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基于免疫算法的汽车主动悬架控制技术研究

宋晓琳  
【摘要】: 悬架是汽车的重要总成之一,其功能是缓和路面不平引起的冲击和振动、保持轮胎与路面的附着力,从而改善平顺性和操纵稳定性。被动悬架振动系统的主要参数是弹簧刚度和减振器阻尼系数,它们在设计时是按某种特定工况下其平顺性和操纵稳定性综合性能最优来选取的,一旦选定后通常不能改变。由于其特性参数不能根据使用工况和路面输入的变化来进行控制调整,因而难以满足汽车平顺性和操纵稳定性的更高要求,其性能的进一步提高受到限制。随着电子控制技术的发展,为了克服被动悬架的缺陷,改善汽车悬架的性能,近年来国内外学者深入开展了汽车主动悬架系统及其控制技术的研究。 目前,汽车主动悬架的研究大多基于悬架系统的简化模型,此简化模型虽然能够表达真实悬架的一些基本特性,但未考虑悬架结构的非线性因素的影响,使得用名义参数(即真实系统各零部件的特性参数)表征的简化模型不能很好地等效于真实的悬架系统。同时,由于汽车悬架系统是一个复杂、时变、不确定的非线性系统,很难获得其精确的数学模型,且汽车受到的路面激励也具有随机性。采用基于模型的传统控制(包括经典控制理论和现代控制理论),无论是线性控制还是非线性控制均难以很好地控制汽车主动悬架系统。因此,不需要精确数学模型,决策方式灵活机动,具有较强鲁棒性的智能控制显示出明显的优势,它能实现对复杂不确定系统的控制,非常适用于具有随机扰动和复杂数学模型的汽车悬架系统。目前实现智能控制常用的技术有;模糊逻辑、专家系统、神经网络、遗传算法以及它们的混合技术等,其中神经网络和遗传算法是从人体信息处理系统的脑神经系统和遗传系统发展起来的,其研究及其应用已取得了一定的成效。但其仍有许多不足,如神经网络的连接权值难以确定且易陷入局部最优;遗传算法虽然具有全局搜索能力,但局部搜索能力不是很有效,且在处理复杂、混淆和多任务问题时不够灵活,进化后期收敛速度缓慢,从而影响到控制效果。 免疫系统作为人体信息处理系统的四个子系统之一,具有对抗原的多样性识别能力;具有自我调节功能,能根据抗体间的亲和度调节抗体浓度,避免陷入局部最优解;具有记忆功能,能够在动态环境中维持自身的稳定,是一个非常鲁棒的自适应系统,可以处理各种扰动和不确定性。免疫系统的这些性质为其在汽车主动悬架控制系统中的应用提供了基础。为了进一步提高汽车主动悬架系统的性能,本文基于生物免疫系统的基本特性,将免疫系统与控制系统相结合用于汽车主动悬架控制系统。首先,将免疫算法用做辅助用途,用于汽车悬架系统辅助建模与辅助学习模糊控制器,以获得能较真实反映实际系统的汽车悬架简化模型,解决模糊控制器设计过分依赖专家经验知识,导致设计困难的问题;其次,基于控制的训练和学习,模仿控制器,提出了汽车主动悬架的免疫控制策略;最后,基于ADAMS/View和Hydraulic,建立了汽车主动悬架的液压伺服系统的虚拟实验仿真平台,并利用ADAMS/Control模块的接口实现与Matlab/Simulink的联合仿真,实现了免疫控制策略的虚拟实验验证。 论文主要研究工作和创新点如下; 1.根据汽车主动悬架的研究模型大多基于简化模型,且简化模型的参数是名义参数,未考虑悬架结构型式的非线性特性的情形,提出了汽车悬架系统参数的免疫辨识方法。研究结果表明,免疫辨识方法的辨识精度好于递推最小二乘法,当输入输出信号存在一定能量的干扰时,递推最小二乘法失去了辨识能力,而免疫辨识仍然能得到较好的结果,说明其具有较好的抗干扰能力。 2.提出了汽车主动悬架的免疫控制策略,并分别就三种不同编码(二进制、十进制和DNA编码)方式的免疫控制策略做了对比研究。仿真研究表明,基于十进制编码的汽车主动悬架的免疫控制策略效果最优,但其速度较慢。基于二进制和DNA编码的免疫控制策略其控制速度相差不大,但后者的控制效果明显好于前者。基于DNA编码的免疫控制策略,其控制效果和速度综合指标优于十进制和二进制两种编码的免疫控制策略,为最佳选择。 3.提出了汽车主动悬架的混沌免疫控制策略。结果表明,混沌免疫控制策略的控制平稳性要优于免疫进化控制,即基于十进制的免疫控制策略。 4.针对模糊控制器的设计过分依赖专家经验,导致其设计困难的问题,提出了基于免疫算法的汽车主动悬架模糊控制器的设计方法。仿真研究表明,采用免疫算法优化得到的模糊控制器其控制效果与手动调试的效果相当;抽取多余模糊规则后得到的模糊控制器,其控制效果要优于全规则模糊控制器。该设计方法避免了手动试错调试的繁琐,提高了设计效率,特别是对高维模糊控制器的设计具有一定的实用价值。 5.考虑到免疫控制的实时性和模糊控制输入的单一性,将两者结合,提出了免疫模糊控制策略。研究发现,该控制方法兼有免疫控制和模糊控制的优点,其控制效果优于两者单独控制作用的效果。 6.由于汽车主动悬架的实验研究(无论是简单的模型实验还是复杂的实车试验)都很复杂且需要投入大量资金。同时,在研究过程中,往往需要研究机构、大专院校和一些公司等多家单位的通力合作才能进行。针对这一情况,设计了基于ADAMS/view和Matlab/Simulink的汽车主动悬架的虚拟实验仿真平台,并进行了如下两方面的研究; (1)为了验证设计的汽车主动悬架的虚拟实验仿真平台的有效性,基于ADAMS/Control模块,采用PID控制,假设主动悬架上作用一理想的控制力和液压伺服系统产生的作动力,对汽车主动悬架进行了控制研究。结果表明,两种情形下的汽车主动悬架控制结果具有良好的一致性,说明所设计的含液压伺服系统的汽车主动悬架虚拟实验台是可行的。该虚拟实验方法可以缩短实验周期,减少实验费用,为汽车主动悬架控制算法的研究提供了一种有效的分析手段,能为下一步在真实的主动悬架实验台上实施起到理论指导作用。 (2)利用上述验证了的虚拟实验台,通过其与Matlab的接口实现了免疫进化控制策略的虚拟实验研究。虚拟实验结果表明,采用免疫进化控制控制汽车主动悬架系统,其效果较好。


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