（信號與信息處理專業(yè)論文）電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)字化控制研究.pdf

摘要 電動液壓助力轉(zhuǎn)向( e h p s ) 系統(tǒng)與傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，具有節(jié)約 能源，使駕駛員獲得良好路感等優(yōu)勢。本課題在理論研究的基礎(chǔ)上，吸取和借 鑒國外研究的一些概念和思想，對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)進行了深入研究和系 統(tǒng)軟件的開發(fā)，最終實現(xiàn)了臺架試驗性能優(yōu)良的數(shù)字化e h p s 系統(tǒng)。 本課題對電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理作了分析，應(yīng)用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行了助力曲線特性仿真。同時針對系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分無刷直流電機 采取了全面優(yōu)良的控制策略，包括轉(zhuǎn)速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)雙閉環(huán)調(diào)速控制，死區(qū)補 償，換相脈動分析等。最后，從智能控制的領(lǐng)域分析了新的控制方法，研究了 應(yīng)用遺傳算法整定p i d 參數(shù)，并在m a t l a b 中對其進行了仿真。 m o t o r o l a 在軟件方面提供了豐富的s d k 庫和功能強大的開發(fā)平臺。在此基 礎(chǔ)上，采用c 語言與匯編語言混合編程的方式完成e h p s 系統(tǒng)的軟件開發(fā)和實 現(xiàn)。由于該控制系統(tǒng)引入了轉(zhuǎn)向盤角速度變量，和車速共同決定了助力的大 小，因此助力在實時跟隨性上有較大的提高。同時，良好的控制算法以及優(yōu)良 的無刷直流電機控制實現(xiàn)了e h p s 系統(tǒng)良好的助力效果。 e h p s 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、處理和監(jiān)測是靠l a b v i e w 與m a t l a b 共同完成 的。分別應(yīng)用m a t l a b 和l a b v i e w 以及共同編程三種方案實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)的采 集和處理。l a b 、啞w 以強大的圖形顯示功能很好的完成了系統(tǒng)監(jiān)測任務(wù)。應(yīng)用 l a b v i e w 采集數(shù)據(jù)提高了對系統(tǒng)監(jiān)測的實時性能，更多的細節(jié)更加準確透徹地 顯示了系統(tǒng)的工作狀態(tài)。 c a n 總線與l i n 總線，m o s t 總線并稱汽車三大總線。c a n 總線具有傳 輸速率快，抗干擾能力強，可靠性極高等優(yōu)點，主要應(yīng)用于汽車內(nèi)的通信網(wǎng) 絡(luò)。本文中將兩塊e c u 通過c a n 總線相連，組成了最小c a n 網(wǎng)絡(luò)并完成了 數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)了c a n 通信。 最后，實驗測試曲線主要由l a b v i e w 完成測繪。實驗結(jié)果驗證了h e p s 系 統(tǒng)理論正確性和實際可行性，并達到了預(yù)計的實驗要求。 關(guān)鍵詞；電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)數(shù)字信號處理器b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 數(shù)據(jù)采集c a n 總線無刷直流電機 a b s t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a lh y d r a u l i c s t e e r i n gs y s t e m ，h a sm o r ea d v a n t a g e s ，s u c ha ss a v i n ge n e r g y , m a k i n gd r i v i n ge 嬲兩 a n ds oo i li ti st h en e c e s s a r ys t e pi nd e v e l o p i n ga u t o m o b i l es t e e r i n gs y s t e m t h e t h e s i s 。o nt h eb a s eo fu s i n ga d v a n c e dt h e o r i e si n t h ef i e l d ，s t u d i 鶴t h e e l e c t r o - h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m , a n dd e v e l o p st h er e l a t i v es o f t w a r e f i n a l l y , m a k i n gt h ee x c e l l e n td i 西t a le h p sc o m et r u e i nt h ep r o j e c t , t h es t r u c t u r ea n dp r i n c i p l eo ft h ee l c e t r o - h y d r a u l i ep o w e r s t e e r i n gs y s t e ma r ea n a l y z e da n db pn e r v en e t w o r ki su s e dt os i m u l a t ei t sc u r v e t h e b r u s h i e s sd cm o t o r , i m p o r t a n tp a r to ft h es v s t e mi sw e l lc o n t r o l l e di n c l u d i n g t w o - e l o s e d 1 0 0 pc o n t r o lm e t h o 正c o m p e n s a t i o nf o rd e a d - t i m ea n da n a l y s i so f f l u c t u a t i o na b o u ts w a p p i n gp h 船囂a tl a s t , t h ep dp a r a m e t e r sw e r oc o n f i r m e db y u s i n gt h em e t h o do f i n t e l l i g e n c ec o n t r o l a _ p p l i e dg e n e t i ca l g o r i t h ma n dt h eg r l r v ei s s i m u l a t e di nm a l l 。