CN105539052A

CN105539052A - 一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器

Info

Publication number: CN105539052A
Application number: CN201610087234.3A
Authority: CN
Inventors: 张海龙; 王恩荣; 刘剑; 颜伟; 汤强; 余劲
Original assignee: Nanjing Normal University
Current assignee: Nanjing Normal University
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2016-05-04
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: CN105539052B

Abstract

本发明公开了一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器，适用于各种阻尼可调的车辆空气、油气、电磁主动悬架以及磁流变半主动悬架。其中，以车辆平稳行驶在平滑路面上的车身簧载质量为理想参考状态，根据被控悬架系统实际簧载质量运动状态与理想参考状态之间的动力学误差实现渐进稳定的滑模控制，滑模面采用所述动力学误差的积分项、比例项与微分项的组合，该滑模控制器能够理想地改善车辆垂直运动悬架性能，结构简单、实时性高，易于工程实现。

Description

一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器

技术领域

本发明涉及汽车减振控制技术领域，尤其涉及一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器。

背景技术

悬架系统是确保车辆驾乘舒适性与操控稳定性的关键系统，可分为被动悬架、半主动悬架与主动悬架三类。其中，传统的被动悬架系统不能同时兼顾舒适性与操控性，因此，基于可变阻尼或者可变刚度执行装置的半主动悬架和主动悬架成为近十年来国内外学者及技术人员的热点研究方向。

基于线性最优控制的全液压主动悬架系统及空气悬架系统技术成熟，控制性能良好已获得商业应用，然而其造价高、结构复杂维修成本高，限制了其进一步应用普及；基于天棚半主动控制的磁流变半主动悬架系统，结构简单、控制效果良好，获得了部分商业应用，然而开关控制将引起系统非线性动力学问题，并且难以获得类似全主动悬架系统的综合悬架性能。进一步发展起来的最优控制、模糊控制、自适应控制等现代控制方法在理论上能够有效应用于车辆可控悬架系统，但此类方法多存在设计假设条件多、需求参数多及计算实时性差等特点，与实际控制存在较大差异，绝大多数目前只停留在仿真计算或者实验室试验阶段，距离实车应用还有很大距离，例如中国发明专利(ZL201010144138.0)提出的磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法，其采用的参考模型为理想的天棚控制的半主动悬架系统，同时假设路面输入激励近似等于非簧载质量运动状态，追踪过程需要经过较复杂的计算过程，导致控制实时性不高，控制器所需反馈状态包括多组位移、速度、加速度信号，实际应用时信号误差易导致控制失效。

发明内容

基于2011年、2015年国家自然科学基金资助项目：磁流变整车悬架系统半主动解耦控制研究、磁流变悬架系统电磁干扰机理与抑制方法研究(51075215，51475246)，本发明提出了一种基于比例积分微分的可控悬架系统滑模控制算法，目的在于：提出一种针对“四分之一”可控悬架系统的理想输出阻尼力计算方法，从而实现半主动悬架、主动悬架系统的同时满足驾乘舒适性与操控稳定性综合悬架性能，并且有效抑制由于可控执行机构固有非线性导致的系统混沌运动。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器，其设计步骤如下：

第一步，滑模面设计：

滑模面由悬架实际簧载质量位移与理想簧载质量位移的动力学误差实现：

s = K_{0} &Integral; (x_{s} - x_{d}) + K_{1} (x_{s} - x_{d}) + K_{2} ({\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{d})

其中s表示滑模面，K₀表示滑模面积分项系数，用于消除动力学误差项，通常取值为1-10；K₁为滑模面比例项系数，用于放大动力学误差项，通常取值为1-5；K₂为滑模面微分项系数，用于提高动力学误差追踪响应速度，通常取值为1-30；x_s表示簧载质量位移，x_d表示簧载质量理想位移；

第二步，根据滑模面s计算得到理想输出阻尼力：

{\hat{F}}_{d} = - m_{s} K_{0} (x_{s} - x_{d}) - m_{s} K_{1} ({\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{d}) + k_{s} (x_{s} - x_{u}) + m_{s} {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{d}

其中表示理想输出阻尼力，m_s表示簧载质量；

第三步，根据渐进稳定的滑模控制方法，计算得到实际输出阻尼力：

F_{d} = {\hat{F}}_{d} - m_{s} λ s i g n (s)

其中λ为正常数，表示车辆实际载荷变化系数，通常取值为1.5，sign()表示符号函数。

将车辆平稳行驶在平滑路面上的簧载质量运动状态作为理想簧载质量位移，即车身垂直静止：

x_d＝m_sg/k_s+(m_s+m_u)g/k_t

{\overset{\cdot}{x}}_{d} = 0

{\overset{\cdot\cdot}{x}}_{d} = 0

其中，m_u表示非簧载质量，k_s表示悬架系统弹簧刚度系数，k_t表示轮胎等效刚度系数，g表示重力加速度。

本发明的关键在于：理想运动状态采用简单的簧载质量垂直静止为平衡状态，从而简化设计复杂度；滑模面设计为簧载质量实际运动状态与理想运动状态间的误差进行比例项、积分项、微分项计算，较传统滑模控制器，从而提高了追踪性能。此外，本发明提出的控制器易于工程实现、控制方法简单、所需传感器少、计算量小、实时性高，能够有效地简化车辆可控悬架系统控制器设计的复杂性、提高控制实时性，该发明易于投入实际应用，适用于各种阻尼可调的车辆空气、油气、电磁主动悬架以及磁流变半主动悬架。

