基于自適應(yīng)終端滑?？刂频钠嚲€控轉(zhuǎn)向控制方法與流程

本發(fā)明屬于車輛工程領(lǐng)域的線控轉(zhuǎn)向技術(shù)，具體涉及一種基于自適應(yīng)終端滑模控制的汽車線控轉(zhuǎn)向控制方法。

背景技術(shù)：

滑?？刂剖亲顝?qiáng)大的非線性控制方法之一。由于在滑模平面上，滑模控制對參數(shù)變化和外部干擾具有不變性，滑?？刂埔呀?jīng)成功應(yīng)用于許多實(shí)用的機(jī)電系統(tǒng)。然而傳統(tǒng)的基于超平面的線性滑?？刂疲櫿`差不能在有限時(shí)間內(nèi)收斂，并且在閉環(huán)系統(tǒng)中存在抖振現(xiàn)象。

文獻(xiàn)“b.beltran,t.ahmed-ali,andm.benbouzid,‘high-ordersliding-modecontrolofvariable-speedwindturbines,’ieeetrans.ind.electron.,vol.56,no.9,pp.3314–3321,sep.2009.(b.beltran,t.ahmed-ali,andm.benbouzid.變速風(fēng)力發(fā)電機(jī)的高階滑?？刂品椒?ieee工業(yè)電子.2009,56(9):3314-3321)”中提出了高階滑?？刂萍夹g(shù)，能夠減少抖振并保持經(jīng)典滑?？刂频聂敯粜院透呖刂凭取Ｈ欢?，設(shè)計(jì)這一滑模控制系統(tǒng)所需的不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的界限在實(shí)際應(yīng)用中很難預(yù)先獲得。

文獻(xiàn)“k.nam,h.fujimoto,andy.hori,‘lateralstabilitycontrolofin-wheel-motor-drivenelectricvehiclesbasedonsideslipangleestimationusinglateraltireforcesensors,’ieeetrans.veh.technol.,vol.61,no.5,pp.1972–1985,jun.2012.(k.nam,h.fujimoto,andy.hori.基于使用側(cè)向輪胎力傳感器進(jìn)行側(cè)滑角估計(jì)的輪內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車輛的側(cè)向穩(wěn)定性控制.ieee車輛技術(shù).2012,61(5):1972-1985)”中提出了輪胎擾動(dòng)轉(zhuǎn)矩在線估計(jì)的pd控制技術(shù)，能夠減輕變化參數(shù)和擾動(dòng)的影響。但是運(yùn)用該技術(shù)的線控轉(zhuǎn)向車輛在遇到道路條件頻繁變化的情況時(shí)，無法確保穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向性能。

綜上所述，現(xiàn)有的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制方法存在如下問題：

1、傳統(tǒng)的基于超平面的線性滑?？刂?，跟蹤誤差不能在有限時(shí)間內(nèi)收斂，并且閉環(huán)系統(tǒng)存在抖振現(xiàn)象；

2、高階滑?？刂葡到y(tǒng)所需的不確定參數(shù)和干擾值的界限在實(shí)際應(yīng)用中很難預(yù)先獲得；

3、在線估計(jì)的pd控制技術(shù)無法在道路條件頻繁變化的情況下保證穩(wěn)定的轉(zhuǎn)向性能。

因此，本領(lǐng)域需要一種能夠?qū)崿F(xiàn)在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中不需要提前知道系統(tǒng)參數(shù)和道路條件，同時(shí)又能夠克服道路條件變化對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響的具有魯棒性的控制方法，來提升車輛的轉(zhuǎn)向性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中控制器的跟蹤誤差無法在有限時(shí)間內(nèi)收斂以及需要提前知道系統(tǒng)參數(shù)和路況信息的不足，提供了一種用于線控轉(zhuǎn)向車輛的新型自適應(yīng)終端滑?？刂品桨?。

本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明公開了一種基于自適應(yīng)終端滑?？刂频钠嚲€控轉(zhuǎn)向控制方法，包括前輪轉(zhuǎn)角δf和方向盤轉(zhuǎn)角θh的實(shí)時(shí)信號采集，其主要步驟如下：