a b b a s e do nt h em o t o r o l ap r o v i d e st h es t r o n gd e s i g np l a t f o r ma n ds d k t h ee 腫s s y s t e ms o f t w a r ei sd e v e l o p e d t h ec o n t r o l l i n gs y s t e mu s e st h ep a r e m e t e r so fs t e e r i n g s p e e da n dt h ev c h i c l es p e e d w h i c hh a v et h ec o n n e c t i o no ft h es t e e r i n gp e w e r , s ot h e r e a lt i m ec h a r a c t e ri si m p r o v e d 1 1 塢a d v a n c e da l g o r i t h ma n dt h ee x c e l l e n tm o t o r c o n t r o lc o n t r i b u t et ot h e9 0 0 dp e r f o r m a n c eo ft h ee l i p ss y s t e m t h er e s u l t so ft h e t e s t i n ga v ep r o v et h i sp o i n t t h ed a t aa c q u i s i t i o n , a n a l y s i s a n di n s p e c t i o no f t h ee h p ss y s t e ma r ec o m p l e t e d b yl a b v i e wa n dm a t l a b 1 1 l ea r t i c l ep r o v i d e st h r e em e t h o d si n c l u d i n gm a t l a b l a b v i e wa n dp r o g r a m m i n gt o g e t h e rt oc o l l e c ta n da n a l y z et h et e s t i n gd a t a t h e f u n c t i o no f g r a p hd i s p l a yo f l a b v i e wc 勰i n s p e c tt h es y s t e mp e r f e c t l y t h er e a lt i m e i n s p e c t i o ni si m p r o v e d , a n dm o r ei n f o r m a t i o n , w h i c hd i s p l a y st h es y s t e mw o r k i n g c o n d i t i o n , i sp r o v i d e de x a c t l yb yu s i n gl a b v m w 1 1 l ct l l r e eb u s e so ft h ev e h i e l ea r ec a nb u s u ：nb u sa n dm o s tb u s 1 1 1 e c a nb u sh a sa d v a n t a g e ss u c ha sf a s tt r a n s m i s s i o ns p e e d , g o o da n t i i n t e r f e r e n c e 曲i l i t y , a n dr e l i a b i l i t y , s oi t i so f i e nu s e di nt h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ko ft h e a u t o m o b i l e t h r o u g hc o n n e c t i n gt w oe c u sb yc a nb u s w h i c hi st h es m a l l e s tc n n e t w o r k , a n df i n i s h i n gd a t e st r a n s m i s s i o n , 也ef u n c t i o no f c o m m u n i c a t i o ni sr e a c h e d f i n a l l y , t h et e s t i n ge l i r v ei sd r a wb yl a b v i e w , a n dt h er e s u l t sp r o v et h a tt h e s y s t e mi sa v a i l 曲l e ；a l s o t h ee x p e c t i n gr e q u i r e m e n t sa r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：e h p s d s p d a t a a c q u i s i t i o nc a nb u sb l d c m 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特別加以標注和致謝之處外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表 或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得墨鲞盤莖或其他教育機構(gòu)的學(xué)位或證 書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中 作了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位糍：褫偉 簽字日期：秒- 歹年蝴夕日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解墨鲞盤堂有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定。 特授權(quán)盤生盤堂可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢 索，并采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編以供查閱和借閱。同意學(xué)校 向國家有關(guān)部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤。 ( 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說明) 學(xué)位論文作者躲櫪偉 簽字日期：如形年月習(xí)1 日 名：哥綢瑤， 簽字日期：衣，聲。月夕7 日 第一章緒論 1 1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的發(fā)展 第一章緒論 汽車轉(zhuǎn)向器是汽車主動安全性的重要安全件。2 0 世紀7 0 年代在轎車和輕 型車上開始推廣使用且不斷改進的齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器，至今在國外轎車和輕型 車上仍是應(yīng)用最多的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。