基于非线性不确定的指定性能的主动悬架系统的自适应控制研究.doc
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1、基于非线性不确定的指定性能的主动悬架系统的自适应控制研究摘要:本文提出了对未知的非线性动力性(例如,非线性弹簧和分段线性阻尼器动力学)汽车主动悬架系统的自适应控制设计。首次提出自适应控制是为了稳定垂直车辆位移,从而提高车辆的乘坐舒适性,并保证其他关于车辆安全和机械约束的悬挂要求(例如,路面保持性和悬挂空间限制)。一个增强的神经网络被用于在线补偿未知非线性,以及一种新的自适应律被开发来估计NN重量和不确定的模型参数(例如,悬挂质量),其中所使用的参数估计误差作为泄漏术语叠加在经典适应控制中。为了进一步提高控制性能和简化参数的调整,提出具有误差收敛速度块、最大过冲和稳态误差特征的规定功能函数(PP
2、F)用于其他自适应控制。证实了闭环系统的稳定性和分析了特定的性能要求。计算机仿真结果表明了所提出的控制方案的有效性。关键词:主动悬架系统、自适应控制、规定性能、神经网络1引言悬架系统是汽车的重要部件之一,由于它可以提高汽车乘坐舒适性、车辆操纵性和乘客的安全。车辆悬架系统通常由横臂,弹簧和减震器(例如,阻尼器)组成,传送和过滤车体和道路之间的作用力,其中弹簧被用于隔离车体以防受到路面的干扰,从而有助于乘坐的舒适性,阻尼器是专门用于吸收车身和车轮的振动以保证乘坐安全。随着汽车工业的发展,汽车悬架系统的设计吸引了了学者和工程师的广泛关注。一般来说,悬挂系统可以概括为三类:被动悬架、半主动悬架和主动悬
3、架。在这些技术中,主动悬架可以增加和消耗来自系统的平行于悬挂元件(如,阻尼器和弹簧)的执行器的能量,它被置于车身和车轮之间,并且能够添加或减小系统的作用力。这种配置使悬架系统可以减少路面粗糙度的不间断性,来控制车辆高度,从而提高舒适性和路面操控性。因此,在过去的几十年里,在车辆系统的主动悬架方面进行了相当多的工作,尽管它还没被广泛用于汽车生产中,因为它的成本和能耗需求过高。此外,对于车辆主动悬架的性能要求可以包括乘坐舒适性,道路附着性,悬挂偏转,致动器饱和度等,但这些要求可能是相互冲突的;例如,增加乘坐舒适性会导致在轮跳时产生较大的悬挂行程和较小的阻尼。因而这些矛盾的要求之间的折中应当在综合控
4、制中解决,这可能会导致多目标主动悬架控制问题加以解决。在这方面,控制提供了一种可行的解决方案,以乘坐舒适性为主要目标:控制问题转化为一个与其他性能的时域相约束的单一目标。在文献13中,研究了一个受约束的控制主动悬架,设计状态反馈控制的目的是确保扰动衰减性能。在文献14中,提出了依赖负载的控制设计方法,提出用状态反馈策略解决车辆主动悬架系统多目标控制的问题。在文献15,设计了基于四分之一非脆弱性汽车模型主动悬架控制。然而,在大多数的上述结果中,该车辆悬架系统被假定为线性动力性,且是精确已知的。在实际的车辆系统中,参数不确定性或建模误差通常是不可避免的,当没有对其进行特别处理时,这可能会降低悬架性
5、能的不确定性。例如,弹簧的非线性,减震器的分段线性特性和乘客的数量或有效负载的变化可能会导致控制设计上的困难。在这个意义上,基于线性模型的上述多目标控制的性能可能无法保证非线性动力性的实际悬架系统。为解决这些不确定性,近来已经提出几种使用自适应技术方法。在文献11,提出了通过组合线性参数变化的控制和非线性反推技术自适应主动控制。在文献12,功能性逼近(即,模糊系统)被纳入滑模技术来给四分之一汽车主动控制悬挂系统提供自适应滑动控制。然而,只能实现部分悬挂性能,例如,在车辆的振荡时的悬挂质量能得到解决。为了进一步解决车辆悬架综合性能的要求,例如,乘坐的舒适性,抓地力和悬挂运动的局限性,在文献16,
