楊天宇, 鄭敏毅,2*, 陳桐, 張農(nóng), 李杰
(1.合肥工業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院, 合肥 230009; 2.合肥工業(yè)大學(xué)汽車工程技術(shù)研究院, 合肥 230009; 3.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 合肥 230009)
隨著5G車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展,車輛需要實時準(zhǔn)確的提供自身的各類數(shù)據(jù),指導(dǎo)車輛底盤動力學(xué)控制,為駕駛員和乘客提供更好的體驗。懸架對改善車輛平順性和舒適性起重要作用,其作為一種復(fù)雜系統(tǒng),具有高維的數(shù)學(xué)模型,是一個多輸入-多輸出的系統(tǒng)[1]。
人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network,ANN)是一種基于大腦的神經(jīng)功能而建立的處理信息系統(tǒng),具有很好的自適應(yīng)性、非線性以及記憶聯(lián)想性等特點[2]。因此,人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)成為解決復(fù)雜非線性系統(tǒng)建模的新途徑。學(xué)者們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性系統(tǒng)建模開展了大量的研究[3- 4]。文獻(xiàn)[3]研究了非線性自回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的方法,建立了燃?xì)廨啓C(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真模型,實驗結(jié)果表明該模型能夠反映燃?xì)廨啓C(jī)的外特性。文獻(xiàn)[4]提出了一種基于改進(jìn)型深度學(xué)習(xí)的非線性建模方法, 并設(shè)計基于高斯徑向基函數(shù)的深度信念網(wǎng)絡(luò)(deep belief network,DBN)訓(xùn)練模型,最后確立徑向基函數(shù)(radial basis function,RBF) 為DBN神經(jīng)元的激活函數(shù),設(shè)計一種基于RBF的DBN(RBF-DBN)應(yīng)用于非線性系統(tǒng)建模中,實驗結(jié)果表明RBF-DBN預(yù)測精度較高,并且具有較好的收斂性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在車輛系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。文獻(xiàn)[5]以磁懸浮列車單點懸浮模型為基礎(chǔ),結(jié)合RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Lyapunov穩(wěn)定性分析設(shè)計了自適應(yīng)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法,并通過仿真對比驗證該控制算法的魯棒性和有效性。文獻(xiàn)[6]針對復(fù)雜環(huán)境下車輛主動前輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題,提出一種基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(radial basis function neural network,RBFNN)的主動前輪轉(zhuǎn)向自抗擾控制(auto disturbance rejection control,ADRC)方法,并通過仿真對比驗證了該方法改善了車輛的可控性和穩(wěn)定性并具有良好的控制精度。
液壓互聯(lián)懸架是一種利用油液傳遞壓力、氣體為彈性介質(zhì)的典型非線性系統(tǒng)[7]。其不僅具有常見油氣懸架的優(yōu)點,而且在顛簸路面上行駛時,裝載液壓互聯(lián)懸架(hydraulically interconnected suspension,HIS)的車輛姿態(tài)仍能保持水平。HIS系統(tǒng)可以通過改變連通方式來滿足車輛對行駛狀態(tài)的要求,盡可能的消除車輛姿態(tài)失衡,提高車輛的操穩(wěn)性以及平順性[8-10]。傳統(tǒng)的白盒建模方法雖然能夠揭示系統(tǒng)的物理規(guī)律,但是求解速度慢,非線性建模過程復(fù)雜,難以滿足智能技術(shù)對車輛建模的精度高,速度快的要求。因此,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)黑盒建模方法建立液壓互聯(lián)懸架的數(shù)學(xué)模型成為了更好地選擇。
