CN105573116B - 一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法。使用本发明的方法，能够在主动悬挂系统受自抗扰控制器的控制下，使坦克各负重轮上方车体垂直加速度和车体质心加速度等性能指标都符合指标要求。进而提高了驾驶员对坦克车辆的动力性、高度发挥车辆的机动性和灵活性，使主战坦克在战场上起到更大的作用。

Description

一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法

技术领域

本发明涉及坦克底盘主动悬挂系统控制领域，具体涉及一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法。

背景技术

坦克，现代陆上作战的主要武器，有“陆战之王”之美称，它是一种具有强大的直射火力、高度越野机动性和强大的装甲防护力的履带式装甲战斗车辆，主要执行与对方坦克或其他装甲车辆作战，也可以压制、消灭反坦克武器、摧毁工事和歼灭敌方有生力量。

坦克乘员的舒适性能很大程度上是由车辆悬挂系统所决定，来自车外的各种冲击和振动都是通过悬挂系统进行传递和衰减。从人体工程学的角度，最大行驶车速与其说是受动力性的限制，不如说是受乘坐舒适性的限制。如果采用先进的悬挂技术使得行驶平稳，那么驾驶员就能够充分利用车辆的动力性、高度发挥车辆的机动性和灵活性，使主战坦克在战场上起到更大的作用。

坦克悬挂系统按振动控制方式可分为主动悬挂与被动悬挂。被动悬挂系统是以弹簧起减缓冲击力的作用、减振器起衰减振动的作用，不需要外界能量辅助其工作，而是以暂时存储或耗散能量的方式工作。而主动悬挂系统安装了能够产生抽动的装置，能进行主动控制，是以外界控制力的方式来抑制路面对车身的冲击力和车身的倾斜力。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的 控制方法，能够实时对坦克在行进过程中所受到的冲击和振动进行控制。

一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法，包括：

步骤一、建立路面随机不平度时域模型；

步骤二、根据力学平衡原理，建立坦克底盘振动模型；

步骤三、选取状态变量，并基于步骤一和步骤二建立的模型，建立坦克底盘主动悬挂系统的状态方程；并且，根据坦克悬挂系统的性能指标要求，选定状态方程的输出变量；

步骤四、以坦克上的每个负重轮上方车体垂直振动位移作为控制输出，其中，所述每个负重轮上方车体垂直振动位移为：其中，z为车身质心位移；为车身角位移，l_i为第i个负重轮中心到车体中心的横向距离，ρ_i表示第i个负重轮上方车体的垂直振动位移；根据步骤三中获取的状态变量以及选定的状态方程的输出变量，代入中，获得x₁-l_ix₃，且令ζ_2i-1＝x₁-l_ix₃；其中，x₁、x₃分别为z和对应的状态变量；ζ_2i-1均表示第i个负重轮上方车体的垂直振动位移；将x₁-l_ix₃＝ζ_2i-1代入步骤三中建立的状态方程进行变形，并令获得积分串联型模型；所述的积分串联型模型的形式为和其中，D为步骤三中选取的状态变量的个数；d为坦克负重轮个数；ζ_2i为第i+1个负重轮上方车体的垂直振动位移，ζ_2i-1为第i个负重轮上方车体的垂直振动位移，表达式P(x₁,x₂...x_D)代表系统内部扰动和外部扰动的总和，称为总和扰动；表达式T(u₁,u₂...u_d)代表虚拟控制量，x₁,x₂,...,x_D分别代表各状态变量；u₁,u₂...u_d分别代表对应的负重轮上方的实际控制量；

步骤五、利用自抗扰控制器进行仿真，对步骤四中获得的积分串联型模型 进行自抗扰控制；在调节自抗扰控制器的观测器带宽和控制器带宽过程中，比较扰动估计值对各负重轮上方的总和扰动的跟踪情况，当达到理想的振动效果状态时，获取该状态下的虚拟控制量的实际值；

步骤六、根据步骤四中获得的表达式T(u₁,u₂...u_d)以及仿真结果获得的虚拟控制量的实际值，反解算得到控制量u₁,u₂,…,u_d的值；并在实际控制过程中，采用控制量u₁,u₂,…,u_d，对主动悬挂系统进行控制。

