控制系統和車輛轉向控制系統的制作方法
【專利摘要】本公開涉及控制系統和車輛轉向控制系統。控制系統(10)在指定輸入和輸出的多個組合的同時，計算到控制目標(20)的輸入，該控制目標有m個輸入和n個輸出(m=n，m和n分別都是大于1的自然數)。反饋控制器(13)針對每個指定的組合基于控制量(y1、y2、......、yn)的目標值(r1、r2、......、rm)和當前值之間的差計算到無干擾控制器(14)的控制輸入(ν1、ν2、......、νn)以使得當前值能夠跟隨目標值。無干擾控制器針對每個指定的組合執行無干擾控制以降低由于n個控制量(y1、y2、......、yn)之間的相互干擾所造成的影響。這降低了需要考慮其相互干擾的輸入和輸出的組合的數量。因此，可以容易地實現無干擾控制。
【專利說明】控制系統和車輛轉向控制系統
【技術領域】
[0001]本公開內容涉及對輸出多于一個控制量的控制目標進行控制的控制系統。
【背景技術】
[0002]眾所周知控制系統使用控制目標模型進行無干擾控制以消除或除去由控制目標輸出的多個控制量引起的相互干擾(參見JP2011-186589A)。這樣的無干擾控制通過預先將與相互干擾相當的量添加到控制量來消除相互干擾。
[0003]通常，控制目標模型、輸入信號或輸出信號可能遭受意外的擾動。因此，當控制目標具有大量的輸入和輸出的控制量而造成大量的相互干擾的組合時，在計算傳遞函數等方面變得難以實現無干擾控制。
[0004]造成相互干擾的控制系統的示例包括車輛轉向控制系統，該車輛轉向控制系統取決于車輛上的駕駛員的方向盤操縱來操作多個轉向致動器，從而控制前輪和后輪的實際轉向角。具體地，致動器包括:電動助力轉向裝置，該電動助力轉向裝置通過對駕駛員對方向盤的轉向扭矩進行輔助，可變齒輪傳動轉向裝置，該可變齒輪傳動轉向裝置相對于方向盤的轉動角靈活地改變前輪的轉動角；以及主動式后輪轉向裝置，該主動式后輪轉向裝置相對于方向盤的轉動角靈活地改變后輪的轉動角。
[0005]多個致動器的操作輸出若干車輛運動屬性,例如轉向角Θ S、偏轉角速度Y和橫向加速度ay。此時,多個致動器協同地操作車輛的重心附近的旋轉運動軸(偏轉軸)，從而涉及到相互干擾。此外，車輛接收由于暴風雨、吹來的碎片或取決于輪胎和路面之間的接地狀態的路面反作用力而帶來的擾動。實際上不能通過任何措施來實時檢測或推測這樣的擾動。
[0006]因此，實現無干擾控制是不現實的，該無干擾控制基于多個致動器的操作推測車輛運動屬性之間的相互干擾，并預先將與相互干擾相等的量添加到控制量。為此，普通技術人員需要進行反復試驗來調整每個致動器，這需要大量時間和工時。上述情況不僅會在車輛轉向控制系統中發生，而且會在可能遭受控制目標的多個輸出之間的相互干擾的控制系統中發生。
【發明內容】
[0007]本公開內容的目的是在對輸出多個控制量的控制目標進行控制的控制系統中提供無干擾控制，降低由于輸出的控制量之間的相互干擾所造成的影響。
[0008]為了實現上述目的，根據本公開內容的方面，提供了一種控制系統，以對控制目標進行控制，該控制目標基于多個輸入的操作量，即m個輸入來提供多個輸出的控制量，即η個輸出，其中，m=n且m和η分別都是大于I的自然數。控制系統包括多個反饋控制器和無干擾控制器。多個反饋控制器中的每一個基于(i)由目標值生成器生成且對應于控制量的目標值和(ii)由控制目標提供的輸出的當前值之間的差來計算操作量。在⑴多個反饋控制器和(ii)控制目標之間設置有無干擾控制器；無干擾控制器執行無干擾控制以降低由于控制目標提供的輸出之間的相互干擾所造成的影響。而且，指定控制目標中的輸入和輸出的組合，并針對所指定的輸入和輸出的組合中的每一個來執行由無干擾控制器進行的無干擾控制和由反饋控制器進行的反饋控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]本公開內容的上述和其他目的、特征和優點根據參考附圖所做出的如下詳細描述將變得更加明顯。在附圖中:
