CN103419588A - 三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器及其构造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器及其构造方法，该控制器包括整车主动悬架系统和由规划级控制器、协调级控制器、执行级控制器组成的三级分层控制器。本发明利用智能递阶控制策略，把整车主动馈能悬架控制系统分为规划级、协调级和执行级。规划级根据各种传感器信息，判断车辆运动姿态，结合整车主动馈能悬架协调控制逻辑，对各控制子系统进行整体协调和决策规划；协调级接受上层指令，参考执行级反馈信息，对各子系统进行整体分析和决策；执行级主要执行三个子系统的控制任务。本发明可以避免集中控制结构的缺点，可提高系统可靠性。采用分层式协调控制策略对整车主动馈能悬架进行控制，可以实现整车悬架良好的综合性能。

Description

三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器及其构造方法

技术领域

本发明涉及一种三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器及其构造方法，适用于三级阻尼可调的主动馈能悬架的分层控制，属于汽车节能减振控制技术领域。 

背景技术

近年来，国际油价跌宕起伏，能源与环境问题日益突出，节能减排、低碳经济已成为实现国家可持续发展的主要举措之一。中国作为汽车保有量大国，研究如何提高汽车的节能性，减少汽车上不必要的能量损失，具有非同寻常的意义。当汽车在道路上行驶过程中，由于不平路面的激励以及各种复杂的道路工况，汽车一部分能量在悬架振动过程中通过减振器将其转化为热能耗散掉，这就造成了能源的浪费。

如何在不影响悬架隔振性能的前提下，将车辆悬架振动过程中的能量回收再利用是当前研究的一大课题，主动馈能悬架的出现为这一课题提供了一种实现方法，主动馈能悬架能够进一步提高燃油经济性，回收悬架振动能量，提高车辆的综合性能。

近几十年来，可控悬架系统得到了学术界和工业界的广泛关注。相比于不可控的半主动/被动悬架系统，可控悬架系统根据车辆当前的行驶工况和路况对其车身特性实行自适应控制，因而可提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性。主动馈能悬架系统的关键就是作动器，随着电磁减振材料和电控技术的快速发展，以及在电动车开发趋势的影响下，车辆电磁悬架技术的理论研究逐渐深入，并得到了一些商业化应用。其中直线电机具有输出力较大，响应快，效率高的优点，同时具有回收电能的可行性，因此多用于主动馈能悬架的作动器。

主动馈能悬架阻尼值的大小与馈能特性和减振性能之间有着密切的关系，研究阻尼值对馈能特性和减振性能的影响关系到车辆综合性能的优劣，因此车辆使用可调阻尼的减振器来提高车辆的综合性能，一般的阻尼可调减振器控制效果好，但造价高，系统复杂，控制难度高，综合各方面因素，对一般的阻尼可调减振器进行改进，只设置三个档位，就能够较好地适应大范围内的车速和路况变化，还能够自适应切换档位，调整悬架阻尼值，从而输出最佳的悬架性能。

车辆主动馈能悬架的综合控制是指为了提高主动馈能的馈能性以及改善车辆的隔振性能和运动姿态而对行驶车辆各种工况进行的运动控制。通常，人们在开发车辆控制系统的时候主要关心的是能否实现该系统本身所对应的控制目标，并没有过多考虑该系统被加入到整车运动控制系统中对于其它子系统性能的影响。以往车辆各个控制子系统都是相互独立工作，或者说是传感器信息与控制命令都是并行运行的，各个子系统之间不存在信息共享与命令冲突问题。但是，随着车辆控制系统结构越来越复杂，传感器、执行器、通讯连接与微处理器等硬件也越来越多。随着车辆控制子系统和执行机构的增加，并行的控制结构使系统之间不可避免地存在相互作用和功能冲突。例如当悬架阻尼值改变的时候，悬架在不同工况下的隔振性能和馈能特性都会受到很大的影响。

发明内容

针对现有技术中整车主动馈能悬架多个系统之间存在耦合和冲突的关系，并且无法在大范围工况下表现良好的缺陷，提供一种三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器及其构造方法，从而改善三级阻尼可调的主动馈能悬架对参数变化以及扰动的适应性、鲁棒性，有效地回收悬架振动能量，协调优化悬架综合性能，运用分层递阶控制理论对整车馈能悬架进行分层控制，从而协调多个并行控制系统之间的功能冲突。

