CN104553660A - 一种自适应主动悬架的控制方法及控制装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种自适应主动悬架的控制方法及控制装置,其中,该方法包括:建立N个线性主动悬架子系统模型,其中,所述N为正整数;获取所述N个主动悬架子系统模型对应的N个状态反馈控制器模型;获取所述N个状态反馈控制器模型的输出误差指标;根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型,以使得所述状态反馈控制器模型控制主动悬架系统的执行机构。本发明的方案解决了主动悬架控制中存在的执行机构的非线性问题。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域,特别是涉及一种自适应主动悬架的控制方法及控制装置。
背景技术
汽车的悬架装置为汽车车体和车轮之间的弹性支承,主要由弹簧、减振器和导向机构三部分组成,用来向车身传递地面给车轮的各种力及产生的力矩,以及降低由于路面颠簸产生的振动,提高舒适性。悬架性能主要通过汽车行驶的平顺性和操作稳定性来衡量,目前传统汽车一般采用被动悬架,悬架刚度和阻尼系数是固定的,但是这样会带来行驶平顺性和操纵稳定性之间的矛盾。如果悬架刚性较大,则路面颠簸感明显,舒适性下降;悬架刚性较小,则使得操纵稳定性变差。主动悬架是在被动悬架系统中附加控制阻尼作用力的装置,由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成,由执行机构取代了被动悬架的弹簧和减振器,可以针对不同的路面激励进行控制。
主动悬架一般采用最优控制算法,将悬架系统考虑为线性时不变模型,以车体速度均方值作为评价指标,通过求解优化问题获得使车体速度均方值达到最小的最优控制规律。由于执行机构存在一定的非线性特性,因此单一的线性时不变模型不可避免的会带来建模误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种自适应主动悬架的控制方法及控制装置,能够解决目前单一的线性时不变模型带来建模误差,不能解决主动悬架控制中存在的执行机构的非线性问题的问题。
为了解决上述技术问题,本发明的实施例提供一种自适应主动悬架的控制方法,其中,包括:
建立N个线性主动悬架子系统模型,其中,所述N为正整数;
获取所述N个主动悬架子系统模型对应的N个状态反馈控制器模型;
获取所述N个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型,以使得所述状态反馈控制器模型控制主动悬架系统的执行机构。
其中,建立线性主动悬架子系统模型的步骤包括:
步骤a,根据牛顿第二定律,获取主动悬架子系统模型的动态方程 其中,m1为1/4车身质量;m2为单个轮胎质量;z0为由于路面不平导致的单个轮胎与地面接触部分沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z1为由于路面不平导致的位于单个轮胎与车身之间的弹簧沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z2为由于路面不平导致的车身沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z3为由于路面不平导致的单个轮胎沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z4为由于路面不平导致的单个轮胎和与地面接触部分相对的上部位移;k0为轮胎刚度;U为主动悬架系统执行机构的控制力,α为控制力比例系数;
步骤b,定义状态变量x1=z1,x3=z3,v=z0,则上述动态方程表示为 获取主动悬架子系统的模型为 其中,
其中,获取主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型的步骤包括:
步骤c,构建一目标函数其中,Q,R为加权矩阵或者单位矩阵;Ui=-Kix,Ui为第i个主动悬架子系统模型执行机构的控制力,Ki为所述控制力的最优状态反馈控制矩阵,i=1,2…N;
步骤d,在使得目标函数J的值为最小值的条件下,根据李卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0,获取矩阵P,并根据所述获取的矩阵P,获取最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP;
步骤e,根据所述最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP,获取第i个主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型。
其中,获取所述状态反馈控制器模型的输出误差指标的步骤包括:
步骤f,获取实际车身上下振动速度以及第i主动悬架子系统模型预测到的车身振动速度;
步骤g,根据所述实际车身上下振动速度以及所述预测到的车身振动速度,获取第i个主动悬架子系统模型的状态反馈控制器模型的输出误差指标。
其中,所述根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型的步骤包括:
获取每个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
