自动控制理论

自动控制理论在车辆主动悬架中的应用作者：李亮指导老师：赵贤林摘要：电子技术和自动控制理论在车辆上的应用，大大的改善了车辆的行驶平顺性和操作稳定性等。但是，这些控制系统大多是针对车辆的某一性能指标设计的，而整车性能的改善需要车辆各系统的协调工作。本文首先根据车辆动力学基本原理，建立了车辆主动悬架系统；然后以这个系统为研究对象，对主动悬架系统经过集成控制和优化后，车辆的行驶平顺性和操纵稳定性等综合性能得到了明显改善。关键词：自动控制；主动悬架系统；集成控制；行驶平顺性；操纵稳定性AutomaticcontroltheoryapplicationinvehicleactivesuspensionAuthor：LiLiangInstructor：ZhaoXianlinAbstract：Electronictechnologyandtheapplicationofautomaticcontroltheoryonthevehicle,greatlyimprovetheridingcomfortofvehicleandtheoperationstability,etc.However,mostofthesecontrolsystemisdesignedforacertainperformanceindexofthevehicle,andtoimprovetheperformanceofthevehicletovehiclecoordinationofeachsystem.Inthispaper,firstofall,basedonthebasicprincipleofvehicledynamics,vehicleactivesuspensionsystemisestablished;Andthentothesystemastheresearchobject,ontheactivesuspensionsystemafterintegratedcontrolandoptimization,theridingcomfortandhandlingstabilityofvehiclessuchascomprehensiveperformanceissignificantlyimprovedKeywords:automaticcontrol；activesuspensionsystem；integratedcontrol；ridingcomfort；handlingstability1概述随着电子技术及计算机技术的飞速发展，自动控制理论被越来越多地应用于汽车的自动控制中，使汽车操纵实现了自动化，极大的提高了汽车性能，减轻了驾驶员的劳动强度，提高了乘员的舒适性及行车安全性。国外对自动控制在汽车上的研究方兴未艾，而目前在我国也刚起步不久，对自动控制理论在汽车上应用的研究已成为当今汽车界的热点。经典控制理论不适于多变量系统，时变系统和非线性系统，而这些系统在汽车工程中是大量存在的，如悬架系统等，这就必须采用现代控制理论所提供的状态空间设计法，状态空间设计法是利用状态空间表达式确定系统的控制规律，使控制系统达到要求的性能指标。2车辆主动悬架系统及其发展动态悬架是现代车辆上的重要总成之一，是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。它的主要作用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩都传递到车架上，以保证车辆的正常行驶。悬架还应具有良好的减振和缓冲能力，保证在路面不平荷载和变化时有理想的运动特性，改善车辆的操纵稳定性，使车辆具有高速行驶能力，并且当车轮相对悬架跳动时，特别是在车辆转向运动时，车轮运动轨迹必须符合一定的要求。车辆悬架应具有以下功能：承受车辆重量；承受并缓和车辆行驶时有路面通过车轮传给车身的冲击与振动，在承受制动力、驱动力和转弯产生的离心力时，要保证操纵稳定性，包括防止车辆行驶时产生过大侧倾与俯仰，使制动时产生的“点头”现象尽可能小，车辆具有不足转向特性，不产生过度转向；车轮与路面有较好的附着特性，不会由于过大的振动而使车轮脱离地面，在凹凸不平的路面上行驶时，为了保证必要的离地间隙，能主动调节车声高度。3不同悬架系统的介绍根据现代车辆对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式和振动控制方法也在不断的更新和完善。悬架的结构形式很多，按导向机构的形式，可分为独立式悬架和非独立式悬架两大类；按控制力则可以分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种基本类型。3.1被动悬架一般的车辆绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架。其中，弹簧主要用来支承悬挂质量的经载荷，而减振器主要用于控制响应特性。这种悬架系统的阻尼和刚度参数一般是通过经验设计或优化设计方法选择的，一旦确定，在车辆行驶过程中就无法随外部状态的变化而变化。一般为提高转弯、制动等操纵过程的稳定性，要求悬架应具有高阻尼系数，为隔开路面不平对车辆的扰动提高乘坐的舒适性，要求悬架应具有地阻尼系数。被动悬架由于参数不能任意选择和调节，限制了其性能的进一步提高，因此，减振性能较差。3.2半主动悬架在半主动悬架中，一个阻尼系数能在较大范围内调节的减振器代替了被动悬架中的减振器，从而使阻尼系数是瞬时可变的，它的性能介于被动悬架和主动悬架之间，除了可需要能量驱动电磁阀外，并不消耗其能量，代表了性能提高和设计简单的折中。半主动悬架由可变特性的弹簧和减振器组成。其基本工作原理是根据悬挂质量相对车速响应和加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。半主动悬架在产生力方面近似于被动悬架，但是其阻尼系数或刚度系数是可变的。半主动悬架通常以改变减振器的阻尼为主，将阻尼分为两级或三级，由人工选择或根据传感器信号自动确定阻尼级。如图-1为半主动悬架示意图。图-1半主动悬架示意图1-非悬置质量2-悬置质量3-加速度传感器4-控制器5-加速度传感器6-可调阻尼器3.3主动悬架主动悬架控制技术的发展使车辆动力学发展中的一个里程碑，它主要是通过各种反馈信息来实现悬架的刚度和阻尼的可调，以保证车辆行驶时的乘坐舒适性和行驶安全性。