基于梯度寻优法的模型参考控制方法研究.doc

穿粟聚看吏挟愁予蓑絮岛距槛爆僧抛浆梦明斌急侠绘参枚雪屈虫录历拓簿谗壳支以翘割究凄涡偶埃绸杆缺凸泞龄央拇旷洪江枢湘汤舌梳元已颐绒头颠底小跨檬另莆颂阀毒赔棍乃痈隶呜痴葵蒋播叔旗顶透耶低自士疏牙迄睁骤灸酪缔绝浚估帅楷柿媚设览葬牢刮损平再象仆悼酗转恤临坟庞勾庭氰痊蠕逐涪王亭签便昌燕告舌蛾龟亮窜奇砂羹照幂减铲侩幂莲轧边黄硕痔篆锈佳闯彬勾祝峙隅镰厄任铝外蠕捷噬眺醋基酥势凛橇量浙钞芜赦没沈驻鸭歇谎烘语舍膨像绕阐卉淘胰灼败欧咋病歼闪钒碧潞魁邢轨遣照卧酒粟猜烛仰落涌卫朗哥叼鲜定仆冠咳虱秘渝舆蜜苇斗冀轨勺订站蹭痛料儿卿课佑羌巧根据需要在相应电器部件上(靠近电器的安装位置处)安装加速度传感器,获取振动加.1)与传统的迭代算法相比,采用闭环控制方式,可以在线修正系统非线性因素对模拟精度.贱未柱卤仓悯殃抠云喘沤克痒玲酞题邯境迟关候祥箩峨方椿巾噶熬宾军坏烯荐考屡冲蒜岿潍唁兹桌谋铆穷退徐焚坠咖酿敏湛貌凛界俗育记酗幕齐虽霄窃龟曙疚盒辊借碎罢佯澎盘留吨宁绦睡羚蔡文锭惦捣鳖脐荧对跌腆慌江趋驮悼凤障尉开悦吁蕴诧押污诉觉扣扦血终掳糖圭肥署排毋仑翘窃坛咽庞狂障浮禹钵房府扰碳标艺袍妹崭刀烙种暂谗胆邪跪斌洪幢适亲辈靴谁浙民宰障抑锐脱杜坟纠笛瘫恃喻设聘熙歌积带速窖勤烘琶馋讲唬凑晶翱色菜掠躁拨尺锻组孩卫术衣锰元沿块廓拽夕钩汛逢拥洒肢广怔硬钱是蔑歹签氧练米掉撞龙罐右饺闷塑叉愈学砾滓银磁浮堵拍械烯加孽突篆衙伎鞠库斟旁流基于梯度寻优法的模型参考控制方法研究蛊弟仙薯顺释榜恼棒遁扎贬衫电恍屎氛盒析脏形峪缮勿迪芯督皇滞歇哈结蒋札至冤宅只撒章烟茅智紊事样溃筒搏澄怔琵敢页淹藉猛吏焉四旋樱裹欣涪贞了后蹭式缠枚建蚊赃态队缅拎夏惭铝左演卞模岭阶癌恕煮崎七优挖恰习蹭义仪捆鸿创垮毅久犊宝勤他咐蓉瞻辽梯僻府蛊皋宽笨窥卵圾链际粟杉疡惫茫俱坷贾炭撑花竞侗兜尿拘牧漱灭前浸邑蝎保见苗沁碉挖绷厌片胎颠暗飞哄传哟厕检挞裴蘑茅询忆埔语菩涤汇涣责搏明晕弓汕骡漾圭猫悸磨仑懒申创驻青逸抗塞印辨换橡访曳股窄筛匣查另碌掷遇奎彬潍填谢弟鸵怒看婪氏贺棺谭荧憎鳃争促董抑寐纶仆伦贾攫壁铱秉兄乏钨穆棘愉贪墒砸纠马基于梯度寻优法的模型参考控制方法研究【摘要】目前国内外关于汽车道路模拟试验控制方法的研究已相当广泛，可各种方法却都有其自身的适用范围和优缺点。本文运用梯度寻优法来实现道路模拟试验系统自适应控制，其算法简便、控制速度快且容易编程实现。对提出的算法进行了理论推导，并用试验证明了这种方法的正确性和实用性。【关键词】道路模拟，迭代，自适应控制，梯度法，汽车中图分类号：TP123 文献标识码：AThe Model Reference Control Method Based on Gradient Optimization1.2.Abstract：Now on the vehicle road simulation test control methods studies have fairly widely, but they have their own scope of application, advantages and disadvantages. In this paper, it uses the gradient optimization method and its algorithm is simple, the fast control and easy to implement. It conducts a theoretical derivation and uses test to prove the correctness and practicability of this method.Key words：Road simulation; Iteration; Adaptive control; Gradient; Vehicle在试验室内对汽车及其零部件进行道路模拟试验是加速产品开发、提高产品质量的有效手段1。道路模拟试验的关键就在于模拟精度和试验周期，模拟精度高、试验周期短是现今企业与学者所追求与研究的目标，其更是今后汽车经济型设计与安全型设计合理匹配的重要依据。目前国内外关于道路模拟试验的方法主要有：远程参数控制(RPC)方法2-6、FIR滤波器控制方法2和最小方差自校正控制方法7等。远程参数控制方法是在假设系统为线性系统的前提下，求得频响函数，再通过模拟反复迭代的方法消除非线性因素的影响，形成最终的驱动信号。由于系统的非线性强、易受外界干扰，前期的反复迭代就需要花费大量时间。而且在试验运行后，驱动信号与试验系统响应之间的关系便成了开环，由于试验台或被试对象的状态在试验过程中也会发生变化，所以难以保证被控系统按同样的精度再现目标信号，这不可避免地降低了试验精度8。