（车辆工程专业论文）基于dsp的半主动悬架预测控制器的研究与开发.pdf

两华大学硕士学位论文 基于d s p 的半主动悬架预测控制器的研究与开发 车辆工程专业 研究生李琼指导教师陈狲 悬架是汽车上的重要总成之一，它把车身与车轮弹性地连接起来，传递作 用在车轮和车身之间的力和力矩，保证汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，保证 汽车的正常行驶。随着人们生活水平的提高与科技的发展，对汽车的行驶平顺 性与操纵稳定性提出了更高的要求，传统的被动悬架因为其自身的局限性逐渐 难以满足要求。半主动悬架成本较低、控制效果较好、性价比较高，因此逐渐 成为汽车新技术研究中的热点，引起了广泛的重视。 随着电子技术、微机控制技术以及现代控制理论的发展，对汽车悬架的最 优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制、预测控制等的研究不仅 在理论上取得令人瞩目的成绩，同时已开始应用于实际汽车悬架应用当中。本 论文基于预测控制技术，在可调阻尼减振器的基础上，研制了一套基于d s p 的半主动悬架系统控制器。本控制器采用美国德州仪器公司( t i ) 生产的3 2 位定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心。 本论文首先针对1 4 车体模型，建立了可调阻尼减振器的动力学模型。并 且利用s i m u l i n k 进行了系统控制性能仿真。通过仿真分析可以看出，所选用 的控制方法和控制策略有很好的控制效果，可以作为半主动悬架系统控制器的 控制逻辑。 接着详细分析了可调阻尼减振器的结构与工作原理以及半主动悬架系统 电子控制单元的功能，研究开发了以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 为微处理器的电子控制 单元。控制单元具有实时数据信号采集和系统控制功能，根据采集的数据信号， 确定步进电机的步进脉冲数以及旋转方向、旋转速度的判定等，实现步进电机 的步进旋转，对可调阻尼减振器的阻尼进行调节。 在进行了硬件电路的设计基础上，编制了相应的软件程序。软件程序采用 西华大学硕士学位论文 了基于中断的模块化设计方法，实现了数据采集、预测控制、实现步进电机的 旋转带动可调阻尼减振器的阻尼调节等功能。 最后，对所设计的硬件电路和软件系统进行了模拟试验验证，试验结果表 明，本文所设计的控制系统取得了良好的控制效果，符合预期要求。验证了所 设计的半主动悬架控制系统的有效性。 关键词：半主动悬架d s p 预测控制可调阻尼减振器步进电机 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho fv e h i c l es e m i - a c t i v es u s p e n s i o nm p c c o n t r o l l e rb a s e do nd s pf 2 8 1 2 v e h i c l ee n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：l iq i o n g s u p e r v i s o r ：c h e nc h o n g 砀es u s p e n s i o ni so n eo fi m p o r t a n ta u t o m o b i l ea s s e m b l y i tl i n k sb o d ya n d w h e e l se l a s t i c i t y i tt r a n s f e r st h ef o r c ea n dm o m e n tb e t w e e nw h e e l sa n db o d y i t g u a r a n t e e sa u t o m o b i l e sr i d ep e r f o r m a n c ea n dh a n d l i n gs t a b i l i t y a n dg u a r a n t e e a u t o m o b i l e sn o r m a lr u n n i n g w i t ht h eh i g h s p e e d yd e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m y , h u m a nl i f el e v e lh a sb e e nm a d ep r o g r e s sc o n t i n u o u s l y a u t o m o b i l e sf i d e p e r f o r m a n c ea n dh a n d l i n gs t a b i l i t ym u s th a v eah i g h e rd e m a n d n l et r a d i t i o n p a s s i v i t yh a n g st od e m a n db e c a u s eo fo w nl i m i t a t i o ni sd i f f i c u l tt