模糊PID控制策略在汽车助力转向系统中的应用

李智勇，戴 蓉

LI Zhi-yong1, DAI Rong2

（1. 四川工程职业技术学院 电气信息工程系，德阳 618000；2. 中国民用航空飞行学院 计算机学院，广汉 618307）

0 引言

电动助力转向系统是汽车技术发展的趋势，它具有结构简单、节能环保、安全可靠等优点，能够满足人们对汽车驾驶安全、稳定、灵活的要求。合理的控制策略是影响EPS性能的关键。传统的PID控制策略存在许多弊端，已经不能满足发展的需要，因而出现了一些先进的理论例如鲁棒控制理论、神经网络控制理论等，希望提升系统抗干扰性和稳定性等。本文采用了模糊控制理论来优化PID控制器，算法简单、性能优异，尤其适合EPS的非线性系统，意义重大。

1 EPS系统原理

电动助力转向系统(简称EPS)是一种由电动助力机直接提供转向辅助扭矩的动力系统，将挑战成为液压转向系统而成为汽车转向系统的今后发展方向。EPS系统具有装配灵活、调整简单、节能环保等优点。如图1所示，EPS主要由输入轴、电机、扭矩传感器、循环球螺杆和ECU等部分组成。

图1 EPS结构图

汽车驾驶员在转向时，转向盘的转矩大小和转向被转矩传感器所检测，电压信号再输给ECU，ECU再将检测到的各种信息发出指令给电动机控制器，使其输出合适的转向助力转矩，实现转汽车向。

EPS具有以下优势，使得它近年来获得广泛应用：

1）电机仅转向时提供助力，节省燃油。

传统的转向系统有发动机带动转向油泵，不管无论是否转向都会消耗发动机一定的动力。而EPS不转向时并不消耗能量，电机仅仅在转向时才提供助力，这样EPS就能降低燃油消耗。实验表明，不转向时可以降低燃油消耗2.5%左右，转向时，降低5.5%左右。

2）软件能够调整转向助力的大小，同时兼顾高速操纵的稳定性和低速转向的轻便性。

通过软件调整助力，低速时系统提供较大的转向助力，使得转向轻便；车速慢慢提高，系统提供的转向助力逐渐减小，转向时所需的转向力就逐渐增大，提高车辆的稳定性。

另外，EPS还施加一定的附加回正或者阻尼力矩，同时兼顾车辆在高速、低速时都具有较好的回正性能。

3）结构紧凑，质量轻巧，易于保养。

EPS省去了液压转向油泵、液压管路等部件，电机、减速机构又和转向柱、转向器形成整体，整体系统紧凑，生产装配性好，易于保养。

4）EPS可以通过程序的设置和不同的车型相匹配，缩短开发周期。

2 EPS的模糊PID控制策略

EPS的控制需要解决确定电机目标电流和对目标电流进行跟踪两大问题。

2.1 确定目标电流

目标电流由助力特性曲线确定，相同力矩下，目标电流按照车速的递增而下降，助力随电流的增大而加大，本文选择线性助力特性曲线，通过查询表格确定目标电流，具有轻便的特性。从图2中可以看出，转向盘输入力矩用Td表示，助力转矩用Ta，最大助力时的转向盘力矩表示为Tdmax，线性助力特性数据量小、结构简单、方便存储而且容易进行调整。

图2 线性特性曲线

2.2 跟踪目标电流

EPS系统中最被广泛采用的是基于PID的控制策略，通常按照误差比例、积分、微分线性组合，进行控制。通过调节使系统输出接近目标值，实现跟踪目标转矩。但是这种方式采用精确的参数，并不能得到满意的特性。本文采用的模糊PID控制，其结构如图3在不同情况下调整kp、ki、kd参数，保持为最佳，提高动态响应速度。

图3 模糊PID控制图

2.3 模糊PID控制设计

设计控制器的关键是建立模糊规则，总结技术知识和操作经验，建立比例系数kp、积分系数ki、微分系数kd三张模糊控制表，如表1、表2、表3。将输入变量e和误差变化率ec设成{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB} 7个模糊等级， kp、ki、kd＝ {NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。

模糊推理的规则如下：

1）误差较大时，要提高响应速度，同时为了避免系统响应出现超调，kp取大值，ki取零；误差偏小时，防止振荡、不稳定，kp减小，ki取小值；当偏差很小，为使系统快速稳定，kp继续减小。ki取稍大值或者不变。

表1 kp的模糊规则表

表2 ki的模糊规则表

表3 kd的模糊规则表

2）e越大，kp越小，ki越大，反之同样如此，考虑时需要结合偏差大小。

3）偏差与其变化率同号时，被控量的变化方向向着偏离既定值，kp取大值；偏差较大时，kp取小值，可以达到加快控制的动态过程的目的。

4）微分可以阻止偏差变化，改善动态特性，消除振荡，kp可以加大，减小稳态误差，使控制效果满意。e较大时，kd为0，被PI控制；e较小时，kd为正，PID控制。

3 仿真和结果

本文的仿真实验选择软件MATLAB 7.0.1。设置初始值 kp0＝ 10，ki0＝ 1000，kd0＝ 0.005，输出变量Dkp变化范围在[-9, 9]、Dki[-1000, 1000]、Dkd[-0.005,0.005]。

给转向盘输入阶跃信号和正弦信号作为其力矩输入信号，模拟常规和快速两种方向盘转动情况下的电磁转矩作为输出信号。输出信号和目标转矩放入模糊控制器做模糊PID调节，完成后其值看作是控制助力电压信号。本文将常规PID和模糊PID控制器进行EPS系统控制的仿真实验。图4的结果表明，模糊PID控制明显优于常规PID控制的EPS系统。模糊PID控制下快速转动方向盘时可靠性和稳定性更好，系统响应时间短、输出平稳、抗干扰，系统的助力跟踪性能良好。

4 结论

模糊PID控制策略结合了常规PID控制和模糊控制，文章首先介绍了电动助力转向的原理，然后设计模糊PID控制，确定模糊规则、调整控制参数等，说明模糊PID控制的精确控制和良好性能，EPS能轻便改善转向。通过MATLAB的仿真结果证明模糊PID控制效果优于PID控制，性能更好、更可靠。

图4 模糊PID控制仿真

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