CN110077191B - 一种汽车主动悬挂系统控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种汽车主动悬挂系统控制方法，包括以下步骤：建立汽车轮子的主动悬架系统模型，根据模型建立车辆主动悬架系统的动力学微分方程，并求出车辆主动悬挂系统的状态空间方程，考虑系统的不确定性，设计有扰动条件下主动悬架系统控制器，并代入仿真系统中仿真测试，验证所设计的控制器的性能。本发明考虑了系统参数不确定、执行器延迟、路面不平扰动和传感器测量输出扰动等全部四种因素情况下的输出反馈的H∞控制器，实现了对主动悬架系统的控制，该控制器具有更广泛的适应性。

Description

一种汽车主动悬挂系统控制方法

技术领域

本发明属于汽车制动技术领域，尤其涉及一种利用主动悬挂系统控制器控制汽车的方法。

背景技术

主动悬挂系统，又称主动制导悬挂系统、动态可变悬挂系统等，通过改变悬挂系统的高度、形状和阻尼等，起到控制车身高度的功能，主要能增进汽车操作稳定性、乘坐舒适性能。主动悬挂系统的模型参数不确定、执行机构输入延迟、道路输入干扰、测量输出扰动等都是同步的。

主动悬挂系统在汽车稳定性和驾驶性能方面具有重要的影响。主动悬挂系统面临着系统的参数不确定、执行结构的输入延迟、不均匀路面的输入扰动和测量传感器输出扰动等因素的影响。而现有的研究成果通常只考虑其中一种或两种因素的影响，进而需要设计控制器来克服所有上述因素的影响。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种汽车主动悬挂系统控制方法，考虑了全部四种因素的情况下，设计了静态输出反馈的H_∞控制器，实现了对主动悬挂系统的控制，该控制器具有更广泛的适应性。

本发明采用如下技术方案：

一种汽车主动悬挂系统控制方法，其中m_u表示簧下质量，m_s是簧上质量；z_r表示公路的输入位移，z_u和z_s分别代表簧下质量和簧上质量的位移；u(t-h(t))代表时变时滞为h(t)的主动悬架系统的控制输入；k_s和c_s分别表示悬架系统的刚度和阻尼；k_t和c_t分别表示汽车轮胎的刚度和阻尼。。

根据系统模型和牛顿第二运动定律，可以建立车辆主动悬架系统模型的动力学微分方程如下：

h(t)满足如下条件：

其中h^*和ρ_h是正实数；

令状态向量

控制输出向量

测量输出向量

考虑执行机构输入延迟，系统参数不确定性，里面输入扰动和测量输出扰动，由公式(1)车辆主动悬挂系统可以用以下状态空间方程描述：

其中，

是路面输入扰动，w₂(t)是由传感器产生的测量输出扰动，且

其中，β₁和β₂是测量输出扰动w₂(t)的可调权值，让ΔA和ΔB是范数有界的不确定参数矩阵，则系统的不确定性可以描述为：

[ΔA,ΔB]＝HF(t)[E₁,E₂] (4)

其中，H，E₁，E₂是已知的具有适当维数的实常数矩阵，F(t)是未知的时变矩阵，它满足F^T(t)F(t)≤I，I表示合适维数的单位矩阵，

控制器设计如下：考虑有扰动的主动悬挂系统(3)式，如果存在正定矩阵X,Z∈R^{n ×n}，任意矩阵Y∈R^m×n，给定标量α＞0，γ＞0，如果以下线性矩阵不等式成立：

其中，S＝AX+XA^T+Z+αHH^T，‘*’表示矩阵不等式中对称位置上的矩阵转置所得到的矩阵，则主动悬架系统(3)式在控制器

控制下是渐进稳定的，其中H_∞性能指数γ，

是C₂的广义逆矩阵，根据(3)式，带路面输入扰动和测量输出扰动的主动悬架系统及控制器如下式所示：

并按照上式求得的控制器进行仿真测试，验证求得的所求的控制器可用于汽车悬架的的控制。

本发明的有益效果：

能同时克服系统参数不确定性、路面隆起、执行器延迟、传感器测量扰动等因素的影响，从而提高汽车的操纵稳定性、平顺性和通过性。此外，控制器具有良好的鲁棒性和广泛的适应性，一种控制器可以应对多种影响，从而提高了主动悬架系统的经济性。

附图说明

图1为本发明的主动悬架系统结构示意图；

图2为带输入扰动输出扰动的系统控制框图；

图3为带扰动的控制系统模型图；

图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)为路面隆起扰动情况下主动悬架和被动悬架系统相应比较示意图；

图5为传感器的总体测量输出扰动曲线示意图；

图6(a)、图6(b)、图6(c)、图6(d)为主动悬架系统扰动下的不同时间响应参数比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种汽车主动悬挂系统控制方法，如图1所示，其中m_u表示簧下质量，m_s是簧上质量；z_r表示公路的输入位移，z_u和z_s分别代表簧下质量和簧上质量的位移；u(t-h(t))代表时变时滞为h(t)的主动悬架系统的控制输入；k_s和c_s分别表示悬架系统的刚度和阻尼；k_t和c_t分别表示汽车轮胎的刚度和阻尼。。

根据系统模型和牛顿第二运动定律，可以建立车辆主动悬架系统模型的动力学微分方程如下：

h(t)满足如下条件：

其中h^*和ρ_h是正实数；

令状态向量

控制输出向量

测量输出向量

考虑执行机构输入延迟，系统参数不确定性，里面输入扰动和测量输出扰动，由公式(1)车辆主动悬挂系统可以用以下状态空间方程描述：

其中，

是路面输入扰动，w₂(t)是由传感器产生的测量输出扰动，且

其中，β₁和β₂是测量输出扰动w₂(t)的可调权值，让ΔA和ΔB是范数有界的不确定参数矩阵，则系统的不确定性可以描述为：

[ΔA,ΔB]＝HF(t)[E₁,E₂] (4)