ob es a t i s f i e dw i t h g r a d u a l l y p a r t l ya c t i v ed a n g e r o u sr a c kc o s ti sl o w e r e f f e c ti su n d e rt h ec o n t r o lo f f a i r l yg o o d n a t u r ep r i c ei sc o m p a r a t i v e l yh i 曲b e c o m et h eh o ts p o t t h a t a u t o m o b i l en e wt e c h n i q u eg o e si n t oh i t st h e t a r g e ti nr e c e n ty e a r st h e r e f o r e g r a d u a l l y i th a sa r o u s e db r o a dt a k i n gs e r i o u s l y w i t ht h ee l e c t r o n , t h et e c h n o l o g y , p cc o n t r o ld e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n d m o d e mc o n t r o lt h e o r yi nr e c e n ty e a r s m i xu pt h eg oi n t ot h a tt h em a n p o w e rn e r v e n e t w o r ku n d e rt h ec o n t r o lo f ，t h ef o r e c a s tw a i tf o ru n d e rt h ec o n t r o lo f , u n d e rt h e c o n t r o lo ft od a n g e r o u sr a c ko fa u t o m o b i l eo p t i m a lc o n t r o l ，s e l ff i ti nw i t hu n d e r t h ec o n t r o lo f , g e t t i n gt h ea c h i e v e m e n tm a k i n gp e o p l ef o c u sa t t e n t i o nu p o nn o t o n l yi nt e r m so ft h e o r y t h et h e s i sb a s e do nm p c ，h a v ed e v e l o p e dt h es a m es t u f f p u t t i n gu ps y s t e mc o n t r o l l e ro w i n gt ot h a th a l fi n i t i a t i v eo fd s ph a n g s a n dt h e b a s i si na d j u s t a b l ed a m ps h o c ka b s o r b e ri sm o r ea n db e t t e r i tu s e st m s 3 2 0 f 2 81 2 ， a na d v a n c e da n dp o w e r f u l3 2 一b i tf i x e dp o i n tm o d e lo ft m s 3 2 0 f 2 812s e r i e s ，a si t s - h i 西华大学硕七学位论文 e c u t h et h e s i si sa i m e da t1 4c a rb o d ym o d e lf i r s t i th a sb u i l tt h ed y n a m i c sm o d e l a n dt h e nh a v eb u i l tt h es i m u l a t e dp a r t l ya c t i v ed a n g e r o u sr a c ks y s t e mc o m p u t e r m o d e lt h a tt h ef o r e c a s tc o n t r o l so nw h o s eb a s i s ，a n ds i m u l a t i o na n a l y s i sb y s i m u l i n kh a sb e e nc a r r i e do nt h es y s t e m sc o n t r o lp e r f o r m a n c e i ti ss e e nt h a t s e l e c t e db yt h ec o n t r o lm e t h o da n dt h ec o n t r o ls t r a t e g yh a v et h ev e r yg o o dc o n t r o l e f f e c tt h r o u g ht h es i m u l a t i o na n a l y s i s ，w h i c hc a nb