基于Anti-windup的含作动器饱和主动悬架控制方法

作动器饱和特性直接影响主动悬架输出性能,进而影响汽车操纵稳定性和舒适性。在分析作动器饱和输出特性的基础上,建立含作动器饱和的1/4主动悬架模型。采用基于Anti-windup的PID反馈控制方法,改善作动器饱和输出对系统的不良影响。通过Simulink建立主动悬架模型,分别对仅实施PID控制及增加Anti-windup算法时的系统进行仿真研究。结果表明,含作动器饱和时,PID控制器输出作用力极限值大于作动器输出饱和度时,控制系统不能达到最优状态。采用Anti-windup算法后,能够在作动器饱和度小于输出最大作用力时,提高系统收敛速度。     

多通道主动隔振中的通道窜扰抑制算法

多通道主动隔振是采用多个作动器协调控制的方法抑制系统的全局振动。作动器对振动进行控制同时,也对其它作动器产生干扰,通道窜扰是多通道主动控制的一大难题。将去耦合滤波器应用到抑制多通道主动控制的通道窜扰中。用去耦合滤波器滤掉控制误差信号中的通道窜扰信号,所得信号代替控制误差作为滤波-x LMS算法新的参考信号。通过仿真表明,采用耦合滤波器对多通道主动控制结果有重要影响,去耦合滤波器在通道窜扰为正反馈时依旧保证算法收敛,防止控制效果恶化。     

齿轮啮合振动的主动控制方法与实验研究

为了有效抑制齿轮传动系统由于啮合误差引起的周期振动噪声,提出一种基于压电堆作动器并结合自适应算法的齿轮传动振动主动控制方案。首先根据控制齿轮轴横向振动的思想构建齿轮箱主动结构,应用C-MEX S函数编写FxLMS自适应控制算法模块;基于级联自适应陷波器的技术提取齿轮啮合振动信号进而合成参考信号;利用自适应NLMS滤波器对包含压电堆作动器的次级通道进行离线辨识实验,在得到次级通道传递函数的同时有效避免了次级通道辨识和控制器之间的相互干扰。最后将算法代码下载到dSPACE中作为控制器,与内置压电堆作动器的齿轮箱组成硬件在环系统进行实验验证。结果表明:由FxLMS算法控制的压电堆作动器对齿轮的啮合振动控制效果明显,在不同转速、不同负载情况下啮合振动有15~26dB的衰减。     

含橡胶轴承轴系振动传递主动控制研究

研究基于惯性式作动器的轴系振动主动控制方法,用于抑制轴系振动向弹性基础传递。首先通过简化的轴系模型,分析了随转速变化的橡胶轴承支承特性导致轴系振动特性显著改变的原因,然后提出控制通道模型在线辨识与周期振动抑制方法。使用LMS辨识算法和子空间滤波方法获取轴系运行状态下的控制通道的脉冲响应,滤除其中由转速调制的周期干扰信号,并使用内嵌饱和抑制与干扰重构的Filtered-x LMS算法构建由转速调制的周期干扰的抑制方法。仿真和试验结果表明,经过滤波的脉冲响应的在线辨识模型更加有效,而且控制方法能够抑制转速调制的周期干扰,减小弹性基础振动。     

电磁力参数自寻优的转子多频振动主动抑制

提出一种转子多频振动的在线主动抑制方法,该方法利用电磁作动器向转子施加多个与转子振动频率相匹配的旋转电磁力,通过在线自寻优的方式确定电磁作动器的控制电流相位和幅值,使施加的多个频率成分的旋转电磁力能够削减转子的多频振动幅值,实现转子系统的多频振动在线抑制。首先建立了转子-轴承-电磁作动器系统动力学模型;提出一种转子系统多频振动的主动抑制方法,对该方法的有效性和可行性进行了理论推导;建立了电磁作动器控制电流相位和幅值的寻优模型,提出一种控制电流相位的整周寻优策略;随后搭建实验装置,进行了实验研究,理论推导和实验结果均表明该方法能够实现转子的多个频率成分振动的主动抑制。     

