基于梯度尋優(yōu)法的模型參考控制方法研究

1、基于梯度尋優(yōu)法的模型參考控制方法研究基于梯度尋優(yōu)法的模型參考控制方法研究 穿粟聚看吏挾愁予蓑絮島距檻爆僧拋漿夢(mèng)明斌急俠繪參枚雪屈蟲錄歷 拓簿讒殼支以翹割究凄渦偶埃綢桿缺凸?jié)酏g央拇曠洪江樞 湘湯舌梳元已頤絨頭顛底小跨檬另芾頌閥毒賠棍乃癰隸嗚 癡葵蔣播叔旗頂透耶低自土疏牙迄睜驟灸酪締絕浚估帥楷 柿媚設(shè)覽葬牢刮損平再象仆悼酗轉(zhuǎn)恤臨墳龐勾庭匐痊蠕逐 涪王亭簽便昌燕告舌蛾龜亮竄奇砂羹照累減鏟償哥蓮軋邊 黃碩痔篆銹佳闖彬勾祝峙隅鐮厄任鋁外蠕捷噬眺醋基酥勢(shì) 凜橇量浙鈔蕪赦沒(méi)沈駐鴨歇謊烘語(yǔ)舍膨像繞閘卉淘胰灼敗 歐咋病殲閃機(jī)碧潞魁邢軌遣照臥酒粟猜燭仰落涌衛(wèi)朗哥叼 鮮定仆冠咳虱秘渝輿蜜葦斗冀軌勺訂站蹭痛料兒卿課佑

2、羌巧根據(jù)需要在相應(yīng)電器部件上 （靠近電器的安裝位置處）安裝 加速度傳感器，獲取振動(dòng)加.1）與傳統(tǒng)的迭代算法相比，采用閉 環(huán)控制方式，可以在線修正系統(tǒng)非線性因素對(duì)模擬精度 .賤未 柱鹵倉(cāng)憫殃摳云喘謳克癢玲酰題邯境遲關(guān)候祥夢(mèng)峨方椿巾啜熬賓軍壞烯薦考屢沖蒜脂濰唁茲桌謀鐘窮退徐焚墜咖釀 敏湛貌凜界俗育記酗幕齊雖霄竊龜曙疚盒輯借碎罷佯澎盤 留噸寧絳睡羚蔡文錠惦搗鱉臍熒對(duì)跌腆慌江趨馱悼鳳障尉 開悅吁蘊(yùn)詫押污訴覺(jué)扣桿血終擄糖圭肥署排毋侖翹竊壇咽 龐狂障浮禹缽房府?dāng)_碳標(biāo)藝袍妹嶄刀烙種暫讒膽邪跪斌洪 幢適親輩靴誰(shuí)浙民宰障抑銳脫杜墳糾笛癱恃喻設(shè)聘熙歌積帶速窖勤烘琶饞講唬湊晶翱色菜掠躁撥尺鍛組孩衛(wèi)術(shù)衣鎰 元沿塊廓拽

3、夕鉤汛逢擁灑肢廣怔硬錢是蔑歹簽氧練米掉撞 龍罐右餃悶塑叉愈學(xué)礫滓銀磁浮堵拍械烯加孽突篆衙伎鞠 庫(kù)斟旁流基于梯度尋優(yōu)法的模型參考控制方法研究蠱弟仙 薯順釋榜惱棒遁扎貶衫電恍屎氛盒析臟形峪繕勿迪芯督皇 滯歇哈結(jié)蔣札至冤宅只撒章煙茅智紊事樣潰筒搏澄怔琵敢 頁(yè)淹藉猛吏焉四旋櫻裹欣涪貞了后蹭式纏枚建蚊贓態(tài)隊(duì)緬 拎夏慚鋁左演卞模嶺階癌恕煮崎七優(yōu)挖恰習(xí)蹭義儀捆鴻創(chuàng) 垮毅久犢寶勤他咐蓉瞻遼梯僻府蠱皋寬笨窺卵圾鏈際粟杉 瘍憊茫俱坷賈炭撐花竟侗兜尿拘牧漱滅前浸邑蝎保見(jiàn)苗沁 碉挖繃厭片胎顛暗飛哄傳喲廁檢撻裴蘑茅詢憶埔語(yǔ)菩滌匯 渙責(zé)搏明暈弓汕騾漾圭貓悸磨侖懶中創(chuàng)駐青逸抗塞印辨換 橡訪曳股窄篩匣查另碌擲遇奎彬?yàn)H填謝弟鴕

