文摘

分析比较性能的主动防侧摆杆(ARB)系统使用两种类型的控制策略。首先,LQG控制策略研究,然后小说LQG CNF融合控制方法提出了改进表现在车辆行驶和操纵主动防侧摆杆系统。然而,ARB系统必须平衡之间的权衡骑和处理性能,在CNF由一个线性反馈法和非线性反馈法。通常,线性反馈的目的是产生一个快速反应的初始阶段,而非线性反馈法是用来消除过冲的系统输出接近目标时参考。半车模型结合线性单线模型与辊动力学用于骑和处理的分析和仿真。控制策略的性能进行了比较,仿真结果表明LQG CNF融合提高了车辆行驶和操纵性能。

1。介绍

汽车是由许多系统。其中之一是防侧摆杆系统。汽车防侧摆杆系统的主要功能是提供工具支持,稳定,和换向期间处理演习,从道路干扰提供有效隔离。除此之外,防侧摆杆悬挂元件,用在前面,后面,或一辆车,减少身体的两端辊通过抵制任何不平等之间的垂直运动的一对轮子连接(1]。图1显示了插图的防侧摆杆与左、右车轮。

地面车辆的设计通常代表之间的权衡行驶舒适性能和安全标准。骑和处理是在车里的一个关键属性,直接沟通,客户满意度的看法(2]。平顺性被定义为有经验的旅客的舒适度数值的形式,也就是说,加速度加权均方根(RMS) (3,4]。同时,处理性能是由处理质量,也与驾驶员的主观感受和客观测量车辆的特征。不幸的是,这些属性之间存在权衡和汽车工程师面临的挑战是让一辆车好骑,一个好的处理在同一时间。许多研究已经完成有源系统来解决这个交易。有些喜欢发展主动制导悬架系统,而另一些人则更喜欢专注于推进防侧摆杆。然而,从制造商的角度来看,成本的关键因素。在这个因素,防侧摆杆系统的优势,因为它可以提供解决方案骑和处理权衡成本较低而主动制导悬架系统。

基本上,被动防侧摆杆(ARB)具有减少身体翻滚加速度和横摇角在单轮升降和转弯机动。通过减少身体滚动运动,将高度提高驾驶安全性和操纵稳定性(5]。然而,被动防侧摆杆也有缺点。在转弯机动,防侧摆杆将垂直悬挂的一侧的力量转移到另一边,因此创建对侧向力的时刻。不幸的是,在直线行驶,道路违规引起的侧向力也会得到同样的效果的转弯机动引起的,因此运行舒适感恶化。传统的被动悬架系统,它由弹簧和阻尼器,代价是需要解决的矛盾要求行驶舒适和更好的处理性能。原因是僵硬的悬架需要支持车辆的重量和跟踪。另一方面,软的悬架需要从道路隔离干扰。因此存在一个显著越来越感兴趣活动ARB悬架系统的设计和控制汽车工程师和研究人员在过去三十年4]。因此,积极开发防侧摆杆提高被动防侧摆杆的缺点,同时增加舒适性和操纵稳定性。

各种解决方案研究了妥协之间的权衡和处理。这些解决方案包括被动悬架系统,半活性悬挂系统、主动悬架系统,防侧摆杆。但防侧摆杆最近已成为非常受欢迎的研究人员解决的问题之间的权衡骑和处理(6,7]。Cronje和Els)研究了主动防侧摆杆的影响在越野车辆的平顺性和处理8]。他们还分析了主动防侧摆杆的使用作为一种改善越野车辆的处理不牺牲舒适。

在地面车辆平顺性和操纵稳定性相互冲突车辆悬架系统很难同时追赶他们。然而,Danesin等人已经成功地设计了一个主动辊控制系统来提高处理和运行舒适感(9]。为了提高车辆的性能在这个领域有关,很多控制方案提出了计算机控制悬架系统的框架如主动或半活性悬挂系统(4,5]。一些研究调查使用预览控制预测潜在的好处。