到2 0 0 0 年美國轎車全部采用了動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)， 在日本，7 8 的大、中型汽車和5 9 的微、小型轎車都采用了動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和機械式轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前汽車所用的兩種主要的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)向 系統(tǒng)的分類如圖1 - 1 所示。 圖卜1 汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的分類 目前，在汽車上廣泛采用的機械式轉(zhuǎn)向器有循環(huán)球式和齒輪齒條式兩種， 其中循環(huán)球式轉(zhuǎn)向器具有承載能力大，操縱方便，使用壽命長等優(yōu)點，廣泛應(yīng) 用于后輪驅(qū)動的中、重型載貨車上。齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器具有轉(zhuǎn)向輕便，尺寸緊 湊，結(jié)構(gòu)輕巧，效率高等特點但承載能力稍差，適用于前輪驅(qū)動的轎車和后輪 驅(qū)動的輕型車上。在轎車中齒輪齒條式轉(zhuǎn)向器廣泛應(yīng)用于我國中級和經(jīng)濟型轎 車如桑塔納、捷達、富康、賽歐、夏利2 0 0 0 、奇瑞、羚羊、英格爾、北斗星、 賽馬等車型。在這些車型的豪華車上才采用液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是目前國內(nèi)、外轎車中應(yīng)用最普及的轉(zhuǎn)向器，包括我國 引進生產(chǎn)的奧迪a 6 、別克、本田雅格、上海帕薩特、寶來等中、高級轎車上都 采用液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，它屬于第二代轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。 2 0 世紀9 0 年代在日本轎車上率先應(yīng)用電子控制動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，由于能減 輕低速行駛時駕駛員的轉(zhuǎn)向操縱力，提高車輛高速行駛時的穩(wěn)定性，同時又提 高了燃油經(jīng)濟性。與液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)可節(jié)油3 4 第一章緒論 。目前，日本、美國、歐洲等國轎車采用電動動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)逐漸增多。電動 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有電動液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)兩種，屬于第三代 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。上海大眾上市的波羅( p o l o ) 轎車采用了電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。隨 著電子技術(shù)的飛躍發(fā)展，電動動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將不斷改進，應(yīng)用將越來越廣泛， 將部分取代液壓動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)【l 】【2 】。 1 2 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的特點和優(yōu)勢【3 】【4 】 5 】 電動液壓助力轉(zhuǎn)向( e l e c t r oh y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g 即e h p s ) 系統(tǒng)是在液壓 動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。該系統(tǒng)的主要特點是由直流電機帶動電動 泵工作，而不是由發(fā)動機驅(qū)動，可根據(jù)轉(zhuǎn)向需求提供不同的轉(zhuǎn)向力，滿足汽車 對轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求。在發(fā)動機怠速時，電動泵提供較大的流量，而在高速時， 按轉(zhuǎn)向器要求，使其流量有所下降。亦即在低速行駛時，駕駛員需較小的轉(zhuǎn)向 操縱力就能靈活地進行轉(zhuǎn)向，而在高速轉(zhuǎn)向時，使操縱力逐漸增大，優(yōu)化了轉(zhuǎn) 向操縱，提高了駕駛員舒適性和轉(zhuǎn)向靈活性，又克服了轉(zhuǎn)向“發(fā)飄”地感覺， 使駕駛員操縱時有顯著的“路感”，保證在高速行駛時的穩(wěn)定性和安全感。 與傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)有p 幣優(yōu)點： ( 1 )降低了能源消耗。傳統(tǒng)的液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的液壓泵直接由汽車 的發(fā)動機驅(qū)動，油泵必須按發(fā)動機在最低轉(zhuǎn)速運行時能提供最大助 力的泵油流速設(shè)計。換句話說，油泵總是以最大流速工作。因此當 不需要助力或者所需助力較小時，造成了能量和燃料的浪費。而在 e h p s 系統(tǒng)中，油泵從發(fā)動機中解放出來，利用單獨的電機驅(qū)動油 泵。根據(jù)不同的情況，電機在控制單元的作用下可以運行在不同的 工作模式，以控制油泵流速，從而產(chǎn)生相應(yīng)的助力。這種按需提供 助力大大節(jié)省了能量和燃料的消耗。 ( 2 )結(jié)構(gòu)緊湊，占用空間小，便于安裝。e h p s 系統(tǒng)將儲油罐、油泵、 電子控制器( e c u ) 和電機集于一體，采用密封式的包裝，省去了傳 統(tǒng)液壓助力系統(tǒng)中連接到發(fā)動機上的皮帶、滑輪及連接整個系統(tǒng)的 軟管和管道，簡化了結(jié)構(gòu)，縮小了體積，節(jié)省了大量的安裝時間。 ( 3 ) 具有可編程的助力特性。通過靈活的軟件編程，依據(jù)車速可以得 到舒適的轉(zhuǎn)向路感，具有可編程的助力特性。 ( 4 )提高了可控性、可靠性，具有更高的安全性。由于本系統(tǒng)使用由 獨立電源供電的電機來驅(qū)動油泵，使得在車行駛的過程中即使發(fā)生 了發(fā)動機不工作的情況，e h p s 系統(tǒng)依然能夠提供助力，而且旦 2 第一章緒論 電動助力失效，其機械力仍然起作用。 ( 5 )維護方便。e h p s 系統(tǒng)采用密封式的結(jié)構(gòu)，所以除了檢查機械磨損 和是否漏油外，不需要其他方面的維護。使得維護更為方便。 1 3 新一代的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 新一代的電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)與原電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)相比，在很多 方面都有了較大的改進。其中最大的變化就是由無刷直流電機代替有刷電機。 