线控转向系统转角预测滑模控制算法研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2023.12.002

摘要/Abstract

摘要：

线控转向是智能底盘的关键技术之一，转角高精度跟踪是线控转向的控制核心目标，基于混合控制理论，本文设计了一种基于扰动转矩观测的转向角跟踪预测滑模控制方法，采用滑模控制作为核心算法，以适配线控转向系统动力学中的非线性特性，采用比例积分观测器估计总扰动转矩并补偿系统的不良影响，采用模型预测控制算法对滑模面参数进行优化，在装配有电机线控转向系统的实验车上对所设计的混合控制方法进行了测试和验证，实验结果表明所设计的预测滑模控制器能够实现较优的转角跟踪性能，以及比例积分观测器可以准确地估计系统总集成扰动转矩。

关键词: 线控转向, 滑模控制, 模型预测控制, PI观测器, 滑模面参数优化, 扰动转矩观测

Abstract:

Steer-by-wire technology is one of the key technologies of intelligent chassis， in which high-precision steering angle following is the core control objective. Based on the hybrid control theory， a disturbance torque estimation-based predictive sliding mode control approach for steering angle following is designed. The sliding mode control is used as the core algorithm to adapt to the nonlinear characteristics of the steer-by-wire system dynamics. A PI observer is used to estimate the total disturbance torque and the adverse effect of the system is compensated. The model predictive control algorithm is used to optimize the sliding manifold parameters. The designed approach is tested and validated in a steering test vehicle equipped with an electric motor steer-by-wire system. The experimental results show that the designed predictive sliding mode controller can realize better angle trajectory following and the PI observer can estimate the lumped disturbance torque accurately.

Key words: steer-by-wire, sliding mode control, model predictive control, PI observer, optimized sliding manifold parameter, disturbance torque estimation

贺林,徐子昂,黄春荣,龚超,李书华,石琴. 线控转向系统转角预测滑模控制算法研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2200-2208.

Lin He,Ziang Xu,Chunrong Huang,Chao Gong,Shuhua Li,Qin Shi. Research on Sliding Mode Control Algorithm for Angle Tracking Prediction of Steer-by-wire System[J]. Automotive Engineering, 2023, 45(12): 2200-2208.

