CN106647256A - 一种基于h∞ pid的主动悬架控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于H_∞PID的主动悬架控制系统及控制方法，控制系统包括内环和外环，内环包括车辆、垂向振动加速度传感器、悬架控制器，外环包括电流控制器以及执行器。主环根据不同的路面激励实现主动悬架的H_∞控制，内环控制执行器实现期望主动力。利用H_∞控制理论获得PID控制的相应参数，并使主动悬架始终工作在最佳状态。该主动悬架控制系统及方法利用H_∞控制理论获得PID控制的三个参数，很好地解决了PID控制效果好但参数调试困难的问题，并在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果。

Description

一种基于H∞PID的主动悬架控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于车辆悬架技术领域，具体涉及一种基于H_∞PID的主动悬架控制系统及其控制方法。

背景技术

悬架一般由弹性元件、减振器和导向元件组成，是车辆上的重要组成部件之一，是车身和车桥或车轮之间一切传力连接装置的总称。

车辆在行驶过程中，由起伏不平的路面造成的各种冲击载荷传递到车身，造成车身的振动、俯仰和侧倾，悬架的作用是弹性地连接车桥和车架，迅速衰减路面对车身的冲击、吸收车体的振动、增强轮胎对地面的抓地性能，进而保证货物完整性和提高车辆的乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性。

传统的悬架系统的刚度和阻尼系数，是按经验设计或优化设计方法选择的，一经选定后，在车辆行驶过程中就无法进行调节，这种悬架称为被动悬架。被动悬架的动力输出元件是弹性元件和阻尼元件，它们不能主动输出作用力，只有受到外部激励时才被动的产生作动力作用在车身和车轮上，从而达到缓冲和衰减振动的目的。为了克服被动悬架的不足，使悬架始终处于最优减振状态，需要在传统悬架系统中采用有源可控制的元件组成闭环控制系统。

但是现有的主动悬架控制系统对路面激励的抑制能力有限，其鲁棒性能也受到限制，为了进一步改善主动悬架的性能，将PID控制与H∞控制理论结合，利用闭环系统满足H∞性能计算出最优的PID参数，进而对主动悬架进行闭环控制，就需要设计一种易于实现且适用于各种不同路面的主动悬架控制系统及方法。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于H_∞PID的主动悬架控制系统。

本发明的另一目的是提供一种基于H_∞PID的主动悬架控制方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于H_∞PID的主动悬架控制系统，该主动悬架控制系统包括内环和外环，所述内环包括车辆、垂向振动加速度传感器、悬架控制器，所述外环包括电流控制器以及执行器，所述垂向振动加速度传感器、悬架控制器、电流控制器以及执行器顺次连接，所述垂向振动加速度传感器与车身固连，所述执行器安装于车身和车轮之间，所述主环用于根据不同的路面激励实现悬架的H_∞控制，内环用于实现期望主动力。

优选地，所述车身垂向振动加速度传感器用于实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到其频率分布区间，根据该频率区间得到车辆整车模型。

优选地，所述车辆整车模型等效于单自由度系统、二自由度系统、四自由度系统或更高自由度系统。

优选地，所述悬架控制器用于根据车辆整车模型以及相关的线性矩阵不等式求得PID控制的三个参数kp、ki、kd，并根据垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并发出控制指令。

优选地，所述电流控制器用于根据悬架控制器的控制指令实时控制所述执行器所需要的电流，执行器在电流控制器的作用下将所需的主动力实时施加在所述悬架上，以保证悬架始终工作在最佳状态。

一种基于H_∞PID的主动悬架控制系统的控制方法，具体包括一下步骤：

S1、获取系统计算参数；

S2、获取车身垂向振动信号的频率分布区间：车身垂向振动加速度传感器实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到路面信号频率分布区间；

S3、选择车辆整车模型：根据路面信号频率分布区间，选择车辆整车模型；

S4、计算PID控制的三个参数kp、ki、kd：悬架控制器根据车辆整车模型和相关的线性矩阵不等式求得PID控制的三个参数kp、ki、kd；

S5、计算主动悬架的主动力：悬架控制器根据求得的PID控制的三个参数kp、ki、kd和车身垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并向电流控制器发出控制指令；

S6、电流控制器控制执行器：电流控制器根据悬架控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，执行器在电流控制的作用下将所需的主动力实时施加在悬架上；

S7、悬架始终工作在最佳状态：主动悬架控制系统根据路面信号频率不同，实时切换整车模型并计算最优的PID控制器参数，以保证悬架在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果；

所述系统为主动悬架控制系统。

优选地，所述路面信号频率区间为0～10Hz时，车辆整车模型等效于单自由度系统；所述路面信号频率区间为10～15Hz时，车辆整车模型等效于二自由度系统；所述路面信号频率区间大于15Hz时，车辆整车模型等效于四自由度系统或更高自由度系统。

