一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统，包括三步法控制器模块、MRD逆模型模块、MRD系统模块。三步法控制器模块包含类稳态控制模块、参考动态前馈控制模块以及误差反馈控制模块。MRD逆模型模块采取BP神经网络进行训练。MRD系统模块采用Hammerstein模型建立，的静态非线性块采用BP神经网络，动态线性块采用传递函数。本发明专利技术实现了对MRD有效地跟踪控制，同时基于三步法设计的控制器结构清晰，不仅具有较快的控制响应，还提高了系统对不确定性的鲁棒性，弥补了开环控制无法消除干扰给系统带来误差的不足。开环控制无法消除干扰给系统带来误差的不足。开环控制无法消除干扰给系统带来误差的不足。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统及方法


[0001]本专利技术涉及汽车控制
，具体涉及一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统及方法。

技术介绍

[0002]悬架是车辆行驶系统不可或缺的组成部分，其性能直接决定车辆乘坐舒适性、操纵稳定性和行驶安全性，所以，车辆对性能优越的悬架系统有着迫切的需求。半主动控制因为兼具主动控制优良的控制效果和被动控制简单易行的优点而具有较大研究价值和应用开发价值，被广泛应用于车辆悬架系统。
[0003]近年来，研究人员开发出多种系数可调的阻尼器。其中，以磁流变液为介质的磁流变阻尼器(Magneto
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rheological damper,MRD)因具有结构简单、阻尼力连续可调、响应迅速(毫秒级)、出力大、能耗小等优点而成为新一代的半主动控制器，应用前景非常广阔，被广泛应用于各种振动控制领域，包括民用建筑和桥梁、高速列车的悬挂系统、先进的假肢系统、汽车悬挂系统、商用车座椅等。其工作机理为：随着外部激励电流的变化，减振器的导电线圈会产生变化的磁场强度，两个极板间的磁性颗粒也会改变其排列方式，导致磁流变液粘度改变，从而改变减振器的阻尼系数。相比主动悬架，其消耗的能力可以忽略不计，因而在半主动悬架中被大量采用。
[0004]尽管MRD以其优良的减振性能，越来越受到振动控制领域的关注，但是对其系统的建模以及控制却存在很大问题。因为磁流变阻尼液的流变特性以及MRD很强的非线性、滞回饱和特性，用一般的数学方程很难描述MRD的动态特性。这种复杂的非线性动力学特性也对MRD控制算法的研究带来了极大难度。
[0005]关于MRD建模问题，目前可以分为参数化模型、非参数化模型两种建模方式。参数化模型从物理角度将MRD等效成若干阻尼元件和弹性元件，常见的类型有Bouc
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Wen模型、Bingham模型、现象模型等。虽然参数化模型易于实现，但却很难全面地描述MRD的非线性和迟滞行为，在实际应用中，计算需要大量时间，产生较低精度解。非参数化模型则不再考虑物理特性，采取数值拟合或算法进行数据训练，模型准确性依赖实验数据真实性，常见的类型有神经网络模型、多项式模型。非参数化模型具有较强鲁棒性，能较好地预测MRD的动态响应，但建模体系结构和训练方法复杂。如上所述，MRD的参数化模型与非参数化模型各有优缺点，参数化模型适合于阻尼器的设计，而非参数化模型则适合于控制系统的应用。
[0006]关于MRD的控制器设计，由于MRD的强非线性、迟滞特性,一直是该研究领域的难点。设计精确、可靠的控制方法使得MRD准确输出预期阻尼力，是保证MRD具有良好减振效果的基础。相比于MRD设计制造领域的迅速发展，其控制领域的研究相对较少，主要集中在开环控制器设计方面。MRD的开环控制通常采用MRD的逆模型作为控制器对MRD进行控制，常常要由期望的阻尼力和活塞相对位移、速度反求控制电流。这种方法控制效果好，响应速度快，但也存在如下不足：
[0007](1)利用参数化模型求解MRD的逆模型，其控制精度非常依赖模型的精确性。但对
于参数化模型，精确性与简洁性通常难以同时保证：精确性高的模型往往比较复杂，推导逆模型困难，需要对模型进行简化，而简化后的模型也就丧失了原有模型的精确性，控制器的精度也就难以保证。
[0008](2)采用非参数化模型求解MRD的逆模型，其控制精度依赖数据的真实性，其所具有的非线性特征和学习能力在解决复杂的非线性、不确定系统与逆系统的辨识问题方面有很大潜力。当磁流变液的温度、质量分数等参数发生改变时，网络能够进行相应自我调整，具有较强的自适应能力，所建模型精确度也相对较高，但建模体系结构和训练方法复杂。
[0009](3)以上开环控制中缺乏对信息的反馈，导致无法消除干扰给系统带来的误差，而这在控制系统中是不可忽视的。