本发明的技术方案是：

三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器，包括整车主动悬架系统和由规划级控制器、协调级控制器、执行级控制器组成的三级分层控制器，所述协调级控制器包括协调控制器和由阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器组成的三个控制子系统，所述执行级控制器包括直线电机和三级可调阻尼器。

所述整车主动悬架系统与规划级控制器的输入端相连接，将车辆行驶信息以及执行级控制器中直线电机和三级可调阻尼器的反馈信息通过传感器传送至作为上层控制器的规划级控制器；

作为上层控制器的规划级控制器的输入端与整车主动悬架系统相连接，输出端与协调级控制器中协调控制器的输入端相连接，规划级控制器根据路面及车辆各种传感器信息，对车辆运动姿态进行判断，并结合整车主动悬架系统协调控制逻辑，对阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器进行整体协调和决策规划；

作为第二层控制器的协调级控制器中的协调控制器的输入端与规划级控制器的输出端相连接，协调控制器的输出端分别与阻尼切换调节器、悬架解耦控制器、能量管理控制器的输入端相连接，悬架解耦控制器、能量管理控制器的输出端都连接至直线电机，阻尼切换调节器的输出端连接至三级可调阻尼器，协调级控制器接受规划级控制器的指令，并参考执行级控制器的反馈信息特征，从全系统的整体目标考虑，对阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器进行整体协调分析和控制决策；

作为底层控制器的执行级控制器用于执行阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器的控制任务，其中，直线电机的输入端分别与悬架解耦控制器和能量管理控制器的输出端相连，执行悬架解耦控制器和能量管理控制器的控制任务，三级可调阻尼器的输入端与阻尼切换调节器的输出端相连，执行阻尼切换调节器的控制任务，同时，执行级控制器分别将直线电机的电磁力信息和三级可调阻尼器的阻尼系数信息反馈给整车主动悬架系统。

进一步，所述协调级控制器中的协调控制器根据上层规划级控制器运动姿态指令和下层执行级控制器反馈信息实时改变控制量，协调阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器之间的关系，优化车辆综合性能，并给下层执行级控制器发送具体执行信号。

进一步，所述协调级控制器中的悬架解耦控制器利用支持向量机逆的方法将整车悬架这一非线性系统解耦成垂向运动、侧倾运动和俯仰运动三个线性子系统，并分别设计线性控制器，组成伪线性系统；三个线性控制器计算出所需的控制作用力，加权之后作为执行级控制器中直线电机的给定输入。

进一步，所述协调级控制器中的阻尼切换控制器根据上层控制器输入的车身运动信号对三级可调阻尼器进行模式切换，考虑不同工况下对主动馈能悬架的不同性能要求以选择最合适的阻尼值。

进一步，所述协调级控制器中的能量管理控制器根据悬架控制力与悬架振动速度的方向，控制直线电机的电动及发电模式，从而对直线电机的能量进行管理，即当悬架速度与电磁推力同向时，直线电机为电动机模式，电源给直线电机作动器供电，作动器做功消耗能量；当悬架速度与电磁推力反向时，直线电机为发电机模式，产生电能并给蓄电池充电。

三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器的构造方法，具体包括如下步骤：

（1）构建作为上层控制器的规划级控制器：根据路面及车辆各种传感器信息，对车辆运动姿态进行判断，并结合整车主动馈能悬架协调控制逻辑，对各控制子系统进行整体协调和决策规划；

（2）构建作为第二层控制器的协调级控制器：接受上层指令，并参考执行级反馈信息特征，从全系统的整体目标考虑，对阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器进行整体协调分析和控制决策；

（3）构建作为底层控制器的执行级控制器：执行阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器的控制任务。

进一步，所述悬架解耦控制器的构造方法为：悬架解耦控制器采用支持向量机加4个线性环节的构成支持向量机逆的方法将整车悬架这一非线性系统解耦成垂向运动、侧倾运动和俯仰运动三个线性子系统，并分别设计线性控制器，组成伪线性系统；三个线性控制器计算出所需的控制作用力，加权之后作为执行级直线电机的给定输入。