eu s e da st h ec o n t r o ll o g i co ft h e s e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mc o n t r o l l e r t h e nt h ef u n c t i o no ft h es e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e me c ui sm u l t i - a n a l y s i s ， a n dt h er e s e a r c ho ne c uh a s b ed e v e l o p e dt a k ed s pt m s 3 2 0 f 2 812a s m i c r o p r o c e s s o r t h ec o n t r o lu n i t h a sr e a l - t i m ed a t a s i g n a lg a t h e r i n ga n dt h e s y s t e m sc o n t r o lf u n c t i o n ，a c c o r d i n gt od a t as i g n a lw h i c hg a t h e r s ，t h ed e f i n i t eg o a l c u r r e n to fm o t o ri so u t p u a e d ，a n dt h ep w m p u l s e d u r a t i o nm o d u l a t i o nt e c h n o l o g y i su s e d b eb a s e do nt h ed a t as i g n a lc o l l e c t i n g a s c e r t a i nt h es t e p b y - s t e pe l e c t r i c m o t o rs t e p b y s t e pp u l s en u m b e ra n dr e v o l u t i o nd i r e c t i o n t h es h o c ka b s o r b e r d a m p c a r r i e so u ta d j u s t m e n to na d j u s t a b l ed a m p a f t e rt h eh a r d w a r ec i r c u i td e s i g nh a sb e e nc a r r i e do n ，t h ec o r r e s p o n d i n g s o f t w a r ep r o c e d u r eh a sb e e ne s t a b l i s h e d t h es o f t w a r ep r o c e d u r eh a su s e db a s e do n t h es e v e r a n c em o d u l a rd e s i g nm e t h o d , r e a l i z e dt h ed a t aa c q u i s i t i o n , m p c ，a n dt h e r e v o l u t i o nr e a l i z i n g s t e p b y s t e p e l e c t r i cm o t o rd r i v e a d j u s t a b l ed a m ps h o c k a b s o r b e rd a m pa d j u s t m e n tt ow a i tf o raf u n c t i o n a tl a s t ，t h ep r e s e n tt h e s i si n t r o d u c e dt h ei n n o v a t i v eb e dt e s td e v i c e ，b yw h i c h t h eb e dt e s to nc i r c u i ta n ds o f t w a r es y s t e mw a sp e r f o r m e d ，a sw e l la sa n a l y z e da n d d e m o n s t r a t e dt h et e s tr e s u l t a n a l y z et h er e s u l t si ne x p e r i m e n t , t h e nd os o m e a p p r o p r i a t em o d i f ya n di m p r o v e m e n t t ot h es y s t e m s u mu pt ot h er e s e a r c hp r o c e s s ， a n dg i v eac o n c l u s i o n k e y w o r d s ：s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ；d s p ；m p c ；a d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c k a b s o r b e r ；s t e p p i n gm o t o r i v 西华大学硕士学位论文 西华大学 学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人 己经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学 位论文或证书所使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明! 