最優預見控制

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基本介紹

• 中文名：最優預見控制
• 外文名：Optimal Preview Control
• 分類：套用於工農業

最優預見控制設計及懸架控制中的套用

一 個不僅考慮系統的狀況，而且還為未來的目標或外擾加以考慮的預見控制系統，常常能取得改善控制性能和降低系統能耗的雙重效果。為此將最優預見控制方法套用於汽車主動懸架控制，取得了良好效果。

主動控制懸架系統及數字模型

主動控制懸架是近年來汽車行業的一個熱門研究課題。與傳統的由彈簧和阻尼器組成的被動懸架不同，主動懸架系統具有自己的能源，能根據車體及路面的狀況及時調整系統作用力，使車輛的乘坐舒適性和操縱安全性同時得到改善。曾建立過一個用高速開關電磁閥操作的油氣壓主動控制懸架系統，取得較好實驗效果，其研究結果及所使用的數字模型見文獻。

數字仿真分析

分別按最優預見控制及最優調節器控制方法進行了控制系統設計。最優調節器控制方法亦基於二次型性能指標，但未考慮未來情況而僅是一種狀態反饋控制方式。而最優預見控制則根據前述方法進行設計。

被動控制系統，最優控制系統、最優預見控制系統在階梯路面上的車體位移x_b和控制信號(d₁，d₂)的仿真結果顯示了不加控制力的被動控制方式、不包含預見動作的最優調節器控制方式和最優預見控制方式在階梯路面上的車位位移x_b和控制信號u的變化波形的仿真結果。其中，控制信號u在物理上表現為在PWM控制方式下施加於電磁控制閥的開啟率d₁及d_2，由被動控制系統，最優控制系統、最優預見控制系統在階梯路面上的車體位移xb和控制信號(d1,d2)的仿真結果可見，對於只含反饋作用的最優控制方式，當系統突然遇到1cm的台階時，根據其反饋增益係數計算所需的控制力從0開始急劇增大。然而，系統中油泵的供油量和電磁閥的過流能力及回響速度都是有限的 (據仿真分析，按計算要求所希望的控制流量峰值，超出閥的最大允許過流量的10倍以上 )，其結果是電磁閥很快達到輸出飽和狀態，無法取得期望的控制效果。

實驗及結果

利用研究中所建立的實驗裝置，分別對最優調節器控制和最優預見控制方式下的系統回響進行實驗測試。實驗中，路面狀況的模擬是將系統中的車輪置於一個旋轉的偏心輪或凸輪上。偏心輪用來模擬諧波狀的凹凸路面，而凸輪則模擬具有下降台階的階梯路面。

據實測結果，對於諧波狀路面干擾，在干擾頻率0.5～1.6Hz範圍內，系統中車體振幅與車輪振幅之比x_b/x_r為12.0%～14.2%。而當套用最優預見控制器 時， 這個振幅比被降至9.1%～12.0%，系統隔振效果得到了改善。並得到了諧波路面干擾 (干擾頻率為1.27Hz)時最優控制方式和最優預見控制方式下車體位移x_b和車輪軸位移x_w的實測結果。而在階梯狀路面干擾的模擬試驗中，系統效果的改善則表現得更為顯著得到了對應於階梯狀路面時最優調節器控制方式及最優預見控制方式下車體及車輪軸位移的實測結果。可見， 當突然遇到1.2cm的下降台階時，由於系統特別是電磁閥的滯後，採用最優調節器控制基本上得不到控制效果，車體的位移達到1.5cm；而在最優預見控制方式下，在抵達台階之前已獲知這個情報，根據這個情報發出了相應的控制指令並採取了相應措施，當達到台階時，車體的位移僅為0.44cm.

汽車電子節氣門位置最優預見控制

基於線性二次型最優控制理論和線性矩陣不等式處理方法，提出一種適用於汽車電子節氣門的位置離散最優預見控制算法，該算法僅通過一組滑動電位計來測量節氣門閥片角度位置實現閉環控制。針對節氣門的實際使用環境，建立了離散化的節氣門狀態空間模型，利用狀態轉移法構建了包含目標信號的擴大誤差系統；考慮實際系統中節氣門物理參數難以辨識的特點和外部擾動力矩等不確定因素的影響進行了仿真，並基於快速控制原型技術進行了試驗驗證。仿真和試驗結果均表明，所設計的位置最優預見控制算法能夠快速準確地跟蹤目標開度信號，增強了電子節氣門控制系統的穩定性和魯棒性。

預見控制對系統性能的改善

預見控制可利用已知的未來目標或干擾信息來改善系統的性能，並對其進行前饋補償，使得系統能夠實時無誤差地跟蹤目標信號。預見控制已在車輛懸架、車道輔助自動控制、電磁全可變氣門及混合動力汽車能量管理等領域取得廣泛研究。建立離散化的電子節氣門狀態空間模型，採用狀態轉移法構建包含目標信號的擴大誤差系統，在此基礎上，利用線性二次型和線性矩陣不等式方法設計最優預見控制器，並在仿真過程中考慮節氣門參數不確定性和空氣擾動的影響。

節氣門仿真結果分析

針對節氣門執行機構進行仿真，並與傳統PID控制進行比較，觀察節氣門在不同控制算法下的回響速度、超調量和魯棒性等特性。選取加權矩陣Q=diag( 10，5，0，0) ，R=1，選取預見步長p=2。

為充分驗證最優預見控制算法的有效性，共進行以下5種情況的仿真分析: ①ETCS 為名義參數時，得到了節氣門由初始開度至大開度和大開度至小開度的連續階躍回響。②由於難以辨識ETCS的物理參數，為驗證算法的魯棒性，可在仿真中改變系統的物理參數。參數翻倍時，得到節氣門由初始開度至大開度和大開度至小開度的連續階躍回響。③ETCS為名義參數時，得到節氣門穿越初始開度的小幅度階躍回響。④ETCS為名義參數時，目標信號為穿越初始開度的小幅度階躍信號，並且節氣門閥片在4.6～5.4s和6.6～7.4s兩個時間段受到大小為0.1N·m的氣流干擾力矩時的回響。⑤ETCS 為名義參數時，得到節氣門階梯階躍回響。

由名義模型參數和節氣門連續階躍信號仿真結果可知，採用最優預見控制算法的電子節氣門控制系統回響速度較快，且無超調。而採用PID控制器時，為了滿足一定的回響速度，會出現超調現象。對比由名義模型參數和ETCS參數翻倍時仿真結果可知，當ETCS參數翻倍時，採用PID控制器的節氣門回響時間明顯變長，並且會出現較大的穩態誤差。而採用最優預見算法的回響時間幾乎不變，僅在節氣門由初始開度至大開度階躍時，出現小幅超調。由此說明，最優預見控制算法對模型參數的敏感性較低，魯棒性能更強。

節氣門初始開度附近階躍信號和節氣門受到干擾力矩仿真結果為節氣門在初始開度附近的小幅度階躍回響。由於系統的非線性等因素，傳統PID控制的效果差，並且在受到外界干擾時，偏離預設值的幅度比較大，抗干擾能力較弱。