技术实现思路

[0010]为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统及方法，具有抗扰性，能很好进行期望阻尼力跟踪，解决MRD开环控制无法消除干扰给系统带来误差问题，避免参数模型求逆计算繁重，非参数逆模型结构复杂，即控制精确与求逆复杂的矛盾。
[0011]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0012]一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统，包括三步法控制器模块、MRD逆模型模块、MRD系统模块。其中，三步法控制器模块包含类稳态控制模块、参考动态前馈控制模块以及误差反馈控制模块。MRD逆模型模块采取BP神经网络进行训练。MRD系统模块采用Hammerstein模型建立，其静态非线性块采取BP神经网络，动态线性块采取传递函数。Hammerstein模型的静态非线性块产生的中间变量连接其动态线性块，输出的阻尼力F一方面连接类稳态模块，产生控制量u0；一方面与期望阻尼力信号y
*
做差，得到的偏差e连接误差反馈模块，产生控制量u2；另一方面，期望信号y
*
的二阶导数连接参考动态前馈控制模块，产生控制量u1，三者相加得到的控制变量u连接MRD逆模型模块，产生的控制电流I连接Hammerstein模型的静态非线性块，从而对MRD进行控制。
[0013]进一步地，所述Hammerstein模型的静态非线性块采取BP神经网络，其包含一个输入层、一个输出层以及一个隐含层，输入信号从输入层输入，正向传递，经各个神经元处理，在输出层输出；选取当前时刻的活塞杆位移x、速度和电流指令I作为输入信号，输出值则为阻尼力F；输入层的神经元节点数n设为3个，输出层神经元节点数m设为1，隐含层神经元节点数其中a为1～10的常数，其最终数值由试错法确定为10。隐含层和输出层神经元的激励函数分别采用双曲正切S型函数和线性函数，性能函数为目标输出和网络输出的均方误差，网络训练函数选用Levenberg
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Marquardt算法来实现。
[0014]进一步地，所述Hammerstein模型的动态线性块采取传递函数形式，其输入值为静态非线性模块产生的中间变量v，输出值为MRD产生的阻尼力，采用最小二乘法对其进行辨识，其传递函数的公式为：
[0015][0016]其增益为2.3830，极点值为
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0.1109
±
1.5371i，均位于虚轴左半平面。
[0017]其状态空间方程为：
[0018]进一步地，所述MRD逆模型模块串联在Hammerstein模型之前，用于抵消掉Hammerstein模型的非线性部分，从而将MRD近似为一个线性系统，使补偿后的对象呈现出线性或近似线性特征，针对线性系统便可以采取更灵活有效的控制策略进行控制。
[0019]进一步地，MRD逆模型采用Levenberg
‑
Marquardt算法进行训练，性能函数为目标输出和网络输出的均方误差，隐含层和输出层神经元的传递函数分别采用双曲正切S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统，其特征在于：包括三步法控制器模块、MRD逆模型模块、MRD系统模块。其中，三步法控制器模块包含类稳态控制模块、参考动态前馈控制模块以及误差反馈控制模块。MRD逆模型模块采取BP神经网络训练；MRD系统模块采用Hammerstein模型建立，其静态非线性块采取BP神经网络，动态线性块采取传递函数；Hammerstein模型的静态非线性块产生的中间变量连接Hammerstein模型的动态线性部分，输出的阻尼力F一方面连接类稳态模块，产生控制量u0；一方面与期望阻尼力信号y
*
做差，得到的偏差e连接误差反馈模块，产生控制量u2；另一方面，期望信号y*的二阶导数连接参考动态前馈控制模块，产生控制量u1；三者相加得到的控制变量u连接MRD逆模型模块，产生的控制电流I连接Hammerstein模型的静态非线性块，从而对MRD进行控制。2.如权利要求1所述的一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统，其特征在于：所述Hammerstein模型的静态非线性块采取BP神经网络，其包含一个输入层、一个输出层以及一个隐含层，输入信号从输入层输入，正向传递，经各个神经元处理，在输出层输出；选取当前时刻的活塞杆位移x、速度和电流指令I作为输入信号，输出值则为阻尼力F；输入层的神经元节点数n设为3个，输出层神经元节点数m设为1，隐含层神经元节点数其中a为1～10的常数，最终数值由试错法确定为10；隐含层和输出层神经元的激励函数分别采用双曲正切S型函数和线性函数，性能函数为目标输出和网络输出的均方误差，网络训练函数选用Levenberg
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Marquardt算法来实现。3.如权利要求1所述的一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统，其特征在于：所述Hammerstein模型的动态线性块采取传递函数形式，其输入值为静态非线性模块产生的中间变量v，输出值为MRD产生的阻尼力F，得到的传递函数公式为：其增益值为2.3830，极点值为
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0.1109
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1.5371i，均位于虚轴左半平面；其状态空间方程为：4.如权利要求1所述的一种基于Hammerstein模型的磁流变阻尼器控制系统，其特征在于：所述MRD逆模型模块串联在Hammerstein模型之前，用于抵消掉Hammerstein模型的非线性部分，从而将MRD近似为一个线性系统，使补偿后的对象呈现出线性或近似线性特征，针对线性系统便可以采取更灵活有效的控制策略进行控制。5.如权利要求1所述的一种基于Hammerstein...

【专利技术属性】
技术研发人员：于树友，张松林，徐明生，陈虹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：