原電動電動泵型液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用的有刷直流電機，雖然以其優(yōu)良的轉(zhuǎn) 矩特性在運動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但機械式電刷和換相器及引起一系 列問題給有刷直流電機的應(yīng)用帶來了許多限制。因此，在新一代的電動液壓助 力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，有刷直流電機被無刷直流電機所取代。無刷直流電機( b l d c m ) 具有梯形波反電勢和方波電流激勵，雖然存在轉(zhuǎn)矩脈動，但其反饋裝置簡單， 功率密度更高，輸出轉(zhuǎn)矩更大，控制結(jié)構(gòu)簡單，可使電動機和逆變器的潛力都 得到充分的發(fā)揮。具體的說，相對其他類型電機，無刷直流電機有很多優(yōu)點： ( 1 )它相對于有刷直流電機來說轉(zhuǎn)子與定子的結(jié)構(gòu)相反，轉(zhuǎn)子為永磁 式，定子為電樞，用半導(dǎo)體開關(guān)換相器代替機械式換相器，故可靠性高， 壽命長，干擾小，噪聲低，散熱性能好； ( 2 ) 它相對于交流電機而言無鼠籠式轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)動慣量小，相同的給定轉(zhuǎn) 矩下，其響應(yīng)性能更加優(yōu)良，其轉(zhuǎn)子采用高磁阻材料，轉(zhuǎn)子損耗大大減 小，而且由于永磁式轉(zhuǎn)子無需額外的勵磁電流，給其供電所需的整流器和 逆變器容量減?。?( 3 )無刷直流電機需要額外的轉(zhuǎn)子位置傳感囂，可采用霍爾傳感器或光 電傳感器等。 無刷直流電機不僅有交流電機的特點，又繼承了直流電動機優(yōu)良的調(diào)速性 能，在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。 1 4 本課題的實際研究意義 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的研究領(lǐng)域涉及傳感器，微電子控制，計算機控 制，電力傳動控制技術(shù)，非線性控制理論，智能控制理論，汽車工程及機械設(shè) 計等，是多學(xué)科技術(shù)的綜合應(yīng)用，真正體現(xiàn)出未來汽車的機電一體化設(shè)計思 想。本課題的控制器核心選用m o t o r o l a 公司的1 6 位d s p ，不但有較強的運算 3 第一章緒論 能力，還集成了專用電機驅(qū)動電路，應(yīng)用于電機的控制?？刂撇呗灾饕捎脗?統(tǒng)的經(jīng)典控制方法以及必要的補償理論。對該系統(tǒng)的控制策略和控制系統(tǒng)進行 了深入、細致的研究，對于拓展電氣傳動技術(shù)的應(yīng)用，推動機械、傳感器技 術(shù)，電子器件制造業(yè)，加快國產(chǎn)汽車的電子化發(fā)展有深遠的意義。本研究設(shè)計 領(lǐng)域廣，應(yīng)用到最新的相關(guān)技術(shù)，與實際生產(chǎn)結(jié)合緊密，國內(nèi)市場潛力巨大。 1 5 本課題的研究方法及任務(wù) 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)在國內(nèi)還是一個新的研究課題，因此在本論文中， 采用理論分析、仿真研究和實驗驗證相結(jié)合的研究方法。采用理論分析所提出 的e h p s 系統(tǒng)工作原理的正確性，再利用仿真研究其可行性，最后通過實驗來 驗證所提理論的方法的有效性。 本論文主要的任務(wù)如下： ( 1 ) 深入研究e h p s 系統(tǒng)的工作原理，從理論上分析系統(tǒng)的正確性并進行 仿真實現(xiàn)。e h p s 系統(tǒng)是一個多學(xué)科交叉的，相對很新的一個課題項目。需要 查閱相關(guān)資料，認真的分析該系統(tǒng)的工作原理、控制原理和關(guān)鍵點，從理論上 證實想法的可實現(xiàn)性。然后應(yīng)用m a t l a b 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱實現(xiàn)對該系統(tǒng)助力 曲線的仿真，肯定系統(tǒng)的可行性。 ( 2 ) 重點研究無刷直流電機的工作原理、控制策略。無刷直流電機是 e h p s 系統(tǒng)中的關(guān)鍵性部件，它運轉(zhuǎn)的質(zhì)量好壞直接影響到e h p s 系統(tǒng)性能的 好壞。因此，需要采用成熟穩(wěn)定的控制理論并對其進行合理的補償，保證運轉(zhuǎn) 的實時性和平穩(wěn)性。本文采用經(jīng)典的雙閉環(huán)p i 控制，進行了死區(qū)補償分析和轉(zhuǎn) 矩脈動分析。雙閉環(huán)控制實現(xiàn)了更好的起動性能、調(diào)速性能和實時性能；死區(qū) 補償解決了波形失真問題；消除轉(zhuǎn)矩脈動提高了無刷直流電機運行的平穩(wěn)性。 最后，研究了智能控制，運用遺傳算法對傳統(tǒng)p i d 控制進行參數(shù)整定，并在 m a t l a b 中仿真實現(xiàn)。 ( 3 ) 深入學(xué)習(xí)m o t o r o l a5 6 f 8 0 x 系列d s p 編程，完成系統(tǒng)軟件部分的開發(fā) 和設(shè)計。m o t o r o l a 提供了豐富的s d k 庫和友好的開發(fā)環(huán)境，使整個編程過程簡 單清晰明了，程序可移植性強，調(diào)試方便。整個軟件程序采用了模塊化設(shè)計的 思想，利用c 語言和匯編語言混合編程的方式完成對整個控制源程序的實現(xiàn)。 ( 4 ) 應(yīng)用l a b v i e w 及m a t l a b 實現(xiàn)上位機與該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，實現(xiàn)實 時數(shù)據(jù)的采集和分析。獲得系統(tǒng)工作狀態(tài)數(shù)據(jù)是必不可少的，數(shù)據(jù)反映了系統(tǒng) 工作的質(zhì)量性能。這部分主要利用m a t l a b 和l a b v i e w 兩個強大軟件共同實 現(xiàn)上位機對該系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)的采集和分析，并通過實時波形圖和x _ y 圖直觀地 4 第一章緒論 顯示變量的情況以及變量間的變化關(guān)系。 ( 5 ) 深入研究c a n 總線通信協(xié)議，應(yīng)用c a n 總線實現(xiàn)d s p 與d s p 間的 數(shù)據(jù)交換，完成c a n 網(wǎng)絡(luò)通信。c a n 總線是汽車內(nèi)三大總線即c a n 總線、 l i n 總線和m o s t 總線之一。它具有傳輸速度快，抗干擾能力強，可靠性極 高，靈活性實時性好等優(yōu)點。正因為c a n 通信與傳統(tǒng)的通信方式相比有著不可 比擬的優(yōu)勢，所以在今天c a n 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不僅僅應(yīng)用于汽車上，而且在其他各行 業(yè)中的應(yīng)用也越來越廣。 ( 6 ) 完成機械部分與e c u 的連接，在實驗臺架上完成對e h p s 系統(tǒng)的測試 曲線，驗證理論的正確性和設(shè)計的可行性。整個控制器與機械部分連接構(gòu)成完 整的e h p s 系統(tǒng)。