自動(dòng)控制理論

1、自動(dòng)控制理論在車輛主動(dòng)懸架中的應(yīng)用作者：李亮 指導(dǎo)老師：趙賢林摘要：電子技術(shù)和自動(dòng)控制理論在車輛上的應(yīng)用，大大的改善了車輛的行駛平順性和操作穩(wěn)定性等。但是，這些控制系統(tǒng)大多是針對(duì)車輛的某一性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的，而整車性能的改善需要車輛各系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。本文首先根據(jù)車輛動(dòng)力學(xué)基本原理，建立了車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)；然后以這個(gè)系統(tǒng)為研究對(duì)象，對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)經(jīng)過(guò)集成控制和優(yōu)化后，車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等綜合性能得到了明顯改善。關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制；主動(dòng)懸架系統(tǒng)；集成控制；行駛平順性；操縱穩(wěn)定性 Automatic control theory application invehicle active susp

2、ension Author：Li Liang Instructor：Zhao XianlinAbstract：Electronic technology and the application of automatic control theory on the vehicle, greatly improve the riding comfort of vehicle and the operation stability, etc. However, most of these control system is designed for a certain performance ind

3、ex of the vehicle, and to improve the performance of the vehicle to vehicle coordination of each system. In this paper, first of all, based on the basic principle of vehicle dynamics, vehicle active suspension system is established; And then to the system as the research object, on the active suspen

4、sion system after integrated control and optimization, the riding comfort and handling stability of vehicles such as comprehensive performance is significantly improvedKey words:automatic control；active suspension system；integrated control；riding comfort；handling stability1概述隨著電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，自動(dòng)控制理論

5、被越來(lái)越多地應(yīng)用于汽車的自動(dòng)控制中，使汽車操縱實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，極大的提高了汽車性能，減輕了駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了乘員的舒適性及行車安全性。國(guó)外對(duì)自動(dòng)控制在汽車上的研究方興未艾，而目前在我國(guó)也剛起步不久，對(duì)自動(dòng)控制理論在汽車上應(yīng)用的研究已成為當(dāng)今汽車界的熱點(diǎn)。經(jīng)典控制理論不適于多變量系統(tǒng)，時(shí)變系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)，而這些系統(tǒng)在汽車工程中是大量存在的，如懸架系統(tǒng)等，這就必須采用現(xiàn)代控制理論所提供的狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法，狀態(tài)空間設(shè)計(jì)法是利用狀態(tài)空間表達(dá)式確定系統(tǒng)的控制規(guī)律，使控制系統(tǒng)達(dá)到要求的性能指標(biāo)。2車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)及其發(fā)展動(dòng)態(tài)懸架是現(xiàn)代車輛上的重要總成之一，是車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一

6、切傳力連接裝置的總稱。它的主要作用是把路面作用于車輪上的垂直反力（支承力）、縱向反力（牽引力和制動(dòng)力）和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩都傳遞到車架上，以保證車輛的正常行駛。懸架還應(yīng)具有良好的減振和緩沖能力，保證在路面不平荷載和變化時(shí)有理想的運(yùn)動(dòng)特性，改善車輛的操縱穩(wěn)定性，使車輛具有高速行駛能力，并且當(dāng)車輪相對(duì)懸架跳動(dòng)時(shí)，特別是在車輛轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)時(shí)，車輪運(yùn)動(dòng)軌跡必須符合一定的要求。車輛懸架應(yīng)具有以下功能：承受車輛重量；承受并緩和車輛行駛時(shí)有路面通過(guò)車輪傳給車身的沖擊與振動(dòng)，在承受制動(dòng)力、驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的離心力時(shí)，要保證操縱穩(wěn)定性，包括防止車輛行駛時(shí)產(chǎn)生過(guò)大側(cè)傾與俯仰，使制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的“點(diǎn)頭”現(xiàn)象盡