图/表 6

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参考文献 27

1	WANG W， CHEN X， WANG J. Motor/generator applications in electrified vehicle chassis-a survey［J］. IEEE Transactions on Transportation Electrification， 2019， 5（3）： 584-601.
2	SONG P， TOMIZUKA M， ZONG C. A novel integrated chassis controller for full drive-by-wire vehicles［J］. Vehicle System Dynamics， 2015， 53（2）： 215-236.
3	石琴，刘鑫，应贺烈，等. 电液线控制动系统压力反步控制算法研究［J］. 汽车工程， 2022， 44（5）： 747-755.
	SHI Q， LIU X， YING H， et al. Study on backstepping control algorithm for the hydraulic pressure in electro-hydraulic brake-by-wire system［J］. Automotive Engineering， 2022， 44（5）： 747-755.
4	HE L， LI F， GUO C， et al. An adaptive PI controller by particle swarm optimization for angle tracking of steer-by-wire［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2022， 27（5）： 3830-3840.
5	赵万忠，张寒，邹松春，等. 线控转向系统控制技术综述［J］. 汽车安全与节能学报， 2021， 12（1）： 18-34.
	ZHAO W， ZHANG H， ZOU S， et al. Overview of vehicle steer-by-wire system control technologies［J］. Journal of Automotive Safety and Energy， 2021， 12（1）： 18-34.
6	王云龙，王泽政，王永富，等. 带有干扰观测器的线控转向系统复合自适应神经网络控制［J］. 控制理论与应用， 2021， 38（4）： 433-443.
	WANG Y， WANG Z， WANG Y， et al. Composite adaptive neural network control for steer-by-wire systems with disturbance observer［J］. Control Theory & Applications， 2021， 38（4）： 433-443.
7	MA B， WANG Y， CHAI T. Event-triggered output feedback type-2 fuzzy control for uncertain steer-by-wire systems with prespecified tracking performance［J］. IEEE Transactions on Fuzzy Systems， 2022， 30（8）： 3098-3112.
8	ZOU S， ZHAO W， WANG C， et al. Tracking and synchronization control strategy of vehicle dual-motor steer-by-wire system via active disturbance rejection control［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2023， 28（1）： 92-103.
9	HUANG C， NAGHDY F， DU H. Delta operator-based fault estimation and fault-tolerant model predictive control for steer-by-wire systems［J］. IEEE Transactions on Control Systems Technology， 2018， 26（5）： 1810-1817.
10	罗建南，朱光钰，杨浩瀚，等. 线控转向系统的前轮转角跟踪策略研究［J］. 机械工程学报， 2019， 55（22）： 165-173.
	LUO J， ZHU G， YANG H， et al. Study on front wheel angle tracking strategy of steering-by-wire system［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2019， 55（22）： 165-173.
11	HUANG C， NAGHDY F， DU H. Delta operator-based model predictive control with fault compensation for steer-by-wire systems［J］. IEEE Transactions on Systems， Man， and Cybernetics： Systems， 2020， 50（6）： 2257-2272.
12	李红娟，王泽政，王永富. 线控转向系统的自适应高阶滑模控制［J］. 控制与决策， 2021， 36（6）： 1529-1536.
	LI H， WANG Z， WANG Y. Adaptive higher-order sliding mode control for SBW system［J］. Control and Decision， 2021， 36（6）： 1529-1536.
13	SHI Q， XU Z， WEI Y， et al. Electric motor steer-by-wire angle tracking by proportional differential sliding mode controller with disturbance observer［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part D： Journal of Automobile Engineering， 2022， 1（1）： 1-12.
14	马瑞海，王丽芳，张俊智，等. 基于滑模自抗扰的电制动系统动态负载模拟［J］. 汽车工程， 2020， 42（2）： 141-148.
	MA R， WANG L， ZHANG J， et al. Sliding mode active disturbance rejection control for dynamic load emulation of the electric braking system［J］. Automotive Engineering， 2020， 42（2）： 141-148.
15	秦武，上官文斌，吕辉. 非线性二自由度主动悬架滑模控制方法的研究［J］. 机械工程学报， 2020， 56（1）： 58-68.
	QIN W， SHANGGUAN W， LÜ H. Research on sliding mode control for nonlinear active suspension system with two degrees of freedom［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2020， 56（1）： 58-68.
16	WANG H， KONG H， MAN Z， et al. Sliding mode control for steer-by-wire systems with AC motors in road vehicles［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2014， 61（4）： 1596-1611.
17	SUN Z， ZHENG J， MAN Z， et al. Robust control of a vehicle steer-by-wire system using adaptive sliding mode［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2016， 63（4）： 2251-2262.
18	WU X， ZHANG M， XU M. Active tracking control for steer-by-wire system with disturbance observer［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2019， 68（6）： 5483-5493.
19	HUANG C， NAGHDY F， DU H. Sliding mode predictive tracking control for uncertain steer-by-wire system［J］. Control Engineering Practice， 2019， 85： 194-205.
20	HUANG C， NAGHDY F， DU H. Fault tolerant sliding mode predictive control for uncertain steer-by-wire system［J］. IEEE Transactions on Cybernetics， 2019， 49（1）： 261-272.
21	陈辛波，罗杰，杭鹏，等. 某新型线控转向系统的自适应模糊滑模控制［J］. 汽车工程， 2018， 40（5）： 568-574.
	CHEN X， LUO J， HANG P， et al. Adaptive fuzzy sliding mode control for a novel steering-by-wire system［J］. Automotive Engineering， 2018， 40（5）： 568-574.
22	MA B， WANG Y. Adaptive output feedback control of steer-by-wire systems with event-triggered communication［J］. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics， 2021， 26（4）： 1968-1979.
23	MA B， LUO G， WANG Y. Observer-based event-triggered control of steer-by-wire systems with prespecified tracking accuracy［J］. Mechanical Systems and Signal Processing， 2021， 161： 107857.
24	HE L， SHEN T， YU L， et al. A model-predictive-control-based torque demand control approach for parallel hybrid powertrains ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2013， 62（3）： 1041-1052.
25	CHEN W H， BALANCE D J， GAWTHROP P J. Optimal control of nonlinear systems： a predictive control approach［J］. Automatica， 2003， 39（4）： 633-641.
26	SEPULCHRE R， JANKOVICM， KOKOTOVICPV. Constructive nonlinear control［M］. New York， NY， USA： Springer-Verlag， 1997.
27	SHIEH N C， TUNG P C， LIN C L. Robust output tracking control of a linear brushless DC motor with time-varying disturbances［J］. IEEE Proceedings-Electric Power Applications， 2002， 149（1）： 39-45.

