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《长安大学》 2017年
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基于ARC的地形自适应车辆主动悬架控制研究

周辰雨  
【摘要】:传统的被动悬架由于其固有的结构特性使其无法在所有路面工况下都保证良好的减振性能,且需在保证平顺性和操稳性中进行折中,从而直接影响悬架性能。主动悬架通过可以产生主动力的作动器将簧载质量和非簧载质量连接,实现对各种路面工况下车辆平顺性和操稳性的提升,因此成为车辆悬架系统研究的热点。但是,主动悬架作动器研究多是针对活塞两侧面积相同的双出杆液压缸而言,鲜见单出杆活塞缸的建模研究。另外,当系统存在不确定性参数时,多数研究方法也未将不同路面激励下控制器设计进行分别考虑,控制目标无法根据路面情况而调整。因此,本文针对电液主动悬架系统,对其液压系统进行精细化建模,并通过1/4车辆主动悬架试验台进行参数系统辨识。在此基础上,通过滤波技术及Takagi-Sugeno Fuzzy建模方法构建了地形自适应内环控制器,并使用自适应鲁棒控制(ARC)提升主动悬架在系统不确定性下的力跟踪性能。最后,通过1/4车辆主动悬架试验台及快速控制原型(RCP)实时平台,对主动悬架性能进行试验对比验证,研究内容可以概括为:(1)主动悬架伺服阀、单出杆液压缸作动器建模研究。对更具普遍性的单出杆液压缸,对其三种液压缸实现形式,即:液压缸筒固定的液压缸、仅存在液压缸的全主动悬架以及存在弹性、阻尼元件的主动悬架系统进行传递函数求取,得到作动器缸筒固定时的8阶系统模型。针对全主动悬架及包含弹簧和减振器的主动悬架两个10阶系统,得到在无路面干扰输入或无伺服阀电流输入时,由伺服阀电流输入到簧载质量位移输出的液压部分和由路面干扰输入到簧载质量位移输出的干扰部分的传递函数,为之后的系统辨识提供先验知识。(2)主动悬架系统参数辨识研究。分别采用20组阶跃电流数字信号,对液压缸筒固定时的液压缸形式及全主动悬架形式中的液压部分进行传递函数模型参数辨识,并采用正弦信号对全主动悬架干扰部分传递函数模型进行参数辨识。通过对所辨识模型进行仿真,与台架试验结果进行对比,验证辨识结果的准确性。对于全主动悬架干扰部分模型,为避免泄露误差对辨识结果的影响,选取随机输入信号,运用汉宁窗口和DIFF滤波窗口,对其进行FRF频域系统辨识。选用ARX模型、Output-Error模型及Box-Jenkins模型,对干扰部分模型进行时域辨识,从而得到准确的主动悬架系统模型。(3)建立根据路面工况而对控制目标进行调节的地形自适应主动悬架控制方法。针对路面干扰无法直接测量的问题,提出基于极点配置的路面观测器模型。针对最优控制等多数控制器无法根据路面工况对控制目标进行调节的缺陷,研究基于线性滤波技术的反演(Backstepping)控制。由于此控制器无法调节低通带宽,提出滤波参数可调的自适应非线性滤波控制器。为了优化系统鲁棒性,对二自由度和七自由度模型,采用Takagi-Sugeno Fuzzy建模技术,设计主动悬架外环H_∞控制器。通过构建包括控制器稳定性分析、悬架运动空间及力限值问题的线性矩阵不等式组,将控制器的优化问题转换为此线性不等式组的求解问题。结合PDC(并行分配补偿控制)技术,得到根据路面输入调节悬架性能的控制器反馈系数,降低作动器输出力。(4)基于单出杆液压缸,通过对自适应鲁棒控制方法进行研究,提升内环控制力跟踪性能。应用自适应控制和鲁棒控制相结合的方法,通过产生与响应速度相关的自适应控制输出项和与响应精确性相关的鲁棒控制输出项,对系统不确定性参数项进行优化。为了降低系统对未建模部分以及未知参考信号的敏感度,提出在线参数自适应调节的ARC控制器。在考虑自适应参数收敛性的前提下,使用参数辨识器将辨识模块和控制模块分开,形成模块化ARC控制器,确保实际控制力对外环期望力的跟踪性能。(5)建立1/4车辆主动悬架试验台及主动悬架RCP(快速控制原型)实时系统平台,验证主动悬架控制效果及地形自适应控制策略的有效性。对数据采集系统进行选型,确定关键参数。以1/4车辆台架为基础,设计主动悬架PID控制器,实现主动悬架位移控制,并与被动悬架和仿真结果进行对比,验证主动悬架的有效性及模型的准确性。基于dSPACE MicroAutoBox,建立主动悬架RCP实时仿真系统平台,对地形自适应控制算法控制目标转移特性进行试验验证。
【学位授予单位】:长安大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U463.33

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