附图说明

图1是“四分之一”车辆可控悬架系统结构与控制原理示意图,其中：1为车身簧载质量；2为底盘非簧载质量；3为可控悬架系统控制器；4为可控悬架系统可控阻尼器；5为车辆轮胎。

图2是“四分之一”磁流变悬架系统动力学模型。

图3是本发明滑模控制下的半车悬架系统与传统的被动悬架系统在单频谐波激励下的性能比较：(a)是簧载质量加速度比较；(b)是非簧载质量加速度比较；(c)是悬架动行程比较；(d)是轮胎动态力比较。

图4是本发明滑模控制下的半车悬架系统与传统的被动悬架系统在平滑脉冲下的性能比较：(a)是簧载质量加速度比较；(b)是非簧载质量加速度比较；(c)是悬架动行程比较；(d)是轮胎动态力比较。

具体实施方式

本发明提出的滑模控制器设计步骤如下：

第一步，滑模面设计。通过使被控悬架系统的簧载质量m_s跟踪其本身的理想运动状态来实现，渐进稳定的滑动模态由簧载质量实际运动状态与理想运动状态间的误差的比例项、积分项、微分项计算产生。滑模面定义为：

s = K_{0} &Integral; (x_{s} - x_{d}) + K_{1} (x_{s} - x_{d}) + K_{2} ({\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{d}) - - - (1)

其中s表示滑模面，K₀表示滑模面积分项系数，K₁为滑模面比例项系数，K₂为滑模面微分项系数，x_s表示实际簧载质量位移，x_d表示理想簧载质量位移。

第二步，理想输出阻尼力计算。如图2所示，“四分之一”悬架系统动力学方程为：

{\begin{matrix} m_{s} {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{s} = - k_{s} (x_{s} - x_{u}) + F_{d} \\ m_{u} {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{u} = - k_{t} (x_{u} - x_{i}) - c_{t} ({\overset{\cdot}{x}}_{u} - {\overset{\cdot}{x}}_{i}) + k_{s} (x_{s} - x_{u}) - F_{d} \end{matrix} - - - (2)

根据滑模面可达条件得到：

K_{0} (x_{s} - x_{d}) + K_{1} ({\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{d}) + ({\overset{\cdot\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{d}) = 0 - - - (3)

结合式(2)计算得到：

{\hat{F}}_{d} = - m_{s} K_{0} (x_{s} - x_{d}) - m_{s} K_{1} ({\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{d}) + k_{s} (x_{s} - x_{u}) + m_{s} {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{d} - - - (4)

其中表示理想输出阻尼力。

第三步，渐进稳定的滑模控制率设计：

F_{d} = {\hat{F}}_{d} - m_{s} λ s i g n (s) - - - (5)

其中λ为正常数，表示车辆实际载荷变化系数，通常取值为1.5。

第四步，理想簧载质量运动状态确定。簧载质量理想运动状态为稳定行驶在平滑路面时的稳定状态，即车身垂直静止：

x_d＝m_sg/k_s+(m_s+m_u)g/k_t(6)

{\overset{\cdot}{x}}_{d} = 0 - - - (7)

{\overset{\cdot\cdot}{x}}_{d} = 0 - - - (8)

第五步，控制器稳定性证明。

定义李雅普诺夫函数则代入式(1)得：

\overset{\cdot}{V} = K_{0} (x_{s} - x_{d}) + K_{1} ({\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{d}) + ({\overset{\cdot\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{d}) - \frac{1}{m_{s}} (k_{s} (x_{s} - x_{u}) - F_{d}) s - - - (9)

代入式(4)、(5)整理得到：

\overset{\cdot}{V} = - λ s i g n (s) s - - - (10)

显然系统渐进稳定。

本发明的具体控制过程为：车辆运行过程中，传感器将采集到的簧载质量位移信号、加速度信号传送给电控单元，电控单元根据本发明提出的控制算法计算后向驱动模块发出控制信号，驱动模块向执行器发出相对应的驱动信号，由执行器向车辆提供相应的阻尼力，最终实现悬架系统的主动或半主动控制。

实施例：

以本发明在磁流变半主动悬架系统应用为例说明具体实施方式，如图2所示，为“四分之一”车辆磁流变半主动悬架系统模型。这里，假设车身簧载质量为m_s,非簧载质量为m_u，k_s表示悬架系统的刚度系数，F_MRD表示磁流变阻尼器输出可控阻尼力，k_t、c_t分别表示轮胎的刚度系数和阻尼系数,x_s、x_u、x_i分别表示悬架系统的簧载质量垂直运动位移、非簧载质量垂直运动位移和轮胎承受的路面激励信号。

