半挂汽车列车动态特性分析与鲁棒控制

论文摘要

随我国物流需求不断扩大,以半挂汽车列车为主要车型的商用汽车在公路大型货运中占主导地位且使用率持续增加,这种趋势必然会对半挂汽车列车的系统性能提出更高要求。超限超载、标准化不统一、半挂车与牵引车系统匹配不合理、货运水平低等诸多问题尚未完全解决,加之半挂汽车列车自身性能水平不高等客观因素的存在,使得半挂汽车列车在高速转弯、弯道制动、紧急避障和突受干扰等工况下的行驶安全性问题增多。因此,深入研究半挂汽车列车系统动力学,掌握其运动特性,分析主要参数变化对车辆系统性能产生的影响；在多变工况和复杂恶劣行驶条件下,对半挂汽车列车进行有效的操控以提高车辆行驶主动安全性等,已经成为半挂汽车列车操纵稳定性研究领域重要的课题。本文基于车辆系统动力学,运用计算机仿真技术分析了半挂汽车列车的运动学特性。采用参数化定量分析方法研究了鞍座结构参数的匹配及其对半挂汽车列车操稳性能的影响问题。主要针对半挂汽车列车行驶的侧向稳定性能及其鲁棒控制策略展开研究,为探索半挂汽车列车沿预定路线行驶的跟踪控制问题提供新的手段和方法。具体研究内容如下：1.综合运用车辆系统动力学理论,分别建立以车辆参考坐标系和地面参考坐标系为基准坐标系的多自由度半挂汽车列车数学模型。考虑半挂汽车列车的侧倾稳定要求,建模中保留车身侧倾自由度,用固定于车辆自身的坐标系来描述车辆的运动,建立了六自由度简化模型；车辆在不偏出道路范围做直线运动或近似直线运动时,用地面参考坐标系来描述较为方便,故以地面固定坐标系为参考建立半挂汽车列车运动模型,利于直观分析车辆侧向位移响应特性,也为干扰作用下的鲁棒控制器设计提供模型基础。2.对模型做参数化定量分析,研究鞍座参数对半挂汽车列车操纵稳定性能的影响,为鞍座参数匹配、优化提供一定的参考。分析表明,在一般行驶工况下,鞍座参数对半挂汽车列车行驶性能影响不敏感,对其精度要求不必过高,故将鞍座以相互作用力的形式在方程组中进行简化表达,即能满足建模要求。通过对半挂汽车列车的动态特性时域响应仿真分析,获得了半挂汽车列车侧向位移动态响应开环不稳的特性,为半挂汽车列车鲁棒控制器设计提供了先期条件。3.半挂汽车列车行驶时,易受干扰因素影响,系统具有一定的不确定性,H∞回路成形鲁棒控制方法处理这类问题简单有效,可保证车辆系统具有很强的鲁棒性,提高半挂汽车列车行驶时的主动安全能力。研究中针对鲁棒控制的广义模型描述形式,分析了不确定性系统的鲁棒控制问题。利用正规化互质因子分解,小增益定理等理论方法,分析系统鲁棒稳定性,给出H∞鲁棒控制器的设计要求。研究H∞回路成形鲁棒控制策略,设计了H∞回路成形鲁棒控制器,并通过简单实例分析,初步验证了应用此法设计的鲁棒控制器,鲁棒性能良好,闭环系统具有较好的鲁棒稳定性。4.研究半挂汽车列车沿预定路线行驶的跟踪控制问题,详细给出基于H∞回路成形的半挂汽车列车路线跟踪鲁棒控制器的设计过程。以半挂汽车列车动力学广义模型为基础,选取前方预视点处侧向偏移量为受控对象,获得其传递函数,求出奇异值曲线。调整前、后加权函数,设计出与高阶模型对应的高阶控制器。通过对比各降阶方法误差界的数值,采用正规互质因式平衡模型降阶方法对高阶控制器进行降阶,使控制器阶次即不至于过低,同时计算量又小、便于实现,控制器最终性能损失保持在允许的范围内。针对半挂汽车列车复杂行驶工况,设计出模拟行驶路线,利用控制器对半挂汽车列车路线跟踪能力进行控制,控制器能使偏离的车辆回到行驶轨道上,车辆系统具有较好的鲁棒稳定性。分析车速、预视距离、干扰输入等条件的变化对控制结果产生的影响,对是否需要重新进行回路成形给出判断。5.通过对比开环特性曲线、单位反馈控制曲线和H∞回路成形鲁棒控制曲线,对半挂汽车列车动态特性的控制结果进行了分析,验证出H∞回路成形鲁棒控制器对于本身开环稳定的系统也具有较好的控制效果。本文研究将H∞回路成形鲁棒控制方法应用于半挂汽车列车的路线跟踪控制,是鲁棒控制技术在汽车电子控制领域应用研究的进一步拓展。通过计算机仿真验证,结果表明控制方法实用有效,这对该控制技术的推广应用具有极其重要的意义,为实际工程应用提供可行性参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 研究目的和意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 半挂汽车列车动力学
