輪轂電機(jī)控制算法分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u25268輪轂電機(jī)控制算法分析概述 136961.1經(jīng)典控制系統(tǒng)構(gòu)成原理 2193301.2PID控制系統(tǒng) 340771.2.1PID原理介紹 4231571.2.2PID參數(shù)整定 5目前多輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)電動(dòng)車的電子差速轉(zhuǎn)向控制策略主要有兩種：一種是直接利用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)，另一種是利用轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。采用轉(zhuǎn)矩調(diào)節(jié)控制方式，不僅能提高輪速估計(jì)的準(zhǔn)確性，而且能優(yōu)化車輛行駛時(shí)的橫擺角速度，但是這種控制方法需要考慮很多因素，求解影響車輛的各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系需要較長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)，由于車輛在不同路況下的扭矩變化情況比較復(fù)雜，不能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)。現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方法，大多是根據(jù)傳統(tǒng)汽車Ackermann-Jeantand轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，從理論上計(jì)算出四個(gè)輪轂電機(jī)的轉(zhuǎn)速，然后控制電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)差速轉(zhuǎn)向。由于這種控制方式，求解過程簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性高，已成為大多數(shù)輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)車首選的差速控制方式?，F(xiàn)階段，輪轂電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)控制方法主要有兩種：一種是基于經(jīng)典控制理論，使用PID對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，另一種是采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行估算控制。采用PID控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調(diào)節(jié)方便、經(jīng)濟(jì)性好，但是PID參數(shù)的整定過程比較復(fù)雜。利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，雖然該種控制算法較為簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易，但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法需要使用樣車獲取數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)的樣本，只有在樣本種類和數(shù)量足夠多的前提下，才能較準(zhǔn)確地估算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并且前期樣本數(shù)據(jù)的采集還需要耗費(fèi)大量的資源。因此，本文采用基于Ackermann-Jeantand模型的PID控制方法，通過分析電動(dòng)汽車前輪轉(zhuǎn)向時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)，采用經(jīng)典控制理論中的PID控制方法，對(duì)電動(dòng)汽車四個(gè)輪轂電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，通過轉(zhuǎn)速閉環(huán)反饋使各輪轂電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與參考轉(zhuǎn)速保持一致。1.1經(jīng)典控制系統(tǒng)構(gòu)成原理經(jīng)典控制理論是控制理論的一個(gè)分支，主要研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的輸入行為，以及如何通過反饋改變其行為，并以拉普拉斯變換為基本工具來(lái)建立系統(tǒng)模型。