在試驗中我們測試了無刷直流電機的性能以及該系統(tǒng)的工作 性能。從試驗結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)不僅可行，而且還較傳統(tǒng)液壓助力轉(zhuǎn)向系 統(tǒng)有較多的優(yōu)點，具有很好的發(fā)展前景。 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 一般來說，在汽車泊車或低速行駛時轉(zhuǎn)向所需的操縱力比較大，在轉(zhuǎn)角較大 時也需要助力作用；而在高速行駛時轉(zhuǎn)向較輕便，但又需要良好的手感。目前， 許多汽車使用助力轉(zhuǎn)向解決轉(zhuǎn)向輕便性與轉(zhuǎn)向靈活性的問題。普通助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng) 的特性與行駛車速無關(guān)，不能同時兼顧泊車( 或低速) 和高速時對轉(zhuǎn)向特性的要 求。為了實現(xiàn)在各種工況下轉(zhuǎn)向盤上所需要的操縱力都是最佳值，越來越多的汽 車在助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中采用了電控技術(shù)，使汽車轉(zhuǎn)向性能達到了令人滿意的程度。 本章主要介紹電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)( e h p s ) 的結(jié)構(gòu)組成、工作原理及控制原 理，同時應(yīng)用b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真該系統(tǒng)的助力特性曲線，實現(xiàn)了根據(jù)汽車車速和 轉(zhuǎn)向盤角速度，應(yīng)用電子控制技術(shù)控制獨立的無刷電機來提供合適的助力，提高 了汽車的操控性能”。 2 1e h p s 系統(tǒng)介紹 2 1 1e h p s 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成8 3 e h p s 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2 - 1 所示。 圖2 - 1電控液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圈 電動液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)將無刷直流電機、液壓儲油罐、齒輪泵、電子控制單 6 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 元與蓄電池等集成在一起，可以靈活的安裝在汽車的任何位置上。其中，無刷直 流電機利用半導(dǎo)體元件來代替有刷電機中機械式換向器來調(diào)整電流的方向，解決 了由于電刷磨損而引起的電機耐久性和可靠性問題，提高了該系統(tǒng)的實用性，延 長了其使用周期。同時在泵和發(fā)動機之間安裝控制器，可利用泵體內(nèi)油的冷卻效 果，減少控制器和電機等不同電子元件的熱能。此外，系統(tǒng)中所用齒輪泵為外嚙 合齒輪泵，這種泵結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，造價低，工作可靠，較葉輪泵容積效率和 機械效率都要高。 2 1 2e h p s 系統(tǒng)的工作原理9 3 1 0 1 e h p s 系統(tǒng)工作原理如圖2 - 2 所示。 圖2 - 2e h p s 系統(tǒng)工作原理圖 該系統(tǒng)的工作原理如下：控制器根據(jù)車速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器所獲得 的車速信號和轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角信號，確定汽車的轉(zhuǎn)向狀態(tài)，經(jīng)計算后決定提供助力的 大小的方向并向電機驅(qū)動單元發(fā)出指令，使驅(qū)動單元按一定的占空比導(dǎo)通，從而 使電機按轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)動的速度和方向達到目標轉(zhuǎn)速值，然后電機驅(qū)動齒輪泵向轉(zhuǎn)向 動力缸中提供高壓油，從而實現(xiàn)助力效果。 轉(zhuǎn)向助力的大小取決于作用在轉(zhuǎn)向動力缸活塞上的壓力大小，如果轉(zhuǎn)向操作 力較大，高壓油的壓力就會較高。轉(zhuǎn)向動力缸中高壓油的壓力變化是由轉(zhuǎn)向控制 閥來調(diào)節(jié)的。轉(zhuǎn)向油泵將液壓油輸送至轉(zhuǎn)向控制閥，如果轉(zhuǎn)向控制閥處于中間位 置，所有的液壓油便會流過轉(zhuǎn)向控制閥，進入出油口，流回至儲油罐。由于這時 幾乎不能產(chǎn)生壓力，轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩端的壓力又相等，活塞便不會朝任何一個 方向運動，車輛表現(xiàn)為無轉(zhuǎn)向狀態(tài)。當駕駛員控制轉(zhuǎn)向盤朝任何一個方向轉(zhuǎn)動時， 轉(zhuǎn)向控制閥也隨之移動，從而關(guān)閉其中一條油路。這時另一條油路打開得大些， 7 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 使液壓油流量發(fā)生變化，同時產(chǎn)生壓力。這樣，便會在轉(zhuǎn)向動力缸活塞兩端產(chǎn)生 壓力差，動力缸活塞朝低壓方向運動，從而將動力缸中的液壓油，通過轉(zhuǎn)向控制 閥壓回轉(zhuǎn)向油泵。液壓助力工作情況如圖2 - 3 所示。 圖2 3 液壓助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)工作示意圖 2 1 3e h p s 系統(tǒng)的控制原理 轉(zhuǎn)角傳 備 車遺 傳矗器 e c u 計算轉(zhuǎn) 向盤角 遺 計算電 機目標 v r 1 t 實際轉(zhuǎn) 蔗計算 t a i t 環(huán) n 控倒 圖2 4e h p s 系統(tǒng)控制流程圖 周期計 算 電流環(huán) p i 控翻 電藏傳 蓐暑 霍爾傳 蓐囂 工 無捌直 藐電機 藏壓 油泵 e h p s 系統(tǒng)控制過程如圖2 4 所示。為了獲得最佳的轉(zhuǎn)向效果，無刷電機的 目標轉(zhuǎn)速由車速和轉(zhuǎn)向盤角速度共同決定。轉(zhuǎn)向盤角速度通過轉(zhuǎn)角傳感器獲得的 角度計算得出。為了使電機目標轉(zhuǎn)速值與控制器運算后確定的轉(zhuǎn)速值相匹配，采 用轉(zhuǎn)速環(huán)與電流環(huán)雙閉環(huán)控制。通過電機中裝有的霍爾傳感器測算出電機旋轉(zhuǎn)周 期，進而得到電機實際轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速值反饋給控制系統(tǒng)，與電機目標轉(zhuǎn)速一起 送入轉(zhuǎn)速閉環(huán)進行調(diào)節(jié)，然后將轉(zhuǎn)速環(huán)輸出作為電流環(huán)的輸入，與電流傳感器采 集到的實際電流一并送入電流環(huán)調(diào)節(jié)，最后由電流環(huán)輸出驅(qū)動電機驅(qū)動電路，控 制無刷電機運轉(zhuǎn)以帶動液壓油泵運轉(zhuǎn)，向轉(zhuǎn)向器中注入高壓油，實現(xiàn)助力。 