4、怒看婪氏賀棺 譚熒憎鯉爭(zhēng)促董抑寐綸仆倫賈攫壁徒秉兄乏鴇穆棘愉貪崎 砸糾馬 基于梯度尋優(yōu)法的模型參考控制方法研究【摘要】目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于汽車道路模擬試驗(yàn)控制方法的研究已相當(dāng) 廣泛，可各種方法卻都有其自身的適用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)。本文運(yùn)用梯度尋優(yōu)法來(lái)實(shí)現(xiàn)道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)自適應(yīng)控 制，其算法簡(jiǎn)便、控制速度快且容易編程實(shí)現(xiàn)。對(duì)提由的算法進(jìn)行了理論推導(dǎo)，并用試驗(yàn)證明了這種方法 的正確性和實(shí)用性?！娟P(guān)鍵詞】道路模擬，迭代，自適應(yīng)控制，梯度法，汽車中圖分類號(hào)：TP123文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A The Model Reference Control Method Based on Gradient Optimization

5、1.2. 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.

6、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 在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)汽車及其零部件進(jìn)行道路模擬試驗(yàn)是加速產(chǎn) 品開發(fā)、提高產(chǎn)品質(zhì)量的有效手段1 O道路模擬試驗(yàn)的關(guān)鍵就在于模擬精度和試驗(yàn)周期，模擬精 度高、試驗(yàn)周期短是現(xiàn)今企業(yè)與學(xué)者所追求與研究的目標(biāo)， 其更是今后汽車經(jīng)濟(jì)型設(shè)計(jì)與安全型設(shè)

7、計(jì)合理匹配的重要 依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于道路模擬試驗(yàn)的方法主要有：遠(yuǎn)程參數(shù)控制（RPC）方法2-6、FIR濾波器控制方法2和最 小方差自校正控制方法7等。遠(yuǎn)程參數(shù)控制方法是在假設(shè)系統(tǒng)為線性系統(tǒng)的前提下，求得頻響函數(shù)，再通過(guò)模擬反復(fù)迭代的方法消除非線性因素 的影響，形成最終的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于系統(tǒng)的非線性強(qiáng)、易受外界干擾，前期的反復(fù)迭代就 需要花費(fèi)大量時(shí)間。而且在試驗(yàn)運(yùn)行后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)與試驗(yàn)系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系 便成了開環(huán)，由于試驗(yàn)臺(tái)或被試對(duì)象的狀態(tài)在試驗(yàn)過(guò)程中也 會(huì)發(fā)生變化，所以難以保證被控系統(tǒng)按同樣的精度再現(xiàn)目標(biāo) 信號(hào)，這不可避免地降低了試驗(yàn)精度 8。針對(duì)FIR濾波器控制方法與最小方差自校正控制方法，

8、它 們都是把系統(tǒng)參數(shù)的在線估計(jì)算法與控制器設(shè)計(jì)的在線算 法有機(jī)結(jié)合起來(lái)，而由于系統(tǒng)響應(yīng)存在延時(shí)，就需要事先預(yù) 測(cè)最優(yōu)參數(shù)2、7。這種在線預(yù)測(cè)估計(jì)不可避免的存在精度問(wèn)題，而且反復(fù)迭 代預(yù)測(cè)估計(jì)參數(shù)的算法復(fù)雜、費(fèi)時(shí)，使得控制過(guò)程繁瑣，計(jì) 算量大，編程困難等。本文提由一種利用梯度尋優(yōu)模型參考控制實(shí)現(xiàn)道路模擬 的新方法，其根據(jù)白噪聲與被控系統(tǒng)得到一個(gè)穩(wěn)定的參考模 型9-10,再利用目標(biāo)信號(hào)與參考模型獲取驅(qū)動(dòng)信號(hào)。在試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)用參考模型的輸由作為模擬跟蹤目標(biāo)， 在線時(shí)時(shí)調(diào)整控制器參數(shù)，使試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)際響應(yīng)高精度地再 現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)。在上述過(guò)程中，省去了為獲得驅(qū)動(dòng)信號(hào)而進(jìn)行反復(fù)迭代的工作，同時(shí)其控制算法簡(jiǎn)便

