CN107839425B - 一种履带车辆垂直振动与俯仰振动协同控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种履带车辆垂直振动与俯仰振动协同控制方法，其包括以下步骤：(1)获取控制器所需的状态变量数值；(2)计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值；(3)进行控制力分配，将计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值按设定的分配方法进行各悬架垂直力的分配；(4)悬架按分配的数值执行动作，各悬架按实际特性根据分配的数值进行动作，实现履带车辆垂直振动与俯仰振动的控制。本发明实现了在无需获取路面信息且较小能量消耗的情况下，履带车辆垂直振动与俯仰振动的精确控制。

Description

一种履带车辆垂直振动与俯仰振动协同控制方法
技术领域
本发明属于军用履带车辆、各种履带式工程车辆控制技术领域，涉及一种履带车辆垂直振动与俯仰振动协同控制方法。
背景技术
对于履带式军用车辆、工程车辆而言，使用环境，车辆的垂直振动与俯仰振动是衡量车辆平顺性的两个重要指标，因为垂直振动、俯仰振动与乘员的乘坐舒适性密切关联，特别对于军用履带车辆，俯仰振动会对车辆的射击精度有着较大影响。以往对于履带车辆平顺性的控制方法，一般以垂直振动为控制目标，不能从理论上同时实现对于履带车辆垂直振动与俯仰振动的协同控制。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是：提供一种履带车辆垂直振动与俯仰振动的协同控制方法，实现履带车辆垂直振动与俯仰振动的控制，无需获取路面信息，并且仅需要较小的能量消耗。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种履带车辆垂直振动与俯仰振动协同控制方法，其包括以下步骤：
(1)获取控制器所需的状态变量数值
(2)计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值
(3)进行控制力分配
将计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值按设定的分配方法进行各悬架垂直力的分配；
(4)悬架按分配的数值执行动作
各悬架按实际特性根据分配的数值进行动作，实现履带车辆垂直振动与俯仰振动的控制。
其中，所述步骤(1)中，采用位移传感器实时测出履带车辆车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度，并将所测数值送至控制器。
其中，所述步骤(1)中，采用加速度传感器实时测出履带车辆质心的垂直振动加速度和俯仰角加速度，通过积分获取车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度，并且将所测数值送至控制器。
其中，所述步骤(2)中，获取所需控制的履带车辆的质量、俯仰转动惯量、悬架等效垂直刚度，将车辆的特性参数、负重轮与履带车辆车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度以及上述两个量的微分进行组合运算，计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值；
其中，所述步骤(2)中，虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值计算公式为：
Figure BDA0001448489500000021
Figure BDA0001448489500000022
q＝[Zs θ]T
其中，Zs为车体的垂直位移，θ为车体的俯仰角度，λ、k为正定矩阵，sgn为符号函数，Fz为虚拟的垂直控制力，My为虚拟的俯仰控制力矩，K、M为常数。
其中，K、M数值的计算公式为：
Figure BDA0001448489500000023
ms为履带车辆悬架支撑部分的质量，Iy为该部分的俯仰转动惯量，ki为第i悬架等效垂直刚度，n为负重轮对数，li为第i悬架支点至质心的水平位移。
其中，所述步骤(3)中，设定的分配方法中，优化目标为：
Figure BDA0001448489500000031
其中，v为前述计算得到的虚拟力、虚拟力矩矩阵，u＝[u1 u2 ... uj]T为悬架阻尼力的期望值，即为优化变量，j为可控悬架对数，u0为悬架阻尼力的最小值；γ,Wv,Wu为正定的权系数矩阵；
其中，B矩阵可通过下式确定：
(三)有益效果
上述技术方案所提供的履带车辆垂直振动与俯仰振动的协同控制方法，实现了在无需获取路面信息且较小能量消耗的情况下，履带车辆垂直振动与俯仰振动的精确控制。
附图说明
图1是本发明实施例控制模型示意图；
图2是本发明实施例控制流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明控制方法以履带车辆车体垂直振动与俯仰振动为反馈量，再通过优化的方式分配悬架的阻尼力，控制规律可以同时实现车体垂直振动与俯仰振动的控制，具体包括以下步骤：
(1)获取控制器所需的状态变量数值
采用位移传感器实时测出履带车辆车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度，并且将上述数值送至控制器。
或者，采用加速度传感器实时测出履带车辆质心的垂直振动加速度和俯仰角加速度，通过积分获取车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度，并且将所测数值送至控制器。
(2)计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值
基于试验或设计数值获取所需控制的履带车辆的质量、俯仰转动惯量、悬架等效垂直刚度等车辆特性参数，按所设计的控制算法，将车辆的特性参数、负重轮与履带车辆车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度以及上述两个量的微分进行组合运算，计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值。
