CN103034124A - 汽车底盘集成系统广义逆内模控制器及构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器及构造方法，控制器由内模控制器和广义逆系统构成，其中：内模控制器由质心侧偏角内模控制器、横摆角速度内模控制器和车身侧倾角内模控制器并联组成；广义逆系统与汽车底盘集成系统串联构成广义伪线性系统，广义逆系统由4个线性环节和非线性映射构成，广义伪线性系统包括质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统；汽车底盘集成系统由主动前轮转向子系统、直接横摆力矩控制子系统和主动悬架子系统构成。本发明克服传统汽车底盘集成系统控制方法的缺陷，可以实现汽车底盘集成系统的侧向、纵向以及垂向之间非线性动态解耦控制，使控制系统具有优良的控制品质。

Description

汽车底盘集成系统广义逆内模控制器及构造方法

技术领域

本发明涉及车辆工程设备技术领域，尤其涉及一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器及构造方法。

背景技术

随着汽车制造业的快速发展以及汽车技术相关理论研究水平的不断提高，人们对汽车的操纵稳定性、行驶安全性以及乘车舒适性等方面的性能要求也越来越高。汽车作为一个复杂的运动体，在其行驶的过程中，各个子系统之间存在着相互影响、相互制约的关系，各个控制子系统是针对提高车辆某一项性能指标而设计，而整车性能指标的提高则依赖于各个子系统的协调工作。因而，汽车（特别是汽车底盘系统）的集成控制已成为现代车辆动力学控制研究的热点之一。

近些年来，微型电子计算机技术以及大规模集成电路的飞速发展，促使了各类电子控制技术在汽车上的广泛应用，使得汽车电子化程度日益提高。汽车的底盘系统也随之改变了以往完全依靠液压或者气压执行机构来传递力的机械式结构，逐渐步入电子伺服控制阶段，操纵装置与执行器之间靠的非机械连接被电信号联系而取代。汽车底盘系统技术与汽车行驶安全性、操纵稳定性和乘坐舒适性密切相关，比如制动时的跑偏和甩尾，轮胎偏磨，转向迟钝，高速下的控制和稳定性，方向盘的轻重和路感，转弯时的侧倾和侧翻等等。汽车底盘系统正朝着整个底盘系统的集成控制发展，因此汽车的操作稳定性、行驶平顺性以及制动安全性等性能的提高，不能只考虑其中的一个或几个子系统，应该从整车的角度出发，协调控制底盘各子系统之间的关系，从而改善汽车的各方面性能。然而，汽车底盘系统十分复杂，是一个多变量、非线性、强耦合的复杂系统，为了消除（或尽量减小）汽车底盘系统中各个子系统之间的耦合与干涉，有必要对汽车底盘集成系统进行非线性解耦控制。

有鉴于此，有必要提出一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器及构造方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器及构造方法，其克服了传统汽车底盘集成系统控制方法的缺陷，可以实现汽车底盘集成系统的侧向、纵向以及垂向之间非线性动态解耦控制，使控制系统具有优良的控制品质。

本发明的一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器，所述控制器由内模控制器和广义逆系统构成，其中：

所述内模控制器由质心侧偏角内模控制器、横摆角速度内模控制器和车身侧倾角内模控制器并联组成，质心侧偏角内模控制器由质心侧偏角内部模型和调节器构成，横摆角速度内模控制器由横摆角速度内部模型和调节器构成，车身侧倾角内模控制器由车身侧倾角内部模型和调节器构成；

所述广义逆系统与汽车底盘集成系统串联构成广义伪线性系统，所述广义逆系统由4个线性环节和非线性映射构成，广义伪线性系统包括质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统；所述汽车底盘集成系统由主动前轮转向子系统、直接横摆力矩控制子系统和主动悬架子系统构成。

相应地，一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器的构造方法，所述方法包括：

S1、将主动前轮转向子系统、直接横摆力矩控制子系统和主动悬架子系统作为一个整体构成汽车底盘集成系统；

S2、采用广义逆系统理论来构造汽车底盘集成系统的广义逆系统，由4个线性环节和非线性映射构成广义逆系统；广义逆系统与汽车底盘集成系统组成广义伪线性系统，并将广义逆系统串联于汽车底盘集成系统，其中，广义伪线性系统包括质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统；