步驟1，令汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩控制模式，實(shí)時(shí)采集前輪轉(zhuǎn)角δf和方向盤轉(zhuǎn)角θh；

步驟2，根據(jù)步驟1所得的前輪轉(zhuǎn)角δf和方向盤轉(zhuǎn)角θh，定義跟蹤誤差e＝δf-θhr，其中θhr為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)參考角，nθ是方向盤轉(zhuǎn)角θh和前輪轉(zhuǎn)角δf之間的比例因子；

步驟3，將步驟1采集到的前輪轉(zhuǎn)角δf通過一階微分得到前輪轉(zhuǎn)角角速度將步驟2得到的跟蹤誤差e通過一階微分得到跟蹤誤差一階微分值

步驟4，將步驟2得到的跟蹤誤差e、步驟3得到的跟蹤誤差一階微分值給到終端滑模平面上，得到終端滑模變量s；

所述終端滑模變量s被定義為：

且2q>p

式中，λ為終端滑模參數(shù)1且它是一個(gè)正數(shù)，q為終端滑模參數(shù)2且它是一個(gè)正奇數(shù)，p為終端滑模參數(shù)3且它是一個(gè)正奇數(shù)；

步驟5，首先給定二個(gè)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值并分別記為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a、汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b，然后，對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a通過一階微分得到一階微分值并將一階微分值的上界值記為ρ，即

步驟6，將步驟1得到的前輪轉(zhuǎn)角δf、步驟3得到的前輪轉(zhuǎn)角角速度和跟蹤誤差一階微分值步驟4得到的終端滑模變量s通過自適應(yīng)律得到汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值τfea的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的一階微分值的上界值ρ的估計(jì)值

步驟7，將步驟1得到的前輪轉(zhuǎn)角δf、步驟2得到的跟蹤誤差一階微分值步驟4得到的終端滑模變量s、步驟6得到的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值τfea的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的一階微分值的上界估計(jì)值作為輸入變量輸入到自適應(yīng)終端滑?？刂破髦?，得到控制器輸出信號u；

u＝us-k1sign(s)-k2s

式中，

k1為終端滑模控制器趨近律參數(shù)1且是一個(gè)正數(shù)；

k2為終端滑模控制器趨近律參數(shù)2且是一個(gè)正數(shù)；

us為終端滑?？刂破髦虚g控制律，其表達(dá)式為：

式中，sat(s)為飽和函數(shù)，表達(dá)式為δ表示終端滑模邊界層厚度，為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)參考角的角加速度的上界值；

步驟8，將步驟7中的控制器輸出信號u傳送到轉(zhuǎn)向電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器中給汽車線控轉(zhuǎn)向設(shè)備發(fā)送電壓指令，控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，得到理想前輪轉(zhuǎn)角δ′f。

優(yōu)選的，步驟1所述實(shí)時(shí)采集的采樣周期為t＝10ms。

優(yōu)選的，步驟6所述汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值τfea的上界估計(jì)值的表達(dá)式如下：

式中，

為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)1，其表達(dá)式為其中，為的一階微分值，其表達(dá)式為η1為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)1且是一個(gè)正數(shù)，σc0為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)1即的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σc0>0；

為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)2，其表達(dá)式為其中，為一階微分值，其表達(dá)式為η2為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)2且是一個(gè)正數(shù)，σc1為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)2即的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σc1>0；

為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)3，其表達(dá)式為其中，為一階微分值，其表達(dá)式為η3為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)3且是一個(gè)正數(shù)，σc2為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)3即的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σc2>0。

優(yōu)選的，步驟6所述汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的上界估計(jì)值的計(jì)算如下：

其中，為的一階微分值，其表達(dá)式為：

式中，η4為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)4且是一個(gè)正數(shù)，為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)參考角的角加速度的上界值,σa1為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的上界估計(jì)值的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σa1>0。

優(yōu)選的，步驟6所述汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b的上界估計(jì)值的計(jì)算如下：

其中，為的一階微分值，其表達(dá)式為：

式中，η5為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)5且是一個(gè)正數(shù)，σb1為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b的上界估計(jì)值的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σb1>0。

