[发明专利]具有自适应容错控制功能的线控转向系统及其控制方法

权利要求书

1.一种具有自适应容错控制功能的线控转向系统的控制方法，线控转向系统包括：方向盘转角传感器(1)、方向盘(2)、转向管柱(3)、左前轮及轮毂电机(4)、齿轮齿条转向器(5)、右前轮及轮毂电机(6)、前轴(7)、电子控制单元(8)、蓄电池组(9)、左后轮及轮毂电机(10)、右后轮及轮毂电机(11)、车速传感器(12)、横摆角速度传感器(13)及后轴(14)；所述方向盘转角传感器(1)安装在转向管柱(3)内；方向盘(2)安装在转向管柱(3)上；所述左前轮及轮毂电机(4)与右前轮及轮毂电机(6)安装在前轴(7)上；所述齿轮齿条转向器(5)安装于前轴(7)上；所述左后轮及轮毂电机(10)与右后轮及轮毂电机(11)安装在后轴上；所述方向盘转角传感器(1)、车速传感器(12)、横摆角速度传感器(13)分别连接电子控制单元(8)，并将采集到的信号输入到电子控制单元(8)中；所述电子控制单元(8)与蓄电池组(9)相连并由其供电，电子控制单元(8)还分别与左前轮及轮毂电机(4)、右前轮及轮毂电机(6)、左后轮及轮毂电机(10)以及右后轮及轮毂电机(11)相连并通过电流控制其运行；其特征在于，方法步骤如下：

步骤1)：建立理想横摆角速度与方向盘转角关系；

步骤2)：建立四轮差动助力转向系统模型；

步骤3)：根据四轮差动助力转向系统模型建立具有自适应容错控制功能的四轮差动助力转向系统状态空间模型：

步骤4)：根据步骤3)的具有自适应容错控制功能的四轮差动助力转向系统状态空间模型及步骤1)的理想横摆角速度采用自适应容错控制算法实现对线控转向系统的容错控制；

所述步骤1)具体包括：车辆行驶时，当驾驶员转动方向盘，电子控制单元接收方向盘转角传感器、车速传感器采集到的方向盘转角θ_sw及车速信号u，得到此时车辆的理想横摆角速度γ^*与方向盘转角θ_sw关系如下式：

式中，a₀＝k_fk_r(a+b)²+(k_rb-k_fa)mu²；b₀＝k_fk_r(a+b)u；L为前后轴轴距；K_s为转向增益常数；k_f、k_r分别为前、后轮侧偏刚度；a为质心到前轴轴距；b为质心到后轴轴距；m为整车质量；

所述步骤2)中的四轮差动助力转向系统模型为：

式中，δ_f为前轮转角；β为质心侧偏角；γ为横摆角速度；m为整车质量；c为半轴距；I为整车绕z轴转动惯量；R为轮胎半径；J_s为方向盘等效转动惯量；d为轮距拖矩；d₁为主销横向偏移矩；G为齿轮齿条转向器传动比；T_sw为驾驶员作用于方向盘转矩；T_fl,T_fr,T_rl,T_rr分别为左前、右前、左后、右后轮毂电机输出转矩，f_s为方向盘等效阻尼；

所述步骤3)中的四轮差动助力转向系统状态空间模型为：令系统状态变量x为：控制输入u(t)为：u(t)＝[T_fl T_fr T_rl T_rr]^T，干扰输入w为：w＝[T_sw]^T；输出向量y为：y＝[γ]^T；

当轮毂电机发生故障时的故障情况概括为：

式中，σ＝diag{σ₁,σ₂,σ₃,σ₄}，σ_k为第k个轮毂电机的失效率，k＝1,2,3,4；当σ_k＝1时，无故障发生；当0＜σ_k＜1，第k个轮毂电机部分失效；当σ_k＝0时，第k个电机完全失效；t为时间；

对于转向系统而言，其状态空间描述为：

y(t)＝Cx(t)

式中，B＝σB₁；

C＝[0 0 0 1]^T；

所述步骤4)具体包括：

41)建立系统参考模型：

y_m(t)＝C_mx_m(t)

式中，x_m(t)为模型状态向量；u_m(t)为模型输入控制向量，y_m(t)为模型输出向量；A_m,B_m,C_m为常数矩阵；

定义理想控制输入u^*为：u^*＝k_e(y_m-y)+k_xx_m+k_uu_m

式中，k_e表示跟踪误差增益；k_x,k_u表示理想的前馈增益；

当使用理想控制输入使得系统输出跟踪系统参考模型时，有：e_y＝y_m-y＝0，e_y为跟踪误差；

42)理想系统模型描述为：

y^*(t)＝Cx^*(t)

此时，u^*＝k_xx_m+k_uu_m；

根据跟踪控制理论，推导出理想状态轨迹：x^*＝s₁₁x_m+s₁₂u_m；

即：

式中，s₁₁,s₁₂均为常数矩阵；

43)建立自适应容错控制基本结构：

u(t)＝K_e(t)(y_m-y)+K_x(t)x_m+K_u(t)u_m

定义自适应增益为：

K_r(t)＝[K_e(t) K_x(t) K_u(t)]＝K_p(t)+K_i(t)

式中，K_p(t)为比例增益；K_i(t)为积分增益；

自适应增益由下面比例-积分型控制律在线调整：

e_y＝y_m-y＝0

r^T(t)＝[e_y^T(t) x_m^T(t) u_m^T(t)]

K_p(t)＝e_y(t)r^T(t)T_p

K_i(t)＝e_y(t)r^T(t)T_i

式中，T_p,T_i为常值权矩阵；

此时控制输入简写成：u(t)＝K_r(t)r(t)。