CN109782605B - 一种用于汽车悬架系统的采样控制方法 - Google Patents

一种用于汽车悬架系统的采样控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于汽车悬架系统的采样控制方法，该方法包括以下步骤：首先应用力学原理建立汽车悬架系统的动态模型；然后通过坐标变换，建立汽车悬架系统的状态空间模型；之后针对汽车悬架系统的状态空间模型构建相应的采样控制器，实现对汽车悬架系统的控制，构造相应的李雅普诺夫函数，使闭环系统实现稳定，由此完成汽车悬架系统的采样控制。本发明的方法能使汽车悬架系统在不同运行条件下具有更好性能与鲁棒性，此外该采样控制方法简单，使控制成本显著降低，且更加便于用微处理器实现，具有较高的工程实用价值。

Description

一种用于汽车悬架系统的采样控制方法
技术领域
本发明属于智能汽车制造领域，特别涉及一种用于汽车悬架系统的采样控制方法。
背景技术
近年来，随着科学技术的进步，社会经济的发展和人民生活水平的逐步提高，人们对汽车的需求越来越大，汽车的使用越来越普及，但是随着高速公路的发展和人们对汽车性能不断的提高要求，普通的汽车悬架已经越来越不能满足人民的高要求。除了人们都普遍关注的发动机、轴距和排量外，驾驶舒适度以及安全性也是高档汽车所要具备的重要性能，而与这些重要性能指标密切相关的便是汽车悬架系统。悬架系统设计的最初期是被动悬架，在设计好之后，不能改变其性能参数，不能够根据路面状况来调节阻尼系数和弹簧刚度，其性能不能满足人们日益增长的需求。汽车行驶的平顺性和操纵稳定性是衡量汽车性能好坏的主要指标，而它又直接受到汽车悬架系统性能好坏的影响。
从技术上讲，汽车悬架是指车架、车身与车桥之间一切传动装置的总称，路面作用于车轮上的垂直反力(支撑力)，纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力以及这些力所产生的力矩都要通过悬架传递到车架(或承载式车身)。汽车悬架系统的主要作用是在传递这些力和力矩的同时，缓和不平路面传给车架或车身的冲击载荷，抑制车轮的不规则振动，提高车辆平顺性(乘坐舒适性)和安全性(操纵稳定性)。悬架系统是影响汽车性能的关键部件，建立合适的汽车悬架系统模型以及研究其控制问题对提高车辆平顺性和安全性，有着非常重要的意义，且汽车悬架系统的优化设计对车辆的总体性能有着重大的影响。近年来，针对主动悬架系统，不同的控制方法被提出来改进悬架系统的性能，例如PID控制、线性状态反馈控制和采样控制等。由于实际汽车悬架系统是一种非线性、时变的复杂物理系统，目前尚不能对其进行精确建模，因此针对主动悬架系统的采样控制问题成为一个极具潜力的研究方向。但是，由于技术上的难度，已有汽车悬架系统的建模和控制问题都没有得到较好的解决。因此，汽车悬架系统的采样控制技术就成为一个富有挑战的技术问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能使汽车悬架系统在不同运行条件下具有更好性能与鲁棒性、且较为简单的采样控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于汽车悬架系统的采样控制方法，包括以下步骤：
步骤1、应用力学原理建立汽车悬架系统动态模型；
步骤2、引入坐标变换，并根据步骤1获得的汽车悬架系统动态模型，建立汽车悬架系统的状态空间模型；
步骤3、针对步骤2建立的汽车悬架系统的状态空间模型，构建采样控制器，并且设置采样周期；
步骤4、定义观测误差并构造汽车悬架系统相应的李雅普诺夫函数，利用步骤3中构建的采样控制器对汽车悬架系统进行控制使闭环系统稳定，即完成汽车悬架系统的采样控制。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)本发明的方法通过设置采样周期，设计过程灵活，可根据不同情况构建出更合适的控制器；2)本发明中采样控制作为一种新型的控制策略，控制效果很显著；3)本发明控制方法可以使控制成本显著降低，且更加便于用微处理器实现，具有较高的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明用于汽车悬架系统的采样控制方法的流程图。
图2为本发明汽车悬架系统结构图。
具体实施方式
结合图1、图2，本发明一种用于汽车悬架系统的采样控制方法，包括以下步骤：
步骤1、应用力学原理建立汽车悬架系统动态模型；
步骤2、引入坐标变换，并根据步骤1获得的汽车悬架系统动态模型，建立汽车悬架系统的状态空间模型；