[1]	邓斌, 李维汉, 吴迪, 张冰战, 赵韩. 基于KFESO的四轮主动转向积分滑模控制[J]. 汽车工程, 2024, 46(1): 100-108.
[2]	王明,唐小林,杨凯,李国法,胡晓松. 考虑预测风险的自动驾驶车辆运动规划方法[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1362-1372.
[3]	高锋,冯德福,胡秋霞. 面向NMPC运动规划系统的数值优化加速技术[J]. 汽车工程, 2023, 45(8): 1438-1447.
[4]	林程, 汪博文, 吕沛原, 宫新乐, 于潇. 面向变曲率道路的自动驾驶汽车换道博弈运动规划与协同控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(7): 1099-1111.
[5]	李军, 周伟, 唐爽. 基于自适应拟合的智能车换道避障轨迹规划[J]. 汽车工程, 2023, 45(7): 1174-1183.
[6]	查云飞,吕小龙,陈慧勤,易迎春,王燕燕. 基于路面附着系数估计的车辆轨迹跟踪控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(6): 1010-1021.
[7]	贺伊琳,马建,杨舒凯,郑威,薛启帆. 融合预瞄特性的智能电动汽车稳定性模型预测控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(5): 719-734.
[8]	周兵,魏佳宝,柴天,吴晓建,王鹤. 基于最优方法的碰后辅助驾驶控制策略[J]. 汽车工程, 2023, 45(4): 561-571.
[9]	张彬,邹渊,张旭东,孙逢春,吴喆,孟逸豪. 混动履带式无人平台轨迹跟踪控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(4): 579-587.
[10]	张紫微,郑玲,李以农,乔旭强,郑浩,王戡. 考虑前车运动不确定性的多目标自适应巡航控制[J]. 汽车工程, 2023, 45(3): 361-371.
[11]	胡丹丹,尹鹏飞,牛国臣,赵金聚. 非结构化道路下离轴式拖挂车辆主动避障控制研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2318-2329.
[12]	宋强,王冠峰,商赫,张念忠. 基于多参数控制的分布式驱动电动汽车操纵稳定性控制策略研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2104-2112.
[13]	芦勇,何一超,田贺,江昆,杨殿阁. 面向量产的自适应巡航控制系统纵向加速度规划方法研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(10): 1803-1814.
[14]	林程,梁晟,宫新乐,于潇,汪博文. 面向极限工况的分布式驱动电动汽车动力学集成控制方法[J]. 汽车工程, 2022, 44(9): 1372-1385.
[15]	解少博,屈鹏程,李嘉诚,王惠庆,郎昆. 跟驰场景中网联混合电动货车速度规划和能量管理协同控制的研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(8): 1136-1143.