主动控制悬架由弹性元件和一个力发生器组成。力发生器的作用在于改进系统中能源的消耗并供给系统以能量，该装置的控制目标是要实现一个优质的隔振系统，而又无需对系统做出较大的改变，只需使力发生器成生一个正比于绝对速度负值的主动力，即可实现控制目标。这种悬架的减震效果非常理想。主动悬架系统通常有两种形式，即由电动机驱动的空气式悬架和由电磁阀驱动的油气式悬架。油气式主动悬架由一个电液比例阀（针阀）和一个机械是压力伺服阀构成压力控制阀。其工作原理是：当路面激励频率较低时，由计算机对控制阀的线圈施加一个电流使针阀打开，在控制阀的出口处即产生一个与之成比例的输出油压，通过控制液压缸内的油压来控制车辆的振动，当路面激励频率适中时，主要由润滑的机械反馈功能对液压缸内的油压进行伺服控制，从而进行车辆减振，当激励频率较高时，则利用与液压缸连通的气体弹簧室吸收振动能量而达到减振。主动悬架的一个重要特点就是：它要求作动器所产生的力能够很好的跟踪任何力控制信号，从而引起控制率的问题。3.3.1主动悬架的工作原理主动控制悬架系统能够根据车身的高度、车速等信号由电子控制器控制悬架执行机构，使悬架系统的刚度、减振器的阻尼及车身的高度参数得以改变，从而使车辆具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性。其工作原理如下图-2：图-2主动悬架工作示意图3.3.2主动悬架的控制策略车辆悬架控制系统是一个含有许多不确定因素的非线性的机、电、液一体化系统，由于模型的线性控制策略受到很大的限制，用传统控制方法难以达到其预定的性能的要求。目前应用于车辆悬架控制系统的控制方法主要有现代控制方法如：最优控制方法、自适应控制方法、模糊控制方法等等。1.最优控制最优控制是先要确定一个明确的目标函数，通过一定的数学方法计算出使该函数取极值时的控制输入。一般情况下，目标函数的确定要靠经验，最优控制的解只有在极少数情况下才能得出解析解，但是可以通过计算机得到数值解。在车辆悬架系统上应用的最优控制较多，常用的有线性最优控制、H最优控制等。线性最优控制是建立在系统较为理想的模型基础上，采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构在动态稳定条件下实现最优控制。2.自适应控制自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的，可以自动监测系统的参数变化，从而时刻保持系统的性能指标为最优。其基本出发点是根据系统当前输入的相关信息，从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。其设计关键是选择能准确、可靠地反应输入变化的参考变量，只要参数选择适当，控制器即可快捷、方便地改变控制参数，以适应当前输入的变化。应用于车辆悬架控制系统的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两类控制策略。自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制其参数定相结合的控制方法，如图-3所示。模型参考自适应控制的原理适当外界激励条件和车辆自身参数状态发生变化时，车辆的震动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采用自适应控制的车辆悬架减振器在德国大众汽车公司的汽车底盘上得到了应用。图-3自校正自适应控制框图3.模糊控制模糊控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法，其特点是允许控制对象没有精确的数字模型，使用语言变量代替数字变量，在控制过程中包含有大量人的控制经验和知识，与人的智能行为相似，结构框图如图-4所示。其控制器输入量可选择车身加速度与车轮的相对速度，输出量为动力装置产生的作用力。图-4模糊控制器模糊控制方法应用于车辆悬架系统的研究文献很多，其中具有代表性的是日本德岛大学芳村敏夫教授的研究工作，他同时把模糊控制方法应用于车辆悬架半主动和主动控制系统，其结果证明了模糊控制方法的有效性。日本名古屋大学桥山智训等采用GA（geneticalgorithm遗传算法）设计车辆悬架半主动系统的模糊控制器，计算机模拟结果显示结合GA的模糊推理方法比常规方法更有效。车辆悬架系统的预测控制是指通过传感器将车辆前方路面信息预先传给悬架装置,使参数的调节与实际需求同步。预测控制的基本方法有两类第一类是将前轮悬架的状态信息作为后轮悬架的前馈信息第二类是测量车辆前轮前方道路的实时状态信息如不平度,用此信息来控制悬架执行机构的动作。这个理论的关键技术是要获得具有一定精度、不受干扰和反映路面真实情况的信息。4总结与意义车辆行驶平顺性和操纵稳定性逐渐受到人们的重视，传统的被动悬架已不能满足需要。因此，研究车辆振动，设计新型悬架系统，将振动控制到最低水平是提高现代车辆质量的重要措施。为使悬架系统能够适应不同道路及速度条件，各种新型电子控制悬架得到了迅速发展。同时，现代控制理论在车辆悬架振动控制中得到广泛应用，出现了一系列悬架减振控制技术。针对悬架系统的非线性特点，研究适宜的悬架控制技术是车辆悬架振动性能改进的关键。国外关于车辆主动悬架系统的研究己有四十多年的历史，特别是二十世纪八十年代后，美、日、德、英等发达国家对这项研究非常重视。目前，世界各大汽车公司及相关研究机构都在投入相当大的人力和物力，研制性价比高的车辆悬架系统，以便在车辆上得以广泛应用。为此，采用新型控制技术，研究和开发一类控制有效、能耗低、造价合理的车辆悬架控制系统不仅是应用研究的重要目标，而且必将是决定理论研究是否有价值的重要评价标准。在我国，目前已对车辆主动悬架和半主动悬架进行了一些理论探讨和简单的原理性实验研究，并取得了一定的成果，但总的来说还处于学术研究阶段。随着社会的发展，人们对车辆的乘坐舒适性和行使安全性要求越来越高，主动悬架的普遍使用是一个大的趋势，因此对于主动悬架的研究具有较强的学术意义和社会经济价值。自动控制理论的引入大大地保证了行车的安全性、舒适性以及平顺性，促进了汽车技术的发展。参考文献：1.陈玉强.现代控制理论在汽车悬架控制中的应用现状[D].哈尔滨工程大学.1997-12-162.高跃奎.最优控制理论在车辆主动悬架