6、通过使用Lyapunov函数(BLF),进行了一个新的自适应控制研究,其中不确定悬挂质量可以在线更新。虽然在控制设计中保守主义比二次Lyapunov函数少(QLF),但非线性弹簧刚度、分段线性阻尼和轮胎顺序都假定是已知的,只有簧载质量是在线更新,但仍不一定收敛到其真实值。这可能是由于这样的事实,传统设计都是基于梯度误差和不断推测。这个问题将在本文中通过引入一种新的自适应律,使得参数进行更新并收敛到其真实值,于是完全未知的车辆悬架系统的控制性能得到了解决。另一方面,从控制性能的角度来看,上述的主动悬架系统的瞬态悬挂性能不能定量研究。虽然BLF控制足以发现一些相互矛盾的要求之间的平衡点,系统输出的
7、瞬态性能(例如,超调量小,收敛速度)不能保留在一个优先的范围内,可以提供更复杂的参数整定过程实现所需的输出约束来提高乘坐舒适度。近日,尝试建立优先指定的控制性能得到了利用,其中瞬态和稳态性能可被检测和按指定设计。这种方法的关键是引入一个适当的规定和相应的跟踪误差性能函数变换,使变换后的系统足以达到稳定性能保证原系统的跟踪控制。为了解决多目标的控制性能稳定,这种方法将进一步扩展到汽车主动悬架中。在本文中,我们提出了两种完全未知的非线性弹簧和分段器动力性汽车主动悬架系统的自适应控制方案。一个神经网络(NN)用于在线补偿未知动力学从而放宽对模型精度的要求。然后,提出了一个自适应控制,悬架的性能要求如
8、乘坐的舒适性,安全性(即,道路控股)和机械约束(例如,悬架的运动限制)都可以得到保障。具体地,一种新的自适应律统一更新未知NN重量和模型参数(例如,悬挂质量),其中参数估计误差推导作为一种适应漏项和保证估计的收敛性。为了进一步提高控制性能,另一个自适应控制是采用规定的性能功能设计(PPF)和相关的误差变换,这样规定的汽车垂直位移瞬态和稳态悬浮性能(如,最大超调量,收敛速度和稳态误差)可以被保留在一个优先的范围内。与其他的自适应悬架控制方法相比,PPF方案可能会允许一个更精确的参数整定方法。仿真结果验证了所提出方法的有效性。本文的主要贡献可以概括为如下:1) 对未知的非线性刚性弹簧和分段动力性阻
9、尼器在车辆悬架系统的控制综合考虑。因此,相比其他可用的结果该控制器可以覆盖更多的实际应用案例,只有线性动力学问题或非线性动力学被认为是精确已知的。2) 一种新的自适应律的设计提出了在线更新未知重量和弹簧质量,在经典设计中叠加参数估计误差作为漏项。然后估计的参数是保证在持续激励条件下收敛到其真正值。这进一步扩展了我们以前对主动悬架系统研究的方法。3) 为了进一步解决悬架性能的限制,给定的性能函数引入在主动悬架控制设计,瞬态和稳态的汽车垂直位移悬架性能得到了保证。这将提高性能和简化参数整定。本文组织如下:第二节提供了问题的规划。第三节提出新的自适应律的自适应控制设计,第四节介绍了规定的自适应控制性
10、能。第五节给出了仿真结果,第6节概述了实验结论。2 问题描述在本文中,研究了1/4车模型如图1所示,代表了汽车底盘的弹簧块质量,代表车轮质量;和为阻尼器和弹簧产生的力;和为轮胎的弹性力和阻尼力;和是弹簧和非悬挂质量的位移;是路面位移输入,是主动悬架的控制系统输入。以下是图1所示的平衡方程:该模型已被广泛应用于捕捉车辆悬架系统的一些重要特性的研究中。在这个模型中,执行机构的动态效果是被忽视的,致动器模型假定为一个理想的力发生器,考虑了非线性弹簧动态性。这是不同于那些广泛使用的线性模型,忽视现实的非线性动力学。特别是,由阻尼器和弹簧产生的力和的是未知的。因此,相比于现有的结果假设,和为线性或确知,
11、本文所提出的方法可以覆盖更现实的案例研究。为了便于控制设计,我们定义状态变量为:则(1)可在以下状态空间形式被改写为:是依赖于有效载荷或乘客数量的不确定参数。随着旅客和有效载荷的数量的变化,在车辆荷载作用下将发生变化,从而改变车辆质量 显然,的在线精确估计将在控制设计中以及车辆的其它安全操作中起至关重要的作用。 车辆主动悬架的性能要求通常包括以下几个方面:1)乘坐舒适性。这需要设计一个控制u到隔离车身尽可能免受道路引起的冲击和振动,以使乘客乘坐舒适,稳定车身垂直位移,不确定弹簧块质量,不确定作用力、和,道路位移。2)路面保持性。为了确保安全性,车轮的道路的坚定不间断接触应确保,并且动态轮胎负载