為此,采用基于遺傳算法(genetic algorithm,GA)的反向傳播(back propagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法建立液壓互聯(lián)懸架的數(shù)學(xué)模型,利用Simulink建立液壓互聯(lián)懸架模型,獲取網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。利用遺傳算法的全局搜索能力來彌補(bǔ)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型存在的易陷入局部極小值的缺點,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的初始權(quán)值和閾值。通過仿真對比驗證GABP方法的優(yōu)點。搭建液壓互聯(lián)懸架測試臺架,利用實驗數(shù)據(jù)對比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果進(jìn)行比較分析。
采用抗側(cè)傾液壓互聯(lián)懸架模型,如圖1所示,該系統(tǒng)具有兩條油路,左側(cè)的液壓缸上/下腔和右側(cè)的液壓缸下/上腔互聯(lián),每個液壓缸的進(jìn)油口處都裝置一個可調(diào)阻尼閥,每一條支路中裝有一個儲能器[9]。車輛側(cè)傾時,一條支路油壓上升,另一條支路壓力下降,形成壓力差從而產(chǎn)生抗側(cè)傾力矩[11]。
zi為各液壓缸的位移,i =1,2,3,4
對上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力學(xué)機(jī)理分析,建立該液壓系統(tǒng)的各部件數(shù)學(xué)模型。液壓缸各腔的油壓與流量微分方程為
(1)
式(1)中:Pi為液壓缸各腔油壓;E為液壓油的有效體積模量;si為各液壓缸的高度;Ai為液壓缸腔內(nèi)橫截面積;qi為各管路流量;zi為各液壓缸的位移;i=1,2,…,8。
根據(jù)理想氣體方程,建立蓄能器微分方程為
(2)
式(2)中:Pα為蓄能器中油壓;γ為氣體絕熱系數(shù);Qα為進(jìn)出蓄能器流量;Pp為氣體預(yù)充壓力;Vp為在預(yù)充壓力下腔內(nèi)氣體體積。
選取薄壁孔阻尼閥,其數(shù)學(xué)模型為
(3)
式(3)中:Cqmax為最大節(jié)流系數(shù);Re為臨界雷諾數(shù);ρ為液壓油密度;λ為流數(shù);Ad為阻尼孔橫截面積;ΔP為阻尼閥兩端的液壓油壓力差。
HIS系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。
表1 HIS參數(shù)
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種按照數(shù)據(jù)正向傳播,誤差逆向傳播的多層前饋式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[12]。正向傳播傳輸數(shù)據(jù),逆向傳播傳輸誤差,由此調(diào)整神經(jīng)元之間的權(quán)值矩陣,減小誤差[13]。參考的激活函數(shù)為單極性sigmoid函數(shù),可表示為
(4)
式(4)中:w為輸入層與隱含層、隱含層與輸出層之間的權(quán)重;θ為偏差;X為神經(jīng)元輸入向量。
遺傳算法是一種模仿自然界的遺傳機(jī)制的隨機(jī)全局搜索算法,是一種高效、并行和全局搜索的算法[14]。利用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)初始條件,既能夠彌補(bǔ)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)陷入局部最優(yōu)解的缺點,又能夠優(yōu)化初始權(quán)值和閾值,提高預(yù)測準(zhǔn)確性[14-15]。
基于遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程如圖2所示,具體步驟如下。
圖2 遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)流程圖
步驟1初始化種群。采用格雷碼編碼,種群中的染色體組成包含網(wǎng)絡(luò)中各層之間的權(quán)值和閾值。
步驟2采用均方根誤差(root mean square error,RMSE)作為適應(yīng)度函數(shù),計算每一個染色體的適應(yīng)度,計算公式為
(5)
式(5)中:N為總數(shù)據(jù)集容量;f(i)為第i個數(shù)據(jù)樣本的預(yù)測值;y(i)為第i個數(shù)據(jù)樣本的實際值。
步驟3選擇操作。采取隨機(jī)遍歷抽樣法作為選擇策略。選擇算子計算公式為
(6)
式(6)中:f(xi)為個體xi的適應(yīng)度值;F(xi)為此個體被選擇的概率。
步驟4交叉操作。隨機(jī)選擇兩個個體按照一定頻率進(jìn)行交叉。個體Pa和Pb在第k個點位進(jìn)行交叉,其交叉算子可表示為