优选地，所述步骤S1中的计算参数包括车轮质量、悬架刚度、悬架阻尼、轮胎刚度、车身质量、车身俯仰角、轮胎位移、车身位移、惯性矩、车身质心位置。

本发明的有益效果是：本发明提供的基于H_∞PID的主动悬架控制系统及控制方法，将PID控制与H_∞控制理论结合，利用闭环系统满足H_∞性能计算出最优的PID参数，进而对主动悬架进行闭环控制，很好地解决了PID控制效果好但参数调试困难的问题，并在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果，使主动悬架始终工作在最佳减震状态。整体而言，该主动悬架控制系统和控制方法，简单易于实现，工性能优越，适用范围广，具有很强的实用价值，值得在业内推广。

附图说明

图1为本发明基于H_∞PID的主动悬架控制系统框图；

图2为本发明基于H_∞PID的主动悬架控制方法流程图；

图3为实施例中整车单自由度等效模型简图；

图4为实施例中整车二自由度等效模型简图；

图5为实施例中整车四自由度等效模型简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1所示，本发明的基于H_∞PID的主动悬架控制系统，该主动悬架控制系统包括内环和外环，内环包括车辆、垂向振动加速度传感器、悬架控制器，外环包括电流控制器以及执行器，垂向振动加速度传感器、悬架控制器、电流控制器以及执行器顺次连接，垂向振动加速度传感器与车身固连，执行器安装于车身和车轮之间，主环用于根据不同的路面激励实现悬架的H_∞控制，内环用于实现期望主动力。

车身垂向振动加速度传感器实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到其频率分布区间，根据该频率区间得到车辆整车模型。

悬架控制器用于根据车辆整车模型以及相关的线性矩阵不等式(LMI)求得PID控制的三个参数kp、ki、kd，并根据垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并向电流控制器发出控制指令。

电流控制器用于根据悬架控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，执行器在电流控制器的作用下将所需的主动力实时施加在悬架上，以保证悬架始终工作在最佳状态。

如图2所示，本发明提供的基于H_∞PID的主动悬架控制系统的控制方法流程图，包括以下步骤：

S1、获取系统计算参数：

本发明提供的一种主动悬架控制系统的被控对象等效模型简图如图3、4和5所示，其中图3、4和5分别代表整车单自由度、二自由度和四自由度等效模型简图。此处计算参数包括图中的车身质量m₂(整车单、二自由度模型)，车轮质量m₁，悬架刚度k₂，悬架阻尼c，轮胎刚度k₁，车身质量m_s(整车四自由度模型)，车身俯仰角轮胎位移x₁，车身位移x₂，惯性矩车身质心位置l₁，l₂。

其中，系统指本发明提供的一种主动悬架控制系统。

S2、获取车身垂向振动信号的频率分布区间

车身垂向振动加速度传感器实时采集车身的垂向振动加速度信号y，并通过傅里叶变换得到其频率分布区间ω。

S3、选择车辆整车模型

a、当路面信号频率区间在0～10Hz时，车辆整车模型等效于单自由度系统；

根据如图3所示的单自由度等效模型，由牛顿第二定律建立系统的振动微分方程：

其中m₂为车身质量；x_m2为由于路面不平导致的车身沿z方向的位移；k₂为悬架刚度；c为悬架阻尼；x_q表示路面不平度，u_f为主动悬架提供的主动控制力。

取系统的状态变量、测量输出变量和被控输出变量分别为 输入变量为u＝u_f，干扰变量为则由公式(1)可得系统的状态空间：

其中：

b、当路面信号频率区间在10～15Hz时，车辆整车模型等效于二自由度系统；

根据图4所示的二自由度等效模型，由牛顿第二定律可得系统的振动微分方程：

其中m₁为车轮质量；m₂为车身质量；k₁为轮胎刚度；k₂为悬架刚度；c为悬架阻尼；x_m1，x_m2分别为路面不平引起的轮胎和车身沿x方向的位移；x_q表示路面不平度；u_f为主动悬架提供的主动控制力。

取系统的状态变量和输入变量分别为u＝u_f，测量输出变量为被控输出变量为干扰变量w＝x_q，则由公式(2)可得系统的状态空间：

其中：

D_q1＝0,

D_q2＝0

c、当路面信号频率区间大于15Hz时，车辆整车模型等效于四自由度系统或更高自由度系统。

根据图5所示的四自由度等效模型，由牛顿第二定律可得系统的振动微分方程(假设足够小)：

其中m_s表示车身质量；分别m_u1,m_u2为两个轮胎质量；k_s1,c_s1,k_s2,c_s2分别为两个悬架的刚度和阻尼；k_u1,k_u2为两个轮胎的刚度；x_si-x_ui为悬架位移；x_qi为由路面不平引起的垂向位移；l₁,l₂为前轮、后轮到车身质心的距离；为惯性矩；u_f1,u_f2为主动控制力；x_c,分别为车身位移与俯仰角。