压电作动器的迟滞非线性建模和实时补偿控制仿真

压电作动器的迟滞非线性不同程度的影响了作动器的性能,降低了系统的稳定性,甚至使得系统不稳定,尤其在振动主动控制应用中,要求系统具有极强的实时性,否则由于相位滞后控制效果将会受到严重影响.在研究了各种迟滞非线性模型和补偿算法的基础上,采用PI迟滞算子对压电作动器建立一个纯现象的模型来准确描述其迟滞现象,参数的线性不等式约束保证了求解的唯一性和模型的可逆性.在此基础上利用PI逆模型设计补偿器来补偿迟滞非线性.仿真结果证明了控制算法的正确性和有效性,并有效抑制了迟滞的影响,保证了理想的跟踪精度.     

基于迭代算法的含饱和主动悬架最优控制

作动器饱和特性是一种严重的非线性现象,影响主动悬架控制系统的性能。建立1/4车体主动悬架动力学模型,考虑主动悬架系统作动器的饱和非线性,将主动悬架系统稳定域问题转化为求解系统最大不变吸引椭球问题,确定含作动器饱和的主动悬架稳定性判别方法。运用Ricatti方程迭代法求解不变吸引椭球最大的最优控制器,研究不同饱和度下的作动器对系统不变吸引椭球最大值的影响,完成不变吸引椭球最大的控制器设计。仿真结果表明,作动器饱和特性影响系统的稳定性,当作动器的饱和度增大时,系统的稳定域范围也相应增大,且具有更好的输出响应。不变吸引椭球最大的最优控制器能明显增大主动悬架系统的稳定域,可以改善作动器的非线性现象对系统的不利影响,有利于提高主动悬架系统的可靠性和安全性。     

基于内环H_∞控制的实时混合试验

实时混合试验将结构的关键部位作为试验子结构进行试验,而其余部分作为数值子结构在计算机中模拟,并通过作动器或振动台对试验子结构进行加载来实现二者边界条件的协调。由于作动器-试件系统复杂的非线性动力特性,传统的PID控制器性能受到一定影响,必须采用时滞补偿方法或外环控制消除作动器-试件系统的非线性动力特性影响,才能保证实时混合试验的成功。为在作动器内环消除作动器-试件系统非线性动力特性的影响,采用基于混合灵敏度的H_∞控制理论设计实时混合试验作动器内环控制器,并研究了这种方法的可行性。数值仿真表明,H_∞控制器表现出较好的跟踪性能并具有一定的鲁棒性;单自由度线弹性结构实时混合试验证明了该方法在作动器内环控制上的可行性。     

约束权函数的FxLMS算法的自适应有源隔振技术研究

基于FxLMS算法,构造一种适用于双层隔振装置有源控制的自适应CFxLMS算法。该方法可降低参考信号干扰对误差通道的影响,提高系统的鲁棒性。针对某一基于磁致伸缩作动器双层隔振装置进行计算机仿真,结果证明该方法可有效改善系统性能。     

基于时滞追踪的实时混合试验自适应补偿方法

实时子结构试验方法因其高效、适用面广,近20年来受到结构试验领域的重视。虽然近年来硬件技术有所提升,但仍受到一些限制,例如,作动器加载时运动机构和控制回路存在时滞,导致无法准确地施加位移。故实时子结构试验中,如何消除时滞影响成为试验成功与否的关键所在。为了减小和消除实时子结构试验中时滞的不利效应,该文首先根据液压伺服作动系统和Simulink建立了实时子结构试验平台,而后提出了基于时滞追踪的自适应补偿方法,最后采用数值仿真和子结构加载试验进行了验证和参数分析。结果表明:该算法可根据作动系统负载不同对时滞实时自适应地补偿,从而避免迭代试验。该方法不改变原控制器固有算法,也无需对系统时滞参量进行预判定或系统辨识,只需将提出的自适应补偿算法串联接入到系统之中即可,实用性、鲁棒性好。算法对非线性系统导致的时变时滞效应也有理想的补偿效果,通过一个铝合金梁的弯曲测试说明了该算法的正确性,可推广应用于结构实时仿真试验。     