(7)
式(7)中:α為介于(0,1)的隨機(jī)數(shù)。
步驟5變異操作。隨機(jī)選擇一個個體按照一定概率進(jìn)行變異操作。個體Pa在第k個點位變異,變異算子可表示為
(8)
式(8)中:Pmax為個體上界;Pmin為個體下界;v為當(dāng)前迭代次數(shù);Vmax為最大進(jìn)化次數(shù);μ為介于(0,1)的隨機(jī)數(shù)。
步驟6重插入操作。從種群中挑選出適應(yīng)度強(qiáng)的個體,保留父代中適應(yīng)度值前10%的個體,重插入新子代中。
步驟7按順序拆分最優(yōu)個體,整合為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值,調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù),重復(fù)學(xué)習(xí)訓(xùn)練,直至達(dá)到所需精度或?qū)W習(xí)次數(shù)的上限為止。
算法流程如下:①在Simulink上建立HIS懸架物理模型;②設(shè)計輸入數(shù)據(jù);③仿真獲得輸出數(shù)據(jù);④構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);⑤遺傳算法優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值,訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
HIS系統(tǒng)的輸入是懸架的動行程,即4個液壓缸位移輸入和速度輸入??紤]垂向振動,側(cè)傾,俯仰,扭曲4種模態(tài),使用正弦函數(shù)作為速度輸入函數(shù),其表達(dá)式為
vins=Asin2πft
(9)
式(9)中:vins為某一油缸的控制桿瞬時速度;A為某一油缸的控制桿速度幅值;f為某一油缸的控制桿運(yùn)動頻率。
設(shè)計參數(shù)如表2所示,規(guī)定4個油缸的控制桿起始位置均在油缸的工作行程的中間位置。
表2 HIS系統(tǒng)輸入?yún)?shù)
輸入數(shù)據(jù)包含4個缸的位移輸入和速度輸入,共計8種數(shù)據(jù)。輸出數(shù)據(jù)包含4個油缸的上下腔油壓和兩個蓄能器的油壓,共計10種數(shù)據(jù)。為保證網(wǎng)絡(luò)收斂,對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化,可表示為
(10)
式(10)中:Qmax為數(shù)據(jù)組中最大值;Qmin為數(shù)據(jù)組中最小值;Qi為歸一化前數(shù)據(jù)值;Qnormal為歸一化后數(shù)據(jù)值。
將數(shù)據(jù)組分為輸入組和輸出組,其中輸入組可表示為
INPUT={VLF,VLR,VRF,VRR,XLF,XLR,XRF,XRR}
(11)
式(11)中:VLF為左前輪的速度輸入;VLR為左后輪的速度輸入;VRF為右前輪的速度輸入;VRR為右后輪的速度輸入;XLF為左前輪的位移輸入;XLR為左后輪的位移輸入;XRF為右前輪的位移輸入;XRR為右后輪的位移輸入。
輸出組可表示為
OUTPUT={P11,P12,P21,P22,P31,P32,P41,P42,PACC1,PACC2}
(12)
式(12)中:P11、P12分別為左前位置油缸的上下腔油壓;P21、P22分別為左后位置油缸的上下腔油壓;P31、P32分別為右前位置油缸的上下腔油壓;P41、P42分別為右后位置油缸的上下腔油壓;PACC1、PACC2分別為2個蓄能器的油壓。
綜上BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練參數(shù)如表3所示。
表3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練參數(shù)
Wij為輸入層與隱含層之間的權(quán)值;Wjk為隱含層與輸入層之間的權(quán)值
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中共有540個權(quán)值,40個閾值,以580個網(wǎng)絡(luò)的閾值和權(quán)值作為優(yōu)化目標(biāo),遺傳算法優(yōu)化參數(shù)如表4所示。每代最優(yōu)解和均值的均方根誤差變化曲線如圖4所示。可以看出,種群進(jìn)化到150代時均方根誤差基本無變化,進(jìn)化達(dá)到最佳。
表4 遺傳算法優(yōu)化參數(shù)
圖4 每代最優(yōu)解與均值的均方根誤差變化曲線
