平衡重式叉車底盤系統(tǒng)的bp逆系統(tǒng)建模與仿真

平衡重式叉車底盤系統(tǒng)的bp逆系統(tǒng)建模與仿真

近年來，各車輛運營系統(tǒng)的整合和質量控制已成為車輛動態(tài)研究的熱點。文獻[6]采用多變量頻域控制方法消除了主動前輪轉向系統(tǒng)(AFS)和電子穩(wěn)定系統(tǒng)(ESC)間的干涉和耦合.文獻[7]采用非線性解耦控制理論設計解耦控制器,消除了主動懸架(ASS)和電動助力轉向(EPS)間的耦合及路面不平度干擾對整車性能的影響.文獻[8]通過抑制底盤其他控制輸入的影響來實現(xiàn)控制目標,實現(xiàn)了四輪轉向(4WS)、車輛動力學控制(VDC)和ASS間的解耦.文獻[9]通過擬線性的方法重構了車輛三自由度仿射非線性模型,應用解耦控制方法實現(xiàn)了該三自由度非線性系統(tǒng)的解耦.本文主要針對輪胎非線性特性導致的車輛非線性動力學特性,利用非線性系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)方法1控制系統(tǒng)參考模型本文所研究的叉車底盤系統(tǒng)基本上沒有傳統(tǒng)汽車底盤系統(tǒng)中的懸架系統(tǒng)和橡膠襯套連接副,因而輪胎的非線性特性是導致叉車整車非線性動力學特性的主要因素,且平衡重式叉車為“后輪轉向+前輪驅動”的底盤布置模式,本文主要考慮輪胎的非線性特性進行叉車底盤主動后輪轉向與直接橫擺力矩控制的解耦控制,采用具有側向和橫擺兩個自由度的非線性車輛模型.控制系統(tǒng)參考模型為非線性二自由度動力學模型,ARS與DYC分別是從側向和縱向對整車的橫擺和操縱穩(wěn)定性進行控制,采用包含側向和橫擺二自由度的車輛模型作為二者共用的控制參考模型,如圖1所示.控制系統(tǒng)參考模型是一個由前后4個非線性特性的輪胎支撐于地面,具有側向和橫擺運動的二自由度車輛模型,該模型能夠反映駕駛員的轉向輸入與車輛質心側偏角和橫擺角速度之間的非線性關系.圖1中,v,β和ω顯然,得到的車輛系統(tǒng)參考模型(1)是一典型的兩輸入、兩輸出多變量系統(tǒng),由于輪胎的耦合和運動關系的耦合作用,導致底盤各子系統(tǒng)存在相互作用,輪胎的縱向力和側向力之間存在彼此關聯(lián),車輛的質心側偏角和橫擺角速度通過輪胎力作用產(chǎn)生耦合,車輛的橫擺和側向運動之間也存在耦合作用,使得ARS和DYC之間存在較強的耦合作用關系,兩個控制回路之間具有較強的關聯(lián)性.為了使多變量集成控制系統(tǒng)的設計得以簡化,需要對以上兩個控制回路相互耦合的車輛多變量集成系統(tǒng)進行解耦.2隔離網(wǎng)絡系統(tǒng)的設計2.1基于tor的一階積分線性系統(tǒng)對狀態(tài)方程描述的多輸入多輸出底盤集成控制系統(tǒng)(1),其系統(tǒng)可逆性證明一般采用Interactor算法式中:y式中:y由式(7)可看出,將逆系統(tǒng)(7)串聯(lián)在原系統(tǒng)(1)前組成的偽線性系統(tǒng),相當于兩個一階積分線性子系統(tǒng),這樣對于包含ARS和DYC的強耦合多變量系統(tǒng)(1)的控制就轉化為對兩個一階積分線性子系統(tǒng)的控制,即可實現(xiàn)系統(tǒng)的解耦,如圖2所示.圖2,S2.2正弦曲線材料為確定多變量控制系統(tǒng)輸入和輸出的映射關系,采用Bristol-Shinskey方法對車輛系統(tǒng)分別進行以下2種單輸入工況激勵:(1)橫擺力矩輸入為正弦曲線,方向盤轉角輸入為零;(2)方向盤轉角輸入為正弦曲線,橫擺力矩輸入為零.測量以上2種單輸入工況激勵下的系統(tǒng)響應,得到該系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的第一放大系數(shù):則車輛系統(tǒng)相對增益矩陣計算公式為根據(jù)相對增益矩陣的特性,當相對增益接近于1時,系統(tǒng)可以通過這一對變量配對關系進行解耦設計.