学位论文作者签名等氇专 导师签名： 7 5 几 胗 月 月 f 年 年 甜彳 西华大学硕十学位论文 西华大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密西适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名誊名 日期：筇6 、户 指导教师签名： 日期： 7 6 两华大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 汽车悬架系统概述 在汽车的行驶过程中，由于路面不平等因素引起的振动，会影响汽车的行 驶平顺性、乘坐舒适性以及操纵稳定性等，严重的甚至会损坏汽车的零部件。 同时汽车振动也是车内噪声的主要来源。 汽车减振主要是通过使用汽车的悬架系统来完成。悬架系统主要由弹性元 件( 如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆等) 、减振器和导向机构组成f l 】。路面作用 于车轮上的垂直反力、纵向反力和侧向反力以及这些力所造成的力矩都要通过 悬架传递到车身，以保证汽车行驶平顺。悬架的作用除传递作用在车轮和车身 之间的一切力和力矩之外，还应具有良好的减振和缓冲能力，保证在路面不平 和载荷变化时有理想的运动特性，改善汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行 驶能力【2 】。随着汽车工业的发展，在对汽车需求量不断增加的同时，对车辆使 用的舒适性和操纵稳定性的要求也不断提高【3 】 4 1t 5 1 。为了满足现代汽车对悬架 系统提出的各种性能要求，悬架的结构形式以及控制方式一直都在不断的更新 与完善。 近年来微处理器在汽车中的应用日渐普遍。加上作动器、可调阻尼减振器 和变刚度弹簧等重大技术的突破，使人们更加关注于对先进悬架系统的研究。 先进悬架或称为“可控悬架 ，由于其具有调节功能，因此，在一定程度上改 善了悬架系统的性能。目前，汽车悬架控制技术出现了多种方式。根据控制形 式不同，汽车悬架可分为被动、半主动和主动悬架三大类： 1 被动悬架 被动悬架具有结构简单、性能可靠、成本低廉且不需要额外能量的优点， 因此目前大多数汽车上采用的都是被动悬架。其基本结构示意图如图1 1 所 示。实际应用中被动悬架只是通过最优控制理论使悬架系统在行驶平顺性和行 驶安全性之间寻求一个折衷的方案，而这种最优的折衷也只能在特定的道路状 态和速度下达到【6 l 。被动悬架主要应用于中低档轿车上。 两华大学硕士学位论文 2 半主动悬架 半主动悬架的基本结构示意图如图1 2 所示。半主动悬架系统通过输入少 量的调节能量来局部改变悬架系统的动特性( 刚度或阻尼系数) ，故系统无需 动力源，结构简单、可靠性高、稳定性好【7 】【8 】【9 】【砌。与主动悬架相比，半主动 悬架结构相对简单，易于实现【2 l 。 3 主动悬架 主动悬架的基本结构示意图如图1 3 所示。主动悬架一般由隔振弹簧、控 制器和作动器组成【1 1 1 。主动悬架可以根据输入与输出进行反馈控制。由作动 器根据输入的控制信息产生相应的主动控制力，以提高汽车的行驶平顺性和操 纵稳定性。与被动悬架和半主动悬架相比，主动悬架结构复杂，能耗大且成本 恨高，故目前主要用于赛车和高级轿车上。 k f i 9 1 1p a s s i v es u s p e n s i o nf i 9 1 2s e m i a c t i v es u s p c nf i 9 1 3a c t i v es u s p e n s i o n 图1 1 被动悬架图1 2 半主动悬架图1 3 主动悬架 随着汽车悬架系统从被动悬架系统、车身高度自动调节系统、可调阻尼减 振器悬架系统、连续可变阻尼的半主动悬架系统、慢主动悬架系统到全主动悬 架系统的升级，系统的阻尼可调空间越来越宽广，但能量消耗则会相应的增加。 虽然全主动悬架系统能够获得一个优质的隔振系统，实现理想悬架的控制目 标，但能量消耗大，成本高，结构复杂。能量、成本和可靠性是限制全主动悬 架系统发展的主要瓶颈。半主动悬架系统通过改变减振器的阻尼特性以适应不 同的道路和行驶状况的需要，来改善乘坐舒适性和操纵稳定性。由于半主动悬 2 西华大学硕士学位论文 架系统在控制品质上接近于全主动悬架系统，且结构简单，无需动力源，能量 损耗小，因而是近期最有可能走向市场推广应用的新兴技术之一。 