子空间预测控制算法在主动噪声振动中的应用

为解决主动噪声和振动控制中的执行器饱和约束条件问题,本文在子空间系统辨识的基础上,研究了一种新颖的子空间预测控制方法。该控制方法联合了系统辨识和控制器设计,直接由输入-输出数据得到将来时刻的输出预测值,自动校正系统中的参数,克服了传统的模型预测控制中繁琐的系统辨识环节。同时子空间预测控制允许执行器机构出现饱和现象,在考虑由饱和现象导致的约束条件时,利用线性矩阵不等式将约束优化问题转化为无约束优化问题。采用椭球优化算法迭代地产生一系列体积逐渐减小的椭球序列,该序列最终能收敛到一个最优解。在椭球算法的基础上推导了该算法达到收敛时所需要迭代次数的一个上界。这在智能优化算法中是很难求得到的。最后以直升机悬停状态时发生的颤振为例,利用本文中的子空间预测控制和椭球优化算法设计闭环系统的反馈控制器,验证闭环系统的输出响应能较好地跟踪期望值,从而得出本文方法的有效性。     

汽车动力总成主动悬置系统分层控制策略研究

针对汽车动力总成主动悬置系统结构特点,考虑作动器动态特性对系统控制精度的影响,提出了一种分层控制方法。在对三自由度1/4车主动悬置系统分析的基础上,推导了悬置系统和电磁作动器控制电路的数学模型,采用分层控制策略对悬置部分和作动器电路部分设计了上、下层控制器。上层悬置控制器采用综合性能较好的LQR控制,并利用遗传算法对其性能指标权重系数进行优化;下层作动器电路部分采用简单实用的PID控制,并利用粒子群算法对其参数进行优化。最后,通过对所设计的主动悬置系统设置两种典型工况进行仿真验证。结果表明:相比于传统控制,按照分层控制策略设计的主动悬置系统能够针对汽车不同工况实施更精确的控制,并且具有较强的鲁棒性和力跟踪性。     

混合隔振系统自适应模糊滑模控制

针对机械设备被动隔振在低频段隔振效果较差的问题,建立磁致伸缩作动器的电-磁-机转化数学模型,提出一种基于自适应模糊滑模控制算法,并用李雅普诺夫方法证明控制器的稳定性,将该控制策略与磁致伸缩作动器应用于混合隔振系统中。仿真结果表明：在单频、多频及随即激励条件下,自适应模糊滑模控制器具有良好的动态特性和鲁棒性,能够提高系统隔振效率并拓宽隔振频段,有效减小传至基础的力。     

执行器受限空间机器人的模糊神经网络控制

空间机器人关节执行器输出力矩幅值及幅值变化率受限的情况,是其在太空应用中不可避免要面临的实际问题。为此该文讨论了关节执行器输出力矩幅值及幅值率受限情况下参数未知空间机器人系统协调运动的动力学控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,推导了漂浮基空间机器人系统的动力学方程。以此为基础,针对关节执行器输出力矩幅值及幅值率受限的情况,设计了一种自适应模糊神经网络控制器,以使空间机器人系统的本体姿态和机械臂关节铰协调地跟踪各自在关节空间的期望运动轨迹。该控制方案由自适应模糊神经网络控制器及抗饱和参数自适应律构成。首先利用有限差分法将幅值率受限条件转化为幅值受限条件,并与该文预设的力矩受限条件比较以确定每个采样时刻的力矩动态受限范围;然后再通过设计一个抗饱和参数自适应律来确保执行器的输出力矩在动态受限范围内。基于Lyapunov稳定性理论证明了该控制器可确保控制系统是渐近稳定的。仿真对比实验证明了该控制方案的有效性。     

基于希尔伯特变换的舵机系统间隙参数辨识及试验方法

针对舵机间隙参数辨识问题,设计了间隙可调的试验装置模拟舵机传动机构的间隙,以静载突卸方式使其产生自由振动,应用基于希尔伯特变换的自由振动分析方法得到双折线弹性力曲线并辨识间隙参数。并进一步应用于真实飞行器舵机间隙的辨识中。该试验方法获取的振动数据信噪比良好;辨识结果表明本文方法可更为准确的识别出舵机间隙参数,工程评估结果更为安全,对于小型舵机具有良好的适用性。     