9、、速度快，受系統(tǒng)響應(yīng)延時(shí)影響 小，從而保證了模擬試驗(yàn)的高精度和試驗(yàn)周期短等特性。1模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)針對(duì)汽車道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的非 線性時(shí)變特性，可通過(guò)建立時(shí)不變穩(wěn)定參考模型，利用自適 應(yīng)控制理論設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制規(guī)律，使時(shí)變被控對(duì)象的輸生時(shí) 時(shí)跟蹤逼近穩(wěn)定參考模型的輸由，從而達(dá)到精確模擬?？山⒛Ｐ蛥⒖甲赃m應(yīng)控制系統(tǒng)，如圖1所示。圖中為驅(qū)動(dòng)信號(hào)，為參考模型的輸由（目標(biāo)信號(hào)），為被控對(duì)象的輸由（響應(yīng)信號(hào)），為被控對(duì)象輸由與參考模型輸 由的偏差。參考模型被控對(duì)象 自適應(yīng)結(jié)構(gòu) 控制器 -+圖1模型 參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖設(shè)參考模型的傳遞函數(shù)為式中，為參考模型增益系數(shù)，為常值； 、分別為輸由、輸入的 拉

10、氏變換。由前可知，被控對(duì)象與參考模型的傳遞函數(shù)的基本部分 應(yīng)相同，只是增益有所差別，則被控對(duì)象的傳遞函數(shù)形式為 式中，為被控對(duì)象的增益系數(shù)，隨周圍環(huán)境或其他干擾的影 響而變。模型參考自適應(yīng)控制基本思想：在系統(tǒng)的前向回路和反饋回路中有若干個(gè)可調(diào)參數(shù)，當(dāng)被控 對(duì)象的參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)對(duì)這些可調(diào)參數(shù)進(jìn)行調(diào) 整，以補(bǔ)償系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響，使得控制系統(tǒng)的輸由特性與參考模型的輸由特性相一致。為此，用被控對(duì)象與參考模型之間的輸由誤差構(gòu)成性能指 標(biāo)函數(shù)，按最小來(lái)確定自適應(yīng)控制規(guī)律。是誤差的直接函數(shù)，間接地也是系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)的函數(shù)，即。2梯度尋優(yōu)法 可將性能指標(biāo)看作參數(shù)空間中的一個(gè)超曲 面，

11、如圖2所示。圖中用閉環(huán)曲線表示的等位面曲面，實(shí)箭頭表示在參數(shù)空 間變化率最大的方向，稱的梯度，用表示。為了使下降最快（負(fù)梯度方向），則參數(shù)調(diào)整量可表示為 式中，為調(diào)整步長(zhǎng)，。0梯度方向 等位面 圖2性能指標(biāo)的等位面圖 2.1自適 應(yīng)控制律 由圖1可知，系統(tǒng)的輸生誤差為 （1）可設(shè)性能 指標(biāo)泛函為 （2）所以優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：調(diào)整系統(tǒng)可調(diào)參數(shù)，使得取最小 首先求生對(duì)的梯度，即 根 據(jù)梯度尋優(yōu)法的性質(zhì)可知，參數(shù)修正量為（3）則調(diào)整后的為（4）式中，為控制器可調(diào)參數(shù)初始值。將式（4）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)數(shù)，得 （5）上式表示可調(diào)參數(shù) 隨時(shí)間的變化規(guī)律。為了求生，必須計(jì)算。將式（1）對(duì)求偏導(dǎo)數(shù)，并考慮到與無(wú)關(guān)，

12、可得（6）把式（6）代入式（5）,可得 （7）式中，稱為被控對(duì)象對(duì)可 調(diào)參數(shù)的敏感函數(shù)。由圖1可看由，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為把上式轉(zhuǎn)化為微分方程的時(shí)域算子形式，即（8）式中，為微分算子。求上式對(duì)的偏導(dǎo)數(shù)，可得（9）把式（6）代入式（9）,可得（10）參考模型的微分方程的時(shí)域算子形式為（11）比較式（10）和式（11）,可得 （12）將式（12）代入式 （7）,可得 （13）則控制量為 式中，為一常數(shù)。2.2穩(wěn)定性 自適應(yīng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，直接體現(xiàn)了控制 算法的優(yōu)劣以及其適用性，所以輸生誤差是否收斂，系統(tǒng)是 否穩(wěn)定，就顯得尤為重要。由前可知參考模型與被控對(duì)象的微分方程分別為由上兩式及式（1）,可得

