基于混杂切换模型的汽车悬架和轨迹跟踪网络控制系统研究

论文摘要

随着工业控制对象的结构日益复杂以及对控制精度的要求日渐提高,控制过程中的离散事件动态系统(DEDS)和连续过程动态系统(CVDS)的耦合关系越来越明显,混杂系统的理论研究受到了越来越多的关注。混杂系统的基本思想是通过离散事件和连续过程之间的耦合作用来研究系统的动力学特性。具有网络通信约束的网络控制系统中的调度量和控制量之间存在耦合,符号控制指令又可以简化设计和操作,使得将通信约束的网络控制系统作为混杂系统来考虑优势更加明显。网络控制系统(NCS)是由网络作为通信信道的控制系统,其闭环性能不仅依赖于控制算法的设计,还依赖于对网络资源的合理调度。网络控制系统中控制性能与网络运行性能是一个整体,控制和调度分离设计的一些联合设计方案没有考虑控制性能与调度性能之间的交互影响,难以获得NCS性能的综合优化。为解决这一问题,本文提出了基于混杂系统建模的控制和调度联合设计方法。网络控制系统已经在汽车中得到了广泛的应用(在高端汽车控制系统中尤为广泛),车载网络系统具备可实现信息共享、减少布线、降低成本和提高总体可靠性等诸多优点,同时也可提高汽车综合控制的准确性。本文以车载网络为研究背景,将通信约束的车载网络控制系统建立成切换系统形式的模型,从而将调度序列和控制序列之间的耦合关系用数学表达式表现出来。在此基础上,利用控制和调度联合设计的方法,综合考虑网络的控制性能和调度性能,给出调度器和控制器的联合设计方法。首先,描述了网络控制系统的发展过程以及存在的基本问题,介绍了网络控制和调度研究现状,以及现有的基于混杂系统的建模方法；然后,简述了车载网络的概念,总结了车载网络的发展过程,概括了车载网络的优点及常用于车载网络的几种总线。其次,针对一个前向通道具有介质接入通信约束的多输入多输出系统,结合周期调度序列的概念,根据混杂系统理论建立了切换系统模型。并在此基础上,考虑网络通道中可能存在的干扰,设计了基于有限时间的离散最优控制算法。基于已经建立的切换系统模型,从系统的能控性和能观性的角度出发,给出了保证系统能控、能观的调度序列的选取办法。并将其应用到汽车主动悬架系统上,取得了较好的控制效果。最后,将具有通信约束和时延的网络控制系统建模成集成调度和控制信息的离散切换系统。提出了一种动态调度和状态反馈控制联合设计的方法,这种方法通过预测系统的实时状态来选择控制和调度策略,和普遍采用的静态调度比,系统的鲁棒性更强。由于控制序列和调度序列是同时进行优化的,所以实现了真正意义上的控制和调度的联合设计。并将其应用到四轮转向汽车的轨迹跟踪上,取得了较理想的控制效果。最后,对本文所开展的工作进行了总结,并对需要进一步研究的工作给出了建议。

论文目录

• 致谢
• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 引言
• 1.1 网络控制系统概述
• 1.1.1 网络控制系统的结构和特点
• 1.1.2 网络控制系统中存在的问题
• 1.2 网络控制系统的研究现状
• 1.2.1 控制算法的研究现状简介
• 1.2.2 调度算法的研究现状简介
• 1.2.3 协同设计的研究现状简介
• 1.3 网络控制系统的混杂设计分析
• 1.3.1 混杂系统简介
• 1.3.2 混杂系统建模方法简介
• 1.4 本文的研究意义和主要内容
• 2 车载网络及常用总线
• 2.1 车载网络
• 2.1.1 车载网络简介
• 2.1.2 车载网络的优点
• 2.2 应用于汽车的总线
• 2.2.1 CAN总线
• 2.2.2 LIN总线
• 2.2.3 MOST总线
• 2.2.4 VAN总线
• 2.2.5 FlexRay总线
• 2.3 CAN总线在汽车中的应用
• 2.4 本章小结
• 3 具有通信约束的汽车悬架网络控制系统设计
• 3.1 基于切换系统的网络控制系统建模
• 3.1.1 网络控制系统的混杂描述
• 3.1.2 基于最优控制的切换系统建模
• 3.2 基于切换系统建模的控制和调度的联合设计
• 3.2.1 有限时间离散最优控制设计
• 3.2.2 调度序列的选取
• 3.2.3 控制和调度的联合设计
• 3.3 汽车悬架系统
• 3.3.1 汽车悬架简介及其发展综述
• 3.3.2 汽车悬架的分类
• 3.4 主动悬架的建模
• 3.5 仿真验证
• 3.6 本章小结
• 4 具有通信约束和时延的汽车轨迹跟踪网络控制系统设计
• 4.1 基于切换系统的网络控制系统的模型
• 4.1.1 网络控制系统的状态反馈模型
• 4.1.2 基于状态反馈和切换系统的网络控制系统建模
• 4.2 实时状态反馈控制和动态调度的联合设计
• 4.2.1 网络控制系统的状态反馈镇定
• 4.2.2 动态调度方法
• 4.3 四轮转向的汽车轨迹跟踪模型建模
• 4.4 仿真结果及其分析
• 4.5 本章小结
• 5 结论
• 5.1 研究工作总结
• 5.2 对后续研究工作的建议
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集