步骤3、针对步骤2建立的汽车悬架系统的状态空间模型，构建采样控制器，并且设置采样周期；
步骤4、定义观测误差并构造汽车悬架系统相应的李雅普诺夫函数，利用步骤3中构建的采样控制器对汽车悬架系统进行控制使闭环系统稳定，即完成汽车悬架系统的采样控制。
进一步地，步骤1所述应用力学原理建立汽车悬架系统动态模型为：
Figure BDA0001980205590000031
式中，Q(t)为流体流入液压执行器，xs(t)为悬架行程，E为有效位置面，kf,cf均为正常数，iv(t)为输入电流，y*(t)为系统输出，
Figure BDA0001980205590000032
为“*”的导数。
进一步地，步骤2所述引入坐标变换，并根据步骤1获得的汽车悬架系统动态模型，建立汽车悬架系统的状态空间模型，具体为：
步骤2-1、引入坐标变换为：
Figure BDA0001980205590000039
式中，X1(t),X2(t)均为系统的状态，y(t)为系统的输出；
步骤2-2、结合步骤2-1的坐标变换，根据步骤1获得的汽车悬架系统动态模型，建立汽车悬架系统的状态空间模型为：
Figure BDA0001980205590000033
令x1(t)＝X1(t),
Figure BDA0001980205590000034
其中L≥1为设计参数，则式(3)变换为：
Figure BDA0001980205590000035
式中，
Figure BDA0001980205590000036
进一步地，步骤3所述针对步骤2建立的汽车悬架系统的状态空间模型，构建采样控制器，并且设置采样周期，具体为：
步骤3-1、构建观测器为：
Figure BDA0001980205590000037
式中，
Figure BDA0001980205590000038
均为系统状态的估计值，u(tk)为系统的采样控制量，b1,b2为待确定参数；
步骤3-2、引入坐标变换：
Figure BDA0001980205590000041
式中，z1,z2为进行坐标变换后的系统状态量，虚拟控制器α1为：
α1＝-μ1z1 (7)
式中，
Figure BDA0001980205590000042
其中λmax(P)为待求解P的最大特征值，
Figure BDA0001980205590000043
步骤3-3、构建连续形式的虚拟控制器u*(t)为：
u*(t)＝-μ2z2 (8)
式中，
Figure BDA0001980205590000044
步骤3-4、构建采样控制器u(tk)为：
u(tk)＝-μ2z2(tk) (9)
步骤3-5、设置采样周期T为：
Figure BDA0001980205590000045
式中，
Figure BDA0001980205590000046
Figure BDA0001980205590000047
h均为正常数，λmin(P)为待求解P的最小特征值。
进一步地，步骤4所述所述定义观测误差并构造汽车悬架系统相应的李雅普诺夫函数，之后利用步骤3中构建的采样控制器对汽车悬架系统进行控制使闭环系统稳定，即完成汽车悬架系统的采样控制，具体为：
步骤4-1、定义观测误差ε为：
Figure BDA0001980205590000048
其中，
Figure BDA0001980205590000051
步骤4-2、构造汽车悬架系统相应的李雅普诺夫函数V为：
Figure BDA0001980205590000052
步骤4-3、在步骤4-1、步骤4-2的基础上，由式(9)的采样控制器对汽车悬架系统进行控制，获得：
Figure BDA0001980205590000053
进一步获得：
Figure BDA0001980205590000054
式中，α为正常数；
进行变换
Figure BDA0001980205590000055
由式(14)获得：
Figure BDA0001980205590000056
式中，
Figure BDA0001980205590000057
由式(15)获得：
Figure BDA0001980205590000058
进一步获得：
V(tk+1)≤ρ2V(tk)，t→∞ (17)
式中，
Figure BDA0001980205590000059
由式(17)可知，构造的李雅普诺夫函数有界，闭环系统稳定。
本发明的方法能使汽车悬架系统在不同运行条件下具有更好性能与鲁棒性，此外该采样控制方法简单，使控制成本显著降低，且更加便于用微处理器实现，具有较高的工程实用价值。