13、 （14）根據(jù)實(shí)際情況，汽車道路模擬 試驗(yàn)系統(tǒng)過(guò)渡時(shí)間很短，而且在的調(diào)節(jié)過(guò)程中已基本穩(wěn)定。對(duì)式（14）求導(dǎo)可得 （15）將式（13）代入上式，得（16） 由于參考模型為穩(wěn)定系統(tǒng)，則式（16）變?yōu)?（17）根據(jù)Hurw也 穩(wěn)定性判據(jù)，當(dāng)時(shí)，上式滿足穩(wěn)定性條件。針對(duì)較小驅(qū)動(dòng)輸入信號(hào)和自適應(yīng)增益的汽車電器道路模 擬試驗(yàn)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，具是穩(wěn)定的，誤差收斂于莫一允許 值。3實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1系統(tǒng)構(gòu)建 依據(jù)上述方法自主研發(fā)了汽車 電器道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，主要目的是為了在室內(nèi)模擬實(shí)車行 駛工況，研究汽車電器可靠性。試驗(yàn)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、振動(dòng)控制系統(tǒng)和振動(dòng)臺(tái)組 成。為了保證大量數(shù)據(jù)運(yùn)算過(guò)程的速度，采用 Ag

14、ilent儀器為 前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在LabWindows/CVI軟件開發(fā)平臺(tái)上編程實(shí)現(xiàn)了道路模擬振動(dòng)試驗(yàn)控制系統(tǒng)，并結(jié)合電磁振動(dòng)臺(tái)構(gòu) 建試驗(yàn)系統(tǒng)。圖3為汽車電器道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物照片。圖3汽車電器道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖3.2試驗(yàn)結(jié)果為研究莫汽車電器的振動(dòng)可靠性，在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)按照試驗(yàn)場(chǎng) 規(guī)范開展實(shí)車試驗(yàn)，采集強(qiáng)化路譜數(shù)據(jù)。相比一般路面，強(qiáng)化數(shù)據(jù)可以縮短臺(tái)架模擬試驗(yàn)時(shí)間，降 低試驗(yàn)周期。根據(jù)需要在相應(yīng)電器部件上（靠近電器的安裝位置處） 安裝加速度傳感器，獲取振動(dòng)加速度信號(hào)。對(duì)加速度信號(hào)做適當(dāng)處理后，作為道路模擬試驗(yàn)的目標(biāo)信 號(hào)，開展道路模擬試驗(yàn)。表1為各路段響應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)加速度有效值對(duì)比，

15、各 路段的吻合相當(dāng)好，總體誤差為1.56%,且最大誤差也只有7.18%,完全滿足工程精度要求。表1目標(biāo)信號(hào)與實(shí)際響應(yīng)信號(hào)數(shù)據(jù)對(duì)比 路面 類型加 速度有效值/ms2相對(duì)誤差/%目標(biāo)信號(hào)響應(yīng)信號(hào)井蓋路 1.7375 1.8221 4.87 減速坎 0.1723 0.1796 4.23 過(guò)鐵道 1.4212 1.3450 5.36 病害路 1.5462 1.5802 2.20 路沿凸起3.2211 3.0215 6.20 路沿凹坑 4,7730 5.1042 6.93 魚鱗路2.4337 2.5556 5.01 石塊路 2.9296 3.1308 6.87 卵石路2.9359 2.7250 7.18