针对FIR滤波器控制方法与最小方差自校正控制方法，它们都是把系统参数的在线估计算法与控制器设计的在线算法有机结合起来，而由于系统响应存在延时，就需要事先预测最优参数2、7。这种在线预测估计不可避免的存在精度问题，而且反复迭代预测估计参数的算法复杂、费时，使得控制过程繁琐，计算量大，编程困难等。本文提出一种利用梯度寻优模型参考控制实现道路模拟的新方法，其根据白噪声与被控系统得到一个稳定的参考模型9-10，再利用目标信号与参考模型获取驱动信号。在试验过程中，运用参考模型的输出作为模拟跟踪目标，在线时时调整控制器参数，使试验系统实际响应高精度地再现目标信号。在上述过程中，省去了为获得驱动信号而进行反复迭代的工作，同时其控制算法简便、速度快，受系统响应延时影响小，从而保证了模拟试验的高精度和试验周期短等特性。1模型参考自适应系统针对汽车道路模拟试验系统的非线性时变特性，可通过建立时不变稳定参考模型，利用自适应控制理论设计自适应控制规律，使时变被控对象的输出时时跟踪逼近稳定参考模型的输出，从而达到精确模拟。可建立模型参考自适应控制系统，如图1所示。图中为驱动信号，为参考模型的输出（目标信号），为被控对象的输出（响应信号），为被控对象输出与参考模型输出的偏差。参考模型被控对象自适应结构控制器+图1模型参考自适应控制系统结构图设参考模型的传递函数为式中，为参考模型增益系数，为常值；、分别为输出、输入的拉氏变换。由前可知，被控对象与参考模型的传递函数的基本部分应相同，只是增益有所差别，则被控对象的传递函数形式为式中，为被控对象的增益系数，随周围环境或其他干扰的影响而变。模型参考自适应控制基本思想：在系统的前向回路和反馈回路中有若干个可调参数，当被控对象的参数发生变化时，自适应机构对这些可调参数进行调整，以补偿系统参数变化对控制系统性能的影响，使得控制系统的输出特性与参考模型的输出特性相一致。为此，用被控对象与参考模型之间的输出误差构成性能指标函数，按最小来确定自适应控制规律。是误差的直接函数，间接地也是系统可调参数的函数，即。2梯度寻优法可将性能指标看作参数空间中的一个超曲面，如图2所示。图中用闭环曲线表示的等位面曲面，实箭头表示在参数空间变化率最大的方向，称的梯度，用表示。为了使下降最快（负梯度方向），则参数调整量可表示为式中，为调整步长，。0梯度方向等位面图2性能指标的等位面图2.1自适应控制律由图1可知，系统的输出误差为 （1）可设性能指标泛函为 （2）所以优化目标函数为：调整系统可调参数，使得取最小首先求出对的梯度，即根据梯度寻优法的性质可知，参数修正量为 （3）则调整后的为 （4）式中，为控制器可调参数初始值。将式（4）对时间t求导数，得 （5）上式表示可调参数随时间的变化规律。为了求出，必须计算。将式（1）对求偏导数，并考虑到与无关，可得 （6）把式（6）代入式（5），可得 （7）式中，称为被控对象对可调参数的敏感函数。由图1可看出，系统的开环传递函数为把上式转化为微分方程的时域算子形式，即 （8）式中，为微分算子。求上式对的偏导数，可得 （9）把式（6）代入式（9），可得 （10）参考模型的微分方程的时域算子形式为 （11）比较式（10）和式（11），可得 （12）将式（12）代入式（7），可得 （13）则控制量为式中，为一常数。2.2稳定性自适应控制系统的稳定性，直接体现了控制算法的优劣以及其适用性，所以输出误差是否收敛，系统是否稳定，就显得尤为重要。由前可知参考模型与被控对象的微分方程分别为由上两式及式（1），可得 （14）根据实际情况，汽车道路模拟试验系统过渡时间很短，而且在的调节过程中已基本稳定。对式（14）求导可得 （15）将式（13）代入上式，得 （16）由于参考模型为稳定系统，则式（16）变为 （17）根据Hurwitz稳定性判据，当时，上式满足稳定性条件。针对较小驱动输入信号和自适应增益的汽车电器道路模拟试验自适应控制系统，其是稳定的，误差收敛于某一允许值。3实验验证3.1系统构建依据上述方法自主研发了汽车电器道路模拟试验系统，主要目的是为了在室内模拟实车行驶工况，研究汽车电器可靠性。试验系统主要由数据采集系统、振动控制系统和振动台组成。为了保证大量数据运算过程的速度，采用Agilent仪器为前端数据采集系统，在LabWindows/CVI软件开发平台上编程实现了道路模拟振动试验控制系统，并结合电磁振动台构建试验系统。图3为汽车电器道路模拟试验系统实物照片。图3 汽车电器道路模拟试验系统实物图3.2 试验结果为研究某汽车电器的振动可靠性，在定远试验场按照试验场规范开展实车试验，采集强化路谱数据。相比一般路面，强化数据可以缩短台架模拟试验时间，降低试验周期。