进一步，所述能量管理控制器通过判断悬架速度与电磁力乘积的正负进行发电/电动模式的识别，即：

当悬架速度与电磁推力同向时，直线电机为电动机模式，直流电源向直线作动器供电，产生的电磁力抑制悬架振动；

当悬架速度与电磁推力反向时，直线电机为发电机模式，直线电机向超级电容充点，当电容容量达到设定值时，电容对蓄电池充电，这样可以减少对电池的充电次数，延长电池使用寿命。

进一步，所述阻尼切换调节器设置三档阻尼值，根据不同工况下主动馈能悬架系统的阻尼控制要求，分析系统的馈能特性和减振特性，确定系统的工作模式，即： 

当车辆以低速行驶在较差的路面上，为了提高车辆的行驶平顺性，避免承受过大的冲击载荷，同时保证主动馈能悬架作动器馈能量大于耗能量，要求阻尼力保持在一定的限度内，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为                                                

，进入减振器阻尼“软”模式；

当车辆以中速行驶在较好的路面上，为了提高这种工况下的悬架综合性能，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为

，进入减振器阻尼“中”模式；

当车辆以高速行驶在很好的路面上，为了保证操纵稳定性和乘坐舒适性，迅速减振，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为

，进入减振器阻尼“硬”模式。

本发明的有益效果是：

1、本控制方法容易实现，控制系统稳定性高。采用支持向量机逆解耦方法，解决了复杂非线性耦合系统的解耦控制问题，通过进一步合理设计线性闭环控制器，获得高性能的跟踪控制以及抗扰动运行性能。

2、车辆系统综合性能提高明显：通过分析可知，主动馈能悬架的控制具有明显的混杂特性，在分层控制理论的框架下实现主动馈能悬架的控制，能够良好地适应大范围内的车速和路况变化，还能够自适应调节悬架的阻尼，从而输出最佳的悬架性能。

3. 确定不同档位阻尼的过程中，同时考虑车速、路面、馈能量、耗能量等因素，使确定的阻尼可以满足车辆在不同的运行工况下都能达到能量回收的目的，达到节能的效果。

附图说明

图1是本发明三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器的完整控制框图；

图2是本发明中整车主动悬架系统的模型结构图；

图3是本发明中悬架解耦控制器构造方法图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

要实现悬架振动能量的有效回收和悬架的振动性能的优良控制，构造三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器，其原理框图如图1所示，其具体步骤如下：

(1)构建第一层控制器（规划级）

根据路面及车辆各种传感器信息，结合图2给出的整车结构模型图，对车辆运动姿态进行判断，并结合整车主动馈能悬架协调控制逻辑，对各控制子系统进行整体协调和决策规划。

(2)构建第二层控制器（协调级）

①悬架解耦控制器构造方法，如图3所示，悬架解耦控制器采用支持向量机加4个线性环节的构成支持向量机逆的方法将整车悬架这一非线性系统解耦成垂向运动、侧倾运动和俯仰运动三个线性子系统，并分别设计线性控制器，组成伪线性系统；三个线性控制器计算出所需的控制作用力，加权之后作为执行级直线电机的给定输入。支持向量机采用的内积核函数为高斯核函数，然后用具有7个输入节点、3个输出节点的支持向量机加4个线性环节构成具有3输入、3输出的支持向量机逆，见图3中的虚线框内所示，其中：支持向量机逆的第一个输入