有益效果：

使用本发明的方法，能够在主动悬挂系统受自抗扰控制器的控制下，使坦克各负重轮上方车体垂直加速度和车体质心加速度等性能指标都符合指标要求。进而提高了驾驶员对坦克车辆的动力性、高度发挥车辆的机动性和灵活性，使主战坦克在战场上起到更大的作用。

附图说明

图1.在车速v＝10m/s时生成的六个负重轮上方延时路面激励；

图2.坦克1/2车体悬挂系统模型；

图3.各负重轮上方车体振动速度对比图；

图4.各负重轮上方车体振动加速度对比图；

图5.车身质心振动速度和加速度对比图；

图6.车身俯仰角振动对比图；

图7.自抗扰控制器的扰动估计示意图；

图8.实际控制力示意图；

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法:

步骤一、建立坦克底盘与路面随机不平度时域模型：

其中，Z_r(t)为随机路面不平度幅值；f₀为下限截止空间频率，一般地，取f₀＝0.1Hz；v为坦克行驶速度；G₀为路面不平度系数，单位为m²/m^-1，不同等级的路面，不平度系数各不相同，这里选取D级路面，G₀＝1024×10^-6m²/m^-1；ω(t)为均值为零的高斯白噪声。例如，车速v＝10m/s时生成的路面激励如图1所示。

步骤二、如图2所示坦克1/2车体悬挂系统模型，根据力学平衡原理即坦克受力情况，建立坦克底盘振动模型：

其中，m_b为二分之一车体悬置质量；z为车身质心位移；I为车体转动惯量；为车身角位移；m_wi为负重轮质量(i＝1，…，6)；z_wi为负重轮位移；c_si为悬挂阻尼系数；k_si为悬挂弹簧刚度；k_ti为轮胎等效刚度；l_i为第i个负重轮中心到车体中心的横向距离，u_i为控制量；

步骤三、基于坦克底盘振动模型和坦克底盘与路面随机不平度时域模型，选取状态变量，建立坦克底盘主动悬挂系统的状态方程：

为了便于状态方程的建立以及后续的坐标变换，选取以下参数作为状态变量：

并令状态变量[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆ x₇ x₈ x₉ x₁₀ x₁₁ x₁₂ x₁₃ x₁₄ x₁₅ x₁₆]^T分别对应 上述选取的 各参数；即：x₁＝z，x₅＝z_w1，x₇＝z_w2， x₉＝z_w3， x₁₁＝z_w4，x₁₃＝z_w5，x₁₅＝z_w6，

根据上述选取的状态变量，基于公式(1)和公式(2)，建立状态方程：

并且，根据坦克悬挂系统的性能指标要求，选定状态方程的输出变量：

步骤四、对步骤三中选取的输出变量进行逻辑运算，获得自抗扰控制器的控制输出；即：选取各负重轮上方车体垂直振动位移六个自抗扰控制器的控制输出，其中，i＝1,...6，来控制车体的垂直振动加速度和俯仰角。 之所以选择作为控制对象，其原因在于：本发明需要对坦克的振动效果进行控制，而坦克的振动效果直接与各负重轮上方车体垂直振动位移有关，故本发明以各负重轮上方车体垂直振动位移作为控制对象进行研究；各负重轮上方车体垂直振动位移量越小，坦克的振动效果越好。

由于步骤三中令x₁＝z，所以令根据公式(3)，进行变换，获得积分串联型模型：

其中，ζ₁、ζ₃、ζ₅、ζ₇、ζ₉和ζ₁₁分别代表六个负重轮上方车体的垂直振动位移；表达式P(x₁,x₂...x₁₆)代表系统内部扰动和外部扰动的总和，称为总和扰动；表达式T(u₁,u₂...u₆)代表虚拟控制量；

