輪轂電機控制算法分析概述目錄TOC\o"1-3"\h\u25268輪轂電機控制算法分析概述 136961.1經典控制系統(tǒng)構成原理 2193301.2PID控制系統(tǒng) 340771.2.1PID原理介紹 4231571.2.2PID參數整定 5目前多輪獨立驅動電動車的電子差速轉向控制策略主要有兩種：一種是直接利用轉矩調節(jié)，另一種是利用轉速調節(jié)。采用轉矩調節(jié)控制方式，不僅能提高輪速估計的準確性，而且能優(yōu)化車輛行駛時的橫擺角速度，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間的函數關系需要較長的時間，同時，由于車輛在不同路況下的扭矩變化情況比較復雜，不能準確地預測?，F有的轉速調節(jié)控制方法，大多是根據傳統(tǒng)汽車Ackermann-Jeantand轉向系統(tǒng)的數學模型，從理論上計算出四個輪轂電機的轉速，然后控制電機進行調速，從而實現差速轉向。由于這種控制方式，求解過程簡單，實時性高，已成為大多數輪轂電機驅動的電動車首選的差速控制方式。現階段，輪轂電機轉速調節(jié)控制方法主要有兩種：一種是基于經典控制理論，使用PID對電機轉速進行控制，另一種是采用BP神經網絡算法對電機轉速進行估算控制。采用PID控制，系統(tǒng)結構簡單、穩(wěn)定性好、工作可靠、調節(jié)方便、經濟性好，但是PID參數的整定過程比較復雜。利用BP神經網絡控制算法對電機轉速進行控制，雖然該種控制算法較為簡單，實現起來比較容易，但是神經網絡算法需要使用樣車獲取數據學習的樣本，只有在樣本種類和數量足夠多的前提下，才能較準確地估算出電機的轉速，并且前期樣本數據的采集還需要耗費大量的資源。因此，本文采用基于Ackermann-Jeantand模型的PID控制方法，通過分析電動汽車前輪轉向時的運行狀態(tài)，采用經典控制理論中的PID控制方法，對電動汽車四個輪轂電機進行轉速控制，通過轉速閉環(huán)反饋使各輪轂電機的實際轉速與參考轉速保持一致。1.1經典控制系統(tǒng)構成原理經典控制理論是控制理論的一個分支，主要研究動態(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建立系統(tǒng)模型。經典控制理論被廣泛應用與線性系統(tǒng)和一些階次較低的數學模型中，故也被稱為線性控制理論。經典控制的本質就是實時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行計算處理，已達到消除誤差，穩(wěn)定輸出。實際輸出和所需輸出之間的差異稱為誤差信號，作為反饋應用于系統(tǒng)輸入，以使實際輸出更接近參考。經典控制理論能夠很好的應用于線性時不變單輸入單輸出系統(tǒng)，并可以計算出該系統(tǒng)的輸入和輸出信號的拉普拉斯變換，進而可以計算出系統(tǒng)的傳遞函數。經典控制系統(tǒng)之所以被稱為反饋控制系統(tǒng)，是因為在經典控制系統(tǒng)對反饋信號的利用與處理。輸出的反饋信號使得控制器知道輸出量與參考值之間的差值，從而實現對被控對象的連續(xù)校正，直到差值被消滅為止，而這就也是反饋控制的原理。反饋控制實質上是一個由偏差控制的過程，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)的命令信號輸入;主反饋b：由輸出c經過反饋環(huán)節(jié)處理而得出，其性質與參考輸入一致；偏差e：參考輸入與主反饋差的信號;控制鏈路Gc：接受偏差信號并通過轉換和操作產生控制量;控制量u：控制鏈路輸出，作用于受控制對象的信號;擾動n：不需要的信號，影響輸出;被控對象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：將輸出轉換為主反饋信號的設備;比較環(huán)節(jié)：等效于偏差檢測器，其輸出等于兩個輸入的代數和。箭頭上的符號表示在此處添加或減去輸入。每一個控制系統(tǒng)的設計都要大致經歷如下幾個步驟：第一步，明確系統(tǒng)的被控目標并選擇實現控制對象的電信號；第二步，建立系統(tǒng)固有部分（受控對象，執(zhí)行器和傳感器）的數學模型;第三步，根據數學模型和控制標準（即性能指標），設計控制器;第四步，使用分析，仿真和物理系統(tǒng)的測試和其他方法來評估設計。其中關于控制器的設計，目前最常用的就是PID控制器，尤其是在工業(yè)領域中應用串聯校正的場合，80%以上都是PID校正。