悬架特性比较如表1 1 所示： 表1 1 悬架特性比较 t a b l e1 1c o m p a r eo fs u s p e m i o n sc h a r a c t e r i s t i c 半主动悬架主动悬架 悬架名称被动悬架 离散控制连续控制慢主动全主动 普通液压分级可控减连续可控减 调节元件 液压系统液压系统 减振器振器振器 阻尼系数阻尼系数分阻尼系数连车身与车桥车身与车桥 作用原理 不可调节级调节 续调节作用力作用力 手动调节电液控制 电液控制 电液控制 控制方式无 、 自动调节自动调节自动调节自动调节 频率范围无0 1 0 h z0 2 0 h z3 - 一6 h z 1 5 h z 改善横向 无小中大大 动力特性 改善垂直 无小中大大 动力特性 传感器量无小中大大 能量消耗无小小中大 制造成本最小 小中大 大 实用程度大量采用小量小量理论探讨理论探讨 1 2 汽车半主动悬架系统的发展与研究现状 汽车半主动悬架系统是指悬架的弹性和阻尼特性之一根据路面与汽车行 驶状态的变化而改变的一种悬架系统。该技术的发展形成了两个主要的方向： 一是以改变悬架的刚度特性为主要发展方向；另一个是以改变悬架的阻尼特性 3 西华大学硕十学位论文 为主要发展方向。本论文的研究工作属于第二个研究方向，即采用阻尼可调的 减振器作为执行机构，通过传感器检测到的悬挂质量的加速度，由e c u 根据 控制指令发出脉冲信号，实现对悬架阻尼特性的有级调节以改善车辆的行驶性 能。与主动悬架系统相比，半主动悬架系统的最大优点是工作几乎不消耗发动 机的功率，不向机械系统中附加能源，只是应用严格的保守或耗能元件，结构 简单，造价低，而减振效果接近于主动悬架，因此具有更为现实的应用价值， 受到汽车工程界的广泛重视。 1 2 1 半主动悬架执行机构的研究现状 由于弹性元件刚度的调节比较困难，所以半主动悬架多采用固定刚度弹性 元件与可调阻尼减振器相结合的结构形式【l 】。可调阻尼减振器主要有两种类型 【1 8 】，一种是通过采用机械式可调阻尼减振器通过调节节流孔的开口改变通流 面积来调节阻尼系数，节流孔的大小一般通过电磁阀或步进电机进行有级或无 级的调节，这种方法结构相对复杂，不易实现细微调节。另一种是通过改变减 振液的粘性调节阻尼，通过使用粘性连续可控的流变液来实现阻尼无级变化。 7 0 年代，美国学者k a r n o p p 提出了半主动悬架的思想，并提出“天棚 阻尼概念和开关阻尼，根据控制信号，开关调节可变阻尼系数阻尼器的“软 “硬 特性以实现减振1 1 9 j 。 m a u g o l i s 等人于1 9 7 5 年演示了“开关”控制的半主动悬架，它能产生较 大的阻尼力，这种悬架改进后在近十年汽车工业界得到应用【l j 。 日产公司也研制了一种“声纳 式半主动悬架，它可通过声纳装置预测前 方路面信息，减振器有“柔和”、“适中和“稳定三种选择状态。日本丰田 的l e x u sl s 4 0 0 g t 型轿车的减振器阻尼也有3 种档位可供选择【l 】。 1 9 9 8 年，美国f o r d 汽车公司的l i n c o l nc o n t i n e n t a l 车上已装有 多级可调阻尼器的半主动悬架1 1 9 j 。 半主动悬架执行机构的另一种途径是采用电流变和磁流变介质的减振器。 p i n k o s 和s t u r k 等人在电流变减振器的应用方面做了尝试。国内北京理工大学 魏宸官教授对电流变减振器做了大量的理论研究和实验工作，并申请了专利。 4 两华大学硕士学位论文 2 0 0 2 年，采用美国德尔福( d e l p h i ) 公司磁流变减振器的m a g d e r i d e 半主动 悬架系统应用在c a d i l l a cs e c i l l es t s 高档车上，此悬架系统能根据行驶情况自 动改变减振阻尼1 9 1 。 在军用车辆方面，美国军方以b r a d l e y 战车为试验平台进行了半主动悬架 外置液压悬架系统的性能试验，结果表明这套系统在降低车辆振动、提高车辆 机动性方面较被动悬架有极大的提高，同时在可靠性及实用性方面也有许多改 进。美国陆军在m 1 a 1 坦克上也进行了半主动悬架的试验【l l 。 在国内，重庆大学、南京航空航天大学、浙江大学、北京理工大学、吉林 大学和西华大学等高等院校开展了有关汽车半主动悬架的许多有价值的研究， 并取得了不少有价值的成果，这些研究工作为开发汽车半主动悬架系统奠定了 坚实的技术和理论基础。其中，重庆大学的余淼和南京航空航天大学的翁建生 进行了磁流变阻尼器的研制、控制器控制策略的研究、半主动悬架系统的试验 等方面的研究，取得了一定的成果；浙江大学在基于磁流变技术的高速列车减 振技术方面进行了一系列研究，具有振动分析较好的理论基础；北京理工大学 的章一鸣采用了1 4 悬架模型对半主动悬架的阻尼控制进行了理论探讨，曾志 华利用三级可调减振器，根据序列决策控制方法对悬架系统进行控制实验；吉 林大学的李祁发表了对汽车姿态半主动控制的研究成果；西华大学的高益财和 刘波基于可调阻尼减振器对汽车半主动悬架的模糊控制进行了研究【8 1 蚴】。 1 2 2 半主动悬架控制策略的研究现状 目前大多数半主动悬架系统是对减振器的阻尼进行实时控制和调节，其本 质就是通过传感器实时测量车辆的运行环境和车身状态，把这些数据传给微处 理器，计算出当前的最佳阻尼，并据此控制可调减振器的阻尼，使之达到理想 阻尼力，改善车辆的性能，其关键技术之一是半主动悬架的控制策略【l 。