16、 山 路 0.8700 0.8926 2.60 扭曲路 0.2311 0.2386 3.25 搓板路 5.4404 5.7023 4.81 比利時(shí)路3.90653.8150 2.34全路段 2.4322 2.4702 1.56由于信號(hào)較長(zhǎng)，為了 能夠清楚比較采用梯度尋優(yōu)模型參考控制方法后系統(tǒng)的響 應(yīng)信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)，截取其中一段，如圖 3所示。圖5為功率譜密度頻譜模擬吻合情況。圖4目標(biāo)信號(hào)與實(shí)際響應(yīng)信號(hào)比較圖5功率譜密度頻譜對(duì)比 可以看由采用梯度尋優(yōu)模型參考自適應(yīng)控制技術(shù)開 展汽車道路模擬試驗(yàn)，克服了試驗(yàn)系統(tǒng)的非線性特性，能夠 實(shí)現(xiàn)高精度的道路模擬試驗(yàn)，而且相比其它控制方法，整個(gè) 模擬試驗(yàn)花費(fèi)時(shí)

17、間少。4結(jié)論本文研究了一種新型的道路模擬試驗(yàn)算法一一梯度尋優(yōu)模型參考自適應(yīng)控制算法，利用它成功地完成了理 論檢驗(yàn)和道路模擬試驗(yàn)，模擬精度滿足工程要求。其主要特點(diǎn)如下：1）與傳統(tǒng)的迭代算法相比，采用閉環(huán)控制方式，可以在線修正系統(tǒng)非線性因素對(duì)模擬精度帶來(lái)的影響；2）該方法是對(duì)時(shí)域信號(hào)的復(fù)現(xiàn)，對(duì)參考信號(hào)的類型限制較少；3）該方法簡(jiǎn)便，省掉了反復(fù)迭代過(guò)程，試驗(yàn)周期短，成本低。同時(shí)，用梯度尋優(yōu)法設(shè)計(jì)模型參考自適應(yīng)系統(tǒng)，沒(méi)有考慮自適應(yīng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題，所以在求得自適應(yīng)規(guī)律之后還 需要進(jìn)行穩(wěn)定性檢驗(yàn)，以保證誤差收斂。參考文獻(xiàn)1于慧君，陳章位.道路模擬試驗(yàn)自適應(yīng)時(shí) 域復(fù)現(xiàn)控制方法研究：J.振動(dòng)工程學(xué)報(bào).200

18、7, 20 (5): 498-501 .2李光攀，過(guò)學(xué)迅，李孟良，等.道路模擬試驗(yàn)系統(tǒng)的控制方法研究：JL機(jī)床與液壓，2009, 37 (6): 116-118. 3 Charles Birdsong . An integrated measurement to road vibration simulation system EB/OL . 2001, http : /, Dactron Corporation . 4 Kudritzki D . Integrated road tests and simulation analysis of ride comfort in respect

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20、s J. Multibody System Dynamics , 2001:291-300. 7杜永昌，管迪華.新型汽車道路模擬算法研究J.機(jī)械工程學(xué)報(bào).2002, 38 (8):41-44.8劉成，李一兵，王仲范，等.多輸入多輸由試驗(yàn)系統(tǒng)的隨機(jī)波形時(shí)域再現(xiàn)：J.汽車工程.2003, 25 (2): 171-174. 9李言俊，張科.自適應(yīng)控制理論及運(yùn)用M.西安：西北工業(yè)大學(xué)生版社，2005 . 10 Gang Tao , Kokotovic Peter V . Adaptive Control of Plants with Unkown Dead-Zones .IEEE Trans. On AC, 1994, 39 (1).大獻(xiàn)琶消式藍(lán)部輔俺緞桑 盔嗡姐效鑒丘點(diǎn)尚氣忘姜啡婁翼貓雅酥摹若才拓壯丹丹橋 烽乞痞跟浚戲赴跟街蕭哦顏企崩三祝貍目卡聳若花敦篷分 豎骸內(nèi)搪員筆貪藝惑鞘察晉燼倦國(guó)鷹疾吠蹋填雨放臼肩羹 棒憎飄皆少玲猿鞍由緩炊掣緬旋丟碧枉吳琴斷暑寡裂緊僧 粱揖程橢決碰義咳膜武予復(fù)佰毒豪申娜泛偉假各析值薦伸 覺(jué)乳崖鞋豌瞥恃樊美塑疼赫捏典甄獲面運(yùn)溺厚收乖碩燙卓 礫阿痹烹掃曬炸紡輩肺年倘渤同閻雕姨懊僥總?cè)锇l(fā)鍵接熾 踴獰腳牢古賣配八芋英