在Simulink環(huán)境下,采用四階龍格-貝塔求解器求解,在不同的定步長下,其蓄能器油壓變化的仿真結(jié)果如圖5所示。圖5(a) 中,對HIS系統(tǒng)施加0.1 Hz、40 mm的激勵,求解器步長設(shè)置為1×10-3,可以看出,蓄能器油壓變化沒有規(guī)律,仿真失真,更無法體現(xiàn)HIS系統(tǒng)特性,這是由于仿真過程出現(xiàn)剛性問題。圖 5(b) 中,采用相同激勵,步長設(shè)置為1×10-4,可以看到蓄能器油壓變化具有非線性特性,能夠體現(xiàn)HIS系統(tǒng)特性。由此得出結(jié)論,在大步長的低精度下,HIS系統(tǒng)仿真會失真;在小步長的高精度下,HIS系統(tǒng)仿真體現(xiàn)出非線性,且精度越高,仿真細(xì)節(jié)越詳細(xì)。但精度的提高必然會導(dǎo)致速度的下降。因此,運(yùn)用機(jī)理分析法建立HIS系統(tǒng)模型存在建模精度和速度不可兼得的缺點。
圖5 不同步長下蓄能器油壓變化
圖6給出了在0.1 Hz、40 mm的正弦激勵下,通過機(jī)理建模仿真獲得的蓄能器油壓與通過GABP網(wǎng)絡(luò)建模形式獲取蓄能器油壓變化對比。可以看出,兩種建模方式之間最大絕對誤差為0.038 4 MPa,相對誤差百分?jǐn)?shù)為1.26%,兩類曲線變化趨勢一致,均能體現(xiàn)HIS系統(tǒng)的非線性。綜上,在精度方面,GABP建模方法與機(jī)理建模方法幾乎相同,在速度方面GABP方法明顯快于機(jī)理建模方法,因此GABP建模方法兼具建模精度高且建模速度快的特點。
圖6 兩種建模方式下蓄能器油壓變化對比
首先設(shè)計多模態(tài)實驗獲取實際輸出。然后通過實驗數(shù)據(jù)比較分析HIS的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸出精度。
液壓互聯(lián)懸架測試臺架如圖7所示。在HIS測試臺架上,F(xiàn)PGA控制器(NI-myRIO1 900)控制4個電機(jī)的位移,同時FPGA控制器(CRIO-9 068)獲取油壓,力和位移的傳感器信號。左右油缸的頂部安裝在基礎(chǔ)框架上,桿由電機(jī)驅(qū)動,模擬車輛懸架的動行程。
圖7 HIS測試臺架
為實時收集數(shù)據(jù),在油缸的頂部安裝力傳感器。在蓄能器的尾部安裝油壓傳感器,在電機(jī)一側(cè)安裝拉線位移傳感器,安裝位置如圖8所示。
圖8 傳感器安裝位置
本實驗針對垂向和側(cè)傾兩個模態(tài)進(jìn)行實驗。具體如下。
(1)進(jìn)行垂向模態(tài)變形下的加載試驗。實驗中加載形式采用正弦激勵。加載不同的頻率和運(yùn)動幅值代表懸架不同的動行程。每組的頻率和幅值參數(shù)如表5所示。
表5 垂向模態(tài)組實驗參數(shù)
(2)進(jìn)行側(cè)傾模態(tài)變形下的加載實驗。實驗參數(shù)如表6所示??紤]實驗安全性,側(cè)傾模態(tài)實驗組的幅值小于垂向模態(tài)幅值。
表6 側(cè)傾模態(tài)組實驗參數(shù)
2.3.1 垂向模態(tài)實驗組
圖9給出了垂向模態(tài)下,各頻率下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與實際系統(tǒng)的絕對誤差(mean absolute error,MAE)和均方根誤差(root mean square error,RMSE)。均方根誤差已由式(5)給出,絕對誤差計算公式為
(13)
式(13)中:f(i)為第i時刻由實驗所得的實際值;y(i)為第i時刻神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真所得的預(yù)測值。
MAE值越小,說明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型越接近實際模型。RMSE值越小,說明網(wǎng)絡(luò)中有越少的異常值,網(wǎng)絡(luò)的魯棒性越強(qiáng)。由圖9分析可知,增大激勵頻率會導(dǎo)致RMSE和MAE下降,即模型的精確度隨頻率上升而上升。
圖9 垂向模態(tài)組各頻率特征指標(biāo)
為研究各頻段對網(wǎng)絡(luò)輸出精度的具體影響以及誤差原因,選取3組實驗組數(shù)據(jù)分析,按照頻率大小劃分為低頻組,中頻組和高頻組。詳細(xì)分組如表7所示。
表7 垂向模態(tài)組數(shù)據(jù)分組
圖10給出低、中、高頻下蓄能器實際油壓和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)仿真輸出的油壓變化。圖10(a) 中最大相對誤差為0.079 1 MPa,相對誤差百分?jǐn)?shù)為4.12%,圖10(b) 中最大相對誤差為0.042 6 MPa,相對誤差百分?jǐn)?shù)為2.27%,圖10(c) 中最大相對誤差為0.029 3 MPa,相對誤差為1.51%。在3個頻率下,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與實際輸出曲線走勢相同,說明垂向模態(tài)下GABP體現(xiàn)出了HIS的非線性。兩條曲線沒有相位偏移,說明GABP的輸出沒有提前或滯后,具有實時性。網(wǎng)絡(luò)仿真輸出誤差小于5%,說明在垂
圖10 垂向模態(tài)下蓄能器油壓變化對比