S3、对质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统分别引入质心侧偏角内模控制器，横摆角速度内模控制器和车身侧倾角内模控制器构造内模控制器，将内模控制器与广义逆系统相结合组成广义逆内模控制器，控制汽车底盘集成系统。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中广义逆系统中非线性映射的构造方法为：

建立汽车底盘集成系统的数学模型，进而推导出汽车底盘集成系统的状态方程，然后针对汽车底盘集成系统的期望输出Y=[y₁ y₂ y₃]=[β γ φ]；

将β、γ离线分别求其一阶导数，进而求出广义逆系统的第一个输入

和广义逆系统的第二个输入

将φ求其一阶、二阶导数，进而求出广义逆系统的第三个输入3个输出分别为汽车底盘集成系统的3个输入前轮转向补偿角δ_c、横摆控制力矩T_Z和悬架侧倾力矩T_φ；

确定非线性映射的输入为 $\hat{Y}=\left[\begin{array}{ccccccc}{\stackrel{\‾}{v}}_1& \mathrm{\β}& {\stackrel{\‾}{v}}_2& \mathrm{\γ}& {\stackrel{\‾}{v}}_3& \stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}& \mathrm{\φ}\end{array}\right],$ 而非线性映射的输出，也即广义逆系统的输出为用来控制汽车底盘集成系统产生期望输出的控制量u=[u₁ u₂ u₃]=[δ_c T_Z T_φ]；

通过计算得到广义逆系统中非线性映射的表达式

其中，β为质心侧偏角、γ为横摆角速度、φ为车身侧倾角，a₁₀、a₁₁、a₂₀、a₂₁、a₃₀、a₃₁和a₃₂为广义逆系统的参数。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S2中“由4个线性环节和非线性映射构成广义逆系统”具体为：

广义逆系统的第一个输入

作为非线性映射的第一个输入，其经一阶系统

的输出为β，即为非线性映射的第二个输入；

广义逆系统的第二个输入

作为非线性映射的第三个输入，其经一阶系统

的输出为γ，即为非线性映射的第四个输入；

广义逆系统的第三个输入作为非线性映射的第五个输入，其经二阶系统

的输出为φ，即为非线性映射的第六个输入，再经一个积分器s^-1为φ，即为非线性映射的第七个输入。

作为本发明的进一步改进，所述步骤S3还包括：

确定参数a₁₀、a₁₁、a₂₀、a₂₁、a₃₀、a₃₁和a₃₂，使得质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统的质心侧偏角内部模型、横摆角速度内部模型和车身侧倾角内部模型分别为：

G_1m=1/(a₁₀s+a₁₁)=1/(s+1)、

G_2m=1/(a₂₀s+a₂₁)=1/(s+1)、

G_3m=1/(a₃₀s²+a₃₁s+a₃₂)=1/(s²+1.414s+1)，

得到相应调节器分别为：

$C_1\left(s\right)=F_1\left(s\right)G_{1m}^{-1}=(s+1)/(2s+1),$

$C_2\left(s\right)=F_2\left(s\right)G_{2m}^{-1}=(s+1)/(2s+1),$

$C_3\left(s\right)=F_3\left(s\right)G_{3m}^{-1}=(s^2+1.414s+1)/{(0.5s+1)}^2.$

本发明汽车底盘集成系统广义逆内模控制器及构造方法具有以下有益效果：

通过构造汽车底盘集成系统的广义逆系统，将非线性、多变量、强耦合的原系统线性化解耦为3个单输入单输出的线性子系统，进而可以采用简单的线性理论来解决复杂的非线性问题；

采用广义逆系统理论，不但可以实现汽车底盘集成系统的线性化解耦，并且可以通过合理调整4个线性环节的参数，使伪线性子系统的极点在复平面内进行合理配置，获取理想的开环频率特性，实现系统的大范围线性化，解耦和降阶；

针对非线性解耦后得到的3个单输入单输出线性子系统，引入内模控制技术，设计汽车底盘集成系统的鲁棒控制器。内模控制具有设计简单、参数整定直观明了、控制性能优良等特点，使汽车底盘集成系统具有优良的控制性能。