由于車輛后輪轉角對質心側偏角的相對增益和橫擺力矩對橫擺角速度的相對增益均在1~1.2之間,因而分別選擇后輪轉角控制質心側偏角,橫擺力矩控制橫擺角速度的配對關系.2.3神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)的構造及訓練底盤集成系統(tǒng)的解析逆系統(tǒng)的表達式(7),僅在原系統(tǒng)的參數(shù)準確、已知并保持恒定時,偽線性系統(tǒng)的解耦特性才能實現(xiàn).為提高控制系統(tǒng)對參數(shù)變化的自適應能力和對負載擾動的魯棒性,應用靜態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡和積分器來構造逆系統(tǒng)(7).由式(7)可知,逆系統(tǒng)的輸入層包括β,ω設定車速為10km·h2.4閉環(huán)控制器設計系統(tǒng)解耦后,集成系統(tǒng)(1)轉化成互不干擾的兩個單輸入單輸出系統(tǒng):一階ARS子系統(tǒng)和一階DYC子系統(tǒng).為改善集成系統(tǒng)的響應品質,設計了閉環(huán)控制器與神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)組成復合控制器以對集成系統(tǒng)進行控制,如圖5所示.解耦得到的偽線性系統(tǒng)的輸出與輸入之間具有一一對應的線性關系,可采用針對單變量線性系統(tǒng)理論中的PID控制、極點配置或二次型指標最優(yōu)控制等方法來設計閉環(huán)控制器.在系統(tǒng)解耦的基礎上,設計了PD閉環(huán)控制器為式中:e,de為系統(tǒng)輸出信號的偏差和偏差變化率;K3不同控制方式下的車輛橫擺角速度和質心側偏角響應曲線為驗證基于神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)方法的叉車底盤解耦控制的有效性,基于MATLAB/Simulink對所設計的底盤解耦控制系統(tǒng)進行仿真分析.仿真車輛參數(shù)為:m=4639kg,a=1.00m,b=0.97m,I(1)單移線工況設置駕駛員施加后輪轉角幅值為0.08rad、頻率為0.5Hz的單移線工況并進行仿真,得到單移線工況下車輛的橫擺角速度和質心側偏角響應曲線如圖6,7所示.由圖6,7可知,與單純的PD控制相比,解耦PD控制的車輛橫擺角速度能較好地跟蹤期望值,且其超調(diào)量較小,質心側偏角也被控制在一個較小的范圍內(nèi),利于車輛的穩(wěn)定行駛.在單移線工況中,不同控制方式下的車輛橫擺角速度和質心側偏角的峰值比較如表1所示.由表1可知,與單純的PD控制相比,解耦PD控制下的車輛橫擺角速度峰值減小了11.1%,質心側偏角峰值減小了25.8%.(2)階躍轉向工況設置駕駛員施加后輪轉角幅值為0.07rad的階躍轉向工況并進行仿真,得到階躍轉向工況下車輛的橫擺角速度和質心側偏角響應曲線如圖8,9所示.由圖8,9可知,解耦PD控制可使車輛橫擺角速度較好地接近期望值,且其質心側偏角也在可控范圍內(nèi).而單純的PD控制沒有考慮控制回路間的耦合影響,控制某一目標時不可避免地對其他控制目標產(chǎn)生不利影響,導致車輛的橫擺角速度和質心側偏角都偏離了期望值.在階躍轉向工況中,不同控制方式下的車輛橫擺角速度和質心側偏角的峰值比較如表2所示.由表2可知,與單純的PD控制相比,解耦PD控制下的車輛橫擺角速度峰值減小了19.8%,質心側偏角峰值減小了7.1%.4神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)仿真模型(1)采用神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)控制方法對叉車ARS與DYC進行解耦控制,分析了集成系統(tǒng)的可逆性,確定了解耦變量配對關系,構造了BP神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng).(2)神經(jīng)網(wǎng)絡逆系統(tǒng)與集成系統(tǒng)串聯(lián)得到輸入輸出一一對應的偽線性系統(tǒng),使具有強耦合特性的叉車底盤系統(tǒng)解耦成兩個獨立的偽線性系統(tǒng)