PID智能控制

第1章绪论1.1前言车辆悬架系统是保证乘坐舒适性的重要部件，一般由阻尼减震原件，弹性元件和导向机构三大部分组成，作为连接车身与车轴之间的传力和减振机件，它能够将路面不平顺，空气阻力的作用，制动力以及牵引力的作用传递到车身。车辆悬架系统的设计必须满足形式平顺性的要求。随着高速公路时代的来临，人们对于高速车辆的舒适性要求越来越高，车辆在行驶中，路面的凸凹不平使作用在车轮上的垂直反力波动起伏，从而产生一定的冲击和振动。当这些振动到达一定程度时，容易引起乘客生理和心理的不舒适反应，而且会加剧车辆零部件的损坏，降低车辆使用寿命。因此，研究如何改善车辆乘坐舒适性，具有重要意义。为了将车辆的振动控制在最低范围内，一方面，提高道路的平整度。另一亟待提高的方面，设计优良的悬架控制系统。1.2悬架概述图1-1被动悬架图1-2半主动悬架图图1-3全主动悬架1.2.1被动悬架被动悬架即最为传统的悬架，其力学模型如图1.1所示。主要由弹簧、减振器组成，被动悬架最大的特点是弹簧的弹性特性和减振器的阻尼系数不能随着车辆运行工况的变化而进行有效地调节，而且各部分元件在工作时不会消耗能源，故称为被动悬架。这种悬架的构造最简单，使用性能很稳定，经过不断地发展，现在被动悬架技术已经很成熟了。然而，汽车在行驶的过程中，其平顺性对悬架参数的要求是千差万别的，被动悬架过于传统已经不能够满足汽车工业的发展。因此，人们提出了性能更加优越的主动悬架和半主动悬架。1.2.2半主动悬架M1K1CK2X1X2X3M1M1M2M2M2K1CK2X1X2X3X1X2X3K1K2作动器半主动悬架，其力学模型如图1-2所示，它主要由无源但可控的阻尼和弹性元件组成。半主动悬架的减振原理与被动悬架十分相似，他们的根本区别是半主动悬架的阻尼器的阻尼系数能在允许的范围内实时主动调节或承载弹簧的刚度可以改变，以达到理想减振性能。可以根据对路面激励的响应对悬架的阻尼系数进行自适应调整，使车身的振动控制在一定的范围内。这种悬架由于弹性元件被用于吸收和储存能量外，还要承受车体的自身重量。在无源条件下，由于改变刚度要比改变阻尼要困难得多，因此，很多半主动悬架实际上仅讨论阻尼系数的改变和控制。半主动悬架阻尼系数的控制策略及实现是研究的关键。1.2.3主动悬架主动悬架，其力学模型如图1-3所示，这是一种有源控制悬架。主动悬架可以根据车辆行驶工况的变化，主动改变弹簧的刚度和阻尼器阻尼系数。主动悬架主要由弹性元件和力作动器组成。这种作动器一般是由外部油泵提供能量，产生由控制信号确定的力。车辆动力学发展过程的一个里程碑是主动悬架控制技术的突破发展，它主要是通过各种反馈信息来实现弹簧刚度和阻尼系数的调节，以保证车辆行驶时的乘坐舒适性和安全性。它的概念是由FederpielLabrosse在1954年提出的[2]。Westinghouse在1965年也进行了类似的研究。在二十世纪六十年代初期，许多人已经开始了一些基础的研究工作，但最先使主动悬架的基本思想和控制策略得到完善的是Thompson。主动悬架的控制效果好，但结构较为复杂，需要独立的外加设备提供能源，并带来费用高、工艺复杂及安装难等问题，因此，在理论上和工程实现上都有一定的难度[3][12]。1.3三种悬架的性能比较被动悬架的设计与要求往往是自相矛盾的，因为缓解车辆垂向振动和控制车辆的横向摆动是相互矛盾的。想要提高车辆的乘坐舒适性，则需降低振动的固有频率，采用软悬架，而悬架弹簧刚度的降低则会带来车轮与车体间的相对行程增大的问题，这样一来车辆的操纵能力就下降了。反之为提高车辆的操纵稳定性，要求悬架系统有较大的弹簧刚度以及较大的减振器阻尼系数，从而控制过大的车身运动，但同时又会使车身产生颠簸而影响车辆的舒适性。因此传统的车辆悬架的设计必须进行折衷设计。又由于被动悬架具有以下几个特点:(1)悬架静挠度与系统固有频率的平方成反比，易产生较大的动挠度；(2)只对局部的相对运动的反应而产生力，限制悬架参数的选择范围；(3)悬架参数不能随激励变化而进行有效调节；(4)不需要外加设备提供动力源，只能存储或和消耗能量。