CN110281725A - 存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法及系统 - Google Patents

存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法及系统 Download PDF

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CN110281725A CN201910441014.XA CN201910441014A CN110281725A CN 110281725 A CN110281725 A CN 110281725A CN 201910441014 A CN201910441014 A CN 201910441014A CN 110281725 A CN110281725 A CN 110281725A
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曹青松
陈逸宁
高小林
易星
邱香
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    • B60G17/00—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load
    • B60G17/015—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements
    • B60G17/018—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements characterised by the use of a specific signal treatment or control method
    • B60G17/0182—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load the regulating means comprising electric or electronic elements characterised by the use of a specific signal treatment or control method involving parameter estimation, e.g. observer, Kalman filter

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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Abstract

本发明涉及一种存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法及系统，该方法包括如下步骤：建立四分之一车体的主动悬架方程以及作动器死区数学模型；将所述作动器死区数学模型加入到所述主动悬架模型方程中，以建立得到含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型；在所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型中，基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益值。本发明提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，可有效消除作动器死区对汽车行驶性能的影响，提高了乘客体验。

Description

存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法及系统
技术领域
本发明涉及汽车控制技术领域，特别涉及一种存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法及系统。
背景技术
随着汽车工业的不断发展，汽车的品质也在不断地提高，以迎合消费者的购买需求。目前，如何提高汽车的整体性能成为了研发工程师的首要研究重点。
对汽车而言，汽车悬架是其中的一个重要总成，主要功用是将路面作用于车轮上的各种力都传递到车架(或承载式车身)上，以保证汽车的正常行驶。除此之外，汽车悬架还应具有良好的减振和缓冲能力，在汽车行驶过程中传递车轮与路面之间的摩擦力。在汽车进行转向时，汽车悬架还需承受来自车身的侧向力，并在汽车起步的制动时能够抑制车身的俯仰振动，提高汽车的行驶稳定和安全性。
车辆振动会直接影响车辆的行驶平顺性、操纵稳定性及车辆零部件的疲劳寿命。然而，汽车作动器死区会引起车辆振动，进而影响汽车的正常行驶，因此如何有效地规避作动器死区的影响，将成为提高车辆整体性能的一项具有意义的任务。
发明内容
基于此，本发明的目的是为了解决现有技术中，由于汽车作动器死区会引起车辆振动，进而影响汽车的正常行驶的问题。
本发明提出一种存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，所述方法包括如下步骤：
建立四分之一车体的主动悬架方程以及作动器死区数学模型；
将所述作动器死区数学模型加入到所述主动悬架模型方程中，以建立得到含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型；
在所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型中，基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益值。
本发明提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，首先建立四分之一车体的主动悬架方程，然后将四分之一车体的主动悬架的运动微分方程转换为状态空间方程，以便将A、B、C以及D的状态变量输入到MATLAB中，在本发明中，由于在四分之一车体的主动悬架模型中，考虑了作动器死区的影响将作动器死区模型加入到四分之一的主动悬架模型中，然后基于最优控制器设计函数进行多次迭代得到最优增益值。本发明提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，可有效消除作动器死区对汽车行驶性能的影响，提高了乘客体验。
