电动转向系统助力性能研究

钟颖强

摘 要：汽车的转向系统是操控汽车操作的工具，它的助力性能关系到汽车转向的灵敏度和安全。本文通过对电动转向系统的助力性能进行研究，以及采用H∞控制理论和采用LMI设计控制器的方法，设计出对扭矩传感器测量噪声及路面干扰的抑制控制系统。将仿真建模与实验检测结果进行对比分析，如果基本一致，那么说明用这个方法设计的电动转向系统助力性和跟踪性是合格的，并且做到了对扭矩传感器测量噪声及路面干扰的抑制目标。这个仿真模型的建立为实际电动转向系统提供了研究基础和依据。

关键词：电动转向系统；助力性能；转向安全；H∞控制理论仿真建模

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

1 电力转向系统的基本概述

汽车的操控主要是依靠转向系统，转向系统的好坏直接影响了汽车运行的安全性，转向系统的助力性是关键。电动转向系统是一种新兴的转向系统。它的助力性能相比普通转向系统的助力性能要强得多，因此具有广阔的发展空间。应用将会越来越广泛。

转向系统的助力性是指稳定性，抗干扰性和跟踪性。如果转向系统的助力性差将会导致汽车的不平稳运行。方向盘操作难甚至失控，对汽车司机的驾驶造成了危害，同时也会加大对他人的风险。因此要制造出助力性能强的转向系统，提高电动转向系统的稳定性，抗干扰性和跟踪性，这样才能保证汽车的操控的安全性。这一目标成为了现在对电动转向系统的研究重点。

2 电动转向系统的设计方法

电动转向系统的控制器的设计一般采用图解法，试凑法这些传统的理论方法，但是这些方法存在不能对助力性能指标的把控的弊端，不能最大优化性能，所以导致助力性能不能达到预期效果。所以为了解决这种问题，现在才用了现代最优控制理论的数学解析法，数学解析法可以达到对性能指标的最大优化目标，能够做到有效控制预期。采用数学解析法对数学模型有很严格的要求，需要对数学模型的精准度进行把控。但是数学模型仍然存在着许多不确定性，这种不可控因素是无法避免的，因此这种现代最优控制理论也无法大范围应用，它的发展受到了限制。

H∞控制理论是对现代最优控制理论的弥补，在最优控制理论发生不确定性时，设计出仍然能保持稳定性的控制器。这一理论在很大程度上降低了现代最优控制理论对数学模型的依赖性。根据对电动转向系统的设计实验分析，发现传统的控制理论无法满足电动转向系统的建立，而H∞控制理论是实现电动转向系统设计的最优理论，采用据分析可知，采用LMI（LinearMatrixInequalities）设计控制器，达到最优化。

3 H∞控制理论的基本原理

由于数学模型对控制系统的建立存在着不稳定因素，因此采用了H∞控制理论。加拿大学者Zames提出了H∞范数能够实现对性能指标的最优化，H∞范数控制系统的某些信號间传函作为基础。这一理论的提出为H∞控制理论的研究奠定了基础。Youla等人的控制器参数化和Doyle的结构奇异值理论进一步推动了H∞控制理论的发展。

图1表示的是广义系统，P是一个线性时不变系统，由以下公式分析。在式中，.x———状态向量；u———控制输入；z———被调输出；w———外部干扰；k（s）———一个控制器的传递函数。设计H∞控制器的实质是使得闭环系统内部稳定，从干扰输入w到被调输出z的闭环传递函数Twz（s）的H∞范数小于γ，即‖Twz（s）‖∞<γ（2）。

具有H∞性能γ的H∞控制器称为式（1）所表示系统的γ-次优化H∞控制器。再通过对γ的搜索，可以求取使得闭环系统的干扰抑制度γ最小的控制器，即系统的最优H∞控制器。

在现阶段线性系统的H∞控制理论已经发展到了成熟的阶段。H∞控制器的主要方法包括时域状态空间的Riccati方法和LMI方法。采用LMI方法设计H∞控制器解决了Riccati方法存在的问题。LMI方法采用直接的矩阵运算设计控制器。这种方法没有太多条件的限制。

4 结语

为了保证汽车运行的安全性，转向系统要具备稳定性，跟踪性这两个良好的助力性能。采用LMI方法可以使电动转向系统H∞控制器的设计达到最优化。H∞控制理论方法对设计出良好的电动转向系统的助力性能起到了关键的作用。这为后续的对于电动转向系统的研究奠定了基础，做出了飞跃性进展。使H∞控制理论广泛地应用在对电动转向系统的研究中。为提高电动转向系统助力性能的研究奠定了基础，具有很大的价值和意义。

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