(3)进行控制力分配
将计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值按所设计的分配方法进行各悬架垂直力的分配。
(4)悬架按控制算法分配的数值执行动作
各悬架按实际特性根据控制算法分配的数值进行动作，实现履带车辆垂直振动与俯仰振动的控制。
参照图1所示，以6对负重轮布置的履带车辆为例，以常规的第1、2、6负重轮布置的主动或半主动悬架为执行机构，具体实施步骤见如图2所示的流程图。
(1)采用加速度传感器实时测出履带车辆质心的垂直振动加速度和俯仰角加速度，通过积分获取车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度，并且将上述数值送至控制器。
(2)基于试验或设计数值获取所需控制的履带车辆的质量、俯仰转动惯量、悬架等效垂直刚度等车辆特性参数，计算出K、M数值。
其中，
Figure BDA0001448489500000041
ms为履带车辆悬架支撑部分的质量，Iy为该部分的俯仰转动惯量，ki为第i悬架等效垂直刚度，n为负重轮对数，li为第i悬架支点至质心的水平位移。
(3)按下式给出的控制算法，将车辆的特性参数、负重轮与履带车辆车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度以及上述两个量的微分进行组合运算，计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值。
Figure BDA0001448489500000052
q＝[Zs θ]T
其中Zs为车体的垂直位移，θ为车体的俯仰角度。λ、k为正定矩阵。sgn为符号函数。Fz为虚拟的垂直控制力，My为虚拟的俯仰控制力矩。
(4)将计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值按以下的分配方法进行各悬架垂直力的分配。优化目标为
Figure BDA0001448489500000053
其中，v为前述计算得到的虚拟力、虚拟力矩矩阵，
u＝[u1 u2 ... uj]T为悬架阻尼力的期望值，即为优化变量，j为可控悬架对数，u0为悬架阻尼力的最小值。
γ，Wv，Wu为正定的权系数矩阵。
其中，B矩阵可通过下式确定：
Figure BDA0001448489500000054
悬架阻尼力的分配应在执行机构能实际产生的约束条件下进行。
(5)各悬架按实际特性根据控制算法分配的数值进行动作，实现履带车辆垂直振动与俯仰振动的控制。
以不同负重轮对应位置悬架为执行机构的控制方法也在本权利要求范围，如以6对负重轮履带车辆为例，以第1、2、6轮或1、6轮或所有负重轮对应悬架均为执行机构等，只要控制方法与本专利相同，均在本专利要求范围。
以电流变、磁流变、液压缸等不同悬架执行机构形式的控制方法也在本专利要求范围。
以上所述仅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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种履带车辆垂直振动与俯仰振动协同控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取控制器所需的状态变量数值；
(2)计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值；
(3)进行控制力分配
将计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值按设定的分配方法进行各悬架垂直力的分配；
(4)悬架按分配的数值执行动作
各悬架按实际特性根据分配的数值进行动作，实现履带车辆垂直振动与俯仰振动的控制；
所述步骤(1)中，采用位移传感器实时测出履带车辆车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度，并将所测数值送至控制器；
所述步骤(2)中，获取所需控制的履带车辆的质量、俯仰转动惯量、悬架等效垂直刚度，将车辆的特性参数、负重轮与履带车辆车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度以及上述两个量的微分进行组合运算，计算出虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值；
所述步骤(2)中，虚拟的俯仰控制力矩与垂直控制力的数值计算公式为：
Figure FDA0002220247970000011
Figure FDA0002220247970000012
q＝[Zs θ]T
其中，Zs为车体的垂直位移，θ为车体的俯仰角度，λ、k为正定矩阵，sgn为符号函数，Fz为虚拟的垂直控制力，My为虚拟的俯仰控制力矩，K、M为常数；
K、M数值的计算公式为：
其中，
Figure FDA0002220247970000021
ms为履带车辆悬架支撑部分的质量，Iy为该部分的俯仰转动惯量，ki为第i悬架等效垂直刚度，n为负重轮对数，li为第i悬架支点至质心的水平位移；
所述步骤(3)中，设定的分配方法中，优化目标为：
Figure FDA0002220247970000022
其中，v为前述计算得到的虚拟力、虚拟力矩矩阵，u＝[u1 u2 ... uj]T为悬架阻尼力的期望值，即为优化变量，j为可控悬架对数，u0为悬架阻尼力的最小值；γ,Wv,Wu为正定的权系数矩阵；
其中，B矩阵可通过下式确定：
Figure FDA0002220247970000023
2.如权利要求1所述的履带车辆垂直振动与俯仰振动协同控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中，采用加速度传感器实时测出履带车辆质心的垂直振动加速度和俯仰角加速度，通过积分获取车体的相对垂直位移以及车体的俯仰角度，并且将所测数值送至控制器。
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