[0010]圖1是根據本公開內容的實施方式的控制系統的框圖；
[0011]圖2是示出了根據本公開內容的實施方式的車輛轉向控制系統的配置的圖；
[0012]圖3A是示出了常規的車輛轉向控制系統的比較模型的圖；
[0013]圖3B是示出了根據實施方式的車輛轉向控制系統的模型的圖；
[0014]圖4是根據本發明的實施方式的車輛轉向控制系統的框圖；
[0015]圖5是示出了基于應用無干擾控制前的每個電動機電壓的輸入的轉向角Θ s的輸出的頻率特征的圖；
[0016]圖6是示出了基于應用無干擾控制前的每個電動機電壓的輸入的偏轉角速度Y的輸出的頻率特征的圖；
[0017]圖7是示出了基于應用無干擾控制前的每個電動機電壓的輸入的橫向加速度ay的輸出的頻率特征的圖；
[0018]圖8是示出了基于應用無干擾控制后的每個電動機電壓的輸入的轉向角0S的輸出的頻率特征的圖；
[0019]圖9是示出了基于應用無干擾控制后的每個電動機電壓的輸入的偏轉角速度Y的輸出的頻率特征的圖；
[0020]圖10是示出了基于應用無干擾控制后的每個電動機電壓的輸入的橫向加速度ay的輸出的頻率特征的圖；
[0021]圖11是示出了表示由無干擾控制器形成的轉向角Θ s的目標值跟隨特征的波形的圖；
[0022]圖12是示出了表示由無干擾控制器形成的偏轉角速度Y的目標值跟隨特征的波形的圖
[0023]圖13是示出了表示由無干擾控制器形成的橫向加速度ay的目標值跟隨特征的波形的圖；
[0024]圖14是示出了根據本公開內容的實施方式的包括具有m個輸入和η個輸出(m〈n)的控制目標的車輛轉向控制系統的框圖；以及
[0025]圖15是示出了根據本公開內容的實施方式的包括具有m個輸入和η個輸出(m>n)的控制目標的車輛轉向控制系統的框圖。
【具體實施方式】
[0026]下面參考附圖對本公開內容的實施方式進行描述。
[0027](控制系統)
[0028]下面將參考圖1說明根據本公開內容的實施方式的控制系統10的配置。根據實施方式的控制系統10由圖1中的虛線框圍繞。控制系統10基于由m個目標值生成器121、
122、……、12m(其統稱為目標值生成器12)生成的目標值rl、r2........rm計算到控制
目標20的輸入，該控制目標20具有m個輸入和η個輸出(m=n，m是大于I的自然數)。在
這種情況下，相互干擾在控制量yl、12........yn之間發生，這些控制量yl、y2........yn是控制目標20的η個輸出。另外，控制目標20中的(i)多個輸入中的某輸入和(ii)多個輸出中的某輸出的每個組合可以被任意指定。作為控制目標20的輸出的控制量可以是諸如溫度、壓力和位置等物理量中的任何一個。
[0029]控制系統10包括反饋控制器13和無干擾控制器14。反饋控制器13包括對應于
目標值rl、r2、......、rm的m個反饋控制器131、132、……、13m。反饋控制器13針對相
應的輸入和輸出的指定組合，基于(i)由控制目標20輸出的控制量yl、y2........yn的
當前值和(ii)目標值rl、r2........rm之間的差，利用PID控制等來計算到無干擾控制
器14的控制輸入V1、v2........vm，以使得當前值跟隨目標值。
[0030]在反饋控制器13和控制目標20之間設置有無干擾控制器14，且無干擾控制器14與控制目標20 —起組成了無干擾控制模型15。無干擾控制器14針對指定的輸入和輸出
