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汽车主动悬架系统的无模型控制研究

张云霁  
【摘要】:汽车早已成为人们生活中必不可少的出行工具,汽车工业也已经有上百年的历史。在汽车的行驶速度和易操作性不断提高的同时,人们对于车辆乘坐的舒适性的要求也越来越高。汽车悬架作为隔离路面输入,为车辆减震的重要环节,越来越受到汽车工业的重视。汽车悬架也从早期的简单的被动悬架,发展到可以调节弹簧阻尼器参数的半主动悬架,到现在的含有有源发力装置的主动悬架。汽车悬架的结构也越来越复杂,所受到的外部扰动也越来越多,按照传统的控制器设计思路,给被控悬架系统建立精确的数学模型,也变十分困难。为了解决汽车主动悬架控制器设计过程中遇到的困难,本文提出了无模型主动悬架控制器的设计思想,即只需要较少的悬架信息,就能设计出合理、有效的主动悬架控制器,并保证悬架系统的鲁棒性。本文提出的无模型主动悬架控制包括:无模型渐进稳定控制和无模型有限时间稳定控制。无模型渐进稳定控制方法,应用扩张状态观测器(ESO)来估计悬架系统中的不确定因素和未知外部扰动,并观测和补偿这些系统中的非线性因素。通过线性反馈的方法来减小悬架的跟踪误差,实现对主动悬架系统的精确控制。并应用Lyapunov方程,证明无模型渐进稳定算法的理论可行性和稳定性。还能实现很优越的减震性能,提高汽车乘坐的舒适性。无模型有限时间稳定控制方法,应用时延技术(TDE)来估计悬架系统的状态信息,简化悬架系统模型。通过选定合理的滑模面,解决终态滑模(TSM)中的奇异值问题。应用非奇异终态滑模能够在有限时间内收敛到期望的系统状态的特性,设计有限时间稳定的主动悬架控制器。所设计的控制器需要很少的悬架状态信息,但仍然可以保证系统的鲁棒性和很强的跟踪控制精度。最后,应用实验平台验证无模型有限时间稳定控制器的性能,证明了算法的可行性和合理性。本文所设计的两个主动悬架控制器具有性能递进的特点,即非奇异终态滑模比扩张状态观测器具有更快跟踪控制性能,更高的控制精度。为了体现这一特性本文将被动悬架,无模型渐进稳定主动悬架,无模型有限时间稳定主动悬架在实验平台上进行对比实验。通过仿真曲线和均方值的定性分析,充分体现了两种主动悬架的性能。


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