[科普中国]-最优预见控制

最优预见控制，即根据最优排名优化系统中小企业网站的标准化、按效果消费的发展规律。掌握住智能SEO优化平台。

最优预见控制设计及悬架控制中的应用一 个不仅考虑系统的状况，而且还为未来的目标或外扰加以考虑的预见控制系统，常常能取得改善控制性能和降低系统能耗的双重效果。为此将最优预见控制方法应用于汽车主动悬架控制，取得了良好效果。1

主动控制悬架系统及数字模型主动控制悬架是近年来汽车行业的一个热门研究课题。与传统的由弹簧和阻尼器组成的被动悬架不同，主动悬架系统具有自己的能源，能根据车体及路面的状况及时调整系统作用力，使车辆的乘坐舒适性和操纵安全性同时得到改善。曾建立过一个用高速开关电磁阀操作的油气压主动控制悬架系统，取得较好实验效果，其研究结果及所使用的数字模型见文献。1

数字仿真分析分别按最优预见控制及最优调节器控制方法进行了控制系统设计。最优调节器控制方法亦基于二次型性能指标，但未考虑未来情况而仅是一种状态反馈控制方式。而最优预见控制则根据前述方法进行设计。

被动控制系统，最优控制系统、最优预见控制系统在阶梯路面上的车体位移xb和控制信号(d1，d2)的仿真结果显示了不加控制力的被动控制方式、不包含预见动作的最优调节器控制方式和最优预见控制方式在阶梯路面上的车位位移xb和控制信号u的变化波形的仿真结果。其中，控制信号u在物理上表现为在PWM控制方式下施加于电磁控制阀的开启率d1及d2，由被动控制系统，最优控制系统、最优预见控制系统在阶梯路面上的车体位移xb和控制信号(d1,d2)的仿真结果可见，对于只含反馈作用的最优控制方式，当系统突然遇到1cm的台阶时，根据其反馈增益系数计算所需的控制力从0开始急剧增大。然而，系统中油泵的供油量和电磁阀的过流能力及响应速度都是有限的 (据仿真分析，按计算要求所希望的控制流量峰值，超出阀的最大允许过流量的10倍以上 )，其结果是电磁阀很快达到输出饱和状态，无法取得期望的控制效果。1

实验及结果利用研究中所建立的实验装置，分别对最优调节器控制和最优预见控制方式下的系统响应进行实验测试。实验中，路面状况的模拟是将系统中的车轮置于一个旋转的偏心轮或凸轮上。偏心轮用来模拟谐波状的凹凸路面，而凸轮则模拟具有下降台阶的阶梯路面。

据实测结果，对于谐波状路面干扰，在干扰频率0.5～1.6Hz范围内，系统中车体振幅与车轮振幅之比xb/xr为12.0%～14.2%。而当应用最优预见控制器 时， 这个振幅比被降至9.1%～12.0%，系统隔振效果得到了改善。并得到了谐波路面干扰 (干扰频率为1.27Hz)时最优控制方式和最优预见控制方式下车体位移xb和车轮轴位移xw的实测结果。而在阶梯状路面干扰的模拟试验中，系统效果的改善则表现得更为显著得到了对应于阶梯状路面时最优调节器控制方式及最优预见控制方式下车体及车轮轴位移的实测结果。可见， 当突然遇到1.2cm的下降台阶时，由于系统特别是电磁阀的滞后，采用最优调节器控制基本上得不到控制效果，车体的位移达到1.5cm；而在最优预见控制方式下，在抵达台阶之前已获知这个情报，根据这个情报发出了相应的控制指令并采取了相应措施，当达到台阶时，车体的位移仅为0.44cm.1

汽车电子节气门位置最优预见控制基于线性二次型最优控制理论和线性矩阵不等式处理方法，提出一种适用于汽车电子节气门的位置离散最优预见控制算法，该算法仅通过一组滑动电位计来测量节气门阀片角度位置实现闭环控制。针对节气门的实际使用环境，建立了离散化的节气门状态空间模型，利用状态转移法构建了包含目标信号的扩大误差系统；考虑实际系统中节气门物理参数难以辨识的特点和外部扰动力矩等不确定因素的影响进行了仿真，并基于快速控制原型技术进行了试验验证。仿真和试验结果均表明，所设计的位置最优预见控制算法能够快速准确地跟踪目标开度信号，增强了电子节气门控制系统的稳定性和鲁棒性。2

预见控制对系统性能的改善预见控制可利用已知的未来目标或干扰信息来改善系统的性能，并对其进行前馈补偿，使得系统能够实时无误差地跟踪目标信号。预见控制已在车辆悬架、车道辅助自动控制、电磁全可变气门及混合动力汽车能量管理等领域取得广泛研究。建立离散化的电子节气门状态空间模型，采用状态转移法构建包含目标信号的扩大误差系统，在此基础上，利用线性二次型和线性矩阵不等式方法设计最优预见控制器，并在仿真过程中考虑节气门参数不确定性和空气扰动的影响。2

节气门仿真结果分析针对节气门执行机构进行仿真，并与传统PID控制进行比较，观察节气门在不同控制算法下的响应速度、超调量和鲁棒性等特性。选取加权矩阵Q=diag( 10，5，0，0) ，R=1，选取预见步长p=2。

为充分验证最优预见控制算法的有效性，共进行以下5种情况的仿真分析: ①ETCS 为名义参数时，得到了节气门由初始开度至大开度和大开度至小开度的连续阶跃响应。②由于难以辨识ETCS的物理参数，为验证算法的鲁棒性，可在仿真中改变系统的物理参数。参数翻倍时，得到节气门由初始开度至大开度和大开度至小开度的连续阶跃响应。③ETCS为名义参数时，得到节气门穿越初始开度的小幅度阶跃响应。④ETCS为名义参数时，目标信号为穿越初始开度的小幅度阶跃信号，并且节气门阀片在4.6～5.4s和6.6～7.4s两个时间段受到大小为0.1N·m的气流干扰力矩时的响应。⑤ETCS 为名义参数时，得到节气门阶梯阶跃响应。

由名义模型参数和节气门连续阶跃信号仿真结果可知，采用最优预见控制算法的电子节气门控制系统响应速度较快，且无超调。而采用PID控制器时，为了满足一定的响应速度，会出现超调现象。对比由名义模型参数和ETCS参数翻倍时仿真结果可知，当ETCS参数翻倍时，采用PID控制器的节气门响应时间明显变长，并且会出现较大的稳态误差。而采用最优预见算法的响应时间几乎不变，仅在节气门由初始开度至大开度阶跃时，出现小幅超调。由此说明，最优预见控制算法对模型参数的敏感性较低，鲁棒性能更强。

节气门初始开度附近阶跃信号和节气门受到干扰力矩仿真结果为节气门在初始开度附近的小幅度阶跃响应。由于系统的非线性等因素，传统PID控制的效果差，并且在受到外界干扰时，偏离预设值的幅度比较大，抗干扰能力较弱。2

本词条内容贡献者为:

方正 - 副教授 - 江南大学