基于饱和补偿控制器的壁板结构振动控制

引人具有良好非线性控制能力的EMCS（Extended Minimal Control Synthesis）算法进行壁板结构振动控制。为解决控制器输出饱和问题,基于波波夫准则设计含有饱和补偿控制器的SCMCS（Saturation Compensator Minimal Control Synthesis）控制策略,并进行稳定性证明。仿真及实验结果表明,该方法在多模态正弦复合随机扰动下,较EMCS算法鲁棒稳定性更好,尤其由积分器与sign函数引起的EMCS算法控制器输出饱和现象得到有效抑制。     

结构减震的稳定时滞LSSVM-LQR智能控制算法

针对时滞LSSVM-LQR智能控制算法存在的稳定性问题,提出相关的稳定性控制算法,以确保时滞LSSVM-LQR智能控制算法的鲁棒性。该算法的主要思路为：在时滞LSSVM-LQR控制算法中,加入控制力限制条件。当满足控制力限制条件时,控制程序继续运行;当不满足控制力限制条件时,控制程序自动跳出,便执行稳定性控制算法（或称为稳定/鲁棒的时滞LSSVM-LQR智能控制算法）。稳定性控制算法主要是通过调整反馈来控制作动器运行,从而确保控制系统的稳定性。数值结果表明,稳定性控制算法能够有效地保证时滞LSSVM-LQR智能控制算法的稳定性/鲁棒性;与时滞LSSVM-LQR智能控制算法相辅相成。     

分散式自适应主动隔振控制算法研究

针对主动隔振中次级通道耦合会影响传统FXLMS算法稳定性问题,提出一种分散式解耦优化控制算法。主要是更新控制滤波器系数时忽略作动器与非临近传感器间的耦合,将多通道控制系统简化为多个并联的单通道控制系统,能降低算法运算量。但在一定程度上也会降低系统的收敛速度,为此,在辨识矩阵的估计模型中引入了作动器与非临近传感器之间的反馈补偿因子。仿真和试验结果表明,该算法可有效降低运算量,提高收敛速度和控制精度,双频线谱激励控制效果显著,振动衰减分别可达24.5 dB和12.4 dB。     

A new algorithm for coupled solutions of electric, magnetic andmechanical systems in dynamic simulation of solenoid actuators

An algorithm is presented for the simultaneous solutions of the coupled electric, magnetic, and mechanical problems in the dynamic simulation of a solenoid actuator. The transient nonlinear field in the coupled problem is analyzed using the finite-element (FE) method, which considers the effects of saturation, eddy current, and armature movement in the actuator. The nonlinear electronic circuit is represented by equivalent circuit equations that are coupled to the FE equations and are solved simultaneously with them in an iterative manner. Dynamic responses of the solenoid actuator predicted by using this algorithm agree closely with experimental results. The advantage of this method is that its principle is applicable to general types of power electronic devices. With suitable modifications, it can be used to simulate the dynamic responses of power-electronic-controlled electric machines     

车辆主动惯容式动力吸振悬架系统研究

为解决作动器惯质对主动悬架性能不利,被动惯容式动力吸振悬架减振频段较窄的问题,提出了车辆主动惯容式动力吸振悬架构型和车身加速度补偿控制策略。通过对系统动态阻抗特性的解析,表明该方法能大幅削减悬架的簧载共振峰。研究了系统参数对平顺性三项指标的影响关系,说明加速度补偿系数应在空间允许情况下择大为宜,其他参数应折衷选取。通过数值仿真,对比了该悬架与理想动力吸振悬架、被动惯容式动力吸振悬架、传统悬架和主动天棚阻尼悬架的效果,结果表明该悬架能有效改善舒适性,克服作动器惯质的不利影响,且车身加速度补偿控制策略的算法简单、计算量较小,有助于降低成本并提高控制的鲁棒性和实时性。