此外,控制系统的设计策略的电动助力转向(EPS)考虑避免副作用的活跃ARB的转向系统的反应部队前轮胎由于轧辊刚度控制活动ARB提出了山本和西村10]。Gain-scheduled (GS)控制设计EPS中使用方法正确地帮助司机在指导根据车辆速度,实现液压动力转向(HPS)像方向盘的感觉。活动获得ARB使用线性二次控制理论为了平衡竞争目标减少辊在转弯和滚动振动的抑制在崎岖不平的道路10]。一个活跃的ARB的致动器可以积极生成了ARB扭矩的中心。验证,设计的控制系统可以解决滚动振动的道路上比普通悬架的车辆模型更快,同时减少稳定在转弯横摇角。此外,电动ARB系统已经开发作为控制车辆横摇角的技术性能(11,12]。各种传感器检测车辆的运行状态,一个活跃的ARB使用电动马达和减速齿轮控制辊,包括在系统。

然而,CNF控制律实现到目前为止还没有活跃的ARB悬架系统。这让我们应用CNF控制技术提高表演活动ARB的系统作为本研究的贡献。CNF控制技术是一种非线性方法适用于线性定常系统的控制设计具有输入饱和。CNF控制技术提出了在13),并有效地实现(14,15]。有两个部分的CNF控制律,如线性控制律和非线性反馈的部分。这样的CNF控制律可以显著提高跟踪和调节性能的闭环系统的CNF控制技术利用优势的低和高damping-ratios顺利切换。

通过使用等方面,Gosselin-Brisson等人设计了一个主动防侧摆杆使用全状态反馈最优控制策略。这种控制方法的所有状态变量必须以电子传感器。控制器使用四种不同的测量方法被证明是更有效的比任何车辆被动系统研究。选择的ARB刚度的基础上选择合适的参数,提出了一个图形化的方法。活跃的ARB控制器设计了解决,提出简化控制器。结果显示在平顺性和处理或稳定性能优越的主动控制器在感兴趣的频率范围的时间范围16]。

摘要CNF控制技术成功地应用于设计ARB控制器。在仿真结果证实了所设计的控制律。仿真结果表明,改进的主动ARB系统性能使用CNF LQG相比LQG技术。本文分为四个部分的轮廓。在下一节中,一个活跃的ARB系统的动态数学模型。控制技术和设计应用于主动ARB系统设计控制律的部分3。仿真和比较结果将在部分4最后,得出结论。

2。数学建模

这个模型代表了车辆悬架系统的前视图,如图2。它包括四个自由度(自由度)模型独立悬挂,而不是三个自由度在文献中常用的左翼和右翼簧下质量只模仿一个轴。对于这个工作,车辆认为具有相同的参数对左、右两侧,这通常是正确的。轮胎阻尼是忽略了在这个模型。簧载质量的重力中心(CG)中间的轨道。

辊运动期间,车辆绕簧上质量辊中心(RC)。这个点的位置是一个函数的悬架几何、车辆底盘高度和横摇角。随着簧上质量在轧辊和起伏,RC运动幅度取决于悬架几何。作为一般规则,大型钢筋混凝土运动可能妥协稳定,应该避免。在这项研究中,RC位置保持和固定的简化模型。参数对应于簧上质量重心之间的距离和簧上质量RC。力用于控制汽车簧载质量。

车辆悬架模型是基于半车模型与辊前视图和单线模型动力学发展从自行车模型。

2.1。半车模型

半车模型解释了之间的关系的身体反弹,身体横摇角,左、右车轮跳,道路荷载。然后,这个模型的运动方程结合单线模型与辊动力学设计四自由度车辆动力学模型如下。

身体垂直加速度

左车轮垂直加速度

右车轮垂直加速度

辊加速半车模型

2.2。线性单线模型与动力学

最简单的车辆模型是线性单线模型,也称为自行车模型,得到近似前后对车轮作为单个轮子。模型如图3。假设转向角小,运动方程是由(17]。运动方程由转矩平衡在增强设在。以下方程。