取系统的状态、控制输入、干扰、测量输出、被控输出变量分别如下：

u_p＝[u_f1 u_f2]^T,

则由公式(5)得到系统的状态空间

其中：

D_q1＝0,

D_q2＝0

S4、计算PID控制的三个参数kp、ki、kd

悬架控制器根据车辆整车模型和相关的线性矩阵不等式求得PID控制的三个参数kp、ki、kd。

设悬架简化模型的状态空间为：

考虑PID控制：

为了尽可能减小输出，得到

令

由公式(9)和(10)可得：

引入一个新的控制器状态x_c＝u，令状态变量x＝[x_p x_q x_c]^T，测量输出和被控输出分别为y＝y_p,z＝z_p，干扰变量可得引入PID控制后的闭环系统为：

其中：A＝A₁+B₁KB₂,B＝A₂+B₁KB₃,

C₁＝[C_p1 0 D_p1],C₂＝[C_p2 0D_p2],

采用PID控制器(8)的闭环系统(12)需满足：

其中，γ为闭环系统的H_∞性能。

由有界实引理可知，存在正定实对称阵P>0满足如下优化问题：

利用变量代换Q＝PB₁K将上述非线性问题转化为如下所示的线性优化问题：

据此，可以利用MATLAB的LMI工具箱可求得上述线性优化问题的解，即得到该主动悬架控制系统最优H∞性能求解问题的解：

B₁K＝P^-1Q (16)

根据方程(16)即可求得PID控制器(8)的三个参数kp、ki、kd。

S5、计算主动悬架的控制力

悬架控制器求出PID控制的三个参数kp、ki、kd之后，根据车身垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，利用公式(9)即可计算出悬架主动控制所需要的主动力，并向电流控制器发出控制指令。

S6、电流控制器控制执行器

电流控制器根据悬架控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，执行器在电流控制的作用下将所需的主动力实时施加在悬架上，使主动悬架始终工作在最佳状态。Ic是在电流控制器的作用下执行器所需要的电流，Im是执行器反馈回电流控制器的实测电流。

S7、主动悬架始终工作在最佳状态

主动悬架控制系统根据路面信号频率不同，实时切换整车模型并计算最优的PID控制器参数，以保证主动悬架在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于H_∞PID的主动悬架控制系统，其特征在于：该主动悬架控制系统包括内环和外环，所述内环包括车辆、垂向振动加速度传感器、悬架控制器，所述外环包括电流控制器以及执行器，所述垂向振动加速度传感器、悬架控制器、电流控制器以及执行器顺次连接，所述垂向振动加速度传感器与车身固连，所述执行器安装于车身和车轮之间，所述主环用于根据不同的路面激励实现悬架的H_∞控制，内环用于实现期望主动力。

2.根据权利要求1所述的基于H_∞PID的主动悬架控制系统，其特征在于：所述车身垂向振动加速度传感器用于实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到其频率分布区间，根据该频率区间得到车辆整车模型。

3.根据权利要求1所述的基于H_∞PID的主动悬架控制系统，其特征在于：所述车辆整车模型等效于单自由度系统、二自由度系统、四自由度系统或更高自由度系统。

4.根据权利要求1所述的基于H_∞PID的主动悬架控制系统，其特征在于：所述悬架控制器用于根据车辆整车模型以及相关的线性矩阵不等式求得PID控制的三个参数kp、ki、kd，并根据垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并发出控制指令。

5.根据权利要求1所述的基于H_∞PID的主动悬架控制系统，其特征在于：所述电流控制器用于根据悬架控制器的控制指令实时控制所述执行器所需要的电流，执行器在电流控制器的作用下将所需的主动力实时施加在所述悬架上，以保证悬架始终工作在最佳状态。

6.一种根据权利要求1-5所述的基于H_∞PID的主动悬架控制系统的控制方法，其特征在于：具体包括一下步骤：

S1、获取系统计算参数；

S2、获取车身垂向振动信号的频率分布区间：车身垂向振动加速度传感器实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到路面信号频率分布区间；

S3、选择车辆整车模型：根据路面信号频率分布区间，选择车辆整车模型；

S4、计算PID控制的三个参数kp、ki、kd：悬架控制器根据车辆整车模型和相关的线性矩阵不等式求得PID控制的三个参数kp、ki、kd；

S5、计算主动悬架的主动力：悬架控制器根据求得的PID控制的三个参数kp、ki、kd和车身垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并向电流控制器发出控制指令；

S6、电流控制器控制执行器：电流控制器根据悬架控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，执行器在电流控制的作用下将所需的主动力实时施加在悬架上；

S7、悬架始终工作在最佳状态：主动悬架控制系统根据路面信号频率不同，实时切换整车模型并计算最优的PID控制器参数，以保证悬架在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果；

所述系统为主动悬架控制系统。

7.根据权利要求6所述的基于H_∞PID的主动悬架控制系统的控制方法，其特征在于：所述路面信号频率区间为0～10Hz时，车辆整车模型等效于单自由度系统；所述路面信号频率区间为10～15Hz时，车辆整车模型等效于二自由度系统；所述路面信号频率区间大于15Hz时，车辆整车模型等效于四自由度系统或更高自由度系统。

8.根据权利要求6所述的基于H_∞PID的主动悬架控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中的计算参数包括车轮质量、悬架刚度、悬架阻尼、轮胎刚度、车身质量、车身俯仰角、轮胎位移、车身位移、惯性矩、车身质心位置。