的組合中的每一個執行無干擾控制以降低由于控制量yl、12........yn之間的相互干擾
所造成的影響。這樣，控制目標20 接收已經歷無干擾控制的m個輸入ul、u2........um。
而且，可以基于指定標準，例如對提供最大增益的組合給予優先權，來指定輸入和輸出的組
口 ο
[0031]當不指定這樣的輸入和輸出的每個組合時，基于從相應輸入到相應輸出的相關性，可能的組合的數量最大可以達到“mXn”。這樣，需要考慮最大“mXn”個組合之間的干擾。而且，當增加了擾動W對控制目標20的影響時，實際上難以實現無干擾控制。
[0032]相比之下，在根據本實施方式的控制系統10中，當控制目標20的m個輸入和η個輸出一一對應(即，m=n)時，可以指定η個組合。然后，可以將無干擾控制應用到輸入和輸出的η個組合，這可以大大地降低需要考慮干擾的、輸入和輸出的組合的數量。另外，可以將反饋控制應用到η個組合中的每一個，消除無干擾控制項和控制目標20之間的誤差以自動修正相互干擾項。因此，在不考慮由于擾動W而造成的控制目標20的變化的情況下，可以容易地實現無干擾控制。
[0033]而且，可以將根據本公開內容的實施方式的控制系統應用到車輛轉向控制系統。在車輛轉向控制系統中，到控制目標的輸入包括以下操作量，例如到電動助力轉向裝置、可變齒輪傳動轉向裝置和主動式后輪轉向裝置的致動器的指令電壓。而且，來自控制目標的輸出包括車輛運動屬性:轉向角(Qs)、偏轉角速度(Y)和橫向加速度(ay)。在這種情況下，多個致動器協同地操作車輛的偏轉軸，引起了需要由普通的技術人員進行調整的相互干擾。為此，可以將根據本公開內容的實施方式的控制系統用到車輛轉向控制系統。換言之，可以將無干擾控制和反饋控制應用到指定的輸入和輸出的組合中的每一個，從而容易地實現無干擾控制。這可以降低普通技術人員進行反復試驗以調整每個致動器而耗費的時間或工時。
[0034](車輛轉向控制系統)
[0035]下面將說明應用了根據本公開內容的實施方式的控制系統的車輛轉向控制系統，即該車輛轉向控制系統是參考圖2至圖13根據本公開內容的實施方式的車輛轉向控制系統。車輛轉向控制系統包括作為控制目標的轉向系統；轉向系統用于輔助對車輛的轉向操作，并且該轉向系統包括如下的三個系統:EPS(電動助力轉向)系統、VGTS(可變齒輪傳動轉向)系統和ARS(主動式后輪轉向)系統。在下文中，將這些系統統稱為EPS+VGTS+ARS系統。 [0036]EPS生成轉向輔助扭矩，該轉向輔助扭矩輔助駕駛員施加在方向盤上的轉向扭矩。VGTS相對于方向盤的轉動角靈活地改變前輪的轉動角，并控制前輪的實際轉向角。具體地，在低速情況下將前輪的轉動角設置成大的，在高速情況下將前輪的轉動角設置成小的。ARS相對于方向盤的轉動角靈活地改變后輪的轉動角，并控制后輪的實際轉向角。在本實施方式中，將電動機分別用作三個轉向系統的致動器。將各電動機稱為電動助力轉向電動機、可變齒輪傳動轉向電動機和主動式后輪轉向電動機。而且，在下文中，將這些電動機稱為EPS電動機、VGTS電動機和ARS電動機。
[0037]圖2示出了 EPS+VGTS+ARS系統的整體配置。EPS+VGTS+ARS系統接收由操縱方向盤81的駕駛員的操縱而產生的轉向扭矩Ts作為外部輸入，并轉動車輛的前輪和后輪，最終改變車輛的前進方向。當操縱方向盤81時，轉向軸82旋轉。將此時的轉向軸82的旋轉角稱為轉向角Θ S。轉向軸82的下端被連接到前輸出軸85，而前輸出軸85被連接到具有小齒輪的前輪轉向裝置86。
