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1、武汉理工大学硕士学位论文神经网络在主动悬架中的应用研究姓名：阳杰申请学位级别：硕士专业：机械制造及自动化指导教师：容一鸣2002.3.1武汉理工大学研究生毕业论文用纸摘要f I 汽车悬架系统是一个复杂的非线性系统，采用常规的 线性控制方法难以达到预期的最优性能，而A N N 能对复杂非 线性系统进行辨识、能构成非线性控制器，与传统的自适 应系统相比，在满足更为苛刻的性能要求的同时，还适用 于更广泛的系统及环境的不确定性。所以，本文对A N N 在汽 车主动悬架控制方面的应用进行了研究。1 本文针对具有圭动悬袈的汽车，建立了三质量四自由 度( 1 2 ) 非线性模型，并引入一种改进型的动态递归神
2、经 网络模型，基于此种被垒圈终对汽车非线性模型进行了离 线辩识，还以最优控制系统为参考模型，进行了主动悬架 模型参考自适应系统的仿真，在线训练了神经网络控制器， 对辩识和控制的结果进行较全面的分析和总结。本文还以M 垫! 曲适言为工具，编制了仿真程序和实用 的界面，这极大的方便了任务的分析和巡坠丕统的设计。武汉理工大学研究生毕业论文用纸A B S T R A C TA u t o m o b i l es u s D e n s i o ni sac o m D l i c a t e dn o n l i n e a rs y s t e m ，a n dt h eo p ti m u mp
3、 e r f o r m a n c eo fitc a nn o ta c h i e v e db yr e g u l a r1 i n e a rc o n t r o l l i n g B u tA N Nc a ni d e n t i f yac o m p l i c a t e dn o n l i n e a rs y s t e ma n dm a k ea n o n l i n e a rc o n t r 0 1 1 e r A N Nc a ns a t i s f yt h es e r i o u sr e a u e s t sa n db ef i tt
4、 ot h eu n c e r t a i ne n v i r o n m e n tm o r et h a nr e g u l a ra d a p t i v es y s t e m s S ot h er e s e a r c ho ft h ea p p l i c a t i o no fA N Ni na u t o m o b i l ea c t i v es u s p e n s i o ns p r e a d so u ti nt h ea r t i c l e 工nt h ea r t i c l e ，at h r e ew e i g h ta n
5、df o u rf r e e d o m sn o n l i n e a rm o d e lo fa u t o m o b i l ew i t ha c t i v es u s p e n s i o nise s t a b lis h e d A n dad y n 2 n i cr e c u r r e n tn e u r a ln e t w o r km o d e lisi n t r o d u c e d ，b a s e do nt h a tm o d e l ，t h eo f f l i n ei d e n t i f i c a t i o no f
6、a u t o m o b i l em o d e li sp r o c e e d e d U s i n gao p t i m u mc o n t r 0 1s y s t e ma sar e f e r e n c em o d e l ，a l s ot h eo n l i n et r a i n i n go fN N Ci sD r o c e e d e d A t1 a s t ，t h ea s s a ya n ds u r 眦a r i z eo fr e s u l t so fi d e n t i f i c a t i o na n dc o n t
7、 r o l l i n gi se x p a t i a t e d 工nt h ea r t i c l e ，t h ep r o g r a mi sc o m p il e db yu s i n gM a t l a bl a n g u a g e F o rt h a t ，t h ea s s yo fm i s s i o na n dt h ed e s i g no fN N M R A Cs y s t e ma r eb o t hv e r ye a s y 武汉理工大学研究生毕业论文用纸第一章绪论1 1 主动悬架技术的发展与现状悬架对车辆总体性能有着重大的影响
8、，主要体现在驾驶员以及乘客 的舒适性、车身的姿态控制、并直接影响着操纵稳定性和轮胎的附着性 能：同时悬架对车辆的燃油经济性、使用寿命和安全性能等都有重要影 响。因此，选择好的悬架动力学特性，设计性能优越的悬架，对提高汽 车的性能有着重要的作用。 传统的被动悬架无法同时兼顾车辆的操纵稳定性和行驶平顺性，即 使采用优化的方法效果也不理想。为了克服传统被动悬架在改善汽车性 能方面的限制，近些年来出现了主动悬架，它己成为了改善汽车性能的 主要途径之一。 1 9 5 4 年，G M 公司的E r p i e 卜L a b r o s s e 在悬架设计中首先提出了主动悬 架的思想，1 9 6 5 年w