式中，P₁～P₆及T₁～T₆均为线性组合：

需要指出的是：之所以将公式转换成其原因在于：

由于公式(3)是一个多输入多输出的系统，故：设一典型多输入-多输出系统如公式(6)所示：

该系统是v输入-v输出系统，控制量的放大系数b_ij是状态变量和时间的函数假定矩阵

可逆，我们把系统控制量之外的模型部分叫“动态耦合”部分，而把部分叫做“静态耦合”部分。

记η＝[η₁ η₂…η_v]^T,f＝[f₁ f₂…f_v],u＝[u₁ u₂…u_v]^T，并引入“虚拟控制量”则这个系统方程变为：

则在这个系统中的任意通道I的输入输出关系为

即第i通道上的输入为U_I，而其输出为y_I＝η_I，形成一个单输入单输出系统。这样每一个通道的虚拟控制量U_I与被控输出y_I之间是单输入-单输出的关系，即第I通道的被控输出y_I和虚拟控制量U_I之间已被完全解耦了，而则是作用于第I通道上“总和扰动”，因此只要有被控量y_I的目标值且y_I能 被测量，那么在U_I和y_I之间嵌入一个自抗扰控制器就能够对y_I进行控制。

综上：对于任意的v输入-v输出的系统，在控制向量U和输出向量y之间并行地嵌入v个自抗扰控制器就能实现多变量系统的解耦控制。这时，实际的控制量u＝[u₁ u₂…u_v]就能由虚拟控制量U＝[U₁ U₂…U_v]通过公式决定出来。

步骤五、利用自抗扰控制器进行仿真，对步骤四中获得的积分串联型模型进行自抗扰控制；通过调节自抗扰控制器的观测器带宽和控制器带宽，通过比较扰动估计值对各负重轮上方的总和扰动P₁～P₆的跟踪情况，判断车体是否达到理想的振动效果；若达到，获取该状态下T₁～T₆的虚拟控制量的实际值；否则，继续调节自抗扰控制器的观测器带宽和控制器带宽；

步骤六、根据步骤四中的公式(5)以及仿真结果获得的虚拟控制量的实际值，反解算得到控制量u₁ u₂…u₆的值；即：根据公式(14)，令虚拟控制输入Υ_i＝T_i(u₁,u₂...u₆),i＝1～6；

并在实际控制过程中，采用解算得到u₁ u₂…u₆的控制量，对主动悬挂系统进行控制，其效果如图8所示。

如图3至图6，为使用模糊控制与本发明的自抗扰控制的效果图；图7为实际扰动与扰动估计值的对比效果，

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法，其特征在于，包括：

步骤一、建立路面随机不平度时域模型：

其中，Z_r(t)为随机路面不平度幅值；f₀为下限截止空间频率，取f₀＝0.1Hz；v为坦克行驶速度；G₀为路面不平度系数，单位为m²/m^-1，不同等级的路面，不平度系数各不相同，这里选取D级路面，G₀＝1024×10^-6m²/m^-1；w(t)为均值为零的高斯白噪声；

步骤二、根据力学平衡原理，建立坦克底盘振动模型：

其中，m_b为二分之一车体悬置质量；z为车身质心位移；I为车体转动惯量；为车身角位移；m_wi为负重轮质量，i＝1，…，6；z_wi为负重轮位移；c_si为悬挂阻尼系数；k_si为悬挂弹簧刚度；k_ti为轮胎等效刚度；l_i为第i个负重轮中心到车体中心的横向距离，u_i为控制量；

步骤三、选取状态变量，并基于步骤一和步骤二建立的模型，建立坦克底盘主动悬挂系统的状态方程；并且，根据坦克悬挂系统的性能指标要求，选定状态方程的输出变量；

在所述坦克底盘振动模型中选取以下参数作为状态变量：

并令状态变量[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆ x₇ x₈ x₉ x₁₀ x₁₁ x₁₂ x₁₃ x₁₄ x₁₅ x₁₆]^T分别对应上述选取的各参数；

