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半挂汽车列车动态特性分析与鲁棒控制

常胜  
【摘要】:随我国物流需求不断扩大,以半挂汽车列车为主要车型的商用汽车在公路大型货运中占主导地位且使用率持续增加,这种趋势必然会对半挂汽车列车的系统性能提出更高要求。超限超载、标准化不统一、半挂车与牵引车系统匹配不合理、货运水平低等诸多问题尚未完全解决,加之半挂汽车列车自身性能水平不高等客观因素的存在,使得半挂汽车列车在高速转弯、弯道制动、紧急避障和突受干扰等工况下的行驶安全性问题增多。因此,深入研究半挂汽车列车系统动力学,掌握其运动特性,分析主要参数变化对车辆系统性能产生的影响;在多变工况和复杂恶劣行驶条件下,对半挂汽车列车进行有效的操控以提高车辆行驶主动安全性等,已经成为半挂汽车列车操纵稳定性研究领域重要的课题。 本文基于车辆系统动力学,运用计算机仿真技术分析了半挂汽车列车的运动学特性。采用参数化定量分析方法研究了鞍座结构参数的匹配及其对半挂汽车列车操稳性能的影响问题。主要针对半挂汽车列车行驶的侧向稳定性能及其鲁棒控制策略展开研究,为探索半挂汽车列车沿预定路线行驶的跟踪控制问题提供新的手段和方法。具体研究内容如下: 1.综合运用车辆系统动力学理论,分别建立以车辆参考坐标系和地面参考坐标系为基准坐标系的多自由度半挂汽车列车数学模型。考虑半挂汽车列车的侧倾稳定要求,建模中保留车身侧倾自由度,用固定于车辆自身的坐标系来描述车辆的运动,建立了六自由度简化模型;车辆在不偏出道路范围做直线运动或近似直线运动时,用地面参考坐标系来描述较为方便,故以地面固定坐标系为参考建立半挂汽车列车运动模型,利于直观分析车辆侧向位移响应特性,也为干扰作用下的鲁棒控制器设计提供模型基础。 2.对模型做参数化定量分析,研究鞍座参数对半挂汽车列车操纵稳定性能的影响,为鞍座参数匹配、优化提供一定的参考。分析表明,在一般行驶工况下,鞍座参数对半挂汽车列车行驶性能影响不敏感,对其精度要求不必过高,故将鞍座以相互作用力的形式在方程组中进行简化表达,即能满足建模要求。通过对半挂汽车列车的动态特性时域响应仿真分析,获得了半挂汽车列车侧向位移动态响应开环不稳的特性,为半挂汽车列车鲁棒控制器设计提供了先期条件。 3.半挂汽车列车行驶时,易受干扰因素影响,系统具有一定的不确定性,H∞回路成形鲁棒控制方法处理这类问题简单有效,可保证车辆系统具有很强的鲁棒性,提高半挂汽车列车行驶时的主动安全能力。研究中针对鲁棒控制的广义模型描述形式,分析了不确定性系统的鲁棒控制问题。利用正规化互质因子分解,小增益定理等理论方法,分析系统鲁棒稳定性,给出H∞鲁棒控制器的设计要求。研究H∞回路成形鲁棒控制策略,设计了H∞回路成形鲁棒控制器,并通过简单实例分析,初步验证了应用此法设计的鲁棒控制器,鲁棒性能良好,闭环系统具有较好的鲁棒稳定性。 4.研究半挂汽车列车沿预定路线行驶的跟踪控制问题,详细给出基于H∞回路成形的半挂汽车列车路线跟踪鲁棒控制器的设计过程。以半挂汽车列车动力学广义模型为基础,选取前方预视点处侧向偏移量为受控对象,获得其传递函数,求出奇异值曲线。调整前、后加权函数,设计出与高阶模型对应的高阶控制器。通过对比各降阶方法误差界的数值,采用正规互质因式平衡模型降阶方法对高阶控制器进行降阶,使控制器阶次即不至于过低,同时计算量又小、便于实现,控制器最终性能损失保持在允许的范围内。针对半挂汽车列车复杂行驶工况,设计出模拟行驶路线,利用控制器对半挂汽车列车路线跟踪能力进行控制,控制器能使偏离的车辆回到行驶轨道上,车辆系统具有较好的鲁棒稳定性。分析车速、预视距离、干扰输入等条件的变化对控制结果产生的影响,对是否需要重新进行回路成形给出判断。 5.通过对比开环特性曲线、单位反馈控制曲线和H∞回路成形鲁棒控制曲线,对半挂汽车列车动态特性的控制结果进行了分析,验证出H∞回路成形鲁棒控制器对于本身开环稳定的系统也具有较好的控制效果。 本文研究将H∞回路成形鲁棒控制方法应用于半挂汽车列车的路线跟踪控制,是鲁棒控制技术在汽车电子控制领域应用研究的进一步拓展。通过计算机仿真验证,结果表明控制方法实用有效,这对该控制技术的推广应用具有极其重要的意义,为实际工程应用提供可行性参考。


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