[0038]前架87的兩端經由桿與前輪88連接。當前輪轉向裝置86的小齒輪由于前輸出軸85的旋轉而旋轉時，一對前輪88以響應于前架87的直線運動的位移的角度而轉動。將此時的前輪88的轉向角稱為前輪實際轉向角δ f。后架97的兩端經由桿與后輪98連接。當后輪轉向裝置96的小齒輪由于后輸出軸95的旋轉而旋轉時，一對后輪98以響應于后齒條97的直線運動的位移的角度而轉動。將此時的后輪98的轉向角稱為后輪實際轉向角δ。
[0039]EPS電動機50經由減速齒輪(未示出)將輸出扭矩τ a提供給前輸出軸85。VGTS電動機60被設置在轉向軸82的軸上，并將輸出扭矩Tg提供給前輸出軸85。將此時的VGTS電動機60的旋轉角稱為角Θ g,而將前輸出軸85的旋轉角稱為角θ O。ARS電動機70將輸出扭矩提供給連接到后輪轉向裝置96的后輸出軸95。將此時的后輸出軸95的旋轉角稱為角Θ or。
[0040]在該車輛轉向控制系統中，對于轉向扭矩Ts關注三個車輛運動屬性:轉向角Θ s、偏轉角速度Y和橫向加速度ay。這是因為這三個車輛運動屬性適于作為評估后文將提到的車輛操縱感覺的屬性。偏轉角速度Y是車輛繞偏轉軸z旋轉的角速度。橫向加速度ay是車輛的中心軸90沿著車輛的橫向方向移動的加速度。橫向加速度ay取決于車速V、“車輛重心的側滑角β ”的時間微分、以及偏轉角速度Y，所述車輛重心的側滑角β是在車輛的前進方向和前后方向之間形成的角。
[0041]下面將研究圖3Α示出的控制模型，該控制模型包括作為控制目標40的EPS+VGTS+ARS系統。具體地，控制目標40包括EPS電動機50、VGTS電動機60和ARS電動機70，所有這些電動機是用于生成EPS+VGTS+ARS系統中的輸出的致動器。到控制目標40的輸入(操作量)是VGTS電動機電壓Vg、EPS電動機電壓Va和ARS電動機電壓Vr ;來自控制目標40的輸出(控制量)是轉向角Θ s、偏轉角速度和橫向加速度ay。換言之，控制目標40的輸入的數量是3 (3個輸入)，控制目標40的輸出的數量是3 (3個輸出)。
[0042]在這個系統中，EPS電動機50、VGTS電動機60和ARS電動機70的輸出扭矩協同地操作偏轉軸Z。如圖3A所示，三個輸入中的每一個對三個輸出均起作用，從而引起相互干擾。而且，車輛接收由于暴風雨、吹來的碎片或取決于輪胎和路面之間的接地狀態的路面反作用力而帶來的擾動，所接收的擾動被輸入至控制目標40。
[0043]該擾動通常在任何控制系統中發生，實際上很難實時檢測或推測擾動。因此，理論上難以實現消除由控制系統中的多個輸入和輸出引起的相互干擾的控制。為此，普通技術人員在調整例如每個致動器的增益方面需要進行反復試驗，這需要大量的時間或工時。 [0044]相比之下，圖3B示出的根據本實施方式的車輛轉向控制系統主要有如下的兩個特點。第一個特點是:在包括無干擾控制器34的無干擾控制模型35中，在控制目標40的輸入側中指定控制目標40的輸入和輸出的組合，并且針對指定的輸入和輸出的組合中的每一個提供無干擾控制。第二個特點是:針對指定的輸入和輸出的組合中的每一個提供反饋控制。這兩個特點盡可能地消除了在多于一個輸出的輸出之間引起的相互干擾，在不考慮由于擾動W而造成的控制目標40的變化的情況下可以容易地實現無干擾控制。 [0045]下面將參考圖4說明實施方式的配置。本實施方式的車輛轉向控制系統30由圖4中的虛線框表示。車輛轉向控制系統30基于由目標值生成器32生成的目標值計算到控制目標40的輸入。具體地，基于作為由駕駛員產生的轉向扭矩Ts的外部輸入31，目標值生成器321生成轉向角目標值θ?目標值生成器322生成偏轉角速度目標值目標值生成器323生成橫向加速度目標值afef。然后，將目標值θ#' Yref和afef輸入至車輛轉向控制系統30。目標值生成器321、322和323使用例如轉向扭矩Ts的二次延遲系統的傳遞函數來生成目標值0sMf、和afef。因此，將目標值生成器321、322和323統稱為目標值生成器32。