所述存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，所述四分之一车体的主动悬架模型方程的表达式为：
m1z1″＝kt(q-z1)-ks(z1-z2)-ce(z1′-z2′)+Fd
m2z2″＝ks(z1-z2)+ce(z1′-z2′)-Fd
q、z1、z2分别为地面、轮胎以及车身的垂直位移；Fd为控制力；ks、kt为悬架弹簧刚度和轮胎刚度；m2、m1分别为簧载质量和非簧载质量；ce为悬架等效阻尼系数。
所述存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，在所述建立四分之一车体的主动悬架模型方程的步骤之后，所述方法还包括，将所述四分之一车体的主动悬架模型方程转换为主动悬架状态方程组，所述主动悬架状态方程组的表达式为：
X＝AX+Bu(t)
Y＝CX+Du(t)
其中主动悬架状态方程组中的A、B、C以及D分别表示状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵以及传递矩阵，u表示输入矩阵，X以及Y为状态变量；
X＝[x1 x2 x3 x4]T
Y＝[y1 y2 y3 y4]T
其中，在状态变量X以及状态变量Y的表达式中：
所述存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，在转换后得到的主动悬架状态方程组中，状态矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C以及传递矩阵D的表达式分别为：
所述存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，所述作动器死区数学模型的表达式为：
u＝DZ(v)＝ρv
DZ(v(t))表示含死区特性执行器输入，ρ为执行器的控制增益，v为执行器的控制输入；
gl(v)为死区特性的左斜坡特性，即当v≤bl时的特性；gr(v)为死区特性的右斜坡特性，即当v≥br时的特性，gl(v)和gr(v)为非线性函数。
所述存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，所述控制增益ρ还可表示为：
所述存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型的表达式为：
m1z1″＝kt(q-z1)-ks(z1-z2)-ce(z1′-z2′)+DZ(v)
m2z2″＝ks(z1-z2)+ce(z1′-z2′)-DZ(v)
DZ(v)＝ρv
所述存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型的公式，在转换为含作动器死区的四分之一车体主动悬架状态方程之后的各矩阵可表示为：
所述存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其中，所述基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益数据的方法包括如下步骤：
根据公式u*＝-R-1BTPx＝-Kx计算得到所述最优增益值；
其中K为最优反馈增益矩阵，P为常值正定矩阵，R为正定实对称常数矩阵。
本发明还提出一种存在作动器死区的主动悬架的优化控制系统，其中，所述系统包括：
模型建立模块，用于建立四分之一车体的主动悬架方程以及作动器死区数学模型；
模型整合模块，用于将所述作动器死区数学模型加入到所述主动悬架模型方程中，以建立得到含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型；
增益输出模块，用于在所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型中，基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益值。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明第一实施例提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法的原理示意图；
图2为本发明第一实施例提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法的流程图；
图3为本发明第二实施例提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法的流程图；
图4为本发明第三实施例提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
车辆振动会直接影响车辆的行驶平顺性、操纵稳定性及车辆零部件的疲劳寿命。然而，汽车作动器死区会引起车辆振动，进而影响汽车的正常行驶，因此如何有效地规避作动器死区的影响，将成为提高车辆整体性能的一项具有意义的任务。
为了解决这一技术问题，本发明提出一种存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，请参阅图1与图2，对于本发明第一实施例提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，包括如下步骤：
S101，建立四分之一车体的主动悬架方程以及作动器死区数学模型。
在本步骤中，根据主动悬架系统的特性，所建立的四分之一车体的主动悬架模型方程的表达式为：
q、z1、z2分别为地面、轮胎以及车身的垂直位移；Fd为控制力；ks、kt为悬架弹簧刚度和轮胎刚度；m2、m1分别为簧载质量和非簧载质量；ce为悬架等效阻尼系数。
在建立了主动悬架方程之后，需要将其转换为状态方程组，以便导入到MATLAB软件中。具体的，主动悬架状态方程组的表达式为：
X＝AX+Bu(t)
Y＝CX+Du(t) (2)
其中主动悬架状态方程组中的A、B、C以及D分别表示状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵以及传递矩阵，u表示输入矩阵，X以及Y为状态变量；
X＝[x1 x2 x3 x4]T
Y＝[y1 y2 y3 y4]T
其中，在状态变量X以及状态变量Y的表达式中：