附图说明

图1是本发明汽车底盘集成系统广义逆内模控制器的原理框图；

图2是本发明由广义逆系统与汽车底盘集成系统复合构成的广义伪线性系统的示意图及其等效图；

图3是本发明由主动前轮转向子系统、直接横摆力矩控制子系统和主动悬架子系统组成的汽车底盘集成系统的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，本发明一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器，该控制器由内模控制器4和广义逆系统2构成，其中：

内模控制器4由质心侧偏角内模控制器41、横摆角速度内模控制器42和车身侧倾角内模控制器43并联组成，质心侧偏角内模控制器41由质心侧偏角内部模型411和调节器412构成，横摆角速度内模控制器42由横摆角速度内部模型421和调节器422构成，车身侧倾角内模控制器43由车身侧倾角内部模型431和调节器432构成；

广义伪线性系统3由广义逆系统2与汽车底盘集成系统1串联组成，广义逆系统2由4个线性环节和非线性映射21构成，参图2所示，广义伪线性系统3等效为质心侧偏角线性子系统31、横摆角速度线性子系统32和车身侧倾角线性子系统33；参图3所示，汽车底盘集成系统1由主动前轮转向子系统11、直接横摆力矩控制子系统12和主动悬架子系统13构成。

相应地，本发明的一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器的构造方法，包括以下步骤：

S1、将主动前轮转向子系统11、直接横摆力矩控制子系统12和主动悬架子系统13作为一个整体构成汽车底盘集成系统；

S2、采用广义逆系统理论来构造汽车底盘集成系统1的广义逆系统2，由4个线性环节和非线性映射21构成广义逆系统2；广义逆系统2与汽车底盘集成系统1组成广义伪线性系统3，并将广义逆系统3串联于汽车底盘集成系统1，其中，广义伪线性系统3包括质心侧偏角线性子系统31、横摆角速度线性子系统32和车身侧倾角线性子系统33；

S3、对质心侧偏角线性子系统31、横摆角速度线性子系统32和车身侧倾角线性子系统33分别引入质心侧偏角内模控制器41，横摆角速度内模控制器42和车身侧倾角内模控制器43构造内模控制器4，将内模控制器4与广义逆系统2相结合组成广义逆内模控制器5，控制汽车底盘集成系统。

本发明的一具体实施方式中，构造方法具体包括：

S1、构成汽车底盘集成系统1。由汽车底盘的主动前轮转向子系统11、直接横摆力矩控制子系统12和主动悬架子系统13作为一个整体组成图3所示的汽车底盘集成系统1；

S2、通过分析、等效与推导，为广义逆系统2的构造提供方法上的根据。

首先建立汽车底盘集成系统1的数学模型，即4阶微分方程，其向量相对阶为{1,1,2,}。经推导可以证明该4阶微分方程可逆，即广义逆系统存在。进而推导出汽车底盘集成系统1的状态方程，然后针对汽车底盘集成系统1的期望输出Y=[y₁ y₂ y₃]=[β γ φ]；

将β、γ离线分别求其一阶导数，进而求出广义逆系统的第一个输入

和广义逆系统的第二个输入

将φ求其一阶、二阶导数，进而求出广义逆系统的第三个输入

3个输出分别为汽车底盘集成系统的3个输入前轮转向补偿角δ_c、横摆控制力矩T_Z和悬架侧倾力矩T_φ；

可以确定非线性映射21的输入为 $\hat{Y}=\left[\begin{array}{ccccccc}{\stackrel{\‾}{v}}_1& \mathrm{\β}& {\stackrel{\‾}{v}}_2& \mathrm{\γ}& {\stackrel{\‾}{v}}_3& \stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}& \mathrm{\φ}\end{array}\right],$ 而非线性映射21的输出，也即广义逆系统2的输出为用来控制汽车底盘集成系统1产生期望输出的控制量u=[u₁ u₂ u₃]=[δ_c T_Z T_φ]；