[0046]車輛轉向控 制系統30包括反饋控制器33和無干擾控制器34。反饋控制器33基于目標值與從控制目標40輸出的控制量的當前值之間的差，通過PID控制來計算到無干擾控制器34的控制輸入V1、v2和V 3，以使得當前值能夠跟隨目標值。在本實施方式中，反饋控制器331根據轉向角的差(Θ Sref- Θ s)計算控制輸入V 1，反饋控制器332根據偏轉角速度Y的差(Zef-Y)計算控制輸入V 2，以及反饋控制器333根據橫向加速度ay的差(afef-ay)計算控制輸入V 3。因此，將反饋控制器331、332和333統稱為反饋控制器33。
[0047]在反饋控制器33和控制目標40之間設置有無干擾控制器34，且無干擾控制器34與控制目標40 —起組成了無干擾控制模型35。稍后將說明無干擾控制模型35中的無干擾控制的細節。控制目標40包括VGTS電動機60、EPS電動機50和ARS電動機70。控制目標40有三個輸入和三個輸出。換言之，三個輸入是VGTS電動機電壓Vg、EPS電動機電壓Va和ARS電動機電壓Vr，三個輸出是轉向角Θ s、偏轉角速度和橫向加速度ay。分別將輸出的控制量9S、y和ay的當前值反饋給反饋控制器331、332和333。另外，將諸如路面反作用力等擾動W輸入至控制目標40。 [0048]為三個輸入和三個輸出任意地指定輸入和輸出的組合。本實施方式指定三個組合以使得轉向角Θ s能夠由VGTS電動機電壓Vg控制，偏轉角速度Y能夠由EPS電動機電壓Va控制，以及橫向加速度能夠由ARS電動機電壓Vr控制。
[0049]指定輸入和輸出的組合的基礎是使得輸入能夠生成提供控制的有益效果的輸出。具體地，對基于相應輸入的輸出的頻率特征進行比較，以找到在所關心的特定頻率處提供最大增益的組合。可替換地，可以找到下述組合，該組合在從第一頻率到第二頻率的頻率范圍中提供了增益的最大積分值，即增益的伯德(Bode)圖中的最大面積。
[0050]將參考圖5至圖7說明根據本實施方式指定組合的理由。在圖5至圖7中，例如，“ Θ s/Vg”表示輸出Θ s依據輸入Vg的頻率特征。參考圖5，當轉向角Θ s由VGTS電動機電壓Vg控制時，增益下降是最小的，且在20Hz或更高的頻率范圍內增益是三個中最大的。與之相比，參考圖6和圖7，VGTS電動機電壓Vg的控制提供了三個中最小的偏轉角速度Y和橫向加速度ay。因此，VGTS電動機電壓Vg和轉向角Θ s的組合可以提供有益的效果。
[0051]接下來，參考圖6和圖7，偏轉角速度Y和橫向加速度ay中的每一個提供了依據EPS電動機電壓Va的屬性和依據ARS電動機電壓Vr的屬性，除了在8Hz附近識別出EPS電動機電壓Va的反共振屬性之外，這兩個屬性是相似的。然而，當仔細地觀察圖7時，針對在2Hz至3Hz附近的橫向加速度ay，ARS電動機電壓Vr的控制提供的增益超過了來自EPS電動機電壓Va的控制的增益。因此，指定ARS電動機電壓Vr和橫向加速度ay的組合。然后，指定剩下的EPS電動機電壓Va和偏轉角速度Y的組合。
[0052]另外，參考圖5至圖7，依據輸入Vg、Va和Vr的輸出Θ s、y和ay的頻率特征提供了部分地彼此交疊的增益。具體地，參考圖6和圖7，依據輸入Va和Vr的輸出Y和ay的頻率特征提供了幾乎彼此交疊的增益。這表明了由于輸入/輸出關系不是一對一的關系所以發生了相互干擾。這在每個輸出9S、Y和ay的控制器的設計中造成了增益調整方面的難點。為此，本實施方式針對上述指定的輸入和輸出的組合中的每一個來執行無干擾控制，且為每個組合執行反饋控制。