7、可能小，車輛具有不足轉(zhuǎn)向特性，不產(chǎn)生過(guò)度轉(zhuǎn)向；車輪與路面有較好的附著特性，不會(huì)由于過(guò)大的振動(dòng)而使車輪脫離地面，在凹凸不平的路面上行駛時(shí)，為了保證必要的離地間隙，能主動(dòng)調(diào)節(jié)車聲高度。3不同懸架系統(tǒng)的介紹根據(jù)現(xiàn)代車輛對(duì)懸架提出的各種性能要求，懸架的結(jié)構(gòu)形式和振動(dòng)控制方法也在不斷的更新和完善。懸架的結(jié)構(gòu)形式很多，按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式，可分為獨(dú)立式懸架和非獨(dú)立式懸架兩大類；按控制力則可以分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架三種基本類型。3.1被動(dòng)懸架一般的車輛絕大多數(shù)裝有由彈簧和減振器組成的機(jī)械式懸架。其中，彈簧主要用來(lái)支承懸掛質(zhì)量的經(jīng)載荷，而減振器主要用于控制響應(yīng)特性。這種懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)一般是通

8、過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇的，一旦確定，在車輛行駛過(guò)程中就無(wú)法隨外部狀態(tài)的變化而變化。一般為提高轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等操縱過(guò)程的穩(wěn)定性，要求懸架應(yīng)具有高阻尼系數(shù)，為隔開(kāi)路面不平對(duì)車輛的擾動(dòng)提高乘坐的舒適性，要求懸架應(yīng)具有地阻尼系數(shù)。被動(dòng)懸架由于參數(shù)不能任意選擇和調(diào)節(jié)，限制了其性能的進(jìn)一步提高，因此，減振性能較差。3.2半主動(dòng)懸架在半主動(dòng)懸架中，一個(gè)阻尼系數(shù)能在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)的減振器代替了被動(dòng)懸架中的減振器，從而使阻尼系數(shù)是瞬時(shí)可變的，它的性能介于被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架之間，除了可需要能量驅(qū)動(dòng)電磁閥外，并不消耗其能量，代表了性能提高和設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的折中。半主動(dòng)懸架由可變特性的彈簧和減振器組成。其基本工作原理是根

9、據(jù)懸掛質(zhì)量相對(duì)車速響應(yīng)和加速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剛度或可調(diào)減振器的阻尼力。半主動(dòng)懸架在產(chǎn)生力方面近似于被動(dòng)懸架，但是其阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)是可變的。半主動(dòng)懸架通常以改變減振器的阻尼為主，將阻尼分為兩級(jí)或三級(jí)，由人工選擇或根據(jù)傳感器信號(hào)自動(dòng)確定阻尼級(jí)。如圖-1為半主動(dòng)懸架示意圖。 圖-1半主動(dòng)懸架示意圖 1-非懸置質(zhì)量 2-懸置質(zhì)量 3-加速度傳感器 4-控制器 5-加速度傳感器 6-可調(diào)阻尼器3.3 主動(dòng)懸架主動(dòng)懸架控制技術(shù)的發(fā)展使車輛動(dòng)力學(xué)發(fā)展中的一個(gè)里程碑，它主要是通過(guò)各種反饋信息來(lái)實(shí)現(xiàn)懸架的剛度和阻尼的可調(diào)，以保證車輛行駛時(shí)的乘坐舒適性和行駛安全性。主動(dòng)控制懸