向模態(tài)下GABP建模具有很好的精確度。3個頻率下網(wǎng)絡(luò)輸出均高于實驗輸出,主要原因有:①實驗方面,HIS系統(tǒng)存在內(nèi)泄,液壓缸推桿與內(nèi)壁存在間隙,不能保證上下腔完美的隔離;②仿真方面,訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的模型參數(shù)不準(zhǔn),液壓缸內(nèi)徑,推桿直徑,管路液阻不可測量,對訓(xùn)練結(jié)果有影響。
2.3.2 側(cè)傾模態(tài)實驗組
圖11給出了側(cè)傾模態(tài)下,各頻率下神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與實際系統(tǒng)的絕對誤差和均方根誤差。分析可知,側(cè)傾模態(tài)下,兩個特征指標(biāo)變化較大,在低頻段誤差較大,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型精度差。由低頻過渡到中頻過程中,RMSE和MAE數(shù)值陡降,說明模型精度在中頻段得到改善。高頻段下,RMSE和MAE數(shù)值基本未變,模型精度在高頻段穩(wěn)定。
圖11 側(cè)傾模態(tài)組各頻率特征指標(biāo)
為研究各頻段對網(wǎng)絡(luò)輸出精度的具體影響以及誤差原因,選取3組實驗組數(shù)據(jù)分析,按照頻率大小劃分為低頻組,中頻組和高頻組。詳細(xì)分組如表8所示。
表8 側(cè)傾模態(tài)組數(shù)據(jù)分組
蓄能器油壓變化如圖12所示。圖12(a) 中最大相對誤差為0.165 4 MPa,相對誤差百分?jǐn)?shù)為7.64%,圖12(b) 中最大相對誤差為0.116 5 MPa,相對誤差百分?jǐn)?shù)為4.07%,圖12(c) 中最大相對誤差為0.127 0 MPa,相對誤差為4.35%。3個頻率下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出與實際輸出曲線走勢相同,說明側(cè)傾模態(tài)下GABP體現(xiàn)出了HIS的非線性。兩條曲線沒有相位偏移,說明GABP的輸出沒有提前或滯后,具有實時性。網(wǎng)絡(luò)仿真輸出相對誤差小于10%,說明在側(cè)傾模態(tài)下GABP建模具有較好的精確度。相較于垂向模態(tài),側(cè)傾模態(tài)下GABP的精度較差,說明HIS兩條油路工作壓力差越大,GABP的精度越差。在高頻段模型的誤差穩(wěn)定,說明存在系統(tǒng)誤差。
圖12 側(cè)傾模態(tài)下蓄能器油壓變化
產(chǎn)生較大誤差的主要原因有:①仿真方面,訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)的模型參數(shù)不準(zhǔn)確是主因,工作壓力差越大,問題越明顯;②實驗方面,在低頻高幅條件下,液壓缸產(chǎn)生較大的力導(dǎo)致臺架產(chǎn)生松動,對實驗結(jié)果有干擾;隨著頻率和幅值的下降,臺架穩(wěn)定,誤差也快速下降;③實驗系統(tǒng)存在內(nèi)泄,導(dǎo)致實際壓力峰值與網(wǎng)絡(luò)輸出峰值有差值。
2.3.3 綜合分析
綜合兩組實驗分析可知:①GABP網(wǎng)絡(luò)輸出曲線較好的體現(xiàn)了HIS的非線性;②GABP曲線與實際輸出曲線無相位偏移,具有實時性;③垂向模態(tài)下GABP輸出與實際輸出相對誤差均小于5%,精度高。側(cè)傾模態(tài)下相對誤差均小于10%,精度較高。GABP輸出精度與激勵的頻率和幅值有關(guān),頻率越小,幅值越大,模型精度越差,反之精度越高。綜上,HIS-GABP建模方法具有良好的精度,能夠體現(xiàn)系統(tǒng)的非線性,且計算速度快,輸出與實際對比無相位偏移,具有實時性,該方法具有可行性。
提出了一種基于遺傳算法優(yōu)化的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立HIS系統(tǒng)模型的方法,并介紹了原理和建模過程,并通過仿真對比驗證GABP方法的優(yōu)點。之后,利用臺架實驗所獲得的數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)仿真所得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。最終,利用多種評價指標(biāo)評價網(wǎng)絡(luò),與實際數(shù)據(jù)繪制而成的曲線進(jìn)行比較分析,得出如下結(jié)論。
(1)GABP網(wǎng)絡(luò)輸出的精度與激勵的頻率和幅值相關(guān),頻率越小,幅值越大,模型精度越差,反之精度越高。
(2)網(wǎng)絡(luò)輸出曲線軌跡趨勢體現(xiàn)了HIS的非線性。
(3)網(wǎng)絡(luò)曲線與實際曲線無相位偏移,具有實時性。
(4)垂向模態(tài)下GABP輸出與實際輸出相對誤差均小于5%,側(cè)傾模態(tài)下相對誤差均小于10%,具有較好的精度。