[0053]下面將具體地說明無干擾控制。
[0054][狀態空間模型的推導]
[0055]表達式1(1.1和1.2)提供了關于控制目標40的狀態方程的一般形式。注意，無干擾控制器的設計忽略了表達式1.1的右側的“DTS”項，該“DTs”項是與由駕駛員產生的轉向扭矩Ts相關的項。這是因為，為了應用無干擾控制的原理，需要輸入的數量和輸出的數量相同。
[0056][表達式I]
【權利要求】
1.一種控制系統(10，30)，所述控制系統對控制目標(20, 40)進行控制，所述控制目標基于多個輸入的操作量，即m個輸入來提供多個輸出的控制量，即n個輸出，其中，m=n且m和n分別都是大于I的自然數， 所述控制系統包括: 多個反饋控制器(13，33)，所述多個反饋控制器中的每一個基于(i)由目標值生成器(12，32)生成的且對應于所述控制量的目標值和(ii)由所述控制目標提供的當前輸出值之間的差來計算所述操作量，以及 無干擾控制器(14，34)，所述無干擾控制器被設置在(i)所述多個反饋控制器和(ii)所述控制目標之間，所述無干擾控制器執行無干擾控制以降低由于所述控制目標所提供的輸出之間的相互干擾所造成的影響，其中: 指定所述控制目標中的輸入和輸出的組合，以及 針對所指定的輸入和輸出的組合中的每一個，執行由所述無干擾控制器進行的無干擾控制和由所述反饋控制器進行的反饋控制。
2.根據權利要求1所述的控制系統，其中: 當指定所述控制目標中的輸入和輸出的組合時，將優先級給予(i)所述多個輸入中的某輸入和(ii)所述多個輸出中的某輸出的目標組合，所述目標組合提供最大增益。
3.根據權利要求1所述的控制系統，其中: 每個組合具有(i)所述多個輸入中的一個輸入和(ii)所述多個輸出中的一個輸出；以及 所指定的組合的數量等于所述輸出的數量n，n等于所述輸入的數量m。
4.一種應用了根據權利要求1至3中任一項所述的控制系統的車輛轉向控制系統(30)， 所述車輛轉向控制系統在將(i)轉向角(θs)、(ii)偏轉角速度(Y)和(iii)橫向加速度(ay)這三個控制量中的至少兩個控制量作為所述控制目標的輸出來提供的情況下控制車輛的轉向， 所述三個控制量是基于駕駛員的轉向扭矩(Ts)而生成的車輛屬性。
5.根據權利要求4所述的車輛轉向控制系統，其中: 所述控制目標包括對前輪的實際轉向角(δf)進行控制的可變齒輪傳動轉向電動機(60);以及 所指定的組合具有(i)用作輸入的所述可變齒輪傳動轉向電動機的電動機電壓(Vg)和(ii)用作輸出的所述車輛的轉向角。
6.根據權利要求4所述的車輛轉向控制系統，其中: 所述控制目標包括對駕駛員產生的轉向力進行輔助的電動助力轉向電動機(50);以及 所指定的組合具有(i)用作輸入的所述電動助力轉向電動機的電動機電壓(Va)和(ii)用作輸出的所述車輛的偏轉角速度。
7.根據權利要求4所述的車輛轉向控制系統，其中: 所述 控制目標包括對后輪的實際轉向角(δr)進行控制的主動式后輪轉向電動機(70);以及所指定的組合具有(i)用作輸入的所述主動式后輪轉向電動機的電動機電壓(Vr)和(ii)用作輸出的所 述車輛的橫向加速度。
【文檔編號】G05B11/58GK103576710SQ201310334668
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年8月2日 優先權日:2012年8月7日
【發明者】向井靖彥, 森田良文, 鵜飼裕之, 巖崎誠, 和田健 申請人:株式會社電裝, 國立大學法人名古屋工業大學