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原文传递油气悬架非线性参数识别及其含约束的半主动非线性控制研究

论文题名：	油气悬架非线性参数识别及其含约束的半主动非线性控制研究
关键词：	油气悬架;参数识别;非线性控制;状态观测器;可靠性分析;台架实验
摘要：	随着现代车辆电子控制技术的发展，半主动悬架打破了传统悬架系统内在的局限性，拥有主动悬架无法兼顾的成本和性能，在车辆中得到广泛的应用。油气悬架具有较为复杂的非线性力学行为，以往主要集中在油气悬架特性的研究，其半主动控制也多以线性控制为主。为了提高其控制性能，迫切需要结合油气悬架特点提出一种有效的非线性控制方法。同时，与仿真模型相比，实际车辆会受到各种各样因素的影响，如参数的不确定性、传感器的噪声、状态观测器估计结果的不准确、作动器的延迟等，这些都导致实际控制结果与模拟控制结果存在较大的误差，甚至难以真正地用于实际，如何充分地模拟这些不确定性对控制结果的影响并尽可能地减小它们的影响，是当前控制领域需要解决的一大难题。特别地，目前油气悬架多安装在工况复杂、环境恶劣的非公路车辆中，对于油气悬架这类高度复杂的非线性系统而言，这些问题尤为突出。对此，本文在国家重点研发计划以及企业委托项目的驱动下，致力于在矿用自卸车上开发油气悬架半主动控制系统，实现车辆与油气悬架参数的最佳匹配，改善并提升车辆的平顺性和操纵稳定性，形成兼顾时频域特性提取的非线性参数识别方法及含约束的半主动油气悬架系统的非线性无状态控制方法，为非线性参数识别及非线性控制器的设计提供理论依据。本文主要研究内容如下：　　(1)兼顾时频域特性提取的非线性油气悬架参数识别。建立含非线性油气悬架车辆动力学模型，研究基于逆傅里叶变换法（InversefastFouriertransformation，IFFT）法的路面时域建模方法和基于小波分析的数据处理方法，构建兼顾时域和频域特性量提取的参数识别优化模型，采用智能模拟退火算法进行优化，提出兼顾时频域特性提取的非线性油气悬架参数识别方法。识别的定量与定性分析表明了良好的准确性可靠度，为综合考虑时域和频域的非线性油气悬架或其他非线性振动系统识别提供了一种有效解决方案。　　(2)含约束的半主动油气悬架车辆建模及其非线性控制。建立半主动油气悬架车辆动力学模型，结合线性等效刚度和线性等效阻尼构造非线性项最小化的车辆动力学方程。在此基础上，建立含作动器约束的最小化实际与理想整体控制力的优化模型，实现非线性控制向线性二次最优控制的最佳逼近，提出含约束的半主动油气悬架的非线性控制方法。油气悬架控制仿真结果对比分析表明它的优越性，实现了无约束非线性控制与作动器有约束的有效结合，能够不断地逼近线性二次最优控制的解，获得了综合性能良好的控制效果。　　(3)状态观测器的设计与分析。给出龙伯格状态观测器和卡尔曼滤波观测器计算方法，对比三种工况下这两种观测器的估计效果，展现它们各自的优势及其估计精度的差异。综合估计精度、数值稳定性、仿真模拟效率等角度考虑，选用龙伯格状态观测器用于系统状态的估计来进行控制系统的设计，为结合平均化技术实现状态观测器与非线性控制之间有机的结合，建立更为简单、实用的无状态控制律奠定基础。　　(4)半主动油气悬架非线性无状态控制方法。为降低控制系统的参数、减小中间环节的误差传递、提高控制系统的可靠性，研究半主动油气悬架非线性控制与状态观测器有机结合的推导过程，获得约化中间状态的半主动油气悬架非线性无状态控制律，直接建立控制量与历史输入输出的关系，提出了半主动油气悬架的非线性无状态控制方法。仿真对比结果表明：①非线性无状态控制在很大程度上克服了状态估计器估计不够准确的问题。②除悬架动行程外，非线性无状态控制均优于天棚控制和被动控制的性能指标；③与其他几种控制方法相比，非线性无状态控制响应更为平滑，综合控制性能最好。此外，含约束的半主动非线性无状态控制演化分析结果表明：非线性无状态控制通过适当地调节统计长度，可以退化为含约束的非线性控制问题，表明它具有向下兼容的能力，具有较强的适用性，扩展了控制器的使用范围。　　(5)非线性油气悬架模型验证、控制可靠性分析及台架实验。根据本文非线性油气悬架的数学模型，再现权威文献提供的实验结果，对比验证了非线性油气悬架数学模型的准确性。根据可靠性分析理论，结合半主动悬架系统控制的性能指标，利用蒙特卡洛采样和并行化计算工具，分析了不确定参数下半主动悬架系统非线性无状态控制结果的可靠性。搭建半主动悬架系统控制试验台架，为进一步研究半主动非线性控制的实际效果奠定了基础。　　通过开展了非线性油气悬架建模、仿真、参数识别及其控制研究，形成了兼顾时频域特性提取的非线性参数识别方法、含约束的半主动油气悬架系统的非线性无状态控制方法、参数不确定性下非线性控制仿真的可靠性分析方法，为不确定参数下可控悬架系统可靠性分析提供了一种有效的评估手段，也为非线性参数识别与非线性控制器的设计提供了理论依据。
作者：	伍建伟
专业：	机械工程
导师：	孙蓓蓓
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022