国 内外车辆工程界对半主动悬架控制策略进行的研究很多，具有代表性的控制方 法可归纳如下： 1 最优控制( o p t i m a lc o n t r 0 1 ) 1 2 4 由于地面对车辆的激励是一个随机过程，所以这类研究的理论基础是线性 5 西华大学硕十学位论文 随机最优控制理论，它通过建立系统的状态方程提出控制目标和加权系数，然 后应用最优控制理论求解所设目标下的最优控制方案。控制目标函数及加权系 数的确定需要依靠一定的经验，常用的最优控制算法有线性最优控制、日”最 优控制等。由于最优控制能够对系统中多个变量的影响加以考虑，因而控制效 果较好。 2 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) 2 5 1 自适应控制是一种将系统辨识及其设计综合在一起考虑的新型控制方法， 能有效地克服系统的不确定性。应用于车辆悬架振动控制的自适应控制方法主 要有自校正控制和参考模型自适应控制两类控制策略。 3 预见控制( p r e v i e wc o n t r 0 1 ) 2 6 j 预见控制不仅考虑系统当时的状态信息，而且还对系统未来的目标值或干 扰予以考虑。在主动悬架预见控制中，提前检测路面干扰，从而提前考虑相应 的对策，能有效弥补因系统响应速度不足所带来的缺陷，降低系统控制能量峰 值和控制能量消耗量。根据预见信息的获取和利用方法的不同，可分为对四轮 进行预见的完全预见控制方式和利用前轮信息对后轮进行预见的部分预见控 制方式。 4 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 【2 7 】 模糊控制是以模糊数学为基础，使用语言变量代替数字变量，允许控制对 象没有精确的数学模型，在控制过程中包含大量人的控制经验和知识，与人的 智能行为相似。在主动悬架模糊控制系统中，其模糊控制器的输入量可以使车 身加速度、车身与车轮的相对速度、悬架动行程等，输出量可为控制器的作用 力。 5 神经网络控制( n e u r a ln e t w o r k sc o n t r 0 1 ) 【2 8 捌 神经网络具有自适应学习，能并行分布处理和较强鲁棒性，容错性等特点， 适合于对复杂非线性系统进行建模及控制。通过对控制网络的权系数进行在线 调整，控制器经过学习，对系统进行在线控制，使系统输出逐渐向期望值逼近。 6 预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) 【2 j 预测控制产生于上个世纪7 0 年代，其算法最大特点是利用系统过去和现 在的信息预测系统未来的输出。由于其对控制对象具有良好的包容性并能有效 6 西华大学硕士学位论文 克服各种外界干扰，预测控制广泛应用于复杂工业过程控制，如石油化工、电 力等领域。近年来，人们对预测控制算法应用于车辆悬架控制进行了一些有益 尝试。 目前有关汽车悬架控制方法的研究几乎涉及到控制理论的所有分支，出现 了控制方法综合应用进行悬架控制，如模糊控制与神经网络控制的综合1 2 9 1 、 最优预见控制与神经网络控制的综合【3 0 1 、鲁棒控制与自适应控制的综合等【3 1 】。 1 3 预测控制理论简介 预测控n t 3 2 】是2 0 世纪7 0 年代在工业过程控制领域中产生的一类新型计 算机控制算法。作为先进过程控制的典型代表，它的出现对复杂工业过程的优 化控制产生了深刻影响。预测控制是一种基于模型的控制技术，也称模型预测 控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) ，亦称滚动时域控制( m o v i n gh o r i z o nc o n t r 0 1 ) ， 其核心思想是利用系统过去与现在的系统信息，预测系统未来的输出变化，以 有限时域滚动优化的方式使受控量和目标值的偏差尽可能地小，实现系统的优 化控制。预测控制之所以能在工业过程中显示出强大的生命力，应归功于其基 本原理对于复杂系统的不确定环境的适应性。实际的控制系统中往往存在着许 多不确定性，包括被控对象参数的不确定性、控制输入的不确定性和系统约束 的不确定性等p j 。 1 3 1 预测控制的基本结构 预测控制发展至今，其相关具体算法已达上百种之多。各种算法虽然表现 形式不同，但任何一种算法的主要构成部分大致相同，如图1 4 所示，预测控 制系统的组成部分主要包括【4 5 j ： 1 预测模型 预测控制是一种基于模型的控制算法，这一模型即称为预测模型。预测模 型的功能是根据对象的历史信息和未来输入，预测其未来输出。预测模型具有 表达系统未来动态行为的功能，对于不同的控制策略( 一个控制作用序列) 就 7 西华大学硕士学位论文 可利用预测模型计算出不同的输出预测轨迹，从而为选择最优控制策略使系统 某个性能指标优化提供了基础。在预测模型中，注重的是模型功能，而不是其 结构形式。因此，不但是状态方程、传递函数这类传统的模型可作为预测模型， 系统的阶跃响应模型或脉冲响应模型也可作为预测模型。预测控制算法改变了 现代控制理论对模型结构较严格的要求，更着眼于根据需求，按最方便途径建 立多样性的模型【4 一】。 