r-l1-lrllj 廣；i_l；l_i。 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 2 2e h p s 系統(tǒng)助力特性分析1 2 】【1 3 】【1 4 】 汽車行駛過程中，轉(zhuǎn)向阻力是隨車速的增加而減小的。低速的時候轉(zhuǎn)向阻力 大，需要提供較大的助力幫助駕駛員轉(zhuǎn)向；高速的時候轉(zhuǎn)向阻力小，此時只需要 很小的助力或者不需要助力，以保證駕駛員良好的“路感”。同時，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)向盤 的快慢也成為影響助力的主要因素。因此，為了獲得良好的轉(zhuǎn)向操作性能，需要 根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向盤角速度來調(diào)節(jié)助力性能。 由e h _ p s 系統(tǒng)的工作原理可知，轉(zhuǎn)向助力是通過無刷電機帶動的液壓油泵向 轉(zhuǎn)向器中注入高壓油實現(xiàn)的，電機轉(zhuǎn)速越高，注入的高壓油量越大，助力就越大。 因此助力性能是通過無刷電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的。而電機的目標轉(zhuǎn)速又是根據(jù)車速 及轉(zhuǎn)向盤角速度決定的。因此e h p $ 系統(tǒng)助力調(diào)節(jié)的重點是如何根據(jù)車速和轉(zhuǎn)向 盤角速度調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。 汽車的操縱穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要，因此，助力特性曲線必須具備如下特 點： ( 1 )隨著車速不同，電機的怠速也不同。車速越低，電機怠速越高，提 供的轉(zhuǎn)向助力就越大，提高轉(zhuǎn)向輕便性；車速越高，電機怠速越小，提供很 小的助力或者不提供助力，保證高速良好“路感”及安全性。 ( 2 ) 同一車速下，轉(zhuǎn)向盤角速度不同，電機的轉(zhuǎn)速也不同。轉(zhuǎn)向盤角速 度越大，提供的助力越大；轉(zhuǎn)向盤角速度越小，提供的助力越小。這樣保證 良好的操縱性能。 ( 3 )不同的車速下，助力電機提供不同的助力比例系數(shù)。高車速下，轉(zhuǎn) 向助力系數(shù)要小，提高轉(zhuǎn)向的穩(wěn)定性。 ( 4 )在轉(zhuǎn)向盤扭矩很小時有助力死區(qū)。很小的轉(zhuǎn)動扭矩不提供助力或提 供很小的恒定助力，保證在行車過程中的安全性。 ( 5 )具有轉(zhuǎn)向助力飽和區(qū)，限制最大助力，保證電機高速運轉(zhuǎn)安全性。 2 2 1 根據(jù)車速調(diào)節(jié)電機怠速 由車速礦與轉(zhuǎn)向阻力的關(guān)系可知，車速礦比較高時，需要提供的助力比較小， 電機轉(zhuǎn)速應(yīng)該比較低；車速礦比較低時，需要提供的助力比較大，電機轉(zhuǎn)速 應(yīng)該比較高。根據(jù)上面的分析，電機轉(zhuǎn)速與車速礦的關(guān)系曲線可以設(shè)計如圖 2 5 所示，其中一個車速y 對應(yīng)一個電機轉(zhuǎn)速。 9 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 公式表達如( 2 1 ) ： n 二 吒巧v 圖2 - 5n 與礦關(guān)系曲線 fj r , = t f , ( d 【岫 ( o v 巧) ( 2 - 1 ) 其中，l 為電機的最高轉(zhuǎn)速，i 。為電機的最低轉(zhuǎn)速，對于不同類型的車 輛，它們的取值也不同。z ( 功是隨y 增大而減小的函數(shù)，可以設(shè)計成線性或者 非線性，這里設(shè)計為簡化模型，描述為折線性。在車速較低段，轉(zhuǎn)向摩擦阻力較 大，電機轉(zhuǎn)速較高且近似不變，轉(zhuǎn)向時提供的轉(zhuǎn)向助力較大；隨著汽車車速越過 較低段，電機轉(zhuǎn)速開始降低，使泵的流量減小，相應(yīng)地在轉(zhuǎn)向時提供的轉(zhuǎn)向助力 就減??；當車速達到某一高速值，電機轉(zhuǎn)速達到最低，此時提供的助力較小。此 算法的目的是在汽車車速較低時，提供較大助力，滿足轉(zhuǎn)向輕便；隨著車速的不 斷提高，轉(zhuǎn)向助力不斷減小，防止了高速時轉(zhuǎn)向盤“發(fā)飄”，增強了高速“行車 路感”。 2 2 2 根據(jù)轉(zhuǎn)向盤角速度調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速 同一車速下轉(zhuǎn)向時，電機轉(zhuǎn)速會在某一轉(zhuǎn)速基礎(chǔ)上隨著轉(zhuǎn)向盤角速度增大而 增加。轉(zhuǎn)向盤的角速度越大，電機的轉(zhuǎn)速越高，提供的轉(zhuǎn)向助力就越大，既滿足 了快速轉(zhuǎn)向時系統(tǒng)助力的要求，又滿足了快速轉(zhuǎn)向助力跟隨性。根據(jù)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的 要求及電機助力特點，該對應(yīng)關(guān)系曲線如圖2 6 所示： 1 0 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 m 。 腳0 田l m 圖2 - 6n 與m 關(guān)系曲線 依據(jù)轉(zhuǎn)向盤角速度大小分為三段：角速度低速段、角速度中速段、角速度高 速段。在角速度低速段，電機轉(zhuǎn)速基本保持不變，此時電機怠速足以提供轉(zhuǎn)向助 力；在角速度中速段，為了提高助力跟隨性及提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)向助力，此時電機轉(zhuǎn) 速隨角速度的增長快速增加；在角速度高速段，電機轉(zhuǎn)速已基本達到該車速下的 最大轉(zhuǎn)速，電機轉(zhuǎn)速基本保持不變，既可提供轉(zhuǎn)向助力，又能保證該車速下提供 較好的“轉(zhuǎn)向路感”。該關(guān)系曲線可由式( 2 - 2 ) 來描述。 f o = 五( ) 【 ( 0 g o q ) 其中n o 是電機怠速，不同車速時電機怠速值不同，怠速是指某一車速下不 需要轉(zhuǎn)向助力時的電機轉(zhuǎn)速；一是電機所能達到的最大轉(zhuǎn)速；a ( g o ) 是隨緲成 正向變化的函數(shù)，可以設(shè)計成線性或者非線性兩種。 2 2 3 車速y 、轉(zhuǎn)向盤角速度m 和電機轉(zhuǎn)速關(guān)系 由式( 2 - 1 ) 、( 2 - 2 ) 可得電機轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)向盤角速度和車速變化的示意曲線 如圖2 - 7 所示： m 圖2 7v ，和關(guān)系曲線 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 不同車速，電機怠速和曲線變化不盡相同。圖中三條曲線從左到右依次對應(yīng) 低速璣、中速碥和高速n 。低車速時，電機怠速較高，助力系數(shù)即曲線上升斜 率較大，助力增長快，保證了低車速下轉(zhuǎn)向的輕便性；高車速時，電機怠速較低， 助力系數(shù)較小，助力增長慢，保證了高車速下轉(zhuǎn)向的安全性。