在转换后得到的主动悬架状态方程组中，状态矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C以及传递矩阵D的表达式分别为：
对上述的作动区死区数学模型而言，该作动器死区数学模型的表达式为：
u＝DZ(v)＝ρv (3)
DZ(v(t))表示含死区特性执行器输入，ρ为执行器的控制增益，v为执行器的控制输入。其中执行器的线性部分为：
br>0,bl<0是两个未知参数，gl(v)为死区特性的左斜坡特性，即当v≤bl时的特性；gr(v)为死区特性的右斜坡特性，即当v≥br时的特性，gl(v)和gr(v)为未知的非线性函数。
在执行器的死区模型中，执行器输出是非线性，存在未知参数kl0,kl1,kr0,kr1满足如下关系：
gl(v)＝gl′(bl)(v-bl)v∈(bl,br] (6)
gr(v)＝gr′(br)(v-br)v∈[bl,br)
中gl′(v)是gl(v)导数，gr′(v)是gr(v)导数。并将函数两段在区间(bl br]和[bl,br)做延伸有：
gl′(bl)是gl′(v)在bl处的导数，gr′(br)是gr′(v)在br处的导数。根据微分中值定理，常数ξl∈(-∞,bl)有：
gl(v)＝gl(v)-gl(bl)＝gl′(ξl(v))(v-bl),
其中，gl(bl)是函数gl(v)在左端点bl处的值，gl′(ξl(v))是函数gl(v)在点ξl(u)处的导数值；同理，根据微分中值定理得一定存在常数ξr(v)∈(br,+∞)使得下式成立：
gr(v)＝gr(v)-gr(br)＝gr′(ξr(v))(v-br),
其中gr(br)是函数gr(v)在右端点br处的值，gr′(ξr(v))是函数gr(v)在点ξr(v)处的导数值。
综上所得：
S102，将所述作动器死区数学模型加入到所述主动悬架模型方程中，以建立得到含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型。
考虑加入死区模型，建立含死区作动器的两自由度1/4车辆主动悬架模型。动力学方程如下：
m1z1″＝kt(q-z1)-ks(z1-z2)-ce(z1′-z2′)+DZ(v)
m2z2″＝ks(z1-z2)+ce(z1′-z2′)-DZ(v) (9)
DZ(v)＝ρv
同样选取之前的状态变量，输出矩阵和根据公式(2)建立状态方程组解得含有死区的状态变量A,B,C,D，结果如下：
S103，在所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型中，基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益值。
采用最优控制理论基于带死区LQR控制器计算控制力，假定受控系统的运动规律用线性常微分方程组来描述，其状态方程如下：
y＝Cx+Du
要使得二次型目标函数为最小，即：
其中，Q为半正定实对称常数矩阵，R为正定实对称常数矩阵；Q、R分别为x和u的加权矩阵。根据极值原理，可得到最优控制力，即：
u*＝-R-1BTPx＝-Kx
其中，K为最优反馈增益矩阵，P为常值正定矩阵，必须满足黎卡提(Riccati)代数方程：
PA+ATP+PB-1RBP+Q＝0
因此系统设计归结于求解黎卡提方程，求出反馈矩阵。同时，将死区考虑进来，由推导公式可知状态变量B和D受控制增益影响，而控制增益是个分段函数，因此状态变量也和控制增益一样为分段表达。
假设：
(1)在v>br时，所得ρ1,B1,D1；
(2)在-bl≤v≤br时，所得ρ2,B2,D2；
(3)在v<-bl时，所得ρ3,B3,D3。
采用一种迭代切换法，在考虑进死区后，控制增益将B和D分成三段，随着输入值不同切换到相应的状态矩阵，从而与最优控制算法结合，不断用变量的旧值递推新值的过程。具体步骤为将三段不同的状态矩阵，求得三个最优解，根据输入u变量的变化，选择相应的反馈增益K，计算出最优控制力，起到最优控制调节。
本发明提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，首先建立四分之一车体的主动悬架方程，然后将四分之一车体的主动悬架的运动微分方程转换为状态空间方程，以便将A、B、C以及D的状态变量输入到MATLAB中，在本发明中，由于在四分之一车体的主动悬架模型中，考虑了作动器死区的影响将作动器死区模型加入到四分之一的主动悬架模型中，然后基于最优控制器设计函数进行多次迭代得到最优增益值。本发明提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，可有效消除作动器死区对汽车行驶性能的影响，提高了乘客体验。
下面以一个具体的实例对本发明的技术内容进行更加详细地叙述。请参阅图3，对于本发明第二实施例提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其具体实施方式如下所述：
最优控制实际是在原有模型基础上添加一个反馈控制，而这个反馈是状态反馈，而控制力的大小就是反馈的结果，而其中的K(t)＝-R-1(t)Bτ(t)P(t)得出反馈控制力的大小。
因此，将我们所求得矩阵A,B,C,D在MATLAB中调用线性二次型最优控制器设计函数：
K＝lqry(A,B,C,D,Q,R)
求出增益矩阵K即完成带有死区最优主动悬架控制器的设计。根据任意时刻的反馈变量x(t)，就得到t时刻作动器的最优控制力。
u(t)＝-Kx(t)
采用某车辆悬架基本参数，非簧载质量m1＝40Kg。簧载质量m2＝400Kg。弹簧刚度Ks＝20Kg。轮胎刚度Kt＝250Kg。悬架等效阻尼系数ce＝2000Ns/m；设置权重系数：
Q＝[10000 0 0 0；0 1 0 0；0 0 1 0；0 0 0 100]；R＝1
在Simulink环境下建立的最优主动悬架车辆仿真模型框图，先考虑无死区情况下建立的主动悬架模型分析结果，及其同一模型加入死区但并未处理产生的影响分析。
第一步，求解状态变量A,B,C,D：
第二步，在MATLAB中求解出反馈增益为k：
K＝1.0e+04*[-0.0597 0.5309 -2.2491 0.0117]
第三步，将状态变量A,B,C,D，和反馈增益输入在simulink建立的主动悬架车辆模型，并观察其簧载加速变化和阶跃信号，将两者进行对比。
此时，将考虑加入死区后用LQR最优控制器进行优化，设置死区执行器参数：