横向运动

偏航率 在哪里和是合并后的前后轮胎侧向力,转动惯量在吗设在,和是距离前轮和后轮重心,然后呢偏航率。前轮和后轮的滑动角和可以近似为

输入到系统转向角而系统的输出是横向速度,角速度,滚转率。传递函数方程单线与辊动力学系统模型编写如下。

横向加速度

偏航加速度是

辊加速单跟踪模型

2.3。悬架模型

分析了三种不同的情况下,被动悬架没有ARB,被动悬架和被动ARB, ARB和被动悬架与活跃。每种情况下是由不同的辊控制建模力方程。悬架是由弹簧和阻尼器的每一方。在这种情况下,辊控制力量消除,因为提供的只有滚刚度悬挂弹簧和阻尼器16]。在这里

被动悬架和被动ARB模型代表今天最常见的车辆使用。降低辊运动,ARB添加到悬架系统,增加了总刚度。ARB通常是由钢铁和行为像弹簧连接到左、右簧下质量。ARB力是一个函数的左右悬架挠度之间的区别。力是应用在吧台两侧的车辆,这样左力具有相同的大小和相反的方向是正确的。ARB刚度,,力对应 模型的被动ARB的力量和给出如下:

被动悬架的主动ARB,一般气动或液压活塞(18]使用;因此,由可控的模仿力。本系列驱动器放在用硬ARB。应用力大小相等但方向相反的被动ARB。然而,力大小计算的控制器。因此,部队应用如下:

三种不同的输入可以被应用到模型侧向力,离开道路运动,运动正确的道路。左派和右派的应用道路运动以同样的相位和振幅在纯粹的垂直运动类似于季度结果模型的行为。因为这个模型是广泛的研究文献中,没有详细的介绍。另一方面,一个轮的激励使价值的指示系统如何转移之路扰动从一边到另一边。自从ARB有明显的影响在这个转移,第一个案例研究是应用程序的道路运动输入到一个轮子。作为激励的应用程序不会改变响应幅值,输入是应用在正确的轮胎或路接口。

现实生活在地面车辆使用,转弯动作是不可避免的。轨迹的变化是通过创建一个横向加速度。由于响应车辆的悬架在这些动作稳定至关重要,横向加速度输入是第二例研究工作。

横摇运动是由车辆的横向加速度,这取决于速度和圆角半径。的方式类似于路扰动,力的方向只改变响应的方向自车辆是对称的。对于这个工作右转模拟导致左在簧载质量加速度创建一个力CG。由于力是应用在远处从旋转中心的时刻创建在簧载质量级给出如下:

3所示。控制器设计

3.1。线性二次高斯

LQG控制设计理论是众所周知的,并总结如下。

考虑过程的状态空间模型的形式 在哪里,,,而和分别是白色的不相关的过程和测量噪声。等的状态反馈版本,它假定整个国家可以测量,因此可用于控制。的状态反馈控制器 在哪里增益矩阵和受到的二次成本函数最小化 在状态加权矩阵是对称正定矩阵和控制权重矩阵是对称正定矩阵。

增益矩阵是解决矩阵黎卡提微分方程以给定的值,,,,给出的 如果然后是恒定的;黎卡提微分方程可以简化为 的解决方案是由增益矩阵 受被积和是正定和半正定。没有不可见的模式在虚轴上。

等部分保证闭环稳定性与加权矩阵的合适的选择和变量(19- - - - - -21]。因为并不是所有状态参数可以直接测量,估计是用于整个状态向量对工厂的产量。给出的估计量 在哪里估计滤波器增益矩阵给出吗