最后通过计算得到广义逆系统2中非线性映射21的表达式

其中，β为质心侧偏角、γ为横摆角速度、φ为车身侧倾角，a₁₀、a₁₁、a₂₀、a₂₁、a₃₀、a₃₁和a₃₂为广义逆系统的参数。

结合图2所示，采用非线性映射21和4个线性环节构造广义逆系统2。其中：

广义逆系统2的第一个输入

作为非线性映射21的第一个输入，其经一阶系统

的输出为β，即为非线性映射21的第二个输入；

广义逆系统2的第二个输入

作为非线性映射21的第三个输入，其经一阶系统

的输出为γ，即为非线性映射21的第四个输入；

广义逆系统2的第三个输入

作为非线性映射21的第五个输入，其经二阶系统

的输出为φ，即为非线性映射21的第六个输入，再经一个积分器s^-1为φ，即为非线性映射21的第七个输入。

广义逆系统2与汽车底盘集成系统1串连组成广义伪线性系统3，广义伪线性系统3等效为质心侧偏角线性子系统31、横摆角速度线性子系统32和车身侧倾角线性子系统33，并根据汽车底盘集成系统的实际情况，合理调节广义逆系统参数a₁₀、a₁₁、a₂₀、a₂₁、a₃₀、a₃₁和a₃₂，使线性化解耦后的线性子系统的极点在复平面内可以合理配置，将积分型不稳定的子系统变为稳定的子系统。

S3、设计内模控制器4。内模控制器4由质心侧偏角内模控制器41、横摆角速度内模控制器42和车身侧倾角内模控制器43并联组成，质心侧偏角内模控制器41由质心侧偏角内部模型411和调节器412构成，横摆角速度内模控制器42由横摆角速度内部模型421和调节器422构成，车身侧倾角内模控制器43由车身侧倾角内部模型431和调节器432构成。

选择恰当的参数a₁₀、a₁₁、a₂₀、a₂₁、a₃₀、a₃₁和a₃₂，使得质心侧偏角线性子系统31、横摆角速度线性子系统32和车身侧倾角线性子系统33的质心侧偏角内部模型411、横摆角速度内部模型421和车身侧倾角内部模型431分别为：

G_1m=1/(a₁₀s+a₁₁)=1/(s+1)、

G_2m=1/(a₂₀s+a₂₁)=1/(s+1)、

G_3m=1/(a₃₀s²+a₃₁s+a₃₂)=1/(s²+1.414s+1)，

得到相应调节器412、422、432分别为：

$C_1\left(s\right)=F_1\left(s\right)G_{1m}^{-1}=(s+1)/(2s+1),$

$C_2\left(s\right)=F_2\left(s\right)G_{2m}^{-1}=(s+1)/(2s+1),$

$C_3\left(s\right)=F_3\left(s\right)G_{3m}^{-1}=(s^2+1.414s+1)/{(0.5s+1)}^2.$

其中，a₁₀、a₁₁、a₂₀、a₂₁、a₃₀和a₃₂的值取为1，a₃₁的值取为1.414，F₁(s)=F₂(s)=1/(0.5s+1)²、F₃(s)=1/(2s+1)为相应调节器412、422、432的一型低通滤波器。

结合以上方法，最后将内模控制器4、广义逆系统2共同构成广义逆内模控制器5。

由上述技术方案可以看出，本发明汽车底盘集成系统广义逆内模控制器及构造方法具有以下有益效果：

通过构造汽车底盘集成系统的广义逆系统，将非线性、多变量、强耦合的原系统线性化解耦为3个单输入单输出的线性子系统，进而可以采用简单的线性理论来解决复杂的非线性问题；

采用广义逆系统理论，不但可以实现汽车底盘集成系统的线性化解耦，并且可以通过合理调整4个线性环节的参数，使伪线性子系统的极点在复平面内进行合理配置，获取理想的开环频率特性，实现系统的大范围线性化，解耦和降阶；

针对非线性解耦后得到的3个单输入单输出线性子系统，引入内模控制技术，设计汽车底盘集成系统的鲁棒控制器。内模控制具有设计简单、参数整定直观明了、控制性能优良等特点，使汽车底盘集成系统具有优良的控制性能。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种汽车底盘集成系统广义逆内模控制器，其特征在于，所述控制器由内模控制器和广义逆系统构成，其中：

所述内模控制器由质心侧偏角内模控制器、横摆角速度内模控制器和车身侧倾角内模控制器并联组成，质心侧偏角内模控制器由质心侧偏角内部模型和调节器构成，横摆角速度内模控制器由横摆角速度内部模型和调节器构成，车身侧倾角内模控制器由车身侧倾角内部模型和调节器构成；

所述广义逆系统与汽车底盘集成系统串联构成广义伪线性系统，所述广义逆系统由4个线性环节和非线性映射构成，广义伪线性系统包括质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统；所述汽车底盘集成系统由主动前轮转向子系统、直接横摆力矩控制子系统和主动悬架子系统构成。