經(jīng)典控制理論被廣泛應(yīng)用與線性系統(tǒng)和一些階次較低的數(shù)學(xué)模型中，故也被稱為線性控制理論。經(jīng)典控制的本質(zhì)就是實(shí)時(shí)跟蹤輸出并將其反饋給控制器，控制器再將其與給定參考值進(jìn)行計(jì)算處理，已達(dá)到消除誤差，穩(wěn)定輸出。實(shí)際輸出和所需輸出之間的差異稱為誤差信號(hào)，作為反饋應(yīng)用于系統(tǒng)輸入，以使實(shí)際輸出更接近參考。經(jīng)典控制理論能夠很好的應(yīng)用于線性時(shí)不變單輸入單輸出系統(tǒng)，并可以計(jì)算出該系統(tǒng)的輸入和輸出信號(hào)的拉普拉斯變換，進(jìn)而可以計(jì)算出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。經(jīng)典控制系統(tǒng)之所以被稱為反饋控制系統(tǒng)，是因?yàn)樵诮?jīng)典控制系統(tǒng)對(duì)反饋信號(hào)的利用與處理。輸出的反饋信號(hào)使得控制器知道輸出量與參考值之間的差值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的連續(xù)校正，直到差值被消滅為止，而這就也是反饋控制的原理。反饋控制實(shí)質(zhì)上是一個(gè)由偏差控制的過程，所以它也被稱為偏差控制。反饋控制系統(tǒng)的框圖如圖2.1所示[1]。圖2.1反饋控制系統(tǒng)的示意框圖參考輸入r：控制系統(tǒng)的命令信號(hào)輸入;主反饋b：由輸出c經(jīng)過反饋環(huán)節(jié)處理而得出，其性質(zhì)與參考輸入一致；偏差e：參考輸入與主反饋差的信號(hào);控制鏈路Gc：接受偏差信號(hào)并通過轉(zhuǎn)換和操作產(chǎn)生控制量;控制量u：控制鏈路輸出，作用于受控制對(duì)象的信號(hào);擾動(dòng)n：不需要的信號(hào)，影響輸出;被控對(duì)象Go：它接受控制并輸出控制變量;輸出c：系統(tǒng)受控量;反饋部分H：將輸出轉(zhuǎn)換為主反饋信號(hào)的設(shè)備;比較環(huán)節(jié)：等效于偏差檢測(cè)器，其輸出等于兩個(gè)輸入的代數(shù)和。箭頭上的符號(hào)表示在此處添加或減去輸入。每一個(gè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都要大致經(jīng)歷如下幾個(gè)步驟：第一步，明確系統(tǒng)的被控目標(biāo)并選擇實(shí)現(xiàn)控制對(duì)象的電信號(hào)；第二步，建立系統(tǒng)固有部分（受控對(duì)象，執(zhí)行器和傳感器）的數(shù)學(xué)模型;第三步，根據(jù)數(shù)學(xué)模型和控制標(biāo)準(zhǔn)（即性能指標(biāo)），設(shè)計(jì)控制器;第四步，使用分析，仿真和物理系統(tǒng)的測(cè)試和其他方法來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)。其中關(guān)于控制器的設(shè)計(jì)，目前最常用的就是PID控制器，尤其是在工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用串聯(lián)校正的場(chǎng)合，80%以上都是PID校正。1.2PID控制系統(tǒng)PID控制器是自動(dòng)控制理論中的最為經(jīng)典的應(yīng)用，也是被大眾運(yùn)用最為廣泛最為有效的應(yīng)用。在控制系統(tǒng)中，其傳遞函數(shù)為：（2.1）PID控制器的本質(zhì)是消除誤差e(t)，而e(t)就是控制器的給定輸入和輸出之間的差值，通過P、I、D三項(xiàng)控制減小以至于消除誤差，使e(t)=0，從而使輸出等同于給定的輸入，使系統(tǒng)快速達(dá)到新的平衡，誤差經(jīng)由PID控制器處理后的關(guān)系在時(shí)域和s域中表示為公式（2.2）和（2.3）：（2.2）（2.3）上式中，，，，式中、、為P、I、D各自的系數(shù)。1.2.1PID原理介紹PID控制器使用比例（P）控制、積分（I）控制和微分（D）控制這三項(xiàng)控制對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)精確和最優(yōu)控制[3]。圖2.2顯示了如何生成和應(yīng)用這些術(shù)語(yǔ)的原則。圖中為一個(gè)反饋回路中的PID控制器，該三項(xiàng)控制器它一直在調(diào)節(jié)r(t)與y(t)的差值e(t)，控制器試圖通過調(diào)整控制變量u(t)，如打開控制閥門，使之達(dá)到一個(gè)新的值，由控制項(xiàng)的加權(quán)和確定，從而最小化誤差。圖2.2反饋回路中的PID控制器的框圖在圖2.2所示的PID控制器模型中：比例控制（P調(diào)節(jié)）與SP-PV誤差e（t）的當(dāng)前值成比例。