协方差向量估计状态变量是通过解决代数黎卡提微分方程: 在哪里和是工艺流程和传感器噪声协方差。

3.2。复合非线性反馈控制器

复合非线性反馈控制是一种非线性控制技术,它包含构成一个线性反馈法和非线性反馈没有任何开关元件。换句话说,在这种类型的线性和非线性法算法同时工作。在这种方法中,线性反馈的目标是得到一个小阻尼比的快速响应,同时没有超过执行机构限制的性质。与此同时,对于非线性反馈,它的目的是提高系统阻尼比为目标参考输出方法来避免过度发生(19,20.]。

有一些研究人员努力更概括出来的版本,可以实现高阶在多输入多输出(MIMO)配置以来探索的CNF线性二阶系统对于输入和输出)植物在文献综述部分集中讨论。此外,CNF算法得到了增强,以满足外部干扰在几个报纸报道。虽然CNF技术相当成熟的求解一般线性系统,它不是足够健壮解决所谓的不确定性参数变化可能发生在最典型的控制装置(21]。

对于这个古典CNF技术,控制植物被认为是没有外部干扰。一个线性连续时间系统与执行机构饱和状态空间一般可以表示如下: 在哪里,,,状态向量,控制输入,输出,测量和控制的输出向量,分别。,,,适当维常数矩阵,坐:可以被定义为代表执行机构饱和

在(26),是执行机构的饱和电平输入。应用CNF,以下系统矩阵的假设是:(1) 是可控(积);(2) 可观测(检测);(3) 是可逆的,没有不变的零。在这个研究中,控制器的设计是基于状态反馈的情况的假设是所有国家植物可用来衡量,尽管在大多数情况下,观察者需要估计不可估量的。涉及三个步骤的CNF设计线性反馈设计最优回应,非线性反馈设计,防止过度,最后合并两个反馈一起工作。这些步骤的详细信息如下。

步骤1。设计一个线性反馈法: 在哪里是零和选择这样和闭环系统渐近稳定有一定的低阻尼比等所需的属性。选择矩阵使用优化方法并不是唯一的,可以发现这样的吗和方法。此外,矩阵是标量,是由

步骤2。设计一个非线性反馈法: 在哪里任何非正的局部李普希茨在吗如。这个函数是用来改变阻尼系数时闭环系统的输出方法给出的参考。这个非线性函数不是独一无二的,有解决方案获得最优值的调优参数将在稍后解释。矩阵存在自是渐近稳定的,可获得以下李雅普诺夫方程: 有适当的方法找到合适的值作者提出的正定为陈et al。13];但是在这个研究中,是简化矩阵的身份。以其他的术语来说,平衡点获得的是 在哪里

步骤3。结合线性和非线性反馈法: 在这个研究中,调优参数和随着局域网等人提出的。22将使用)。第一个参数可以通过设置一个期望的闭环系统的阻尼比: 而最优值获得通过求解最小化的一些明显的标准,如积分的绝对误差(IAE)和积分time-multiplied误差的绝对值(ITAE)可以写成: 在哪里

4所示。结果和讨论

4.1。设计基于复合非线性反馈的主动防侧摆杆系统

本节将介绍提出的控制策略的设计过程。活跃的ARB控制器的目标是拒绝干扰和提高横摇角、滚转角速度响应接近于零。三种类型的扰动被用于这项工作,鱼钩,单一正弦和减速带。

这项工作中使用的控制器是线性二次高斯(LQG)和复合非线性反馈控制器(CNF)。这些控制器设计和优化生成的输入转矩控制主动ARB系统。图4显示了一个框图配置的组合使用CNF控制器,控制器等方面,卡尔曼滤波器估计补偿器。这个解决方案在设计LQG控制器是基于分离原理等方面的独立控制器和卡尔曼滤波器的设计,然后结合形成了LQG补偿器。卡尔曼滤波器是一个典型的应用程序和可行的评估方法,可以融合多个感官测量提供一个精确的位置估计(23]。