隨著角速度的增大， 電機轉(zhuǎn)速變高，提供的助力變大。在很小角速度的范圍內(nèi)，電機轉(zhuǎn)速維持在怠速， 助力為很小的恒定值；角速度達到一定值后，助力大小隨角速度增大而增大；在 助力大到一定值時電機達到最大轉(zhuǎn)速，助力保持不變。該圖清晰的顯示了v 、國 和三者的關(guān)系，達到了助力特性曲線的要求。但該圖只針對有限個車速下的 國一n 曲線，而實際車速是連續(xù)的，因此依靠有限個車速下的助力曲線無法滿足 全車速下的助力特性，其他車速下的助力盲區(qū)和控制誤差必然會影響轉(zhuǎn)向操作時 的舒適性和安全性。因此，需要通過離散車速下的助力特性擬合出全車速范圍下 的助力特性，實現(xiàn)更好的助力效果。 2 3 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的助力特性仿真 圖2 7 顯示了不同特定車速下，轉(zhuǎn)向盤角速度與電機轉(zhuǎn)速的關(guān)系。車速是連 續(xù)的變量，只通過特定車速的離散助力曲線無法實現(xiàn)全車速下的良好助力特性。 為了消除其他車速下的助力盲區(qū)和控制誤差，需要獲得連續(xù)車速下的助力特性曲 線。實際上，車速、轉(zhuǎn)向盤角速度和電機轉(zhuǎn)速實際上是這樣一種函數(shù)關(guān)系： n = f ( v ，c o ) 。從數(shù)學(xué)上分析，此函數(shù)在坐標系中是連續(xù)的曲面。通過特定、有 限的數(shù)據(jù)得到這樣一種復(fù)雜的解析式關(guān)系無疑是非常困難的。而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢 就是很強的曲線擬合能力。通過對離散樣點的訓(xùn)練擬合，獲得期望的連續(xù)曲面， 實現(xiàn)全車速范圍的助力特性曲線。這里采用m a t l a b 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱對 n = 廠( l c o ) 進行了仿真“。 2 3 1b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 反向傳播網(wǎng)絡(luò)( b a c k - p r o p a g a t i o n n e t w o r k ，簡稱b p 網(wǎng)絡(luò)) 是對非線性可微 分函數(shù)進行權(quán)值訓(xùn)練的多層前向網(wǎng)絡(luò)。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的實際運用中，8 0 9 0 的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是采用b p 網(wǎng)絡(luò)或它的變化形式，可以說，b p 網(wǎng)絡(luò)是人 工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中前向網(wǎng)絡(luò)的核心內(nèi)容，體現(xiàn)了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最精華的部分。它主要 用于以下幾個方面： ( 1 ) 函數(shù)逼近：用輸入矢量和相應(yīng)的輸出矢量訓(xùn)練一個網(wǎng)絡(luò)逼近一個函數(shù)； 1 2 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 ( 2 ) 模式識別：用一個特定的輸出矢量將它與輸入矢量聯(lián)系起來； ( 3 ) 分類：把輸入矢量以所定義的合適方式進行分類； ( 4 ) 數(shù)據(jù)壓縮：減少輸出矢量維數(shù)以便于傳輸或存儲。 2 3 1 1 陰神經(jīng)元結(jié)構(gòu) 一個具有r 個輸入的b p 神經(jīng)元模型如圖2 8 所示。其中每個輸入與對應(yīng)權(quán) 值w 的乘積之和與閾值一起作為傳遞函數(shù)f 的輸入。在b p 神經(jīng)元中，可以使用 任何可微的函數(shù)作為它的傳遞函數(shù)。 p 1 p 2 ： p r 1 圖2 - 8b p 神經(jīng)元模型 在b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用對數(shù)s 形函數(shù)、正切s 形函數(shù)和線性函數(shù)作為神 經(jīng)元的傳遞函數(shù)，它們的形狀分別如圖2 - 9 所示。 廠 。 o l a = l o g s i g ( n ) 對數(shù)s 型函數(shù) 廠 夕。 o 4 ? ? - l a = t a n s i g ( 玎)a = p u r e l i n ( n ) 正切s 型函數(shù)線性函數(shù) 圖2 - 9 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù) 對數(shù)s 形函數(shù)產(chǎn)生0 到1 之間的輸出，而正切s 形函數(shù)產(chǎn)生一l 到1 之間的 輸出。對b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，采用不同的傳遞函數(shù)將得到不同范圍的輸出，如果 采用線性函數(shù)就可以得到任意大小的輸出值。對于b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說，傳遞函數(shù) 的可微性尤其重要，因為在b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練算法中要求傳遞函數(shù)必須可微。 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 2 3 1 2 印神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu) b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有兩層及以上的結(jié)構(gòu)，除了輸入層和輸 出層，它們中間的部分稱為隱含層。這些隱含層經(jīng)常使用s 形神經(jīng)元，輸出層則 使用線性神經(jīng)元。隱含層的s 形傳遞函數(shù)所劃分的區(qū)域是一個非線性的超平面組 成的區(qū)域。它是比較柔和、光滑的任意界面，因而它的分類比線性劃分精確、合 理，這種網(wǎng)絡(luò)的容錯性較好。這樣的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)W習(xí)輸入和輸出之間的非 線性關(guān)系，而且線性的輸出層保證了網(wǎng)絡(luò)的輸出具有0 到1 或一l 到1 之外的范 圍。圖2 1 0 顯示了一個雙層的b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。 24 l4 a ，- - t a n s i g ( 嘶1 加d 3 13 a 用r t w e j h l ( w 2 a a l + b 2 ) 圖2 - 1 0 雙層b p 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 其中，p 為輸入矩陣兩輸入矩陣，礦l ，1 ，形- 分別為輸入層到隱含層，隱含 層到輸出層的權(quán)值矩陣，6 t ，加分別為隱含層和輸出層的閾值矩陣，a t ，4 。