10、架由彈性元件和一個(gè)力發(fā)生器組成。力發(fā)生器的作用在于改進(jìn)系統(tǒng)中能源的消耗并供給系統(tǒng)以能量，該裝置的控制目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng)，而又無(wú)需對(duì)系統(tǒng)做出較大的改變，只需使力發(fā)生器成生一個(gè)正比于絕對(duì)速度負(fù)值的主動(dòng)力，即可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。這種懸架的減震效果非常理想。主動(dòng)懸架系統(tǒng)通常有兩種形式，即由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣式懸架和由電磁閥驅(qū)動(dòng)的油氣式懸架。油氣式主動(dòng)懸架由一個(gè)電液比例閥（針閥）和一個(gè)機(jī)械是壓力伺服閥構(gòu)成壓力控制閥。其工作原理是：當(dāng)路面激勵(lì)頻率較低時(shí)，由計(jì)算機(jī)對(duì)控制閥的線圈施加一個(gè)電流使針閥打開(kāi)，在控制閥的出口處即產(chǎn)生一個(gè)與之成比例的輸出油壓，通過(guò)控制液壓缸內(nèi)的油壓來(lái)控制車輛的振動(dòng)，當(dāng)路面激勵(lì)頻率

11、適中時(shí)，主要由潤(rùn)滑的機(jī)械反饋功能對(duì)液壓缸內(nèi)的油壓進(jìn)行伺服控制，從而進(jìn)行車輛減振，當(dāng)激勵(lì)頻率較高時(shí)，則利用與液壓缸連通的氣體彈簧室吸收振動(dòng)能量而達(dá)到減振。主動(dòng)懸架的一個(gè)重要特點(diǎn)就是：它要求作動(dòng)器所產(chǎn)生的力能夠很好的跟蹤任何力控制信號(hào)，從而引起控制率的問(wèn)題。3.3.1主動(dòng)懸架的工作原理 主動(dòng)控制懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)車身的高度、車速等信號(hào)由電子控制器控制懸架執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使懸架系統(tǒng)的剛度、減振器的阻尼及車身的高度參數(shù)得以改變，從而使車輛具有良好的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。其工作原理如下圖-2： 圖-2主動(dòng)懸架工作示意圖3.3.2主動(dòng)懸架的控制策略車輛懸架控制系統(tǒng)是一個(gè)含有許多不確定因素的非線性的機(jī)、電、液一體

12、化系統(tǒng)，由于模型的線性控制策略受到很大的限制，用傳統(tǒng)控制方法難以達(dá)到其預(yù)定的性能的要求。目前應(yīng)用于車輛懸架控制系統(tǒng)的控制方法主要有現(xiàn)代控制方法如：最優(yōu)控制方法、自適應(yīng)控制方法、模糊控制方法等等。1.最優(yōu)控制 最優(yōu)控制是先要確定一個(gè)明確的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法計(jì)算出使該函數(shù)取極值時(shí)的控制輸入。一般情況下，目標(biāo)函數(shù)的確定要靠經(jīng)驗(yàn)，最優(yōu)控制的解只有在極少數(shù)情況下才能得出解析解，但是可以通過(guò)計(jì)算機(jī)得到數(shù)值解。在車輛懸架系統(tǒng)上應(yīng)用的最優(yōu)控制較多，常用的有線性最優(yōu)控制、H最優(yōu)控制等。線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想的模型基礎(chǔ)上，采用受控對(duì)象的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標(biāo)，同時(shí)保證受控結(jié)

13、構(gòu)在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。2.自適應(yīng)控制 自適應(yīng)控制是針對(duì)具有一定不確定性的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)變化，從而時(shí)刻保持系統(tǒng)的性能指標(biāo)為最優(yōu)。其基本出發(fā)點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前輸入的相關(guān)信息，從預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)的參數(shù)中選取當(dāng)前最合適的控制參數(shù)。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是選擇能準(zhǔn)確、可靠地反應(yīng)輸入變化的參考變量，只要參數(shù)選擇適當(dāng)，控制器即可快捷、方便地改變控制參數(shù)，以適應(yīng)當(dāng)前輸入的變化。應(yīng)用于車輛懸架控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策略。自校正控制是一種將受控對(duì)象參數(shù)在線識(shí)別與控制其參數(shù)定相結(jié)合的控制方法，如圖-3所示。模型參考自適應(yīng)控制的原理適當(dāng)外界激勵(lì)條件和車輛自