12、不宜过大,即3) 悬架的运动限制。由于机械结构的限制,该悬挂空间不应超过允许的最大悬浮挠度,最大悬浮扰度应满足注释1.一个屏障Lyapunov函数被用来保证和闭环系统稳定的输出的限制,这可能导致在控制设计中有较少保守性。然而,的瞬态悬浮性能(例如,最大的过冲和收敛速率)和的精确估计不能保证,并且非线性力的,和的被假定为精确已知的。在本文中,我们将开发了一种新的自适应律更新NN的权重近似未知的阻尼器和弹簧力度,使的估计可以得到保证,上述悬架要求可以得到满足。此外,受到PPF的灵感,我们将扩大我们以前对悬挂系统的工作,并提供了另一种可选择的控制设计,保证瞬态和稳态性能,这将简化参数调整,以适应悬架
13、性能。定义1:矩阵或向量函数是持续激励(PE),如果存在,所以有3.一种新的自适应规律自适应控制设计在本节中,我们提出了一个自适应控制来调节悬架系统(1),其中,基于参数估计误差的新型自适应律来实现更快的收敛性能的。3.1 自适应控制设计为了解决(1),我们定义了滤波的误差变量作为悬挂控制:且是一个正常数,从文献 25 ,我们知道只要滤波误差是在合适的范围内,定义(7)意味着有界,特别的,对任何初始情况,以及总能满足。然后我们从(1)得到的导数为因为车辆质量(因此)与乘客和有效载荷的变化而变化,并对阻尼器和弹簧的作用力(和)是非线性的和未知的,我们将使用定义在一个集合上的神经网络来增强悬架系统
14、误差,因此,用以下参数的线性神经网络逼近其中是理想的界NN的权重向量,是一个有界逼近误差,且,和正常数,且是回归向量。用(9)代入(8),为是为增强参数向量估计,是增强回归向量。我们定义作为作为估计的未知参数。 然后控制律可以设计为是恒定的反馈增益,是不确定参数的估计,是理想的权值的估计,这将是基于一种新的自适应律的即时更新。注释2 在主动悬架控制,神经网络被用来近似未知的非线性动力,这样假设通过弹簧产生的力,分段阻尼器是线性的并且被精确地除去。此外,我们将提出了一种新的自适应律(相比于传统的基于梯度的方案)来同时更新和,这里的估计误差收敛可以得到保证。现在的问题是建立一个适应依法取得,保证误
15、差收敛。我们定义可用于的系统变量的过滤变量为其中是一个标量滤波器参数。此外,我们在以下筛选操作方面定义辅助回归矩阵和向量:其中是一个设计参数。然后可以得到基于的另一个辅助矢量为 其中是未知参数向量的估计。现在,用于更新自适应律为其中是一个常数的对角矩阵,是正的常数。论点1. 矢量可以改写为,其中是一个有界扰动,为增强参数向量和的估计之间的估计误差。证明. 对于普通的矩阵微分方程,可以得到其解为:另一方面,利用线性滤波器的操作,根据(12)的第一个方程,我们可以推断出是过滤后神经网络误差的解,这是因为神经网络的估计误差是有界的。 把方程(17)代入(16),我们用得到是一个有界变量且因为正常数,
16、因为和都是有界的,所以NN回归函数和逼近误差都是有界的。因此,等式(14)可以写成论点2. 如果(10)中所定义的回归函数矢量持续激励(PE),则在(13)中定义的矩阵是正定的,即,它的最小特征值。证明. 我们可以根据参考文献23,24找到证明。注释3. 就自适应规律(15)来说,是梯度术语,用来保证跟踪误差的有界性,第二项依赖于 基于的新变量,其中包含重量推定误差的信息。在我们先前的研究中,在李亚普诺夫分析,该泄漏术语将导致一个二次项的推定误差,会得到更快误差收敛和更准确的估计性能可以得到(如图仿真)。注释4. (15)介绍的新型漏项,保证了有界,从而避免在梯度方案中出现突变现象。事实上,由
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- 基于 非线性 不确定 指定 性能 主动 悬架 系统 自适应 控制 研究
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