作为支持向量机的第一个输入，其经第一个积分环节

得到

并作为支持向量机的第二个输入，再经过一个积分器得到

作为第三个输入；支持向量机逆的第二个输入作为支持向量机的第四个输入，再经第二个积分环节

得到作为支持向量机的第五个输入；支持向量机逆的第三个输入

作为支持向量机的第六个输入，再经第三个积分环节

得到

并作为支持向量机的第七个输入，支持向量机的三个输出分别为悬架控制力

、侧倾力矩

、俯仰力矩，组成悬架期望控制量

作为支持向量机逆的输出。

②能量管理控制器发电/电动模式识别

通过判断悬架速度与电磁力乘积的正负进行发电/电动模式的识别，即：

当

时，直线电机为电动机模式，直流电源向直线作动器供电，产生的电磁力抑制悬架振动。

当

时，直线电机为发电机模式，直线电机向超级电容充点，当电容容量达到设定值时，电容对蓄电池充电，这样可以减少对电池的充电次数，延长电池使用寿命。

分别为四个直线电机作动器的主动力。

③三级阻尼可调控制器三档阻尼值的确定：

在主动悬架工作时，直线电机作动器在时间t内做的功为

可调阻尼器克服悬架振动做功，并以热量的形式消耗掉，阻尼器做功为

由上式可知，悬架速度一定时，阻尼器做的功

与阻尼系数

成正比。

在一定工况及行驶条件下，悬架上下振动的机械能是一定的，由能量守恒定律可知，悬架振动的机械能等于作动器与阻尼器做功之和，即

=

+

=+

由上式可以看出，阻尼系数增大时，当电动模式时，减少了作动器所消耗的电能，阻尼器的存在对减少能耗是有利的；当发电模式时，减少了作动器反馈的电能，因此，阻尼器的存在同时对能量的回收又是不利的。因此要确定一个合适的阻尼值以保证作动器馈能量大于耗能量，优化悬架馈能特性。

根据悬架系统要求减振器阻尼状态的一般规则：

低速（40公里/小时以下）选择舒适（软）得到好的平顺性；

中速（40-100公里/小时）选择正常（中）兼顾平顺性与操纵稳定性；

高速（100公里/小时以上）选择运动（硬）改善操纵稳定性。

根据不同工况下主动馈能悬架系统的阻尼控制要求，分析系统的馈能特性和减振特性，确定系统的工作模式。

当车辆以低速行驶在较差的路面上，为了提高车辆的行驶平顺性，避免承受过大的冲击载荷，同时保证主动馈能悬架作动器馈能量大于耗能量，要求阻尼力保持在一定的限度内，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为

，进入减振器阻尼“软”模式；

当车辆以中速行驶在较好的路面上，为了提高这种工况下的悬架综合性能，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为，进入减振器阻尼“中”模式；

当车辆以高速行驶在很好的路面上，为了保证操纵稳定性和乘坐舒适性，迅速减振，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为

，进入减振器阻尼“硬”模式。

(2)构建底层控制器（执行级）：执行阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器的控制任务。

本发明利用智能递阶控制策略，把整车主动馈能悬架控制系统（悬架解耦控制器、能量管理控制器、阻尼切换控制器）分为规划级、协调级和执行级三层控制关系。规划级主要根据路面及车辆各种传感器信息，对车辆运动姿态进行判断，并结合整车主动馈能悬架协调控制逻辑，对各控制子系统进行整体协调和决策规划；协调级接受上层指令，并参考执行级反馈信息特征，从全系统的整体目标考虑，对各控制子系统进行整体协调分析和控制决策；执行级主要执行三个子系统的控制任务。这种结构可以避免集中控制结构的缺点，可提高系统可靠性。仿真结果表明，采用分层式协调控制策略对整车主动馈能悬架进行控制，可以实现整车悬架良好的综合性能。本发明通过构造分层控制系统，将整车主动馈能悬架系统这一复杂系统线，再通过合理的设计分层控制器，可获得良好的综合控制效果。 

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器，其特征在于：包括整车主动悬架系统和由规划级控制器、协调级控制器、执行级控制器组成的三级分层控制器，所述协调级控制器包括协调控制器和由阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器组成的三个控制子系统，所述执行级控制器包括直线电机和三级可调阻尼器；

所述整车主动悬架系统与规划级控制器的输入端相连接，将车辆行驶信息以及执行级控制器中直线电机和三级可调阻尼器的反馈信息通过传感器传送至作为上层控制器的规划级控制器；

作为上层控制器的规划级控制器的输入端与整车主动悬架系统相连接，输出端与协调级控制器中协调控制器的输入端相连接，规划级控制器根据路面及车辆各种传感器信息，对车辆运动姿态进行判断，并结合整车主动悬架系统协调控制逻辑，对阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器进行整体协调和决策规划；

作为第二层控制器的协调级控制器中的协调控制器的输入端与规划级控制器的输出端相连接，协调控制器的输出端分别与阻尼切换调节器、悬架解耦控制器、能量管理控制器的输入端相连接，悬架解耦控制器、能量管理控制器的输出端都连接至直线电机，阻尼切换调节器的输出端连接至三级可调阻尼器，协调级控制器接受规划级控制器的指令，并参考执行级控制器的反馈信息特征，从全系统的整体目标考虑，对阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器进行整体协调分析和控制决策；

