量，I_z為車輛繞z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，l_f為質(zhì)心到前軸中心的距離，l_r為質(zhì)心到后軸中心的距離，δ_f為車輛前輪的轉(zhuǎn)角，C_f為車輛前輪胎的側(cè)偏剛度，C_r為車輛后輪胎的側(cè)偏剛度。

為驗(yàn)證上述方法及系統(tǒng)的有效性和可行性，以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)上述方法及系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證：

搭建用于EPS多模式切換的臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)。本專利以某款裝配有EPS的轉(zhuǎn)向管柱和阻力模擬伺服電機(jī)為基礎(chǔ)搭建試驗(yàn)臺(tái)架,并聯(lián)合LabVIEW進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)臺(tái)架主要設(shè)備包括轉(zhuǎn)向管柱、阻力模擬伺服電動(dòng)機(jī)、各種傳感器、助力電機(jī)、PXI主機(jī)、SCB-68接線板和計(jì)算機(jī)等，具體試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。在試驗(yàn)過程中，利用接口系統(tǒng)采集轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)矩傳感器等信號(hào)，并將信號(hào)傳送給PXI主機(jī)；在LabVIEW中編寫控制算法，由PXI主機(jī)執(zhí)行；接口系統(tǒng)同時(shí)也將車輛模型中的轉(zhuǎn)向阻力矩和目標(biāo)力矩分別發(fā)送到伺服電動(dòng)機(jī)控制器和EPS電動(dòng)機(jī)控制器，以此實(shí)施多種模式的切換控制。

硬件在環(huán)試驗(yàn)在三種工況下進(jìn)行，分別為：基于車速的助力模式到阻尼模式的切換、基于方向盤轉(zhuǎn)矩的阻尼模式到助力模式的切換、基于方向盤轉(zhuǎn)角的回正模式到助力模式的切換。每種工況都采用直接切換、模糊切換和可拓模糊切換三種控制策略進(jìn)行試驗(yàn)。

進(jìn)行模糊控制切換的模糊控制規(guī)則如下表所示：

表1助力—阻尼模式切換模糊規(guī)則表

表2助力—回正模式切換模糊規(guī)則表

EPS系統(tǒng)在工作過程中,主要工作在助力模式、回正模式和阻尼模式下，三者各自構(gòu)成了自己的連續(xù)動(dòng)態(tài)過程；外界離散事件輸入或控制模式下連續(xù)動(dòng)態(tài)的演化會(huì)引起EPS各模式的躍變，即多模式之間的相互切換。EPS直接切換進(jìn)行控制，就是按照?qǐng)D3所示的方式，當(dāng)切換條件滿足時(shí)，直接切換至另一種工作模式。模糊切換和可拓模糊切換兩種控制策略已經(jīng)詳細(xì)給出。

(1)助力—阻尼模式切換

給定方向盤轉(zhuǎn)矩為2N·m，車速以50km/h的速度遞增到90km/h，在這一過程中，EPS從助力模式切換到阻尼模式，分別采用直接切換、模糊切換和可拓模糊切換三種控制策略進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，可拓模糊切換控制器中的主要參數(shù)取K_C＝[1-1]。圖8-圖10給出的是以車速70km/h作為EPS切換點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果圖。

(2)阻尼—助力模式切換

設(shè)車速為80km/h，方向盤力矩從0N·m遞增到5N·m，在這一過程中，EPS 從阻尼模式切換到助力模式，分別采用直接切換、模糊切換和可拓模糊切換三種控制策略進(jìn)行試驗(yàn)?？赏啬：袚Q控制器中的主要參數(shù)取K_C＝[-1 1]。圖11-圖13給出的是以轉(zhuǎn)向盤力矩2N·m作為EPS切換點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果圖。

(3)回正—助力模式切換

設(shè)車速為20km/h，在回正過程中施加轉(zhuǎn)向力，EPS從回正模式切換到助力模式，分別采用直接切換、模糊切換和可拓模糊切換三種控制策略進(jìn)行試驗(yàn)?？赏啬：袚Q控制器中的主要參數(shù)取K_C＝[-1 1]。圖14-圖16給出的是以轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速微分乘積為0作為EPS切換點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果圖。

硬件在環(huán)試驗(yàn)結(jié)果說明采用本發(fā)明的控制方法時(shí)，模糊切換控制能大幅改善EPS的控制性能，有效遏制EPS模式切換過程中的電流突變和性能惡化，減小了切換過程的沖擊，方向盤轉(zhuǎn)角和橫擺角速度在切換時(shí)也能更好的平穩(wěn)過渡。可拓模糊切換控制在模糊切換控制的基礎(chǔ)上對(duì)目標(biāo)的電流進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的控制性能，實(shí)現(xiàn)了EPS混雜系統(tǒng)在多模式切換過程中的平滑切換。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。