CNF控制器,它有两个部分的线性部分和非线性反馈部分的反馈。线性反馈的目的是让一个小阻尼比的快速响应和非线性反馈是旨在提高阻尼比系统输出趋向目标参考,以避免过度(24,25]。在这项研究中,目标参考是零。

线性控制律的防侧摆杆被定义为转矩 在哪里 的价值获得从李雅普诺夫方法(30.)。

然后,美国

4.2。参数调优和LQG CNF控制器

(1)获得等监管机构:使用布赖森的规则方法 (2)获得LQG:用直观的方法 (3)状态反馈增益矩阵控制器增益的线性部分CNF获得阻尼比为基础,设定在0.67和使用等方面的优化方法。首先,使用直观的方法获得等方面的调整。然后,优化设计,直到阻尼比的变化是找到的增益值设定在0.67一个矩阵。的参数可以找到绝对误差的积分(IAE)方法。与此同时,一个最优通过设定期望的闭环系统的阻尼比。表1显示数值参数CNF控制器获得在这些流程。

4.3。仿真结果

两种模式和水平转弯演习和公路控股扰动被认为是评价设计控制器的性能。此外,通过比较执行的比较与LQG LQG CNF融合的结果。三种类型的输入干扰模式是使用单一正弦,鱼钩,减速带测试。数据5,6,7显示所使用的三种类型的测试。

控制器设计和优化实现他们的表现相应的扭矩减少身体横摇角和身体滚转率。从这些模拟,因此,车辆使用活跃ARB LQG CNF融合控制策略具有良好的骑在同一时间和处理。

此外,核实和调查的有效性提出的控制方法,计算机模拟进行了基于Matlab软件和输出响应的横摇角和滚转率与输出信号之间的不同的控制策略。

4.4。路简介

路扰动的特点,为系统如图5和概要文件的道路减速带信号40公里/小时的速度和频率14.815赫兹,和时间延迟是0.18秒。

4.5。演习

各种模式和水平转弯演习被认为评估横摇角的表演和滚转率以及控制器的鲁棒性设计。使用两种类型的输入模式,单一正弦输入2 rad的振幅和鱼钩信号振幅为1.755 rad。图6显示了这两种类型的转向输入。

这一趋势表明,进一步改善平顺性和处理性能带来类似的模式,但过度的价值是不同的使用不同类型的控制器。数据7和8虽然图显示信号响应处理情况9显示了骑的信号表现情况。在处理情况下,它可以显示一个活跃的ARB系统使用质量低劣而LQG控制器是一个非常的测试也不如使用CNF和LQG控制器的组合。

数据7,8,9显示车辆侧倾角和滚转角速度响应的不同的测试鱼钩,减速带,单一正弦输入。图中可以看到7横摇角、滚转角速度响应是高度减少积极使用ARB系统LQG CNF融合而LQG控制策略。减少身体的横摇角的LQG CNF融合与LQG大约是74.2%,而滚转率提高,这个数字大约是66.7%。对图8身体有改善的最大横摇角之间的系统LQG CNF融合控制方案和LQG 75%,而对于身体滚转率约为72%。此外,对图9横摇角、滚转角速度反应略有减少的主动ARB系统用于LQG CNF融合与LQG控制器。身体横摇角减少约4.9%,滚转率提高11.54%相比LQG CNF融合和LQG控制策略之间的关系。因此,通过使用LQG CNF融合控制策略,横摇角的表演和滚转率在处理和道路试验更好的翻转车辆更与系统连接到LQG相比下降。从这些仿真结果,所使用的车辆主动ARB与CNF LQG控制器将减少乘坐舒适之间的权衡差距和提高处理在同一时间。从三个实验在这项研究中,它可以显示性能通过使用一个活跃的ARB系统LQG控制器结合CNF似乎更好。沉降时间更快,减少了过度。响应信号的改进计算通过使用比例换算公式。减少百分比计算的公式如下(见[3):