Claims (1)

1.一种用于汽车悬架系统的采样控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、应用力学原理建立汽车悬架系统动态模型；所述应用力学原理建立汽车悬架系统动态模型为：
Figure FDA0003343547150000011
式中，Q(t)为流体流入液压执行器，xs(t)为悬架行程，E为有效位置面，kf,cf均为正常数，iv(t)为输入电流，y*(t)为系统输出，
Figure FDA0003343547150000012
为“*”的导数；
步骤2、引入坐标变换，并根据步骤1获得的汽车悬架系统动态模型，建立汽车悬架系统的状态空间模型；具体为：
步骤2-1、引入坐标变换为：
Figure FDA0003343547150000013
式中，X1(t),X2(t)均为系统的状态，y(t)为系统的输出；
步骤2-2、结合步骤2-1的坐标变换，根据步骤1获得的汽车悬架系统动态模型，建立汽车悬架系统的状态空间模型为：
Figure FDA0003343547150000014
令x1(t)＝X1(t),
Figure FDA0003343547150000015
其中L≥1为设计参数，则式(3)变换为：
Figure FDA0003343547150000016
式中，
Figure FDA0003343547150000017
步骤3、针对步骤2建立的汽车悬架系统的状态空间模型，构建采样控制器，并且设置采样周期；具体为：
步骤3-1、构建观测器为：
Figure FDA0003343547150000021
式中，
Figure FDA0003343547150000022
均为系统状态的估计值，u(tk)为系统的采样控制量，b1,b2为待确定参数；
步骤3-2、引入坐标变换：
Figure FDA0003343547150000023
式中，z1,z2为进行坐标变换后的系统状态量，虚拟控制器α1为：
α1＝-μ1z1 (7)
式中，
Figure FDA0003343547150000024
其中λmax(P)为待求解P的最大特征值，
Figure FDA0003343547150000025
步骤3-3、构建连续形式的虚拟控制器u*(t)为：
Figure FDA0003343547150000026
式中，
Figure FDA0003343547150000027
步骤3-4、构建采样控制器u(tk)为：
u(tk)＝-μ2z2(tk) (9)
步骤3-5、设置采样周期T为：
Figure FDA0003343547150000028
式中，
Figure FDA0003343547150000029
Figure FDA00033435471500000210
h均为正常数，λmin(P)为待求解P的最小特征值；
步骤4、定义观测误差并构造汽车悬架系统相应的李雅普诺夫函数，利用步骤3中构建的采样控制器对汽车悬架系统进行控制使闭环系统稳定，即完成汽车悬架系统的采样控制；具体为：
步骤4-1、定义观测误差ε为：
Figure FDA0003343547150000031
其中，
Figure FDA0003343547150000032
步骤4-2、构造汽车悬架系统相应的李雅普诺夫函数V为：
Figure FDA0003343547150000033
步骤4-3、在步骤4-1、步骤4-2的基础上，由式(9)的采样控制器对汽车悬架系统进行控制，获得：
Figure FDA0003343547150000034
进一步获得：
Figure FDA0003343547150000035
式中，α为正常数；
进行变换
Figure FDA0003343547150000036
由式(14)获得：
Figure FDA0003343547150000037
式中，
Figure FDA0003343547150000038
由式(15)获得：
Figure FDA0003343547150000039
进一步获得：
V(tk+1)≤ρ2V(tk)，t→∞ (17)
式中，
Figure FDA00033435471500000310
由式(17)可知，构造的李雅普诺夫函数有界，闭环系统稳定。
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