因此被动悬架性能有特别大的局限性。首先，由于被动悬架系统参数的取值范很小，再加上行驶平顺性和操纵稳定性对性能参数的矛盾要求，因此即使采用最优化的参数也很难达到令人满意的结果。其次，由于悬架参数不能改变，这就使得最优化设计的结果只能在特定的激励下产生，一旦激励情况发生变化，悬架便不是最优。车辆在行驶时，路面激励的情况和车速是实时变化的，因此这种弹簧刚度和阻尼系数都不能调节的传统悬架是不能够完成改善车辆的乘坐舒性、行驶平顺性和操纵稳定性的任务的。且由于被动悬架固有缺陷的不可去除性，它己经无法达到现代高速路面车辆行驶的要求，也不能适应车辆性能和道路条件多样性的需要，所以既能适应广泛路面的激励，又能获得不同优越性能的主动及半主动悬架产品的技术研究越来越受到人们的重视。主动悬架即悬架系统中采用有源或无源控制组件组成的带有反馈的闭环控制系统，根据车辆的运行工况和路面激励状况做出不同响应，以控制车身的振动[3]。主动悬架与被动悬架的两个根本区别在于:(1)主动悬架能够连续地提供并调节能量流，因此其动力学特性不会随车辆载荷的变化而变化，控制力也不受原先所储存的能量的减少而改变；(2)主动悬架能够产生很多可变函数的力，因而能够很好地适应广泛的外部干扰。因此，主动悬架具有以下显著的优点:(1)能提供较低的固有频率，因而在获得较好乘坐舒适性的情况下，仍能满足比较小的悬架静态变形的要求；(2)较低的悬架动挠度，特别是在瞬态激励情况下；(3)悬架的动力学特性不跟随车辆的载荷变化而改变；(4)对各种形式的激励均可做出快速响应；(5)随激励的变化而任意改变悬架的特性，以达到最好的减振效果。1.4半主动悬架研究的历史和研究的现状半主动悬架在主动悬架出现之后才出现，D.A.Crosby和D.C.Karnopp在1973年最先提出了半主动悬架的概念，紧接着Kamopp又提出天棚阻尼控制模型和实现方法。半主动悬架的工作原理是：使用可调节刚度的弹簧或阻尼系数可调的减振器组成悬架，并根据簧载质量加速度等反馈信号，按照一定的控制规律调节减器的阻尼系数[4]。与主动悬架相比，半主动悬架结构较为简单，制造费用和运行费用都不高。自20世纪80年代中期以来，关于汽车半主动悬架技术的研究蒸蒸日上，其中比较有影响的学者有Karnopp、、ThompsonMargolis[5]和El.Madany等，研究的内容主要涉及路面随机激励模型建立，悬架系统的建模，应用模糊控制、人工神经网络等智能控制方法进行悬架控制规律的设计、系统仿真与实验研究，成功地开发了不少新型的执行机构和作动器。从总体上看，悬架系统合理化、控制理论复杂化和控制过程实用化是当今半主动悬架开发的一大特点，这些研究极大地丰富了汽车半主动悬架的控制理论，有力地推进了半主动悬架系统在车辆工程中的应用。随着电子技术和计算机技术的飞速发展，半主动悬架也逐步从实验室走向了工厂，世界各大汽车公司和生产厂家都竟相研究和开发电子控制的主动以及半主动悬架系统，并在概念车和部分豪华商用轿车上装备了各种电控主动和半主动悬架系统。1975年，Margolis等人提出了“开关”控制的半主动悬架[5]，它能产生较大的阻尼力，这种悬架己经应用到了实车上；1983年，日本丰田公司也开发了一种具有三种减振工况的“开关”式半主动悬架，并应用于Soarer轿车上[6]。1988年，日本日产公司首次将“声纳”式半主动悬架应用于Maxima轿车上[7]，它可预测路面信息，悬架减振器具有“柔和”、“适中”和“稳定”三种选择状态。20世纪90年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的应用。1994年，Prinkos[8]等人使用了电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统；2002年，采用美国Delphi公司磁流变减振器的MagneRide半主动悬架应用在了CadillacSevileSTS高档轿车上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼，Cadillac公司声称，此系统不仅能改进行驶平顺性和操纵性，而且可以减缓重量的传递速度，从而保持稳定性也非常有效。