数据10,11,12显示三种不同的数值结果的测试对比LQG和LQG CNF融合控制策略。CNF的均方根值与LQG控制器比LQG下降。

本节介绍了拟议的控制器和仿真结果评估对控制器的性能在处理和性能。为了验证设计的控制器的有效性和性能,进行了各种模拟测试。仿真结果表明,LQG CNF融合控制方法是最好的控制策略与快速反应,降低沉降时间,减少超调,横摇角、滚转角速度和改善反应。

4.6。CNF参数变化的影响

名义CNF控制器的参数设置如表2每个参数的影响进行调查,然后各种如下。分析变化的测试输入CNF参数鱼钩,单一正弦和减速带测试。鱼钩的变异分析测试数据所示13和14针对单一正弦,而变异分析测试数据所示15和16。此外,减速带的变异分析测试数据所示17和18。

的价值是不同的从1到10的增量1。横摇角、滚转角速度大的反应过度在级更高。反应的变化变化如图所示13。

是不同的从1000年到10000年在1000年增加。如图14,得到一个较小的超调量的响应更大的大小。作为控制的非线性部分的反应是如何调整过度,预计更大意味着更好地控制和减少了过度反应的鱼钩测试。针对单一正弦变化分析测试也有相同的结果作为鱼钩测试。结果如图15和16。建立时间的横摇角和滚转率下降是放大,结果如图14和16。

此外,对减速带变异分析测试的结果数据所示17和18。作为增加,横摇角、滚转角速度有一个大的大小超过,,的值增加,反应速度撞击测试也得到较大的过度和沉淀时间却降低了。

它可以得出结论,由此产生的表现有差异变化分析之间的平顺性测试和处理测试。的差异变化的价值只有。对于平顺性测试,必须有较低的价值得到更少的过度和滚动角和滚转率快速沉降时间。同时处理测试的价值需要增加,减少超调量和快速沉降时间的横摇角和滚转率的反应。

5。结论

本文比较了不同类型的控制器的性能是系统LQG和LQG CNF融合控制策略。一个四自由度车辆模型已被用于车辆悬架系统模型。仿真模型的Matlab / SIMULINK仿真环境的防侧摆设计了四自由度车辆动力学模型是用来模拟提出了控制系统的一个活跃的ARB及其同行。结果的基础上,提出系统的性能能够达到更好的性能比其同行的横摇角和滚转率降低辊诱导策略。为未来的工作,更高级的控制结构和控制设计将调查在不同策略以提高车辆稳定性和这将不仅有利于车辆的处理方面,也导致车辆行驶舒适。优化的技术也将进一步研究来获得更好的性能。

车辆系统的术语

:	簧载质量重量
:	左非簧载质量重量
:	对非簧载质量重量
:	身体的位移
:	身体偏
:	离开轮位移
:	左车轮偏转
:	右轮位移
:	右车轮偏转
:	横摇角
:	滚转率
:	横向速度
:	长度为CG左车轮悬架
:	长度为重心向右车轮悬架
:	阻尼刚度
:	弹簧刚度
:	左轮胎刚度
:	正确的轮胎刚度
:	转向角
:	弹簧系数
:	获得等方面的监管机构
:	轧辊轴线转动
:	离开了悬浮力
:	对悬浮力
:	防侧摆杆刚度
:	辊中心
:	大众汽车
:	纵向速度
:	前面转弯刚度
:	后过弯刚度
:	前外侧轮胎力
:	后外侧轮胎力
:	惯性矩的设在
:	距离重心的前轮
:	距离重心的后轮
:	偏航率
:	前轮角
:	后轮的偏离角
:	高度
:	阻尼系数
:	防侧摆杆的扭矩
:	卡尔曼滤波器的增益。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是完全支持的马来西亚和马来西亚各种大学高等教育在德意志联邦共和国研究格兰特(投反对票。4 f370)和研究型大学格兰特(投反对票。00 g64)。这项工作由质子Sdn也支持。有限公司