基于数据驱动和反演控制的主动悬架减振控制研究

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汽车悬架系统是汽车的重要减振部件,其中主动悬架系统同被动悬架以及半主动悬架系统相比更加灵活且有效,因此主动悬架系统得到了国内外学者广泛而深入的研究。然而在大多数文献中,对主动悬架控制器的设计往往是基于所建立的线性或非线性模型来进行的。事实上悬架系统是一个典型的非线性系统,且悬架系统在实际运作过程中,其悬架参数会在一定范围内变化,这些参数的不确定性会影响所设计控制器的性能。因此针对主动悬架控制器设计过程中如何克服悬架系统中的非线性特性和不确定性对控制器控制效果造成的影响的研究就显得十分关键。针对主动悬架控制设计中的诸多问题,本文以汽车悬架系统为基础,以加拿大Quanser公司制造的1/4车主动悬架实验台架为重要参考,由简入深的对悬架的主动减振控制方法进行研究,最后提出了一种数据驱动无模型控制主动悬架控制器。具体研究工作如下:(1)对国内外主动悬架减振控制研究进行概述,分析各个控制策略的优点和缺点后,提出了基于数据驱动的无模型控制主动悬架减振控制思路。并根据控制器设计需要对1/4车主动悬架系统进行动力学分析。(2)得到线性二自由度1/4车主动悬架系统模型后。针对建立的线性悬架系统模型,利用LQR控制设计方法以及反演法进行主动悬架减振控制器设计,通过对所设计的控制器进行数值仿真分析以及实验仿真分析后。发现悬架系统中的非线性特性以及不确定性对控制器控制效果有较大影响。(3)通过对基于线性模型的控制器数值仿真与实验仿真的分析结果引出因建立非线性悬架系统模型的必要。再次利用反演法,对得到的非线性1/4车主动悬架系统模型进行减振控制设计。通过对所设计的控制器进行数值仿真与实验仿真分析,发现考虑了模型非线性特性后所设计的控制器性能要优于基于线性模型所设计的控制。但并没有完全克服悬架系统的非线性特性以及不确定性对控制器控制效果的影响。(4)通过对基于模型设计的控制器进行研究后,针对悬架系统难以建立精确数学模型而最终影响控制器控制效果的问题。本文提出了一种基于微分估计的数据驱动无模型控制主动悬架减振控制设计方法。通过对所设计的数据驱动无模型控器进行仿真验证表明,所设计的控制器能使悬架系统输出信号有效追踪理想信号,从而达到悬架系统减振控制的目的。并且能够有效克服悬架系统中存在的非线性特性以及不确定性对控制效果的影响。全文研究及仿真实验表明,悬架系统的非线性特性以及系统存在的不确定性会在一定程度上影响控制器在实验中的控制性能。通过将基于非线性模型设计的模型参考反演控制主动悬架控制器和基于微分估计的数据驱动无模型控制主动悬架控制器搭载到一种蕴含随机噪声信号的悬架中进行仿真可以看到,基于模型设计的主动悬架控制器受随机噪声信号的影响,在冲击路面激励下车身垂直加速度均方根值上升39.46%,在正弦路面激励下车身垂直加速度均方根值上升30.83%;反观基于微分估计的数据驱动无模型控制主动悬架控制器的控制性能未受到添加的随机噪声信号的影响。进而表明数据驱动无模型控制器能够有效克服悬架系统中的不确定性及非线性对主动悬架控制器实际性能的影响。然而因为是基于数据的控制设计,所以其对测量数据的精度有较高的要求,得到相对精确的测量数据依旧是一个难点。总体而言,该数据驱动无模型控制主动悬架减振控制设计能在主动悬架减振控制设计中起到一定的参考意义。
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