作为底层控制器的执行级控制器用于执行阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器的控制任务，其中，直线电机的输入端分别与悬架解耦控制器和能量管理控制器的输出端相连，执行悬架解耦控制器和能量管理控制器的控制任务，三级可调阻尼器的输入端与阻尼切换调节器的输出端相连，执行阻尼切换调节器的控制任务，同时，执行级控制器分别将直线电机的电磁力信息和三级可调阻尼器的阻尼系数信息反馈给整车主动悬架系统。

2.根据权利要求1所述的三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器，其特征在于：所述协调级控制器中的协调控制器根据上层规划级控制器运动姿态指令和下层执行级控制器反馈信息实时改变控制量，协调阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器之间的关系，优化车辆综合性能，并给下层执行级控制器发送具体执行信号。

3.根据权利要求1所述的三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器，其特征在于：所述协调级控制器中的悬架解耦控制器利用支持向量机逆的方法将整车悬架这一非线性系统解耦成垂向运动、侧倾运动和俯仰运动三个线性子系统，并分别设计线性控制器，组成伪线性系统；三个线性控制器计算出所需的控制作用力，加权之后作为执行级控制器中直线电机的给定输入。

4.根据权利要求1所述的三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器，其特征在于：所述协调级控制器中的阻尼切换控制器根据上层控制器输入的车身运动信号对三级可调阻尼器进行模式切换，考虑不同工况下对主动馈能悬架的不同性能要求以选择最合适的阻尼值。

5.根据权利要求1所述的三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器，其特征在于：所述协调级控制器中的能量管理控制器根据悬架控制力与悬架振动速度的方向，控制直线电机的电动及发电模式，从而对直线电机的能量进行管理，即当悬架速度与电磁推力同向时，直线电机为电动机模式，电源给直线电机作动器供电，作动器做功消耗能量；当悬架速度与电磁推力反向时，直线电机为发电机模式，产生电能并给蓄电池充电。

6.三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器的构造方法，具体包括如下步骤：

（1）构建作为上层控制器的规划级控制器：根据路面及车辆各种传感器信息，对车辆运动姿态进行判断，并结合整车主动馈能悬架协调控制逻辑，对各控制子系统进行整体协调和决策规划；

（2）构建作为第二层控制器的协调级控制器：接受上层指令，并参考执行级反馈信息特征，从全系统的整体目标考虑，对阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器进行整体协调分析和控制决策；

（3）构建作为底层控制器的执行级控制器：执行阻尼切换调节器、悬架解耦控制器和能量管理控制器的控制任务。

7.根据权利要求6所述的三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器的构造方法，其特征在于：所述悬架解耦控制器的构造方法为：悬架解耦控制器采用支持向量机加4个线性环节的构成支持向量机逆的方法将整车悬架这一非线性系统解耦成垂向运动、侧倾运动和俯仰运动三个线性子系统，并分别设计线性控制器，组成伪线性系统；三个线性控制器计算出所需的控制作用力，加权之后作为执行级直线电机的给定输入。

8.根据权利要求6所述的三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器的构造方法，其特征在于：所述能量管理控制器通过判断悬架速度与电磁力乘积的正负进行发电/电动模式的识别，即：

当悬架速度与电磁推力同向时，直线电机为电动机模式，直流电源向直线作动器供电，产生的电磁力抑制悬架振动；

当悬架速度与电磁推力反向时，直线电机为发电机模式，直线电机向超级电容充点，当电容容量达到设定值时，电容对蓄电池充电，这样可以减少对电池的充电次数，延长电池使用寿命。

9.根据权利要求6所述的三级阻尼可调的主动馈能悬架分层控制器的构造方法，其特征在于：所述阻尼切换调节器设置三档阻尼值，根据不同工况下主动馈能悬架系统的阻尼控制要求，分析系统的馈能特性和减振特性，确定系统的工作模式，即： 

当车辆以低速行驶在较差的路面上，为了提高车辆的行驶平顺性，避免承受过大的冲击载荷，同时保证主动馈能悬架作动器馈能量大于耗能量，要求阻尼力保持在一定的限度内，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为                                                

，进入减振器阻尼“软”模式；

当车辆以中速行驶在较好的路面上，为了提高这种工况下的悬架综合性能，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为

，进入减振器阻尼“中”模式；

当车辆以高速行驶在很好的路面上，为了保证操纵稳定性和乘坐舒适性，迅速减振，仿真得出此时的可调阻尼减震器的阻尼值为

，进入减振器阻尼“硬”模式。

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