同一年，德国采埃孚萨克斯公司宣布，该公司最近与另一家名为蓝旗亚的汽车公司合作，开发出了一种能自动识别道路状况的半主动悬架系统——自动连续调节阻尼控制系统。据称，这一系统不仅可以装配在诸如法拉利等赛车上，还可以安装在其他高级轿车上。该系统由4只可控减振器、6只加速度传感器以及1个电子控制元件组成，可控减振器的阻尼力通过内部或外部的比例调节阀连续调节，电子控制元件采用天棚阻尼控制策略，根据车身起伏、俯仰、侧倾等运动状态，对每个车轮进行独立控制。1.5车辆悬架系统智能控制策略的研究综述车辆半主动悬架研究工作在国内外，特别是在国外得到了广泛的发展，许多研究机构和著名汽车公司对半主动悬架开展了理论与实践相结合的研究，并取得了很好的成效。对于半主动悬架的研究主要从以下两个方面开展:第一：各种各样可以想象的半主动悬架模型，以及控制方法的特性研究(和被动悬架相比较)。二是控制规律方法的设计，使用不同的控制规律与数学模型，所得到的悬架特性是不尽相同的，因此采用什么样模型与控制规律以及与之对应的悬架特性是什么，是半主动悬架研究的一个重要方面[11][15]。常见控制方法有:（1）天棚阻尼控制方法天棚阻尼控制是最早被提出的一种半主动悬架控制方法，这种方法因其控制算法简单，从而得到了极其广泛的应用。但由于天棚阻尼控制只是解决悬架系统的舒适性而没有解决掉操纵稳定性问题。所以，此种方法逐渐被摒弃。（2）PID控制PID(Proportion-Integra-lDerivative,比例积分微分)控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高,被广泛应用于过程控制和运动控制中。（3）模糊控制方法模糊理论是由美国伯克莱加州大学教授L.A.Zadeh在1965年提出的，主要包括模糊集合理论，模糊逻辑，模糊推理以及模糊控制等方面内容。模糊逻辑和经典的二值逻辑不同，模糊逻辑是一种连续逻辑。一个模糊命题是一个可以确定隶属度的句子，它的真值可以取[0,1]区间的任何数。很明显，模糊逻辑拥有更普遍的实际意义，它摒弃了二值逻辑简单的肯定和否定，把客观逻辑世界看成是具有连续灰度等级变化的，它允许一个命题存在着部分肯定部分否定，只不过隶属程度不一样。（4）神经网络控制方法神经网络控制方法是智能控制的一个新的分支，为解决复杂的不确定、非线性、不确知系统的控制问题开辟了新途径。它的特点是具有学习能力和操作并行性，因此在汽车悬架振动控制中有着广泛的应用前景，神经控制发展至今，虽仅有十余年的历史，已有了多种控制结构。如神经预测控制、神经逆系统控制等。1.6本课题研究的目的和意义车辆悬架性能是影响车辆行驶平顺性重要因素。传统的被动悬架系统的弹簧刚度系数和阻尼系数一般通过经验或优化设计方法设定，一经选定，在车辆运行过程中就无法进行调整，因此传统悬架不能适应路面状况、车辆运行状态等的变化而变化。随着现代电控技术、测控技术的快速发展,使得车辆悬架系统的主动控制的实现变味了可能。一般在每个车轮上都装有一个传感器，对1/4车辆半主动悬架直接进行研究，有助于简化研究难题，重点突出，但又能说明整体情况。所以本文选择对1/4车辆主动悬架作为研究的对象。本文研究的重点突出在控制策略上，着重比较传统PID控制策略与模糊PID控制方法的优劣。1.7本课题的主要内容与研究方法（1）建立汽车半主动悬架系统模型。利用多体系统动力学理论，建立半主动悬架的系统动力学模型和本文仿真所用的由白噪声积分方法所产生的随机路面激励。（2）设计模糊PID控制器。在Matlab/Simulink环境中利用模糊工具箱编辑模糊控制策略，设计模糊控制器，并将模糊控制器与传统PID控制器实现连接（3）对车辆半主动悬架系统进行Simulink控制仿真分析。1.8本章小结本章内容主要讲述了车辆悬架的大概现状，着