车载担架随机振动隔离系统主被动控制研究

发布时间：2017-04-29 00:10

  本文关键词：车载担架随机振动隔离系统主被动控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：转运型急救车是连接现场急救和医院救治的重要环节,其能否快速、高效、平稳的完成运送任务直接影响伤病员的救治效率。目前国内推行的转运型救护车多改装自轻型商务车或轻型越野车,其悬架系统仍为被动悬架,整车性能并不理想。大部分医院均会配备部分国外品牌的救护车辆以满足对高性能救护车的需求,但高昂的成本使其难以满足日益增加的出车救护需要。因此积极开发先进技术,提高国内救护车的技术水平具有重要的应用价值和经济意义。车辆行驶过程中所受振动的振源特性为随机过程,振源激励难以预测,出于对参考信号与系统外扰相关性的苛刻要求,前馈控制在车辆随机振动控制问题中的应用受到了限制,主要通过反馈控制方法解决,这就难以避免控制器、作动器等引起的时间滞后。预瞄控制能在控制策略中包含系统未来的信息,在汽车悬架的主动控制和半主动控制当中表现出了良好的性能潜力。针对车载担架的随机振动控制问题,本文在为担架进行隔振设计时,引入基于前轴的预瞄信息,为担架设计了前轴预瞄最优主动隔振系统。主要研究内容与成果包括：针对车载担架所运载的卧姿人体对低频段垂直、水平振动耐受力差的问题,着重考虑了车身底板及担架的垂直运动和俯仰运动,以弹簧和阻尼器构建车载担架被动隔振系统,建立了二维六自由度车载担架随机振动系统动力学模型。分析了在路面不确定性激励输入下担架隔振系统的垂直振动传递特性。以使担架垂直振动和俯仰振动响应最小化为设计目标,应用遗传算法对担架隔振系统被动支承元件的刚度系数和阻尼系数进行了优化设计,改善了担架被动隔振系统的综合性能。为兼顾响应与控制两方面矛盾的要求,以二维六自由度车载担架隔振系统主动控制模型为研究基础,应用最优控制理论为车载担架隔振系统设计了最优控制器。针对优化目标函数加权系数难以选择的问题,应用遗传算法的全局最优搜索功能优化选取加权矩阵。添加了卡尔曼滤波器进行状态估计,通过有限的测量信号获取系统数目繁多的状态变量。借助MATLAB/Simulink工具箱,对系统进行模拟仿真,分析了最优控制隔振系统改善车载担架平顺性的性能潜力。为解决反馈控制产生的时间滞后问题,采用前轴预瞄以前轮处感受到的路面输入信息作为后轮输入的预瞄信息,结合卡尔曼滤波器进行状态估计,为车载担架隔振系统设计了基于前轴预瞄的最优控制隔振系统。通过对系统进行不同车速下的模拟仿真,分析了车速对预瞄控制隔振效果的影响。对比无预瞄主动控制系统与前轴预瞄主动控制系统的隔振效果,观察前轴预瞄算法进一步改进车载担架平顺性能的潜力,验证了算法的可行性。
【关键词】：遗传算法 最优控制 预瞄控制 卡尔曼滤
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB535.1;TH789
【目录】：

• 摘要9-11
• ABSTRACT11-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 课题的研究背景与意义13-14
• 1.2 主动悬架的理论研究与应用概述14-19
• 1.2.1 主动悬架的隔振性能理论研究14-18
• 1.2.2 先进汽车悬架应用现状18-19
• 1.3 救护车担架平顺性的研究及发展概述19-22
• 1.3.1 卧姿人体对振动激励的敏感性19-20
• 1.3.2 车载担架隔振装置的研究及发展概述20-22
• 1.4 预瞄控制研究概述22-24
• 1.5 论文主要研究内容24-25
• 第2章 基于遗传算法的车载担架被动隔振系统参数优化设计25-43
• 2.1 车载担架振动系统动力学模型25-26
• 2.2 遗传算法基本原理及其应用26-28
• 2.3 路面输入时域表达式28-30
• 2.4 二维担架振动控制系统状态空间描述30-35
• 2.4.1 系统运动微分方程30-33
• 2.4.2 系统状态空间描述33-34
• 2.4.3 系统输出状态方程34-35
• 2.5 基于遗传算法的隔振系统参数优化35-39
• 2.5.1 初选系统结构参数35-36
• 2.5.2 初始系统数值模拟与分析36-38
• 2.5.3 遗传算法参数优化38-39
• 2.6 优化设计结果分析39-42
• 2.7 本章小结42-43
• 第3章 车载担架随机振动最优主动控制研究43-57
• 3.1 结合卡尔曼滤波的随机最优控制基本理论43-46
• 3.1.1 LQR最优控制基本理论43-45
• 3.1.2 卡尔曼滤波器基本理论45-46
• 3.2 车载担架隔振系统最优调节器设计46-52
• 3.2.1 系统运动微分方程46-48
• 3.2.2 系统状态空间描述48
• 3.2.3 设计最优控制律48-50
• 3.2.4 卡尔曼滤波器状态估计50-51
• 3.2.5 系统仿真模型51-52
• 3.3 遗传算法优化设计加权矩阵52-53
• 3.4 仿真结果分析53-55
• 3.5 本章小结55-57
• 第4章 结合前轴预瞄的车载担架最优主动控制研究57-67
• 4.1 前轴预瞄增广矩阵57-58
• 4.2 设计最优控制律58-59
• 4.3 卡尔曼滤波器状态估计59-60
• 4.4 系统仿真模型60-61
• 4.5 仿真结果分析61-65
• 4.5.1 时域分析61-64
• 4.5.2 频域分析64-65
• 4.6 本章小结65-67
• 全文总结与展望67-71
• 全文总结67-68
• 研究展望68-71
• 参考文献71-79
• 致谢79-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文与获奖情况81-82
• 附件82

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