• 1.2.2 半挂汽车列车控制理论
• ∞鲁棒控制理论概述'>1.3 H_∞鲁棒控制理论概述
• ∞鲁棒控制理论研究历程'>1.3.1 H_∞鲁棒控制理论研究历程
• ∞鲁棒控制理论特点'>1.3.2 H_∞鲁棒控制理论特点
• ∞回路成形鲁棒控制及应用'>1.4 H_∞回路成形鲁棒控制及应用
• ∞回路成形鲁棒控制的发展'>1.4.1 H_∞回路成形鲁棒控制的发展
• ∞回路成形鲁棒控制的特点'>1.4.2 H_∞回路成形鲁棒控制的特点
• ∞回路成形鲁棒控制的应用'>1.4.3 H_∞回路成形鲁棒控制的应用
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 半挂汽车列车动力学模型
• 2.1 半挂汽车列车坐标系
• 2.1.1 车辆参考坐标系
• 2.1.2 地面参考坐标系
• 2.2 车轮坐标系
• 2.3 车辆参考坐标系下三自由度模型
• 2.3.1 模型简化
• 2.3.2 运动方程
• 2.4 车辆参考坐标系下六自由度模型
• 2.4.1 模型简化
• 2.4.2 运动方程
• 2.4.3 状态空间表达
• 2.4.4 传递函数分析
• 2.5 地面参考坐标系下六自由度模型
• 2.5.1 输出变量分析
• 2.5.2 运动方程
• 2.5.3 状态空间表达
• 2.5.4 传递函数分析
• 2.6 小结
• 第3章 半挂汽车列车动态特性分析
• 3.1 牵引鞍座参数分析
• 3.1.1 牵引鞍座在动力学方程组中的表达
• 3.1.2 车身侧倾角变参数响应分析
• 3.1.3 两车连接角变参数响应分析
• 3.1.4 鞍座参数分析结果
• 3.2 时域响应仿真分析
• 3.2.1 小角度转弯响应特性
• 3.2.2 直线行驶响应特性
• 3.2.3 侧向位移响应特性
• 3.3 模型验证说明
• 3.4 小结
• ∞回路成形鲁棒控制研究'>第4章 H_∞回路成形鲁棒控制研究
• ∞控制问题'>4.1 H_∞控制问题
• 4.1.1 系统运算法则
• 4.1.2 广义受控对象的描述
• ∞控制器'>4.1.3 H_∞控制器
• 4.2 不确定性系统鲁棒控制研究
• 4.2.1 模型不确定性和鲁棒性
• 4.2.2 互质因子不确定性系统鲁棒稳定
• ∞控制器'>4.2.3 鲁棒H_∞控制器
• ∞回路成形'>4.3 H_∞回路成形
• 4.3.1 奇异值和奇异值分解
• 4.3.2 反馈特性分析
• 4.3.3 回路成形要求
• ∞回路成形'>4.3.4 H_∞回路成形
• 4.4 实例验证
• 4.5 小结
• ∞回路成形半挂汽车列车路线跟踪控制'>第5章 H_∞回路成形半挂汽车列车路线跟踪控制
• 5.1 地面参考坐标系下模型扩展分析
• 5.1.1 模型扩展
• 5.1.2 广义描述分析
• 5.1.3 选取可控输出
• ∞回路成形路线跟踪控制器设计'>5.2 H_∞回路成形路线跟踪控制器设计
• 5.2.1 选取加权函数
• 5.2.2 回路成形
• 5.2.3 回路成形及控制器结果
• 5.3 控制器降阶
• 5.3.1 降阶方法对比
• 5.3.2 选定降阶控制器
• 5.4 半挂汽车列车路线跟踪控制仿真
• 5.4.1 路线设计
• 5.4.2 路线跟踪控制仿真分析
• 5.4.3 条件变化对控制结果的影响
• 5.5 小结
• 第6章 半挂汽车列车输出变量控制
• 6.1 牵引车和半挂车质心侧向位移控制
• 6.1.1 牵引车质心侧向位移控制
• 6.1.2 半挂车质心侧向位移控制
• 6.1.3 加权函数调试
• 6.2 牵引车和半挂车车身侧倾角控制仿真
• 6.2.1 牵引车车身侧倾角控制
• 6.2.2 半挂车车身侧倾角控制
• 6.3 牵引车与半挂车横摆角速度控制仿真
• 6.3.1 牵引车横摆角速度控制
• 6.3.2 半挂车横摆角速度控制
• 6.4 折叠角控制仿真
• 6.5 小结
• 第7章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文及主要参研项目
• 致谢