優(yōu)選的，步驟6所述汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的一階微分值的上界值ρ的估計(jì)值的計(jì)算如下：

其中，為的一階微分值，其表達(dá)式為式中，η6為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)6且是一個(gè)正數(shù)，σρ為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的一階微分值的上界值ρ的估計(jì)值的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σρ>0。

本發(fā)明公開的基于自適應(yīng)終端滑?？刂频钠嚲€控轉(zhuǎn)向控制方法，在系統(tǒng)參數(shù)未知和道路條件不同的情況下，實(shí)現(xiàn)了前輪轉(zhuǎn)角密切跟蹤方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)參考角度的性能，具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和魯棒性，其有益效果具體體現(xiàn)在：

1.所提出的基于自適應(yīng)終端滑?？刂频钠嚲€控轉(zhuǎn)向控制方法優(yōu)于傳統(tǒng)的基于超平面的線性滑?？刂疲鼙ＷC誤差能在有限時(shí)間內(nèi)收斂，具有很好的穩(wěn)定性；

2.自適應(yīng)律對系統(tǒng)參數(shù)不確定性和變化的行駛條件具有強(qiáng)魯棒性，無需提前知曉系統(tǒng)參數(shù)和道路信息；

3.采用邊界層方法克服了閉環(huán)系統(tǒng)抖振現(xiàn)象。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖。

圖2是本發(fā)明控制方法在斜坡轉(zhuǎn)向測試中的跟蹤性能曲線圖。

圖3是本發(fā)明控制方法在斜坡轉(zhuǎn)向測試中的控制扭矩曲線圖。

圖4是本發(fā)明控制方法在斜坡轉(zhuǎn)向測試中的系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)值曲線圖。

圖5是本發(fā)明控制方法在雙移線測試中的跟蹤性能曲線圖。

圖6是本發(fā)明控制方法在雙移線測試中的控制扭矩曲線圖。

圖7是本發(fā)明控制方法在雙移線測試中的系統(tǒng)參數(shù)估計(jì)值曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。

參見圖1。由該圖可見，本發(fā)明所述基于自適應(yīng)終端滑?？刂频钠嚲€控轉(zhuǎn)向控制方法，包括前輪轉(zhuǎn)角δf和方向盤轉(zhuǎn)角θh的實(shí)時(shí)信號采集，主要步驟如下：

步驟1，令汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)器運(yùn)行在轉(zhuǎn)矩控制模式，實(shí)時(shí)采集前輪轉(zhuǎn)角δf和方向盤轉(zhuǎn)角θh。本實(shí)施例中，采樣周期t＝10ms。

步驟2，根據(jù)步驟1所得的前輪轉(zhuǎn)角δf和方向盤轉(zhuǎn)角θh，定義跟蹤誤差e＝δf-θhr，其中θhr為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)參考角，nθ是方向盤轉(zhuǎn)角θh和前輪轉(zhuǎn)角δf之間的比例因子。在本實(shí)施例中，nθ＝12。

步驟3，將步驟1采集到的前輪轉(zhuǎn)角δf通過一階微分得到前輪轉(zhuǎn)角角速度將步驟2得到的跟蹤誤差e通過一階微分得到跟蹤誤差一階微分值

步驟4，將步驟2得到的跟蹤誤差e、步驟3得到的跟蹤誤差一階微分值給到終端滑模平面上，得到終端滑模變量s。

所述終端滑模變量s被定義為：

且2q>p

式中，λ為終端滑模參數(shù)1且它是一個(gè)正數(shù)，q為終端滑模參數(shù)2且它是一個(gè)正奇數(shù)，p為終端滑模參數(shù)3且它是一個(gè)正奇數(shù)。在本實(shí)施例中，λ＝8，p＝7，q＝5。

步驟5，首先給定二個(gè)汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值并分別記為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a、汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b，然后，對汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a通過一階微分得到一階微分值并將一階微分值的上界值記為ρ，即

步驟6，將步驟1得到的前輪轉(zhuǎn)角δf、步驟3得到的前輪轉(zhuǎn)角角速度和跟蹤誤差一階微分值步驟4得到的終端滑模變量s通過自適應(yīng)律得到汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值τfea的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的一階微分值的上界值ρ的估計(jì)值