14、身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，車輛的震動(dòng)輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ?。采用自適應(yīng)控制的車輛懸架減振器在德國(guó)大眾汽車公司的汽車底盤上得到了應(yīng)用。圖-3自校正自適應(yīng)控制框圖3.模糊控制 模糊控制是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新型控制方法，其特點(diǎn)是允許控制對(duì)象沒(méi)有精確的數(shù)字模型，使用語(yǔ)言變量代替數(shù)字變量，在控制過(guò)程中包含有大量人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，與人的智能行為相似，結(jié)構(gòu)框圖如圖-4所示。其控制器輸入量可選擇車身加速度與車輪的相對(duì)速度，輸出量為動(dòng)力裝置產(chǎn)生的作用力。 圖-4模糊控制器 模糊控制方法應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)很多，其中具有代表性的是日本德島大學(xué)芳村敏夫教授的研究工作，他同時(shí)把模糊控制方法應(yīng)用于車輛

15、懸架半主動(dòng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)，其結(jié)果證明了模糊控制方法的有效性。日本名古屋大學(xué)橋山智訓(xùn)等采用GA（genetic algorithm遺傳算法）設(shè)計(jì)車輛懸架半主動(dòng)系統(tǒng)的模糊控制器，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示結(jié)合GA的模糊推理方法比常規(guī)方法更有效。 車輛懸架系統(tǒng)的預(yù)測(cè)控制是指通過(guò)傳感器將車輛前方路面信息預(yù)先傳給懸架裝置,使參數(shù)的調(diào)節(jié)與實(shí)際需求同步。預(yù)測(cè)控制的基本方法有兩類第一類是將前輪懸架的狀態(tài)信息作為后輪懸架的前饋信息第二類是測(cè)量車輛前輪前方道路的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息如不平度,用此信息來(lái)控制懸架執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。這個(gè)理論的關(guān)鍵技術(shù)是要獲得具有一定精度、不受干擾和反映路面真實(shí)情況的信息。4總結(jié)與意義 車輛行駛平順性和操

16、縱穩(wěn)定性逐漸受到人們的重視，傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架已不能滿足需要。因此，研究車輛振動(dòng)，設(shè)計(jì)新型懸架系統(tǒng)，將振動(dòng)控制到最低水平是提高現(xiàn)代車輛質(zhì)量的重要措施。為使懸架系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同道路及速度條件，各種新型電子控制懸架得到了迅速發(fā)展。同時(shí)，現(xiàn)代控制理論在車輛懸架振動(dòng)控制中得到廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了一系列懸架減振控制技術(shù)。針對(duì)懸架系統(tǒng)的非線性特點(diǎn)，研究適宜的懸架控制技術(shù)是車輛懸架振動(dòng)性能改進(jìn)的關(guān)鍵。 國(guó)外關(guān)于車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的研究己有四十多年的歷史，特別是二十世紀(jì)八十年代后，美、日、德、英等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)這項(xiàng)研究非常重視。目前，世界各大汽車公司及相關(guān)研究機(jī)構(gòu)都在投入相當(dāng)大的人力和物力，研制性價(jià)比高的車輛懸架系統(tǒng)，以便在車輛上得以廣泛應(yīng)用。為此，采用新型控制技術(shù)，研究和開(kāi)發(fā)一類控制有效、能耗低、造價(jià)合理的車輛懸架控制系統(tǒng)不僅是應(yīng)用研究的重要目標(biāo)，而且必將是決定理論研究是否有價(jià)值的重要評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在我國(guó)，目前已對(duì)車輛主動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架進(jìn)行了一些理論探討和簡(jiǎn)單的原理性實(shí)驗(yàn)研究，并取得了一定的成果，但總的來(lái)說(shuō)還處于學(xué)術(shù)研究階段。隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)車輛的乘坐舒適性和行使安全性要求越來(lái)