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车辆油气悬架电液伺服加载系统控制方法研究

作　者: 张辉
导　师: 韩俊伟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 力学环境模拟液压加载台随机波复现正弦波复现自适应控制
分类号: U463.33
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

油气悬架系统具有功率密度高、安装空间小的优点，能提高车辆行驶时的舒适性和安全性，广泛应用于各种机动车及场内车辆中。油气悬架试验系统用于模拟重型车辆在不同路面条件和速度下悬架系统的动态响应，验证轮式车辆悬架及车桥的设计参数，提高悬架系统及车桥的可靠性。本文以哈尔滨工业大学电液伺服仿真及试验系统研究所承担的“油气悬架加载试验台”项目为背景，对油气悬架加载试验系统中采用的关键控制技术进行了理论研究和实验研究，研究成果对于提高系统控制性能及加载精度具有积极意义。文中建立了由电液伺服阀控缸系统和油气悬架组成的加载系统的数学模型，对油气悬架高度的非线性以及加载系统固有频率低、阻尼小的特点进行了分析。引入三状态控制策略，应用极点配置的方法对控制器参数进行设计，在保持系统稳定性的基础上拓展了系统的频宽，改善了系统的动态特性。设计了位置与加速度信号切换的输入滤波器，使系统保持性能不变的情况下，实现位置和加速度两种控制方式。通过仿真分析和实验测试，验证了三状态控制器的有效性和切换位置和加速度控制方式的可行性。主动驱动力加载结构是目前最为常用的加载结构，力传感器安装于加载系统与试验负载之间，检测加载时的弹性力和粘性力以及惯性力，其缺点是控制特性易受到负载刚度的影响。常规PID控制为了达到稳定性的要求，控制参数往往选取比较保守，系统性能受到制约。针对油气悬架的高度非线性，文中采取变结构的控制方法，选取含有位置、速度和加速度状态的滑模函数。利用指数趋近方式，使系统能够快速地稳定于平衡位置。基于Lyapunov稳定理论，设计了参数摄动和不确定量两种非线性环节的自适应律，结合自适应控制方式减小了滑模带的宽度，从而减小由于开关控制而引起的系统振动。仿真分析和实验验证了当负载刚度变化时，采用变结构滑模力加载控制策略的优势，为具有状态反馈的力加载控制系统提供了实用的控制方法。正弦信号是协调加载系统控制中常用的工程信号。在多通道同时对同一试件进行加载时，各通道响应正弦信号幅值和相位的差异会使实验结果与实际情况有着很大的差异。本文针系统对正弦信号的精确复现控制要求提出了基于单层双通道神经网络控制方法。采用LMS算法自动调整权值向量，使系统输出正弦波的幅值、相位与期望信号一致，从而实现正弦波信号的精确复现。通过对算法收敛性必要条件的分析，提出了归一化正弦波复现的控制方法。经仿真分析和实验研究，验证了该方法在收敛性和收敛速度方面的优势。时域波形复现与激振台架是实验室内再现路谱的必要条件。时域波形复现(TWR)的目的是将跑车场测试得到的车辆响应转化为激振台架的输入信号。传统时域波形复现方法采用频响函数迭代的方式，在非线性系统中应用时会变得不易收敛，耗费大量时间。本文提出了基于自适应逆控制的方法，降低迭代次数。应用递推最小二乘算法设计了能够实时辨识系统传递函数和阻抗函数，并在线调整系统逆函数的控制策略。经过仿真分析和实验，验证了控制算法的稳定性。根据加载系统的要求研制了包括液压源、机械部分、液压伺服加载部分和数字式控制系统在内的油气悬架加载试验台。采用Labview SIT快速控制原型技术设计了基于以上控制策略的数字式控制软件，对所设计控制策略进行了实验研究。实验结果验证了本文所提出的各种控制技术的有效性和先进性。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-14
第1章绪论  14-31
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  14-15
  1.2 油气悬架试验系统概述  15-20
    1.2.1 油气悬架系统分类  15-16
    1.2.2 油气悬架加载系统研究现状  16-18
    1.2.3 油气悬架系统的主要衡量指标  18-20
  1.3 油气悬架加载系统控制方法研究现状  20-30
    1.3.1 力加载控制  21-25
    1.3.2 正弦波复现控制  25-26
    1.3.3 随机波复现控制  26-30
  1.4 本文主要研究内容  30-31
第2章油气悬架加载系统的建模与特性分析  31-55
  2.1 引言  31
  2.2 系统描述  31-32
  2.3 系统模型建立与分析  32-42
    2.3.1 液压系统动力机构  32-35
    2.3.2 负载特性  35-38
    2.3.3 系统动力机构分析  38-42
  2.4 位置控制方法研究  42-54
    2.4.1 极点配置  42-43
    2.4.2 三状态反馈控制  43-47
    2.4.3 三状态顺馈控制  47-48
    2.4.4 输入滤波器的选择  48-50
    2.4.5 仿真与实验验证  50-54
  2.5 本章小结  54-55
第3章油气悬架加载系统变结构力控制策略  55-73
  3.1 引言  55
  3.2 力控制系统的特点  55-60
    3.2.1 驱动力系统控制系统分析  55-59
    3.2.2 非线性系统  59-60
  3.3 变结构滑模控制  60-65
    3.3.1 变结构滑模控制设计  60-63
    3.3.2 仿真分析  63-65
  3.4 自适应滑模控制  65-67
  3.5 仿真研究  67-72
    3.5.1 控制参数选取  67-69
    3.5.2 仿真实验  69-72
  3.6 本章小结  72-73
第4章油气悬架加载系统波形复现控制策略  73-100
  4.1 引言  73
  4.2 正弦波复现控制  73-83
    4.2.1 常规幅相控制  75-76
    4.2.2 收敛性分析  76-78
    4.2.3 归一化幅相控制  78-79
    4.2.4 仿真分析  79-83
  4.3 随机波复现控制  83-98
    4.3.1 频响函数迭代的波形复现策略  83-91
    4.3.2 自适应逆控制的波形复现策略  91-98
  4.4 本章小结  98-100
第5章实验验证  100-125
  5.1 引言  100
  5.2 控制系统硬件  100-104
    5.2.1 监控单元  101
    5.2.2 伺服控制单元  101-102
    5.2.3 液压伺服系统  102-103
    5.2.4 液压源  103-104
  5.3 控制系统软件  104-107
    5.3.1 软件总体结构  104-106
    5.3.2 用户界面  106-107
  5.4 力控制实验  107-113
    5.4.1 实验目的  107
    5.4.2 控制器软件实现  107-108
    5.4.3 实验步骤  108-109
    5.4.4 实验结果  109-113
  5.5 正弦波信号复现实验  113-117
    5.5.1 实验目的  113
    5.5.2 控制器软件实现  113
    5.5.3 实验步骤  113-114
    5.5.4 实验结果  114-117
  5.6 随机波信号复现实验  117-124
    5.6.1 实验目的  117
    5.6.2 控制器软件实现  117-119
    5.6.3 实验步骤  119-120
    5.6.4 实验结果  120-124
  5.7 本章小结  124-125
结论  125-127
参考文献  127-136
攻读博士学位期间发表的论文及其它成果  136-139
致谢  139-140
个人简历  140

车辆油气悬架电液伺服加载系统控制方法研究

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