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全地形车是针对恶劣环境和复杂地域设计的特种车辆,具有快速、机动和灵活的特性,在人员输送、装备和后勤物资保障等方面发挥着重要作用。现有全地形车悬架大多采用弹簧和阻尼器并联的独立悬架结构,由于性能参数固定,不能适应载荷和行驶工况的变化,其越野性能不能满足作战需求。以磁流变材料为基础的智能悬架系统具有阻尼连续可控、响应速度快、能耗低等优点,能根据复杂路面的变化自适应地衰减路面传递到车身/人体的振动,成为全地形车悬架系统发展的重要方向。
全地形车磁流变悬架控制系统研究尚处于起步阶段,在实际应用中还存在信息获取、系统参数不确定性、执行器时滞等亟待解决的问题:一是行驶工况复杂导致姿态辨识困难和传感器存在噪声或异常导致姿态误判;二是装载质量与出行任务相关和磁流变阻尼器阻尼系数随其速度变化导致系统模型中存在参数不确定性;三是控制系统中存在由磁流变阻尼器力值响应引起的执行器时滞,该时滞的存在会降低甚至恶化设计控制器的控制性能。论文针对以上三个主要问题开展研究,主要内容如下:
①分别建立了基于车辆动力学的整车非线性化模型和基于实车试验数据的Carsim整车非线性模型,根据全地形车在越野路面行驶时的姿态变化范围,确定了整车非线性化模型的线性化条件;基于相关分析法研究线性误差对线性化模型的影响,讨论了全地形车磁流变悬架线性模型的不确定参数来源及其范围。
②针对全地形车在越野路面上不同运动模态的高耦合导致行驶工况辨识困难的问题,提出了一种基于多传感器信息融合技术来实现行驶工况的辨识。采用改进的距离评估法确定了与行驶工况相关联的各类特征传感器及特征值,并设计了辨识规则。针对传感器信号存在噪声和异常值等不确定因素,采用D-S合成规则对基于特征层融合方法的辨识结果进一步融合,并基于可行区间的决策规则得到辨识结果。在此基础上利用Carsim整车仿真平台,对基于特征层融合的辨识方法和基于D-S证据理论的辨识方法进行了比较分析。
③针对全地形车整车动力学线性模型中存在磁流变阻尼器粘滞阻尼系数和车身装载质量的参数不确定性问题,采用范数有界不确定模型对不确定参数进行建模,以悬架系统时域硬约束条件和系统H?性能指标为目标,基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术设计了一种基于状态反馈的鲁棒H?控制器,保证在参数摄动和扰动未知有界的情况下系统H?性能小于给定值;同时针对控制器中部分状态不可测,设计了一种H?观测器进行状态预估,解决了传统观测器的观测精度受模型参数不确定和扰动影响的问题。最后通过Matlab/Simulink仿真验证所提算法的控制效果。
④考虑全地形车磁流变悬架控制系统的执行器时滞问题,将全地形车磁流变系统等价为一个具有有界不确定参数的时滞系统。为了降低设计控制器的保守性,基于Lyapunov-Krasovskii稳定性理论得到了时滞不确定系统的时滞依赖稳定性条件,利用线性矩阵不等式技术将其转换为凸优化约束问题进行求解,获得控制器的控制增益。同时针对该时滞不确定系统,设计了一种H?观测器,使得其对所有的可容许的不确定参数和时滞,均具有良好的观测性。最后通过Matlab/Simulink仿真验证所提算法的控制效果。
⑤搭建了全地形车磁流变悬架硬件控制系统,编写了鲁棒时滞H?控制器的软件代码,开展了含簧载质量参数不确定和磁流变阻尼器时滞的实车道路控制试验研究,验证了论文所提出的鲁棒时滞H?算法的实时控制效果。
该论文的研究对推动磁流变技术在全地形车等军用车辆中的应用具有重要的理论指导意义和实际参考价值。
全地形车磁流变悬架控制系统研究尚处于起步阶段,在实际应用中还存在信息获取、系统参数不确定性、执行器时滞等亟待解决的问题:一是行驶工况复杂导致姿态辨识困难和传感器存在噪声或异常导致姿态误判;二是装载质量与出行任务相关和磁流变阻尼器阻尼系数随其速度变化导致系统模型中存在参数不确定性;三是控制系统中存在由磁流变阻尼器力值响应引起的执行器时滞,该时滞的存在会降低甚至恶化设计控制器的控制性能。论文针对以上三个主要问题开展研究,主要内容如下:
①分别建立了基于车辆动力学的整车非线性化模型和基于实车试验数据的Carsim整车非线性模型,根据全地形车在越野路面行驶时的姿态变化范围,确定了整车非线性化模型的线性化条件;基于相关分析法研究线性误差对线性化模型的影响,讨论了全地形车磁流变悬架线性模型的不确定参数来源及其范围。
②针对全地形车在越野路面上不同运动模态的高耦合导致行驶工况辨识困难的问题,提出了一种基于多传感器信息融合技术来实现行驶工况的辨识。采用改进的距离评估法确定了与行驶工况相关联的各类特征传感器及特征值,并设计了辨识规则。针对传感器信号存在噪声和异常值等不确定因素,采用D-S合成规则对基于特征层融合方法的辨识结果进一步融合,并基于可行区间的决策规则得到辨识结果。在此基础上利用Carsim整车仿真平台,对基于特征层融合的辨识方法和基于D-S证据理论的辨识方法进行了比较分析。
③针对全地形车整车动力学线性模型中存在磁流变阻尼器粘滞阻尼系数和车身装载质量的参数不确定性问题,采用范数有界不确定模型对不确定参数进行建模,以悬架系统时域硬约束条件和系统H?性能指标为目标,基于Lyapunov稳定性理论和线性矩阵不等式技术设计了一种基于状态反馈的鲁棒H?控制器,保证在参数摄动和扰动未知有界的情况下系统H?性能小于给定值;同时针对控制器中部分状态不可测,设计了一种H?观测器进行状态预估,解决了传统观测器的观测精度受模型参数不确定和扰动影响的问题。最后通过Matlab/Simulink仿真验证所提算法的控制效果。
④考虑全地形车磁流变悬架控制系统的执行器时滞问题,将全地形车磁流变系统等价为一个具有有界不确定参数的时滞系统。为了降低设计控制器的保守性,基于Lyapunov-Krasovskii稳定性理论得到了时滞不确定系统的时滞依赖稳定性条件,利用线性矩阵不等式技术将其转换为凸优化约束问题进行求解,获得控制器的控制增益。同时针对该时滞不确定系统,设计了一种H?观测器,使得其对所有的可容许的不确定参数和时滞,均具有良好的观测性。最后通过Matlab/Simulink仿真验证所提算法的控制效果。
⑤搭建了全地形车磁流变悬架硬件控制系统,编写了鲁棒时滞H?控制器的软件代码,开展了含簧载质量参数不确定和磁流变阻尼器时滞的实车道路控制试验研究,验证了论文所提出的鲁棒时滞H?算法的实时控制效果。
该论文的研究对推动磁流变技术在全地形车等军用车辆中的应用具有重要的理论指导意义和实际参考价值。