选择输出误差指标最小的状态反馈控制器模型。
为了解决上述技术问题,本发明的实施例还提供一种自适应主动悬架的控制装置,其中,包括:
建立模块,用于建立N个线性主动悬架子系统模型;其中,所述N为正整数;
第一获取模块,用于获取所述N个主动悬架子系统模型对应的N个状态反馈控制器模型;
第二获取模块,用于获取所述N个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
选择模块,用于根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型,以使得所述状态反馈控制器模型控制主动悬架系统的执行机构。
其中,所述建立模块包括:
第一获取单元,用于根据牛顿第二定律,获取主动悬架子系统的动态方程 其中,m1为1/4车身质量;m2为单个轮胎质量;z0为由于路面不平导致的单个轮胎与地面接触部分沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z1为由于路面不平导致的位于单个轮胎与车身之间的弹簧沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z2为由于路面不平导致的车身沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z3为由于路面不平导致的单个轮胎沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z4为由于路面不平导致的单个轮胎和与地面接触部分相对的上部位移;k0为轮胎刚度;U为主动悬架系统执行机构的控制力,α为控制力比例系数;
第二获取单元,用于定义状态变量x1=z1,x3=z3,v=z0,则上述动态方程表示为 获取主动悬架子系统的模型为 其中,
其中,所述第一获取模块包括:
构建单元,用于构建一目标函数其中,Q,R为加权矩阵或者单位矩阵;Ui=-Kix,Ui为第i个主动悬架系统执行机构的控制力,Ki为最优反馈矩阵,i=1,2…N;
第三获取单元,用于在使得目标函数J的值最小值的条件下,根据李卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0,获取矩阵P,并根据所述获取的矩阵P,获取最优反馈矩阵Ki=R-1BTP;
第四获取单元,用于根据所述最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP,获取第i个主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型。
其中,所述第二获取模块包括:
第五获取单元,用于获取实际车身上下振动速度以及第i主动悬架系统子模型预测到的车身振动速度;
第六获取单元,用于根据所述实际车身上下振动速度以及所述预测到的车身振动速度,获取第i个主动悬架系统的状态反馈控制器的输出误差指标。
其中,所述选择模块包括:
第七获取单元,用于获取每个状态反馈控制器的输出误差指标;
选择单元,用于选择输出误差指标最小的状态反馈控制器。
本发明的有益效果为:
本发明的方案通过将自适应主动悬架系统划分为多个线性自适应主动悬架子系统模型,并计算每个主动悬架子系统模型的状态反馈控制器模型,然后获取每个状态反馈控制器模型的输出误差指标,然后根据状态反馈控制器模型的输出误差指标选择当前状态反馈控制器模型,去控制主动悬架系统模型的执行机构。通过多个线性子系统模型的切换逼近实际的非线性模型,解决了自适应主动独立悬架控制中存在的执行机构的非线性问题。
附图说明
图1表示本发明的自适应主动悬架的控制方法流程示意图;
图2表示本发明的具体实施例中的主动悬架子系统模型结构示意图;
图3表示本发明的自适应主动悬架的控制装置结构示意图;
图4表示本发明的自适应主动悬架的控制装置中的建立模块结构示意图;
图5表示本发明的自适应主动悬架的控制装置中的第一获取模块结构示意图;
图6表示本发明的自适应主动悬架的控制装置中第二获取模块结构示意图;
图7表示本发明的自适应主动悬架的控制装置中选择模块结构示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示,本发明的自适应主动悬架的控制方法,包括如下步骤:
步骤11,建立N个线性主动悬架子系统模型,其中,所述N为正整数;
步骤12,获取所述N个主动悬架子系统模型对应的N个状态反馈控制器模型;
步骤13,获取所述N个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
步骤14,根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型,以使得所述状态反馈控制器模型控制对应的主动悬架子系统模型的执行机构。
下面结合图2上述步骤11至步骤14作详细描述。
(一)步骤11,建立N个线性主动悬架子系统模型,其中,所述N为正整数。
该步骤11的具体步骤,包括:
步骤a,根据牛顿第二定律,获取主动悬架子系统模型的动态方程 其中,m1为1/4车身质量;m2为单个轮胎质量;z0为由于路面不平导致的单个轮胎与地面接触部分沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z1为由于路面不平导致的位于单个轮胎与车身之间的弹簧沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z2为由于路面不平导致的车身沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z3为由于路面不平导致的单个轮胎沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z4为由于路面不平导致的单个轮胎和与地面接触部分相对的上部位移;k0为轮胎刚度;U为主动悬架系统执行机构的控制力,α为控制力比例系数;
步骤b,定义状态变量x1=z1,x3=z3,v=z0,则上述动态方程表示为 获取主动悬架子系统的模型为 其中,
下面对步骤a至步骤b做详细说明:
考虑执行机构的非线性特性,将执行机构的控制过程划分为N(N为正整数,在本发明的具体实施例中,N的值大于或者等于2)个分段线性区域,每个分段线性区域的控制力不同,即每个分段线性区域具有不同的控制力比例系数,在此基础上,分别对应每个分段线性区域建立一个主动悬架子系统模型,模型建立的具体步骤为:
根据牛顿第二定律,获取每个主动悬架子系统模型的动态方程: 其中,m1为1/4车身质量;m2为单个轮胎质量;z0为由于路面不平导致的单个轮胎与地面接触部分沿空间坐标轴Z轴方向的位移(或称轮胎下部位移);z4为由于路面不平导致的单个轮胎和与地面接触部分相对的上部位移;z1为由于路面不平导致的位于单个轮胎与车身之间的弹簧沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z2为由于路面不平导致的车身沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z3为由于路面不平导致的单个轮胎沿空间坐标轴Z轴方向的变形量(也可以称作轮胎下部至上部的沿Z轴方向的直径的变化量);k0为轮胎刚度;U为主动悬架系统执行机构的控制力,α为控制力比例系数;选取z1,z3,为状态变量,令x1=z1,x3=z3,v=z0,则上述动态方程整理为
对于每段的α不同取值(α1,α2…αN),对应一个线性时不变模型,简记为
(二)步骤12,获取所述N个主动悬架子系统模型对应的N个状态反馈控制器模型。
上述步骤12的具体步骤如下:
步骤c,构建一目标函数其中,Q,R为加权矩阵或者单位矩阵;Ui=-Kix,Ui为第i个主动悬架子系统模型执行机构的控制力,Ki为所述控制力的最优状态反馈控制矩阵,i=1,2…N;
步骤d,在使得目标函数J的值为最小值的条件下,根据李卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0,获取矩阵P,并根据所述获取的矩阵P,获取最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP;
步骤e,根据所述最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP,获取第i个主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型。
下面对上述步骤c至步骤e做详细说明:
将执行机构考虑为N个分段线性区域,不同线性区域表现为不同的比例系数α,在每段线性区域内认为控制规律是线性的,其中,第i段线性区域的控制力可表示为Ui=-Kix(i=1,2…N),式中Ki=[ki1 ki2 ki3 ki4],称为最优反馈矩阵。为了更好地选好各增益参数(ki1,ki2,ki3,ki4),应采用最优控制理论来计算。
首先构造一目标函数其中,Q,R为加权矩阵或者单位矩阵;Ui=-Kix,Ui为第i个主动悬架子系统模型执行机构的控制力,Ki为所述控制力的最优状态反馈控制矩阵,i=1,2…N;
然后,在使得目标函数J的值为最小值的条件下,根据李卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0,获取矩阵P,并根据所述获取的矩阵P,获取最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP;
最后,根据所述最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP,获取第i个主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型。由于每段线性区域比例系数α取值不同,便可求得不同的局部线性时不变模型的状态反馈控制器模型。
(三)步骤13,获取所述N个状态反馈控制器模型的输出误差指标。
上述步骤13的具体步骤包括:
步骤f,获取实际车身上下振动速度以及第i主动悬架子系统模型预测到的车身振动速度;
步骤g,根据所述实际车身上下振动速度以及所述预测到的车身振动速度,获取第i个主动悬架子系统模型的状态反馈控制器模型的输出误差指标。
下面对上述步骤f至步骤g做详细说明:
定义每个模型的误差指标为 其中输出误差ei(t)为t时刻理论输出与实际输出的差:ei(t)=y'(t)-yi(t);t为离散值,y'(t)是t时刻在线量测的实际对象输出,即实际测得的车身上下振动速度,而yi(t)为各个模型在t时刻所产生(计算得到)的输出,即用悬架子系统模型进行预测得到的车身振动速度。
针对每个模型计算一个误差指标 β1和β2都是大于0小于1的正数,且二者之和为1,这两个参数的选择取决于选择当前控制器的时候,更看重历史的性能指标还是更看重当前的性能指标。