步驟7，將步驟1得到的前輪轉(zhuǎn)角δf、步驟2得到的跟蹤誤差一階微分值步驟4得到的終端滑模變量s、步驟6得到的汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值τfea的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b的上界估計(jì)值汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的一階微分值的上界估計(jì)值作為輸入變量輸入到自適應(yīng)終端滑?？刂破髦校玫娇刂破鬏敵鲂盘杣。

u＝us-k1sign(s)-k2s

式中，

k1為終端滑模控制器趨近律參數(shù)1且是一個(gè)正數(shù)；

k2為終端滑模控制器趨近律參數(shù)2且是一個(gè)正數(shù)；

us為終端滑?？刂破髦虚g控制律，其表達(dá)式為：

式中，sat(s)為飽和函數(shù)，表達(dá)式為δ表示終端滑模邊界層厚度，為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)參考角的角加速度的上界值。

在本實(shí)施例中，k1＝0.01，k2＝3.5，δ＝0.3。

步驟8，將步驟7中的控制器輸出信號u傳送到轉(zhuǎn)向電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器中給汽車線控轉(zhuǎn)向設(shè)備發(fā)送電壓指令，控制車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，得到理想前輪轉(zhuǎn)角δ′f。

在步驟6中涉及的的具體計(jì)算如下。

1、步驟6所述汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值τfea的上界估計(jì)值的表達(dá)式如下：

式中，

為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)1，其表達(dá)式為其中，為的一階微分值，其表達(dá)式為η1為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)1且是一個(gè)正數(shù)，σc0為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)1即的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σc0>0。在本實(shí)施例中，η1＝1000，σc0＝0.001。

為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)2，其表達(dá)式為其中，為一階微分值，其表達(dá)式為η2為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)2且是一個(gè)正數(shù)，σc1為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)2即的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σc1>0。在本實(shí)施例中，η2＝500，σc1＝0.002。

為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)3，的表達(dá)式為其中，為一階微分值，其表達(dá)式為η3為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)3且是一個(gè)正數(shù)，σc2為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)不確定參數(shù)和擾動(dòng)值的上界估計(jì)值的系數(shù)3即的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σc2>0。在本實(shí)施例中，η3＝500，σc2＝0.001。

2、步驟6所述汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的上界估計(jì)值的計(jì)算如下：

其中，為的一階微分值，其表達(dá)式為：

式中，η4為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)4且是一個(gè)正數(shù)，為方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)參考角的角加速度的上界值,σa1為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的上界估計(jì)值的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σa1>0。在本實(shí)施例中，η4＝500，σa1＝0.0005，

3、步驟6所述汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b的上界估計(jì)值的計(jì)算如下：

其中，為的一階微分值，其表達(dá)式為：

式中，η5為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)5且是一個(gè)正數(shù)，σb1為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值b的上界估計(jì)值的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σb1>0。在本實(shí)施例中，η5＝500，σb1＝0.0005.。

4、步驟6所述汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的一階微分值的上界值ρ的估計(jì)值的計(jì)算如下：

其中，為的一階微分值，式中，η6為自適應(yīng)律調(diào)整比例參數(shù)6且是一個(gè)正數(shù)，σρ為汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)標(biāo)稱值a的一階微分值的上界值ρ的估計(jì)值的終端滑模變量調(diào)整參數(shù)，且σρ>0。在本實(shí)施例中，η6＝500，σρ＝0.0025。

參見圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7，為驗(yàn)證本發(fā)明的實(shí)施效果，在汽車線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中得到如圖所示的控制效果圖，圖2、圖3、圖4為斜坡轉(zhuǎn)向測試得到的曲線圖，圖5、圖6、圖7為雙移線測試得到的曲線圖，從六張圖中可看出本發(fā)明的控制方法可以使得前輪轉(zhuǎn)角密切跟蹤方向盤轉(zhuǎn)動(dòng)參考角度，減小了跟蹤誤差，改善了抖振現(xiàn)象，增強(qiáng)了魯棒性，同時(shí)各系統(tǒng)參數(shù)分別收斂至某個(gè)常數(shù)確保了閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。