2.一种如权利要求1所述的汽车底盘集成系统广义逆内模控制器的构造方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、将主动前轮转向子系统、直接横摆力矩控制子系统和主动悬架子系统作为一个整体构成汽车底盘集成系统；

S2、采用广义逆系统理论来构造汽车底盘集成系统的广义逆系统，由4个线性环节和非线性映射构成广义逆系统；广义逆系统与汽车底盘集成系统组成广义伪线性系统，并将广义逆系统串联于汽车底盘集成系统，其中，广义伪线性系统包括质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统；

S3、对质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统分别引入质心侧偏角内模控制器，横摆角速度内模控制器和车身侧倾角内模控制器构造内模控制器，将内模控制器与广义逆系统相结合组成广义逆内模控制器，控制汽车底盘集成系统。

3.根据权利要2所述的汽车底盘集成系统广义逆内模控制器的构造方法，其特征在于，所述步骤S2中广义逆系统中非线性映射的构造方法为：

建立汽车底盘集成系统的数学模型，进而推导出汽车底盘集成系统的状态方程，然后针对汽车底盘集成系统的期望输出Y=[y₁ y₂ y₃]=[β γ φ]；

将β、γ离线分别求其一阶导数，进而求出广义逆系统的第一个输入

和广义逆系统的第二个输入

将φ求其一阶、二阶导数，进而求出广义逆系统的第三个输入3个输出分别为汽车底盘集成系统的3个输入前轮转向补偿角δ_c、横摆控制力矩T_Z和悬架侧倾力矩T_φ；

确定非线性映射的输入为 $\hat{Y}=\left[\begin{array}{ccccccc}{\stackrel{\‾}{v}}_1& \mathrm{\β}& {\stackrel{\‾}{v}}_2& \mathrm{\γ}& {\stackrel{\‾}{v}}_3& \stackrel{\·}{\mathrm{\φ}}& \mathrm{\φ}\end{array}\right],$ 而非线性映射的输出，也即广义逆系统的输出为用来控制汽车底盘集成系统产生期望输出的控制量u=[u₁ u₂ u₃]=[δ_c T_Z T_φ]；

通过计算得到广义逆系统中非线性映射的表达式

其中，β为质心侧偏角、γ为横摆角速度、φ为车身侧倾角，a₁₀、a₁₁、a₂₀、a₂₁、a₃₀、a₃₁和a₃₂为广义逆系统的参数。

4.根据权利要3所述的汽车底盘集成系统广义逆内模控制器的构造方法，其特征在于，所述步骤S2中“由4个线性环节和非线性映射构成广义逆系统”具体为：

广义逆系统的第一个输入

作为非线性映射的第一个输入，其经一阶系统

的输出为β，即为非线性映射的第二个输入；

广义逆系统的第二个输入

作为非线性映射的第三个输入，其经一阶系统

的输出为γ，即为非线性映射的第四个输入；

广义逆系统的第三个输入

作为非线性映射的第五个输入，其经二阶系统

的输出为φ，即为非线性映射的第六个输入，再经一个积分器s^-1为φ，即为非线性映射的第七个输入。

5.根据权利要2所述的汽车底盘集成系统广义逆内模控制器的构造方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：

确定参数a₁₀、a₁₁、a₂₀、a₂₁、a₃₀、a₃₁和a₃₂，使得质心侧偏角线性子系统、横摆角速度线性子系统和车身侧倾角线性子系统的质心侧偏角内部模型、横摆角速度内部模型和车身侧倾角内部模型分别为：

G_1m=1/(a₁₀s+a₁₁)=1/(s+1)、

G_2m=1/(a₂₀s+a₂₁)=1/(s+1)、

G_3m=1/(a₃₀s²+a₃₁s+a₃₂)=1/(s²+1.414s+1)，

得到相应调节器分别为：

$C_1\left(s\right)=F_1\left(s\right)G_{1m}^{-1}=(s+1)/(2s+1),$

$C_2\left(s\right)=F_2\left(s\right)G_{2m}^{-1}=(s+1)/(2s+1),$

$C_3\left(s\right)=F_3\left(s\right)G_{3m}^{-1}=(s^2+1.414s+1)/{(0.5s+1)}^2.$

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