9、O 0 b s o n 和L R L a W t h e r 又作了类似的研究，S K i m i c a T H R o c k w e l l 、J M L a w t h e r 和作了应用伺服机构作为主动元件的理论 研究。早期研究采用的数学模型是忽略了非簧载质量和轮胎特性的单 自由度系统。1 9 7 6 年A G T h 研究了两个自由度的车辆模型，并应用空间 状态技术和线性最优控制理论来确定最优控制律。随后T h o m p s o n 和 P e a r c e 把两自由度模型扩充成四自由度模型，并研究了对白噪声输入的 响应。1 9 8 6 年R M c h a l a s s a
10、 n i 研究了整车模型的行驶性能。目前，车辆 主动悬架的研究在国内外，尤其在国外得到了广泛的开展，许多大学与汽 车大型企业对主动悬架进行了理论和实践的研究，并取得了很好的效果。 在国内，这方面的研究还比较滞后，所以，进一步研究主动悬架的应用是 又理论和实际意义的。对主动悬架的研究主要从两个方面展开：一是控制 方法的选择，即对采用何种控制律的研究：二是作动器的设计，即硬件上 怎样实现的问题。1 1 1 主动悬架系统的分类汽车主动悬架一般可分为三类：全主动悬架、低频主动悬架、半主动悬架。 全主动悬架( F u l lA c t i v es u s p e n s i o n ) 在车身和车轮之
11、间设置液压 油缸，能在高频率范围实施主动控制，从控制的角度来看，是理想的系统。 其缺点是因控制频率范围大，能量消耗非常大，而且需要响应速度高、 控制精度高的液压伺服阀，成本高，所以目前应用较少。 低频主动悬架( A c t i v eS u s p e n s i o n ) 对低频范围类的振动进行控制， 高频振动由被动悬架吸收，也称为低速主动控制( s l o w A c t i v e ) 或混合武汉理工大学研究生毕业论文用纸第一章绪论1 1 主动悬架技术的发展与现状悬架对车辆总体性能有着重大的影响，主要体现在驾驶员以及乘客 的舒适性、车身的姿态控制、并直接影响着操纵稳定性和轮胎的附着性
12、能：同时悬架对车辆的燃油经济性、使用寿命和安全性能等都有重要影 响。因此，选择好的悬架动力学特性，设计性能优越的悬架，对提高汽 车的性能有着重要的作用。 传统的被动悬架无法同时兼顾车辆的操纵稳定性和行驶平顺性，即 使采用优化的方法效果也不理想。为了克服传统被动悬架在改善汽车性 能方面的限制，近些年来出现了主动悬架，它己成为了改善汽车性能的 主要途径之一。 1 9 5 4 年，G M 公司的E r p i e 卜L a b r o s s e 在悬架设计中首先提出了主动悬 架的思想，1 9 6 5 年w O 0 b s o n 和L R L a W t h e r 又作了类似的研究，S K i
13、m i c a T H R o c k w e l l 、J M L a w t h e r 和作了应用伺服机构作为主动元件的理论 研究。早期研究采用的数学模型是忽略了非簧载质量和轮胎特性的单 自由度系统。1 9 7 6 年A G T h 研究了两个自由度的车辆模型，并应用空间 状态技术和线性最优控制理论来确定最优控制律。随后T h o m p s o n 和 P e a r c e 把两自由度模型扩充成四自由度模型，并研究了对白噪声输入的 响应。1 9 8 6 年R M c h a l a s s a n i 研究了整车模型的行驶性能。目前，车辆 主动悬架的研究在国内外，尤其在国外得到了广泛
14、的开展，许多大学与汽 车大型企业对主动悬架进行了理论和实践的研究，并取得了很好的效果。 在国内，这方面的研究还比较滞后，所以，进一步研究主动悬架的应用是 又理论和实际意义的。对主动悬架的研究主要从两个方面展开：一是控制 方法的选择，即对采用何种控制律的研究：二是作动器的设计，即硬件上 怎样实现的问题。1 1 1 主动悬架系统的分类汽车主动悬架一般可分为三类：全主动悬架、低频主动悬架、半主动悬架。 全主动悬架( F u l lA c t i v es u s p e n s i o n ) 在车身和车轮之间设置液压 油缸，能在高频率范围实施主动控制，从控制的角度来看，是理想的系统。 其缺点是因控
15、制频率范围大，能量消耗非常大，而且需要响应速度高、 控制精度高的液压伺服阀，成本高，所以目前应用较少。 低频主动悬架( A c t i v eS u s p e n s i o n ) 对低频范围类的振动进行控制， 高频振动由被动悬架吸收，也称为低速主动控制( s l o w A c t i v e ) 或混合武汉理工大学研究生毕业论文用纸( H y b r i d ) 控制。在带有空气悬架或气弹簧的振动缓冲装置和控制系统 中有可压缩的项，在高频段不可能实现跟踪控制，必须采用这种方式。 这种方式在车身姿态控制上也具有充分的能力，优点是只能实现低频域 控制，因此能量消耗较少，实现可能。而且可用低
16、成本的控制阀，成本 上也是有利的。 半主动悬架( S e m iA c t i v eS u s p e n s i o n ) 是软件上与主动控制相同，而硬件上与被动悬架相同的一种悬架。有时也将阻尼控制称为半主动控 制。这种方式的优点是能量消耗几乎为0 ，而在舒适性方面则能够获得和 主动控制相当近似的性能，但半主动悬架不能进行车身姿态的控制。1 1 2 控制策略的选择目前，应用于车辆悬架控制系统的控制方法主要有最优控制方法、 自适应控制方法、基于模糊控制和神经网络控制的智能控制方法等三大 类。应用于车辆悬架控制系统的最优控制方法可分为线性最优控制、H ” 最优控制和最优预报控制等三种。线性最优控制是建立在较为理想模型 基础上，并采用受控对象的状态变量与控制输入的加权二次型作为性能 指标，同时保证受控结构动态稳定条件下实现最优控制。针对不考虑和 考虑测量噪声的情况，可以分别采用L Q ( L i n e a rQ u a d r a t i c 线性二次型) 调节器和L Q G (