其中，H，E₁，E₂是已知的具有适当维数的实常数矩阵，F(t)是未知的时变矩阵，它满足F^T(t)F(t)≤I，I表示合适维数的单位矩阵，

控制器设计如下：考虑有扰动的车辆主动悬挂系统(3)式，如果存在正定矩阵X,Z∈R^n×n，任意矩阵Y∈R^m×n，给定标量α＞0，γ＞0，如果以下线性矩阵不等式成立：

其中，S＝AX+XA^T+Z+αHH^T，‘*’表示矩阵不等式中对称位置上的矩阵转置所得到的矩阵，则车辆主动悬架系统(3)式在控制器u(t)＝Ky(t),

控制下是渐进稳定的，其中H_∞性能指数γ，

是C₂的广义逆矩阵，根据车辆主动悬挂系统(3)式，带路面输入扰动和测量输出扰动的主动悬架系统控制框图，如图2所示。

根据图2的控制框图，利用MATLAB/Simulink进行仿真实验，模型如图3所示。

仿真测试：

1.具有路面输入扰动的情况

为了展示所提出的静态输出反馈控制器对道路输入干扰的有效性，在光滑的路面上的一个单独隆起被定义为如下：

其中A和L分别代表一个单独隆起的高度和长度，V表示车辆前进速度。实验中令A＝0.1m，L＝5m，V＝12.5m/s。

时变输入延迟取为h(t)＝1-1×exp(-0.001×(t+1))×sin(t)×(cos(t))²。根据公式(4)，系统时间变化的不确定参数分别表示：

H＝0.2×I₄，E₁＝I₄，E₂＝1/4×[1；1；1；1]。

令w₂(t)＝0，即考虑输出扰动。系统初始条件为x(t)＝[0；0；0；0]。根据式(5)，可取K＝100×[1.5310 1.9742]。由此可得实验结果如图4所示。

从图4(a)-图4(d)可以看出，主动悬挂系统的簧上质量、加速度，速度，悬架扰度和轮胎扰度衰减速度都明显快于被动式悬架系统。说明设计控制器用于主动悬架系统具有更好的处理路面隆起干扰的效果。

具有输入扰动和输出扰动的情况

取输出扰动w₂(t)＝0.1×sin(t)，相应的增益矩阵L₂＝[1；0.1]，则传感器的总体测量输出扰动可以表示为图5。如图所示，参数1和参数2分别表示可能叠加到

上的传感器测量输出扰动，表明了控制器具有克服传感器测量扰动的能力。

同样地，可得到不同扰动下主动悬架系统的响应曲线，如图6(a)-图6(d)所示。

从图6(a)-图6(d)可以很容易看出，设计的静态输出反馈H_∞控制器具有良好的抑制测量输出扰动的效果，主动悬架系统的簧上质量和加速度、速度、悬架和轮胎偏差在有无输出干扰的两种情况下曲线基本相同，由此表明控制器的鲁棒性是很好的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (1)

1.一种汽车主动悬挂系统控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1.建立汽车轮子的主动悬架系统模型

其中m_u表示簧下质量，m_s是簧上质量；z_r表示公路的输入位移，z_u和z_s分别代表簧下质量和簧上质量的位移；u(t-h(t))代表时变时滞为h(t)的主动悬架系统的控制输入；k_s和c_s分别表示悬架系统的刚度和阻尼；k_t和c_t分别表示汽车轮胎的刚度和阻尼；根据系统模型和牛顿第二运动定律，

建立车辆主动悬架系统模型的动力学微分方程如下：

步骤2.根据步骤1中模型建立主动悬架系统的动力学微分方程，并求出车辆主动悬挂系统的状态空间方程；

由步骤1中建立的车辆主动悬架系统模型的动力学微分方程：

h(t)满足如下条件：

其中h^*和ρ_h是正实数；

令状态向量

控制输出向量

测量输出向量

考虑执行机构输入延迟，系统参数不确定性，里面输入扰动和测量输出扰动，由公式(1)车辆主动悬挂系统可以用以下状态空间方程描述：

其中，

是路面输入扰动，w₂(t)是由传感器产生的测量输出扰动，且

其中，β₁和β₂是测量输出扰动w₂(t)的可调权值；

步骤3.考虑系统不确定性，设计有扰动条件下主动悬架系统控制器

让ΔA和ΔB是范数有界的不确定参数矩阵，则系统的不确定性可以描述为：

[ΔA,ΔB]＝HF(t)[E₁,E₂] (4)

其中，H，E₁，E₂是已知的具有适当维数的实常数矩阵，F(t)是未知的时变矩阵，它满足F^T(t)F(t)≤I，I表示合适维数的单位矩阵，

控制器设计如下：考虑有扰动的车辆主动悬挂系统(3)式，如果存在正定矩阵X,Z∈R^{n ×n}，任意矩阵Y∈R^m×n，给定标量α＞0，γ＞0，如果以下线性矩阵不等式成立：

其中，S＝AX+XA^T+Z+αHH^T，‘*’表示由矩阵不等式中对称位置上的矩阵转置所得到的矩阵，则车辆主动悬架系统(3)式在控制器u(t)＝Ky(t),

控制下是渐进稳定的，其中H_∞性能指数γ，

是C₂的广义逆矩阵，根据车辆主动悬架系统(3)式，带控制延迟、参数不确定性、路面输入扰动和测量输出扰动的主动悬架系统及控制器如下式所示：

步骤4.对步骤3中求得的控制器进行仿真测试，验证求得的所求的控制器可用于汽车悬架的的控制。

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