基于免疫算法的汽車主動懸架控制技術(shù)研究.pdf

1、懸架是汽車的重要總成之一，其功能是緩和路面不平引起的沖擊和振動、保持輪胎與路面的附著力，從而改善平順性和操縱穩(wěn)定性。被動懸架振動系統(tǒng)的主要參數(shù)是彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)，它們在設(shè)計時是按某種特定工況下其平順性和操縱穩(wěn)定性綜合性能最優(yōu)來選取的，一旦選定后通常不能改變。由于其特性參數(shù)不能根據(jù)使用工況和路面輸入的變化來進(jìn)行控制調(diào)整，因而難以滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性的更高要求，其性能的進(jìn)一步提高受到限制。隨著電子控制技術(shù)的發(fā)展，為了克服被動懸

2、架的缺陷，改善汽車懸架的性能，近年來國內(nèi)外學(xué)者深入開展了汽車主動懸架系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究。 目前，汽車主動懸架的研究大多基于懸架系統(tǒng)的簡化模型，此簡化模型雖然能夠表達(dá)真實懸架的一些基本特性，但未考慮懸架結(jié)構(gòu)的非線性因素的影響，使得用名義參數(shù)(即真實系統(tǒng)各零部件的特性參數(shù))表征的簡化模型不能很好地等效于真實的懸架系統(tǒng)。同時，由于汽車懸架系統(tǒng)是一個復(fù)雜、時變、不確定的非線性系統(tǒng)，很難獲得其精確的數(shù)學(xué)模型，且汽車受到的路面激勵也具有

3、隨機(jī)性。采用基于模型的傳統(tǒng)控制(包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論)，無論是線性控制還是非線性控制均難以很好地控制汽車主動懸架系統(tǒng)。因此，不需要精確數(shù)學(xué)模型，決策方式靈活機(jī)動，具有較強(qiáng)魯棒性的智能控制顯示出明顯的優(yōu)勢，它能實現(xiàn)對復(fù)雜不確定系統(tǒng)的控制，非常適用于具有隨機(jī)擾動和復(fù)雜數(shù)學(xué)模型韻汽車懸架系統(tǒng)。目前實現(xiàn)智能控制常用的技術(shù)有：模糊邏輯、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法以及它們的混合技術(shù)等，其中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法是從人體信息處理系統(tǒng)的腦神經(jīng)系

4、統(tǒng)和遺傳系統(tǒng)發(fā)展起來的，其研究及其應(yīng)用已取得了一定的成效。但其仍有許多不足，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值難以確定且易陷入局部最優(yōu)；遺傳算法雖然具有全局搜索能力，但局部搜索能力不是很有效，且在處理復(fù)雜、混淆和多任務(wù)問題時不夠靈活，進(jìn)化后期收斂速度緩慢，從而影響到控制效果。 免疫系統(tǒng)作為人體信息處理系統(tǒng)的四個子系統(tǒng)之一，具有對抗原的多樣性識別能力；具有自我調(diào)節(jié)功能，能根據(jù)抗體間的親和度調(diào)節(jié)抗體濃度，避免陷入局部最優(yōu)解；具有記憶功能，能夠在動

5、態(tài)環(huán)境中維持自身的穩(wěn)定，是一個非常魯棒的自適應(yīng)系統(tǒng)，可以處理各種擾動和不確定性。免疫系統(tǒng)的這些性質(zhì)為其在汽車主動懸架控制系統(tǒng)中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。為了進(jìn)一步提高汽車主動懸架系統(tǒng)的性能，本文基于生物免疫系統(tǒng)的基本特性，將免疫系統(tǒng)與控制系統(tǒng)相結(jié)合用于汽車主動懸架控制系統(tǒng)。首先，將免疫算法用做輔助用途，用于汽車懸架系統(tǒng)輔助建模與輔助學(xué)習(xí)模糊控制器，以獲得能較真實反映實際系統(tǒng)的汽車懸架簡化模型，解決模糊控制器設(shè)計過分依賴專家經(jīng)驗知識，導(dǎo)致設(shè)計困難