f i 9 1 4b l o c kd i a g r a m so f m p cs y s t e m 图1 4 预测控制系统结构框图 ( k ) 2 滚动优化 预测控制是一种优化控制算法，它是通过某一特性指标的最优来确定未来 的控制作用的。这一指标特性涉及到系统未来的行为，通常取对象输出在未来 采样点上跟踪某一期望轨迹的方差为最小。性能指标中涉及到系统未来的行为 是根据预测模型由未来的控制策略来决定的。 需要指出的是，预测控制采用的不是常规最优控制中固定的全局优化目 标，而是在有限时域内的滚动优化测量，即在每一时刻对兼顾未来充分长时间 内的理想优化和包含系统存在的时变不确定性局域优化目标函数进行不断更 新，而下一时刻是根据系统当前控制后的输出响应。虽然在理想情况下，不能 导致全局最优，但比在理想条件下，实现复杂对象的最优控制要现实得多。因 此滚动优化不是一次性离线运算，而是反复在线运行的。虽然在每一时刻只能 得到全局的次优解，然而却能使由模型失配、时变与干扰等引起的不确定性得 到及时补偿，始终将新优化目标函数与系统状态相吻合，保证了优化的实际效 果。 8 西华大学硕士学位论文 3 在线校正 预测控制是一种闭环控制算法，在线校正思想贯穿在预测模型与滚动优化 之中。由于预测模型不可避免地存在误差，而实际对象中存在时变或非线性等 因素。加上系统的各种随机干扰，预测控制通常不是把通过优化确定的一系列 未来的控制作用逐一全部实施，而只是实现本时刻的控制作用，到下一采样时 刻，则首先检测对象的实际输出，并利用这实时信息对基于模型的预测进行修 正，然后再实行新的优化【4 】。 4 参考轨迹 在预测控制算法中，控制的目的是使系统的输出沿着一条事先规定的曲线 逐渐到达设计期望值，这条曲线称为预测控制的参考轨迹。在预测控制过程中， 常常采用从当前时刻系统实际输出值为起始的一阶指数变化形式或以动态矩 阵形式来表示【5 1 。 1 3 2 预测控制的基本原理 输入 u ”l皆= = - _ 一 l 一 亡一一 专_ 。 蕊丽磊e 一4 3 2 一lk + l + 2 + 3 + 4 + 5 + 6 + 7 + 8 + 9 采样时刻 f i 9 1 5c o n t r o lp r o c e s so f m p c 图1 5m p c 的控制过程 9 时间 时间 西华大学硕士学位论文 预测控制的基本原理1 6 】可用图1 5 表示。 以最简单的单输入单输出( s i s o ) 为例，k 表示当前时刻，缸j ，k - 2 ，” 分别表示过去时刻，k + l ，k + 2 ，k + p 表示将来时刻。相应地，图1 5 中 当前时刻的输出y ( 纠岔) 和过去时刻的输出y ( k - i l k ) ，y ( k - l l k ) ，分别以 圆圈表示( j ，( k + i l k ) 表示在时刻k 时，第f 步预测输出) ，预测控制器根据过 去一定范围内的输出信息及系统当前时刻的输出信息，参考系统的控制目标 ( 参考轨迹) ，预测系统在将来一段时间内的输出：y ( 斛引尼) ，y ( k + 2 1 k ) ， y ( 后+ p i j i ) 。而为了实现控制目标，得到期望的输出，必须对系统施加一定的 控制作用，即控制输入。必须指出的是，在预测控制过程中，控制宽度与预测 宽度之间的关系须满足c p ，系统的输出与控制输入必须满足 i 。y ( k + i l k ) y 。，材m i n u ( k + 爿露) 甜m 叔，即满足一定的约束条件。根据 预测控制滚动优化原理，控制器在每一采样时刻在线求解上述约束优化问题， 但只把最优控制系列的第一项“( 尼) 似( | | 一1 ) + a u ( k ) 施加给受控对象，在下一采 样时刻重新求解上述约束优化问题，以此实现“滚动优化”。 1 。3 3 预测控制算法的分类及其特点 预测控制种类繁多，但基本上都基于几种常用而较为典型的算法：动态矩 阵控制算法d m c ( d y n a m i cm a t r i xc o n t r 0 1 ) 、模型算法控制m a c ( m o d e l a l g o r i t h m i cc o n t r 0 1 ) 、广义预测控制算法g p c ( g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v cc o n t r 0 1 ) 和内模控制算法i m c ( i n t e r n a lm o d e lc o n t r 0 1 ) 掣5 1 。 1 动态矩阵控制d m c 5 1 动态矩阵控制是一种用被控对象的阶跃响应特性来描述系统模型的预测 控制算法。在控制器设计过程中，用二次型目标函数决定控制量最优值增量系 列，以调整二次型目标函数中的权系数矩阵来实现参数调整，并直接在控制算 法中考虑预测变量和控制变量的约束条件，以满足约束条件的范围求出最优预 测值。出于考虑到各种约束条件，求解颇为费时。 2 模型算法控制m a c t 5 】 l o 西华大学硕士学位论文 2 0 世纪7 0 年代末出现的模型控制算法是预测控制的一类典型算法。它的 系统结构由参考输入、滚动优化、预测模型和闭环预测等四部分构成，其中， 预测过程模型采用脉冲响应模型。在控制器的设计过程中，采用一次迟滞系统 给出参考轨迹来决定满足各种约束条件的控制量，用调整给定目标轨迹的一次 迟滞系统的时间常数，来满足控制特性的有关鲁棒稳定性等性能指标。