分 別為隱含層和輸出層輸出矩陣。 2 3 1 3b p 算法 b p 網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)生歸功于b p 算法的獲得。b p 算法屬于j 算法，是一種監(jiān)督式 的學(xué)習(xí)算法。其主要思想為：對于q 個輸入學(xué)習(xí)樣本：p ，n ，只，已知 與其對應(yīng)的輸出樣本為：n ，?。?，乃。學(xué)習(xí)的目的式用網(wǎng)絡(luò)的實際輸出a ， 彳2 ，山與目標矢量n ，丁2 ，乃之間的誤差來修改其權(quán)值，使以( n = l ，2 ，4 ) 與期望的l 盡可能的接近，即：使網(wǎng)絡(luò)輸出層的誤差平方和達 到最小。它使通過連續(xù)不斷地在相對于誤差函數(shù)斜率下降的方向上計算網(wǎng)絡(luò)權(quán)值 和偏差的變化而逐漸逼近目標的。每一次權(quán)值和偏差的變化都與網(wǎng)絡(luò)誤差的影響 成正比，并以反向傳播的方式傳遞到每一層的。 b p 算法是由兩部分組成：信息的正向傳遞與誤差的反向傳播。在正向傳播 過程中，輸入信息從輸入經(jīng)隱含層逐層計算傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的輸出作 用于下一層神經(jīng)元的輸入。如果在輸出層沒有得到期望的輸出，則計算輸出層的 誤差變化值，然后轉(zhuǎn)向反向傳播，通過網(wǎng)絡(luò)將誤差信號沿原來的連接通路反傳回 來修改各層神經(jīng)元的權(quán)值直到達到期望目標。為明確起見，以兩層網(wǎng)絡(luò)為例進行 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 b p 算法推導(dǎo)，如圖2 - 1 1 所示。 b l i k = 1 2 ，s 2 ： i = i 2 s 1 ：j = 1 2 r 圖2 1 l 具有一個隱含層的網(wǎng)絡(luò)簡化圖 a 2 k 其中，輸入層有，個神經(jīng)元，隱含層內(nèi)有s 1 個神經(jīng)元，輸出層內(nèi)有j 2 個神 經(jīng)元。p 為輸入，w l # 、w 2 # 分別為輸入層到隱含層、隱含層到輸出層權(quán)值。6 1 一、 b 2 k 分別為隱含層和輸出層的閾值。a l l 、a 2 k 分別為隱含層輸出和輸出層輸出。 這里，廠1 為隱含層激活函數(shù)，2 為輸出層激活函數(shù)，目標矢量為t t 。 1 ) 信息的正向傳遞 ( 1 ) 隱含層中第i 個神經(jīng)元輸出為 a l ，= ，1 ( w l f p j + 6 l ) ，i = 1 2 ，s l ( 2 3 ) j = 1 ( 2 ) 輸出層第k 個神經(jīng)元的輸出為 ( 3 ) 定義誤差函數(shù)為 a l a 2 k = 廠2 ( w 2 目a l ，+ b 2 i ) ，k = l ，2 ，立 ( 2 4 ) ，t 1 1j 2 e ( w ，功= 去( 氣- a 2 1 ) 2 ( 2 5 ) 二 ，1 2 ) 利用梯度下降法求權(quán)值變化及誤差的反向傳播 ( 1 ) 輸出層的權(quán)值變化 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 對從第i 個輸入到第k 個輸出的權(quán)值有： 其中： 同理可得： 伽“= 叩蓋= 唧蓋甏 浯。， = ，7 以一a 2 i ) f 2 t a l i = ，7 毛a l f 磊2 f 2 ( t k - a 2 k ) f 2 2 ，2 ( 2 7 ) e k = t k a 2 i a b 2 t a = 叫器= 1 蓋。甏吲氣- a 2 k h 2 ，= ，7 ，s ， ( 2 ) 隱含層權(quán)值變化 對從第_ ，個輸入到第i 個輸出的權(quán)值，有： 其中： 同理可得： ， 一。翹一。a e a 口2 i g a l 。 岫叫瓦叫瓦麗菰 ：玎蘭( 氣一口2 。) f 2 ，w 2 自f l ，乃( 2 - 9 ) - - r 6 u pj j 2 磊= e l 門，白= 死w 2 h ( 2 1 0 ) k - i 峨t = ，) 6 4 ( 2 - 1 1 ) 3 ) 誤差反向傳播的流程圖與圖形解釋 誤差反向傳播過程實際上是通過計算輸出層的誤差略，然后將其與輸出層激 活函數(shù)的一階倒數(shù)廠2 相乘來求得。由于隱含層中沒有直接給出目標矢量，所 1 6 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 以利用輸出層的磊進行誤差反向傳遞來求出隱含層權(quán)值的變化量a w 2 。然后計 s 2 算q = 屯w 2 。，并同樣通過將弓與該層激活函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)廠l 相乘，而求 k = l 得國，以此求出前層權(quán)值的變化量們f 如果前面還有隱含層，沿用上述同樣 的方法依此類推，一直將輸出誤差e i 一層一層的反推算到第一層為止。如圖2 1 2 所示。 k = 1 2 ，s 2 ：i = l ，2 s 1 ；j = 1 2 ，r 圖2 - 1 2 誤差反向傳播法的圖形解釋 e j e 2 e k 其中，p ，為輸入，坳、 k 分別為輸入層到隱含層和隱含層到輸出層的權(quán)值。 磊、見式( 2 7 ) 和式( 2 1 0 ) ，島，幺分別為隱含層誤差和輸出層誤差。 2 3 2 實現(xiàn)助力曲線的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計1 叼 由n = f ( v ，) 函數(shù)關(guān)系可知，需要建立一個兩輸入一輸出的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。兩 個輸入為車速礦和轉(zhuǎn)向盤角速度國，輸出為電機轉(zhuǎn)速。下面分析如何建立這 一網(wǎng)絡(luò)。 2 3 2 1 網(wǎng)絡(luò)的隱含層設(shè)定 理論上已經(jīng)證明：具有偏差和至少一個s 型隱含層加上一個線性輸出層網(wǎng)絡(luò) 能夠逼近任何有理函數(shù)。兩層及兩層以上的隱含層可以進一步降低誤差，提高精 度，但會使網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化，增加了網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的訓(xùn)練時間。而誤差精度的提高也可以 通過增加隱含層中的神經(jīng)元數(shù)目獲得，其訓(xùn)練效果也比增加層數(shù)更容易觀察和調(diào) 整。在本仿真中，該網(wǎng)絡(luò)選取一層隱含層，采用正切s 型神經(jīng)元。正切s 形函數(shù) 產(chǎn)生( - l ，1 ) 之間的輸出，與對數(shù)s 形函數(shù)只產(chǎn)生( o ，1 ) 的輸出相比，隱含 層的輸出有更寬的值域，對權(quán)值、閾值的反向誤差修正也更加靈活。隱含層到底 采用多少個神經(jīng)元，根據(jù)不同的神經(jīng)元進行訓(xùn)練對比而定。 第二章e h p s 系統(tǒng)及助力特性研究 2 3 2 2 初始權(quán)值和閾值的選取 由于系統(tǒng)是非線性的，初始值對于學(xué)習(xí)是否達到局部最小、是否能夠收斂 以及訓(xùn)練時間長短的關(guān)系很大。如果初始值太大，使