6、的問題：其次，基于控制的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，模仿控制器，提出了汽車主動懸架的免疫控制策略；最后，基于ADAMS/View和Hydraulic，建立了汽車主動懸架的液壓伺服系統(tǒng)的虛擬實驗仿真平臺，并利用ADAMS/Control模塊的接口實現(xiàn)與Matlab/Simulink的聯(lián)合仿真，實現(xiàn)了免疫控制策略的虛擬實驗驗證。論文主要研究工作和創(chuàng)新點如下： 1．根據(jù)汽車主動懸架的研究模型大多基于簡化模型，且簡化模型的參數(shù)是名義參數(shù)，未考慮懸架結(jié)構(gòu)

7、型式的非線性特性的情形，提出了汽車懸架系統(tǒng)參數(shù)的免疫辨識方法。研究結(jié)果表明，免疫辨識方法的辨識精度好于遞推最小二乘法，當(dāng)輸入輸出信號存在一定能量的干擾時，遞推最小二乘法失去了辨識能力，而免疫辨識仍然能得到較好的結(jié)果，說明其具有較好的抗干擾能力。 2．提出了汽車主動懸架的免疫控制策略，并分別就三種不同編碼(二進(jìn)制、十進(jìn)制和DNA編碼)方式的免疫控制策略做了對比研究。仿真研究表明，基于十進(jìn)制編碼的汽車主動懸架的免疫控制策略效果最優(yōu)，

8、但其速度較慢?；诙M(jìn)制和DNA編碼的免疫控制策略其控制速度相差不大，但后者的控制效果明顯好于前者?；贒NA編碼的免疫控制策略，其控制效果和速度綜合指標(biāo)優(yōu)于十進(jìn)制和二進(jìn)制兩種編碼的免疫控制策略，為最佳選擇。 3．提出了汽車主動懸架的混沌免疫控制策略。結(jié)果表明，混沌免疫控制策略的控制平穩(wěn)性要優(yōu)于免疫進(jìn)化控制，即基于十進(jìn)制的免疫控制策略。 4．針對模糊控制器的設(shè)計過分依賴專家經(jīng)驗，導(dǎo)致其設(shè)計困難的問題，提出了基于免疫算法的

9、汽車主動懸架模糊控制器的設(shè)計方法。仿真研究表明，采用免疫算法優(yōu)化得到的模糊控制器其控制效果與手動調(diào)試的效果相當(dāng)；抽取多余模糊規(guī)則后得到的模糊控制器，其控制效果要優(yōu)于全規(guī)則模糊控制器。該設(shè)計方法避免了手動試錯調(diào)試的繁瑣，提高了設(shè)計效率，特別是對高維模糊控制器的設(shè)計具有一定的實用價值。 5．考慮到免疫控制的實時性和模糊控制輸入的單一性，將兩者結(jié)合，提出了免疫模糊控制策略。研究發(fā)現(xiàn)，該控制方法兼有免疫控制和模糊控制的優(yōu)點，其控制效果優(yōu)

10、于兩者單獨控制作用的效果。 6．由于汽車主動懸架的實驗研究 (無論是簡單的模型實驗還是復(fù)雜的實車試驗)都很復(fù)雜且需要投入大量資金。同時，在研究過程中，往往需要研究機(jī)構(gòu)、大專院校和一些公司等多家單位的通力合作才能進(jìn)行。針對這一情況，設(shè)計了基于ADAMS/View和Matlab/Simulink的汽車主動懸架的虛擬實驗仿真平臺，并進(jìn)行了如下兩方面的研究： (1)為了驗證設(shè)計的汽車主動懸架的虛擬實驗仿真平臺的有效性，基于ADA

11、MS/Control模塊，采用PID控制，假設(shè)主動懸架上作用一理想的控制力和液壓伺服系統(tǒng)產(chǎn)生的作動力，對汽車主動懸架進(jìn)行了控制研究。結(jié)果表明，兩種情形下的汽車主動懸架控制結(jié)果具有良好的一致性，說明所設(shè)計的含液壓伺服系統(tǒng)的汽車主動懸架虛擬實驗臺是可行的。該虛擬實驗方法可以縮短實驗周期，減少實驗費用，為汽車主動懸架控制算法的研究提供了一種有效的分析手段，能為下一步在真實的主動懸架實驗臺上實施起到理論指導(dǎo)作用。 (2)利用上述驗證了的虛擬實驗