由于依 靠内部模型的在线更新，可以实现增益预调整。 3 广义预测控制g p c t 5 】 广义预测控制以受控自回归积分滑动平均模型为基础，采用了长时段的优 化性能指标，并结合辨识和自校正机制。其参考轨迹采用模型控制算法给出的 输出值目标轨迹，并由此决定满足各种约束条件的控制量。由于受控自回归积 分滑动平均模型比较接近实际对象特征，且具有积分作用，因此它不仅能为自 校正鲁棒控制器的设计奠定良好基础，而且能有效地消除系统的静态偏差。此 外广义预测控制的最小化参数模型，不仅参数数目较少，适合于在线实现，而 且对模型阶次不甚敏感。在控制过程中，由于采用了有限时域的长时段多步预 测，广义预测控制更适用于带负载扰动、随机噪音和未知或时变滞后的被控对 象。 4 内模控制i m c 7 】 内模控制以脉冲响应的非参数模型为基础。内模控制过程中，系统具有对 偶稳定性及零稳态偏差的理想控制特性。但由于内模控制器是假定对象稳定且 模型准确的前提下设计的，若模型失配或有干扰存在时，则其闭环控制系统不 一定能获得所期望的动态特性和鲁棒性，甚至有可能使系统不稳定。 1 3 4 预测控制技术发展概况 预测控制中最基本的算法：动态矩阵控制算法d m c 、模型算法控制m a c 、 广义预测控制算法g p c 和内模控制算法i m c 掣5 】一经提出便引起了广泛的专 注，许多学者在此基础上做了进一步的研究和应用。不仅在算法上进行了进一 步的完善和发展，充分体现了预测算法的灵活性，而且形成了许多分支：它与 鲁棒控制理论结合，得到鲁棒预测控制；与自适应控制相结合，得到自适应预 西华大学硕+ 学位论文 测控制；与极点配置理论相结合，得到极点配置预测控制；利用过程中间的可 测信息作为反馈，及时纠正模型失配和扰动，得到串级串联预测控制；对不 同的变量采用不同的周期，得到多周期预测控制；把离散的预测控制算法推广 到连续的情况，得到连续时间预测控制；考虑到系统的约束情况，得到约束预 测控制；当滚动优化的目标不止一个，就得到了多目标优化预测控制；与神经 网络、模糊理论、遗传算法和专家控制相结合，得到智能预测控制，这些算法 可处理非线性、多目标等问题；将满意的概念引入预测控制中，得到了满意预 测控制。目前的研究热点是将m p c 从线性系统扩展到非线性系统，由于模型 预测并不要求限定模型的形式，关键在于模型的功能。因此，当采用非线性模 型进行预测时，就产生了非线性预测控制( n l m p c ) ，预测模型可以是机理模 型、实验模型或者智能模型。由于基于线性模型的预测控制相对比较成熟，所 以解决非线性问题的一个方法就是把非线性问题线性化，可以采用在工作点线 性化或者分段线性等办法；利用滚动时域估计系统状态，设计状态反馈控制系 统，得到基于状态反馈的n l c ；在系统平衡点邻域内采用线性控制器，在 邻域外采用n l m p c ，扩大了可行解范围，得到了算法为双模变时域m p c ； 另外还有收缩m p c 等，其中主要的两个障碍是：稳定性和计算负担问题。稳 定性问题一直是m p c 的主要问题之一。值得一提的是，我国学者对预测控制 研究做出了一定的贡献，国内已经出版了多部预测控制方面的专著。由于预测 控制算法均采用了大时域长度的多步输出预测和在线实现滚动优化的控制策 略，使得分析预测控制系统的动态性能、计算闭环系统的输入输出特性变得非 常困难而且复杂，需要有一种分析预测控制系统的新方法。舒迪前利用内模控 制( i m c ) 结构找出各类预测控制算法的内在联系，导出它们的统一格式，为 进一步研究各类预测控制算法稳定性和鲁棒性提供了方便【7 1 。 预测控制来源于工程实践，在理论界和工程界共同的推动下，有了长足的 发展，不仅受到理论研究的关注，还一直受到了工程界的青睐。随着其理论研 究的不断深入，预测控制在工业过程的应用越来越广泛，应用范围遍及石油、 化工、炼油、冶金、造纸、航空、机械制造、食品加工、液压传动、航海、军 事等行业，带来了极大的经济效益。近年来随着半主动悬架与主动悬架控制技 术研究的深入发展，预测控制逐步在汽车悬架系统的研究中取得了初步的进 1 2 西华大学硕士学位论文 展。清华大学李治国等人开展了基于预测控制和频率成型性能指标的主动悬架 控制策略的研究唧；吉林大学的孙鹏远等人对汽车主动悬架的约束预测控制进 行了研究1 3 7 】；合肥工业大学的吴勃夫等人针对基于预测控制的汽车主动悬架 与电动助力转向系统进行了集成控制优化设计【2 】，并且将主动悬架与电动助力 转向系统进行装车，在不同工况下进行道路试验，通过实车试验，验证了控制 策略的有效性。 1 4 本课题研究的主要内容与意义 1 4 1 本课题研究的主要内容 本课题来源于四川省车辆工程重点学科建设项目，项目编号为： s z d 0 4 1 0 2 。通过对半主动悬架系统进行预测控制方面的研究，为半主动悬架 系统的产品开发提供理论依据。 本文研究的主要内容有： 1 ) 建立汽车半主动悬架可调阻尼减振器预测控制模型，进行仿真计算及 结果分析。 2 ) 基于可调阻尼减振器进行汽车半主动悬架控制器的硬件设计。 3 ) 基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片进行汽车半主动悬架的控制软件开发。 4 ) 针对可调阻尼减振器的步进电机进行试验、调试，并对结