matlab汽车作动器的力跟踪控制(2)

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1 引言 1.1 课题研究背景近百年来，随着科技的进步与创新发展，汽车行业也得到了前所未有的飞速发展，而另一方面，随着社会经济的快速发展和人们生活质量的普遍提高，人们对汽车的需求量也在不断提高，特别是在进入了二十一世纪以后，人们对汽车性能的要求越来越高。人们在享受汽车给出行带来巨大方便的同时，也越来越重视汽车的安全性及舒适性。在汽车的安全性与舒适性得到人们的高度重视的今天，如何提高汽车的安全性与舒适性成为汽车发展的又一个巨大挑战。汽车悬架系统是汽车的重要组成部分，起到支持车身和改善乘坐感觉的作用。一个看似简单的悬架系统，对汽车的安全性和舒适性有着决定性的作用。近年来，学者对汽车悬架系统的研究也取得了一定的成果，特别是计算机技术的应用，对汽车主动悬架系统的研究有了飞速的发展，拥有非常好的应用前景。
1.2 课题研究的目的及意义汽车作动器力跟踪性能的好坏对车辆的舒适性和安全性有着非常大的影响。汽车作动器是汽车主动悬架系统中实现主动控制的关键组成部件，对汽车作动器的研究已经越来越得到人们的重视。为确保主动悬架系统的性能良好，汽车作动器必须能精确，稳定，可靠的实现对输出力的跟踪控制。但另一方面，汽车作动器的力控系统是非线性的复杂系统，对系统的稳定性和系统性能有很大的影响，很难达到理想要求的控制性能。本课题对汽车作动器的力跟踪控制的研究是一门新兴的科学技术，历时并不长。随着科技的迅猛发展与进步，对汽车作动器力控制策略的研究也越来越引起人们的重视。由于作动器存在很大的非线性因素，传统的 PID 等控制策略并不能满足系统的性能要求。本文在对汽车作动器进行学习研究时，是在理想的状况下，对系统进行线性化，简化系统模型，然后加上合适的控制策略，使系统达到良好的力跟踪效果。现在汽车作动器使用比较广泛的控制策略有传统的 PID 控制，非线性 PID 控制，自适应控制，鲁棒控制，神经网络控制，滑模控制，自适应滑模控制等智能控制。在此次关于汽车作动器的力跟踪控制课题的研究当中，主要选用的控制策略是 PID 控制器和滑模控制器，通过对传统的 PID 控制理论与滑模变结构控制理论进行学习研究，分析 PID 控制与滑模变结构控制对汽车作动器力跟踪性能的影响，并应用matlab/simulink 对系统进行仿真分析。通过对汽车作动器力跟踪控制课题的学习，能进一步完善对汽车作动器相关理论的研究，同时对 PID 控制理论和滑模变结构控制的学习有着重要的指导意义。
1.3 汽车作动器力控制的研究进展
1.3.1 汽车作动器的国内外研究进展汽车作动器是汽车主动悬架系统实现主动控制的重要组成部件，它与控制器，力传感器，位置传感器等元件共同组成汽车主动悬架系统的振动主动控制系统。作动器又称为执行机构，其主要功能是将来自控制器的电量等信号转换为力，位移等机械量，实现将电控制信号转化为系统所需的机械量，从而使控制对象得到所需的力或位移。实际汽车悬架系统对作动器的主要的性能要求有:稳定性，线性，精确可靠性同时成本低等。目前常用的作动器类型有压电陶瓷（PZT 等），压电薄膜（PVDF 等），液压作动器，电磁作动器，气压作动器等。目前，汽车主动悬架系统上使用最广泛的主要还是以高压液体为介质的液力式结构的作动器[1]。根据作动器控制方法的差异可以分为流量控制型作动器和压力控制型作动器两大类型: a)流量控制型。流量控制型作动器主要是由一个四通比例滑阀和一个双作用油缸构成，其工作的基本原理是通过控制滑阀的移动来改变油液流量进而改变了液压缸活塞两侧的压力差，从而推动活塞运动。目前有很多公司比如 LOTUS 公司就是采用的流量控制型的作动器。流量控制性的主要优点就是延迟小，响应较快(根据报道一般可以达到 30Hz )，但由于流量控制性作动器只依靠主动控制来吸收来自路面的扰动，这对系统而言负担很大，系统能耗严重，而且一般为了保证系统的高响应频率，往往需要一些高性能的传感器，这就意着系统的成本会大幅度增加。 b)压力控制型。压力控制型作动器主要是由一个压力控制阀和一个单作用油空压缸所构成。其中的压力控制阀又是由一个电液压力比例阀和一个机械式压力伺服滑阀组成，而单作用油空压缸则是一个具有弹性元件(气体弹簧室)和阻尼元件的特殊液压缸。其控制方式根据外界扰动的不同又分为三种不同的方式进行控制:（1）当外界的干扰小于 2Hz 时，由压力比例阀进行比例控制;（2）当外界干扰在 2Hz 到 7Hz 的中频范围内时，由滑阀的机械反馈能进行伺服控制;（3）当外界干扰是 7Hz 以上的高频干扰时，利用油缸中的气体弹簧吸收振动能源而减振。与流量控制型相比，该系统成本相对较低，能耗也小。自 80 年代末在实车上使用以来，几经改造，现在己较大规模地走向市场。日本公司的一些高级车上装载的系统即属于这一类[2]。