下面以质心为参考坐标，列写系统动力学方程：

{\begin{matrix} m_{s} {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{s} = - k_{s} (x_{s} - x_{u}) + F_{M R D} \\ m_{u} {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{u} = - k_{t} (x_{u} - x_{i}) - c_{t} ({\overset{\cdot}{x}}_{u} - {\overset{\cdot}{x}}_{i}) + k_{s} (x_{s} - x_{u}) - F_{M R D} \end{matrix} - - - (11)

其中，磁流变阻尼器输出可控阻尼力采用修正的Boucwen计算模型

F_{M R D} = c (i_{d}) F_{h} (x_{s} - x_{u}, {\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{u}) - - - (12)

其中c(i_d)为基于Sigmoid函数的电流调制函数，为Boucwen滞回函数，结合公式(12)，计算得到磁流变阻尼器半主动驱动电流为

i_{d} = c^{- 1} (\frac{F_{d}}{F_{h} (x_{s} - x_{u}, {\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{u})}) - - - (13)

其中，i_d表示驱动电流，c^-1()表示电流调制函数逆函数。

为验证本发明提出的以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器的有效性，在Matlab/Simulink环境下建立了上述滑模追踪控制下的磁流变半主动悬架系统动力学模型和磁流变被动悬架系统的动力学模型，通过系统仿真试验来验证所提出控制器的有效性。

图3、图4分别示出了在单频谐波、平滑脉冲输入激励下，关于提出的以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制下的磁流变半主动悬架系统与磁流变被动悬架系统的时域响应比较，磁流变被动悬架系统为磁流变阻尼器工作在最大电流下，选择的评价指标为：簧载质量加速度和非簧载质量加速度悬架动行程x_r、轮胎动态力F_t。

通过系统响应比较分析得知：

本发明提出的以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制下的磁流变半主动悬架系统对车辆的簧载质量垂直振动实施有效控制，其振动加速度明显降低，改善了驾乘舒适性；控制下的悬架动行程较传统被动悬架有了大幅降低，同时，控制下的悬架系统轮胎动态力减小，改善了轮胎工况，延长了轮胎使用寿命；非簧载质量位移加速度较被动悬架系统有小幅增加。

综上可知，本发明提出的以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器能够有效地提高磁流变半主动悬架系统的综合悬架性能，结构简单、具有广泛的应用前景。

本发明的优点：

1、本发明的创新特色体现在，以车辆平稳运行在平滑路面上的簧载质量静止状态为参考，状态信号包括静态离地高度以及簧载质量垂直加速度，实际应用中能够方便准确获得(如：可以采用传感器测量簧载质量中心位置离地高度，以实现载荷变化下的有效控制)，可极大地简化车辆半主动悬架系统控制器设计的复杂性和提高可控悬架控制系统的实时性，方便投入实际工程应用。

2、本发明提出的可控悬架系统滑模控制算法，由于实时追踪理想运动状态，从而能够一定程度有效抑制了由于磁流变阻尼器滞回特性引起的悬架系统非线性振动。

3、本发明提出的方法，可以应用到如乘用车、摩托车等机动车辆的减振控制，也可以推广应用到如精密车床加工、建筑设计等结构振动控制。

Claims

1.一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器，其特征在于，该控制器的设计步骤如下：

第一步，滑模面设计：

s = K_{0} &Integral; (x_{s} - x_{d}) + K_{1} (x_{s} - x_{d}) + K_{2} ({\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{d})

其中s表示滑模面，K₀表示滑模面积分项系数，K₁为滑模面比例项系数，K₂为滑模面微分项系数，x_s表示实际簧载质量位移，x_d表示理想簧载质量位移；

第二步，根据滑模面s计算得到理想输出阻尼力：

{\hat{F}}_{d} = - m_{s} K_{0} (x_{s} - x_{d}) - m_{s} K_{1} ({\overset{\cdot}{x}}_{s} - {\overset{\cdot}{x}}_{d}) + k_{s} (x_{s} - x_{u}) + m_{s} {\overset{\cdot\cdot}{x}}_{d}

其中表示理想输出阻尼力，m_s表示簧载质量；

F_{d} = {\hat{F}}_{d} - m_{s} λ s i g n (s)

其中λ为正常数，表示车辆实际载荷变化系数，sign()表示符号函数。

2.根据权利要求1所述的一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器，其特征在于，将车辆平稳行驶在平滑路面上的簧载质量运动状态作为理想簧载质量位移，即车身垂直静止：

x_d＝m_sg/k_s+(m_s+m_u)g/k_t

{\overset{\cdot}{x}}_{d} = 0

{\overset{\cdot\cdot}{x}}_{d} = 0

3.根据权利要求1或2所述的一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器，其特征在于，系数K₀的取值为1-10；系数K₁的取值为1-5；系数K₂的取值为1-30。

4.根据权利要求1或2所述的一种以车辆平稳状态为参考的可控悬架滑模追踪控制器，其特征在于，λ的取值为1.5。