例如，如果誤差e（t）較大且為正，考慮增益因子“K”，則控制輸出將按比例放大且為正值。在溫度控制等補(bǔ)償過程中單獨(dú)使用比例控制會(huì)導(dǎo)致設(shè)定值和實(shí)際過程值之間出現(xiàn)誤差，因?yàn)樗枰粋€(gè)誤差才能生成比例響應(yīng)。如果沒有誤差，則沒有糾正措施。積分控制（I調(diào)節(jié)）記錄了SP-PV誤差e（t）的過去值，并將它們綜合在一起以產(chǎn)生積分調(diào)節(jié)。例如，如果在應(yīng)用比例控制之后存在殘余SP-PV誤差e（t），則積分項(xiàng)旨在通過添加由于歷史累積誤差值而產(chǎn)生的控制效果來(lái)消除殘余誤差。當(dāng)誤差e（t）被消除時(shí)，積分項(xiàng)將停止增長(zhǎng)。這會(huì)導(dǎo)致比例效應(yīng)隨著誤差的減小而逐漸減小，但這可以通過積分效應(yīng)的增長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償。微分調(diào)節(jié)（D調(diào)節(jié)）是基于其當(dāng)前變化率對(duì)SP-PV誤差e（t）的未來(lái)趨勢(shì)的最佳估計(jì)。它有時(shí)被稱為“預(yù)期控制”，它實(shí)際上是通過施加控制誤差變化率產(chǎn)生的影響從而達(dá)到減少SP-PV誤差e（t）的影響。變化越快，控制或抑制效果就越大。調(diào)諧-這些效果的平衡通過“回路調(diào)整”來(lái)實(shí)現(xiàn)，以產(chǎn)生最佳控制功能。調(diào)諧常數(shù)在下面顯示為“K”，并且必須為每個(gè)控制應(yīng)用程序派生，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于控制器外部完整回路的響應(yīng)特性。這些都依賴于測(cè)量傳感器、最終控制元件（如控制閥）、任何控制信號(hào)延遲以及過程本身的運(yùn)行。常量的近似值通常可以在最初了解應(yīng)用程序的類型時(shí)開始輸入，但通常通過在實(shí)踐中“碰撞”該過程（例如引入設(shè)定點(diǎn)變化并觀察系統(tǒng)響應(yīng)）來(lái)對(duì)其進(jìn)行調(diào)整或調(diào)整?？刂苿?dòng)作-上面的數(shù)學(xué)模型和實(shí)際循環(huán)都對(duì)以上三項(xiàng)（P、I、D）使用“直接”控制動(dòng)作，這意味著正誤差的增加導(dǎo)致求和后的用于應(yīng)用校正的正控制輸出增加。當(dāng)其為負(fù)向校正時(shí)，稱輸出為“負(fù)向輸出”。例如，如果流量回路中的閥門對(duì)于0-100％控制輸出為100-0％的閥門開啟，這意味著控制器動(dòng)作必須被逆轉(zhuǎn)。一些過程控制方案和最終控制元素需要這種反向操作。一個(gè)例子是用于冷卻水的閥門，其中失效保護(hù)模式在信號(hào)丟失的情況下將100％打開閥門；因此0％的控制器輸出需要引起100％的閥門開啟。1.2.2PID參數(shù)整定現(xiàn)階段，選擇合適的PID參數(shù)有兩種主要方法：理論計(jì)算設(shè)置法和工程設(shè)置法。理論計(jì)算設(shè)置法主要依托系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制參數(shù)，所得到的控制參數(shù)必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改，因?yàn)檫@種方法計(jì)算量大，實(shí)用性不高，所以在工程實(shí)際中很少使用。工程設(shè)置法簡(jiǎn)單易算，易于掌握，能夠很好的處理大部分現(xiàn)實(shí)工程問題，因此普遍應(yīng)用工程設(shè)置法?，F(xiàn)在主流方法有兩種，分別是齊格勒-尼克爾斯（Ziegler-Nichols）設(shè)定法，科恩-庫(kù)恩（Cohen-Coon）設(shè)定法。這些方法如下所述。1、Ziegler-Nichols法Ziegler-Nichols整定法適用對(duì)象為帶純延遲的一階慣性環(huán)節(jié)[17]，如公式（2.4）所示：（2.4）其中，K為比例系數(shù)；T為慣性時(shí)間常數(shù)；τ為純延遲時(shí)間常數(shù)。當(dāng)受控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)曲線與s型曲線類似時(shí)，就能運(yùn)用Ziegler-Nichols設(shè)定經(jīng)驗(yàn)調(diào)諧公式。受控對(duì)象的單位階躍響應(yīng)曲線模型可見圖2.3。圖2.3被控對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線控制器的各個(gè)參數(shù)可由下表2.1計(jì)算得到。表2.1Ziegler-Nichols整定法參數(shù)計(jì)算表控制器類型響應(yīng)曲線法整定控制器參數(shù)PPIPID2、Cohen