1.2PID控制系統(tǒng)PID控制器是自動控制理論中的最為經典的應用，也是被大眾運用最為廣泛最為有效的應用。在控制系統(tǒng)中，其傳遞函數為：（2.1）PID控制器的本質是消除誤差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)快速達到新的平衡，誤差經由PID控制器處理后的關系在時域和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。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）控制這三項控制對被控對象進行調節(jié)，從而實現精確和最優(yōu)控制[3]。圖2.2顯示了如何生成和應用這些術語的原則。圖中為一個反饋回路中的PID控制器，該三項控制器它一直在調節(jié)r(t)與y(t)的差值e(t)，控制器試圖通過調整控制變量u(t)，如打開控制閥門，使之達到一個新的值，由控制項的加權和確定，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調節(jié)）與SP-PV誤差e（t）的當前值成比例。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。在溫度控制等補償過程中單獨使用比例控制會導致設定值和實際過程值之間出現誤差，因為它需要一個誤差才能生成比例響應。如果沒有誤差，則沒有糾正措施。積分控制（I調節(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生積分調節(jié)。例如，如果在應用比例控制之后存在殘余SP-PV誤差e（t），則積分項旨在通過添加由于歷史累積誤差值而產生的控制效果來消除殘余誤差。當誤差e（t）被消除時，積分項將停止增長。這會導致比例效應隨著誤差的減小而逐漸減小，但這可以通過積分效應的增長進行補償。微分調節(jié)（D調節(jié)）是基于其當前變化率對SP-PV誤差e（t）的未來趨勢的最佳估計。它有時被稱為“預期控制”，它實際上是通過施加控制誤差變化率產生的影響從而達到減少SP-PV誤差e（t）的影響。變化越快，控制或抑制效果就越大。調諧-這些效果的平衡通過“回路調整”來實現，以產生最佳控制功能。調諧常數在下面顯示為“K”，并且必須為每個控制應用程序派生，因為它們取決于控制器外部完整回路的響應特性。這些都依賴于測量傳感器、最終控制元件（如控制閥）、任何控制信號延遲以及過程本身的運行。常量的近似值通?？梢栽谧畛趿私鈶贸绦虻念愋蜁r開始輸入，但通常通過在實踐中“碰撞”該過程（例如引入設定點變化并觀察系統(tǒng)響應）來對其進行調整或調整?？刂苿幼?上面的數學模型和實際循環(huán)都對以上三項（P、I、D）使用“直接”控制動作，這意味著正誤差的增加導致求和后的用于應用校正的正控制輸出增加。當其為負向校正時，稱輸出為“負向輸出”。例如，如果流量回路中的閥門對于0-100％控制輸出為100-0％的閥門開啟，這意味著控制器動作必須被逆轉。一些過程控制方案和最終控制元素需要這種反向操作。一個例子是用于冷卻水的閥門，其中失效保護模式在信號丟失的情況下將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參數整定現階段，選擇合適的PID參數有兩種主要方法：理論計算設置法和工程設置法。理論計算設置法主要依托系統(tǒng)的數學模型，經過理論計算確定控制參數，所得到的控制參數必須通過工程實際進行調整和修改，因為這種方法計算量大，實用性不高，所以在工程實際中很少使用。工程設置法簡單易算，易于掌握，能夠很好的處理大部分現實工程問題，因此普遍應用工程設置法?，F在主流方法有兩種，分別是齊格勒-尼克爾斯（Ziegler-Nichols）設定法，科恩-庫恩（Cohen-Coon）設定法。這些方法如下所述。1、Ziegler-Nichols法Ziegler-Nichols整定法適用對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；T為慣性時間常數；τ為純延遲時間常數。當受控對象的單位階躍響應曲線與s型曲線類似時，就能運用Ziegler-Nichols設定經驗調諧公式。受控對象的單位階躍響應曲線模型可見圖2.3。圖2.3被控對象的階躍響應曲線控制器的各個參數可由下表2.1計算得到。表2.1Ziegler-Nichols整定法參數計算表控制器類型響應曲線法整定控制器參數PPIPID2、Cohen