即：x₁＝z，x₅＝z_w1，x₇＝z_w2，x₉＝z_w3，x₁₁＝z_w4，x₁₃＝z_w5，x₁₅＝z_w6，

根据上述选取的状态变量，基于公式(1)和公式(2)，建立状态方程：

其中k_s＝k_si为悬挂弹簧刚度，c_s＝c_si为悬挂阻尼系数，m_w为负重轮质量，x_r1～x_r6分别对应为z_r1～z_r6；

并且，根据坦克悬挂系统的性能指标要求，选定状态方程的输出变量：

步骤四、以坦克上的每个负重轮上方车体垂直振动位移作为控制输出，其中，所述每个负重轮上方车体垂直振动位移为：其中，z为车身质心位移；为车身角位移，l_i为第i个负重轮中心到车体中心的横向距离，ρ_i表示第i个负重轮上方车体的垂直振动位移；根据步骤三中获取的状态变量以及选定的状态方程的输出变量，代入中，获得x₁-l_ix₃，且令ζ_2i-1＝x₁-l_ix₃；其中，x₁、x₃分别为z和对应的状态变量；ζ_2i-1均表示第i个负重轮上方车体的垂直振动位移；将x₁-l_ix₃＝ζ_2i-1代入步骤三中建立的状态方程进行变形，并令获得积分串联型模型；所述的积分串联型模型的形式为和其中，D为步骤三中选取的状态变量的个数；d为坦克负重轮个数；ζ_2i为第i+1个负重轮上方车体的垂直振动位移，ζ_2i-1为第i个负重轮上方车体的垂直振动位移，表达式P(x₁,x₂...x_D)代表系统内部扰动和外部扰动的总和，称为总和扰动；表达式T(u₁,u₂...u_d)代表虚拟控制量，x₁,x₂,...,x_D分别代表各状态变量；u₁,u₂...u_d分别代表对应的负重轮上方的实际控制量；

步骤四包括如下具体步骤：

由于步骤三中令x₁＝z，所以令根据公式(3)，进行变换，获得积分串联型模型：

其中，ζ₁、ζ₃、ζ₅、ζ₇、ζ₉和ζ₁₁分别代表六个负重轮上方车体的垂直振动位移；表达式P(x₁,x₂...x₁₆)代表系统内部扰动和外部扰动的总和，称为总和扰动；表达式T(u₁,u₂...u₆)代表虚拟控制量；

式中，P₁～P₆及T₁～T₆均为线性组合：

需要指出的是：之所以将公式转换成其原因在于：

由于公式(3)是一个多输入多输出的系统，故：设一典型多输入-多输出系统如公式(6)所示：

该系统是v输入-v输出系统，控制量的放大系数b_ij是状态变量和时间的函数假定矩阵

可逆，系统控制量之外的模型部分记为“动态耦合”部分，而部分记为“静态耦合”部分；

记η＝[η₁ η₂…η_v]^T,f＝[f₁ f₂…f_v],u＝[u₁ u₂…u_v]^T，并引入“虚拟控制量”则系统方程变为：

则在这个系统中的任意通道I的输入输出关系为

即第i通道上的输入为U_I，而其输出为y_I＝η_I，形成一个单输入单输出系统；这样每一个通道的虚拟控制量U_I与被控输出y_I之间是单输入-单输出的关系，即第I通道的被控输出y_I和虚拟控制量U_I之间已被完全解耦了，而则是作用于第I通道上“总和扰动”，因此只要有被控量y_I的目标值且y_I能被测量，那么在U_I和y_I之间嵌入一个自抗扰控制器就能够对y_I进行控制；

综上：对于任意的v输入-v输出的系统，在控制向量U和输出向量y之间并行地嵌入v个自抗扰控制器就能实现多变量系统的解耦控制；实际的控制量u＝[u₁ u₂…u_v]就能由虚拟控制量U＝[U₁ U₂…U_v]通过公式决定；

步骤五、利用自抗扰控制器进行仿真，对步骤四中获得的积分串联型模型进行自抗扰控制；在调节自抗扰控制器的观测器带宽和控制器带宽过程中，比较扰动估计值对各负重轮上方的总和扰动的跟踪情况，当达到理想的振动效果状态时，获取该状态下的虚拟控制量的实际值；

步骤六、根据步骤四中获得的表达式T(u₁,u₂...u_d)以及仿真结果获得的虚拟控制量的实际值，反解算得到控制量u₁,u₂,…,u_d的值；并在实际控制过程中，采用控制量u₁,u₂,…,u_d，对主动悬挂系统进行控制。