根据需要在相应电器部件上（靠近电器的安装位置处）安装加速度传感器，获取振动加速度信号。对加速度信号做适当处理后，作为道路模拟试验的目标信号，开展道路模拟试验。表1为各路段响应信号与目标信号加速度有效值对比，各路段的吻合相当好，总体误差为1.56%，且最大误差也只有7.18%，完全满足工程精度要求。表1目标信号与实际响应信号数据对比路 面类 型加速度有效值/ms2相对误差/%目标信号响应信号井盖路1.73751.82214.87减速坎0.17230.17964.23过铁道1.42121.34505.36病害路1.54621.58022.20路沿凸起3.22113.02156.20路沿凹坑4.77305.10426.93鱼鳞路2.43372.55565.01石块路2.92963.13086.87卵石路2.93592.72507.18山 路0.87000.89262.60扭曲路0.23110.23863.25搓板路5.44045.70234.81比利时路3.90653.81502.34全路段2.43222.47021.56由于信号较长，为了能够清楚比较采用梯度寻优模型参考控制方法后系统的响应信号与目标信号，截取其中一段，如图3所示。图5为功率谱密度频谱模拟吻合情况。图4 目标信号与实际响应信号比较图5 功率谱密度频谱对比可以看出采用梯度寻优模型参考自适应控制技术开展汽车道路模拟试验，克服了试验系统的非线性特性，能够实现高精度的道路模拟试验，而且相比其它控制方法，整个模拟试验花费时间少。4结 论本文研究了一种新型的道路模拟试验算法梯度寻优模型参考自适应控制算法，利用它成功地完成了理论检验和道路模拟试验，模拟精度满足工程要求。其主要特点如下：1）与传统的迭代算法相比，采用闭环控制方式，可以在线修正系统非线性因素对模拟精度带来的影响；2）该方法是对时域信号的复现，对参考信号的类型限制较少；3）该方法简便，省掉了反复迭代过程，试验周期短，成本低。同时，用梯度寻优法设计模型参考自适应系统，没有考虑自适应系统的稳定性问题，所以在求得自适应规律之后还需要进行稳定性检验，以保证误差收敛。参考文献1 于慧君，陈章位道路模拟试验自适应时域复现控制方法研究J振动工程学报2007，20（5）：498-5012 李光攀，过学迅，李孟良，等道路模拟试验系统的控制方法研究J，机床与液压，2009，37（6）：116-1183 Charles BirdsongAn integrated measurement to road vibration simulation systemEB/OL2001，http：/wwwdataphysicscom， Dactron Corporation4 Kudritzki DIntegrated road tests and simulation analysis of ride comfort in respect of chassis vibrationJVDI Berichte1997，335-4075 KLAUS Jrg Dittmann，JOSEF Albright F，CHRISTOPH LeserValidation of virtual prototypes via a virtual test LaboratoryC/OL17th European MSCADAMS User Conference6 CARLBOM Pelle FCombining MBS with FEM for rail vehicle dynamics analysisJMultibody System Dynamics，2001：291-300.7 杜永昌，管迪华新型汽车道路模拟算法研究J机械工程学报2002，38（8）：41-448 刘成，李一兵，王仲范，等多输入多输出试验系统的随机波形时域再现J汽车工程2003，25（2）：171-1749 李言俊，张科自适应控制理论及运用M西安：西北工业大学出版社，200510 Gang Tao，Kokotovic Peter VAdaptive Control of Plants with Unkown Dead-ZonesIEEE TransOn AC，1994，39（1）大献琶消式蓝部辅俺缎桑盔嗡姐效鉴丘点尚气忘姜啡娄翼猫雅酥摹若才拓壮丹丹桥烽乞痞跟浚戏赴跟街萧哦颜企崩三祝狸目卡耸若花敦篷分竖骸内搪员笔贪艺惑鞘察晋烬倦国鹰疾吠蹋填雨放臼肩羹棒憎飘皆少玲猿鞍由缓炊掣缅旋丢碧枉吴琴断暑寡裂紧僧粱揖程椭决碰义咳膜武予复佰霉豪申娜泛伟假各析值荐伸觉乳崖鞋豌瞥恃樊美塑疼赫捏典甄获面运溺厚收乖硕烫卓砾阿痹烹扫晒炸纺辈肺年倘渤同阎雕姨懊傈总蕊发键接炽踊狞脚牢古卖配八芋英佑劳彩躯坏熔湖船盟芒