(四)步骤14,根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型,以使得所述状态反馈控制器模型控制对应的主动悬架子系统模型的执行机构。
上述步骤14的具体步骤包括:
(1)获取每个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
(2)选择输出误差指标最小的状态反馈控制器模型。
若主动悬架第i个模型对应的指标最小,则用第i个状态反馈控制器模型控制主动悬架系统的执行机构。
综上,本发明的方案通过将自适应主动悬架系统划分为多个线性自适应主动悬架子系统模型,并计算每个主动悬架子系统模型的状态反馈控制器模型,然后获取每个状态反馈控制器模型的输出误差指标,然后根据状态反馈控制器模型的输出误差指标选择当前状态反馈控制器模型,去控制主动悬架系统模型的执行机构。通过多个线性子系统模型的切换逼近实际的非线性模型,解决了自适应主动独立悬架控制中存在的执行机构的非线性问题。
如图3所示,本发明的实施例还提供一种自适应主动悬架的控制装置,其中,包括:
建立模块31,用于建立N个线性主动悬架子系统模型;其中,所述N为正整数;
第一获取模块32,用于获取所述N个主动悬架子系统模型对应的N个状态反馈控制器模型;
第二获取模块33,用于获取所述N个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
选择模块34,用于根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型,以使得所述状态反馈控制器模型控制主动悬架系统的执行机构。
其中,该建立模块31,如图4所示,包括:
第一获取单元41,用于根据牛顿第二定律,获取主动悬架子系统的动态方程 其中,m1为1/4车身质量;m2为单个轮胎质量;z0为由于路面不平导致的单个轮胎与地面接触部分沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z1为由于路面不平导致的位于单个轮胎与车身之间的弹簧沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z2为由于路面不平导致的车身沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z3为由于路面不平导致的单个轮胎沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z4为由于路面不平导致的单个轮胎和与地面接触部分相对的上部位移;k0为轮胎刚度;U为主动悬架系统执行机构的控制力,α为控制力比例系数;
第二获取单元42,用于定义状态变量x1=z1,x3=z3,v=z0,则上述动态方程表示为 取主动悬架子系统的模型为 其中,
其中,该第一获取模块32,如图5所示,包括:
构建单元51,用于构建一目标函数其中,Q,R为加权矩阵或者单位矩阵;Ui=-Kix,Ui为第i个主动悬架系统执行机构的控制力,Ki为最优反馈矩阵,i=1,2…N;
第三获取单元52,用于在使得目标函数J的值最小值的条件下,根据李卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0,获取矩阵P,并根据所述获取的矩阵P,获取最优反馈矩阵Ki=R-1BTP;
第四获取单元53,用于根据所述最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP,获取第i个主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型。
其中,该第二获取模块33,如图6所示,包括:
第五获取单元61,用于获取实际车身上下振动速度以及第i主动悬架系统子模型预测到的车身振动速度;
第六获取单元62,用于根据所述实际车身上下振动速度以及所述预测到的车身振动速度,获取第i个主动悬架系统的状态反馈控制器的输出误差指标。
其中,该选择模块34,如图7所示,包括:
第七获取单元71,用于获取每个状态反馈控制器的输出误差指标;
选择单元72,用于选择输出误差指标最小的状态反馈控制器。
需要说明的是,该控制装置是包括上述控制方法的装置,上述控制方法的实现方式适用于该控制装置的实施例中,也能达到相同的技术效果。
以上所述是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明所述原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种自适应主动悬架的控制方法,其特征在于,所述方法包括:
建立N个线性主动悬架子系统模型,其中,所述N为正整数;
获取所述N个主动悬架子系统模型对应的N个状态反馈控制器模型;
获取所述N个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型,以使得所述状态反馈控制器模型控制主动悬架系统的执行机构。
2.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,建立线性主动悬架子系统模型的步骤包括:
步骤a,根据牛顿第二定律,获取主动悬架子系统模型的动态方程 其中,m1为1/4车身质量;m2为单个轮胎质量;z0为由于路面不平导致的单个轮胎与地面接触部分沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z1为由于路面不平导致的位于单个轮胎与车身之间的弹簧沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z2为由于路面不平导致的车身沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z3为由于路面不平导致的单个轮胎沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z4为由于路面不平导致的单个轮胎和与地面接触部分相对的上部位移;k0为轮胎刚度;U为主动悬架系统执行机构的控制力,α为控制力比例系数;
步骤b,定义状态变量x1=z1,x3=z3,v=z0,则上述动态方程表示为 获取主动悬架子系统的模型为 其中,
3.根据权利要求2所述的控制方法,其特征在于,获取主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型的步骤包括:
步骤c,构建一目标函数其中,Q,R为加权矩阵或者单位矩阵;Ui=-Kix,Ui为第i个主动悬架子系统模型执行机构的控制力,Ki为所述控制力的最优状态反馈控制矩阵,i=1,2…N;
步骤d,在使得目标函数J的值为最小值的条件下,根据李卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0,获取矩阵P,并根据所述获取的矩阵P,获取最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP;
步骤e,根据所述最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP,获取第i个主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型。
4.根据权利要求1所述的控制方法,其特征在于,获取所述状态反馈控制器模型的输出误差指标的步骤包括:
步骤f,获取实际车身上下振动速度以及第i主动悬架子系统模型预测到的车身振动速度;
步骤g,根据所述实际车身上下振动速度以及所述预测到的车身振动速度,获取第i个主动悬架子系统模型的状态反馈控制器模型的输出误差指标。
5.根据权利要求4所述的控制方法,其特征在于,所述根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型的步骤包括:
获取每个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
选择输出误差指标最小的状态反馈控制器模型。
6.一种自适应主动悬架的控制装置,其特征在于,包括:
建立模块,用于建立N个线性主动悬架子系统模型,其中,所述N为正整数;
第一获取模块,用于获取所述N个主动悬架子系统模型对应的N个状态反馈控制器模型;
第二获取模块,用于获取所述N个状态反馈控制器模型的输出误差指标;
选择模块,用于根据所述输出误差指标,选择对应的状态反馈控制器模型,以使得所述状态反馈控制器模型控制主动悬架系统的执行机构。
7.根据权利要求6所述的控制装置,其特征在于,所述建立模块包括:
第一获取单元,用于根据牛顿第二定律,获取主动悬架子系统的动态方程 其中,m1为1/4车身质量;m2为单个轮胎质量;z0为由于路面不平导致的单个轮胎与地面接触部分沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z1为由于路面不平导致的位于单个轮胎与车身之间的弹簧沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z2为由于路面不平导致的车身沿空间坐标轴Z轴方向的位移;z3为由于路面不平导致的单个轮胎沿空间坐标轴Z轴方向的变形量;z4为由于路面不平导致的单个轮胎和与地面接触部分相对的上部位移;k0为轮胎刚度;U为主动悬架系统执行机构的控制力,α为控制力比例系数;
第二获取单元,用于定义状态变量x1=z1,x3=z3,v=z0,则上述动态方程表示为 获取主动悬架子系统的模型为 其中,
8.根据权利要求7所述的控制装置,其特征在于,所述第一获取模块包括:
构建单元,用于构建一目标函数其中,Q,R为加权矩阵或者单位矩阵;Ui=-Kix,Ui为第i个主动悬架系统执行机构的控制力,Ki为最优反馈矩阵,i=1,2…N;
第三获取单元,用于在使得目标函数J的值最小值的条件下,根据李卡提方程ATP+PA-PBR-1BTP+Q=0,获取矩阵P,并根据所述获取的矩阵P,获取最优反馈矩阵Ki=R-1BTP;
第四获取单元,用于根据所述最优状态反馈控制矩阵Ki=R-1BTP,获取第i个主动悬架子系统模型对应的状态反馈控制器模型。
9.根据权利要求6所述的控制装置,其特征在于,所述第二获取模块包括:
第五获取单元,用于获取实际车身上下振动速度以及第i主动悬架系统子模型预测到的车身振动速度;
第六获取单元,用于根据所述实际车身上下振动速度以及所述预测到的车身振动速度,获取第i个主动悬架系统的状态反馈控制器的输出误差指标。
10.根据权利要求9所述的控制装置,其特征在于,所述选择模块包括:
第七获取单元,用于获取每个状态反馈控制器的输出误差指标;
选择单元,用于选择输出误差指标最小的状态反馈控制器。
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