gl(v)＝0.8x+0.24,gr(v)＝1.5x-0.3
bl＝-0.3,br＝0.2
可计算得死区表达为：
并由公式(8)求得执行器的控制增益ρ：
计算所得控制增益是分段的，由之前理论部分所知状态变量B和D会受控制增益的影响也分为三段，而A和C不受影响三段值均相等，与不加死区时A,C状态变量一样。
假设在v>0.2时所得ρ1,B1,D1；
在-0.3≤v≤0.2时所得ρ2,B2,D2；
在v<-0.3时所得ρ3,B3,D3。
分别计算出在控制增益不同段时，三种状态变量A,B,C,D。
在v>0.2时，ρ1＝1.5：
将我们所求得矩阵A,B1,C,D1在MATLAB中调用线性二次型最优控制器设计函，求出增益矩阵：
K1＝1.0e+04*[0.0074 0.3120 -1.0489 0.0204]
在-0.3≤v≤0.2时，ρ2＝2.3：
将我们所求得矩阵A,B2,C,D2在MATLAB中调用线性二次型最优控制器设计函，求出增益矩阵：
K2＝1.0e+03*[-1.1573 2.2733 -8.3711 0.1368]
在v<-0.3时，ρ3＝0.8：
将我们所求得矩阵A,B3,C,D3在MATLAB中调用线性二次型最优控制器设计函，求出增益矩阵：
K3＝1.0e+04*[-0.0485 0.6644 -2.8525 0.0122]
并设置权重系数Q,R建立仿真模型，设置三段状态矩阵和对应的反馈增益K，调节在simulink建立模型并观察簧载加速变化。
请参阅图4，对于本发明第三实施例提出的存在作动器死区的主动悬架的优化控制系统，所述系统包括依次连接的模型建立模块、模型整合模块以及增益输出模块；
其中所述模型建立模块具体用于：
建立四分之一车体的主动悬架方程以及作动器死区数学模型；
所述模型整合模块具体用于：
将所述作动器死区数学模型加入到所述主动悬架模型方程中，以建立得到含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型；
所述增益输出模块具体用于：
在所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型中，基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益值。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成。所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，包括上述方法所述的步骤。所述的存储介质，包括：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
建立四分之一车体的主动悬架方程以及作动器死区数学模型；
将所述作动器死区数学模型加入到所述主动悬架模型方程中，以建立得到含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型；
在所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型中，基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益值。
2.根据权利要求1所述的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，所述四分之一车体的主动悬架模型方程的表达式为：
m1z1″＝kt(q-z1)-ks(z1-z2)-ce(z1′-z2′)+Fd
m2z2″＝ks(z1-z2)+ce(z1′-z2′)-Fd
q、z1、z2分别为地面、轮胎以及车身的垂直位移；Fd为控制力；ks、kt为悬架弹簧刚度和轮胎刚度；m2、m1分别为簧载质量和非簧载质量；ce为悬架等效阻尼系数。
3.根据权利要求2所述的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，在所述建立四分之一车体的主动悬架模型方程的步骤之后，所述方法还包括，将所述四分之一车体的主动悬架模型方程转换为主动悬架状态方程组，所述主动悬架状态方程组的表达式为：
X＝AX+Bu(t)
Y＝CX+Du(t)
其中主动悬架状态方程组中的A、B、C以及D分别表示状态矩阵、输入矩阵、输出矩阵以及传递矩阵，u表示输入矩阵，X以及Y为状态变量；
X＝[x1 x2 x3 x4]T
Y＝[y1 y2 y3 y4]T
其中，在状态变量X以及状态变量Y的表达式中：
4.根据权利要求3所述的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，在转换后得到的主动悬架状态方程组中，状态矩阵A、输入矩阵B、输出矩阵C以及传递矩阵D的表达式分别为：
5.根据权利要求1所述的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，所述作动器死区数学模型的表达式为：
u＝DZ(v)＝ρv
DZ(v(t))表示含死区特性执行器输入，ρ为执行器的控制增益，v为执行器的控制输入；
gl(v)为死区特性的左斜坡特性，即当v≤bl时的特性；gr(v)为死区特性的右斜坡特性，即当v≥br时的特性，gl(v)和gr(v)为非线性函数。
6.根据权利要求5所述的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，所述控制增益ρ可表示为：
7.根据权利要求1所述的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型的表达式为：
m1z1″＝kt(q-z1)-ks(z1-z2)-ce(z1′-z2′)+DZ(v)
m2z2″＝ks(z1-z2)+ce(z1′-z2′)-DZ(v)
DZ(v)＝ρv
8.根据权利要求7所述的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型的公式，在转换为含作动器死区的四分之一车体主动悬架状态方程之后的各矩阵可表示为：
9.根据权利要求1所述的存在作动器死区的主动悬架的优化控制方法，其特征在于，所述基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益数据的方法包括如下步骤：
根据公式u*＝-R-1BTPx＝-Kx计算得到所述最优增益值；
其中K为最优反馈增益矩阵，P为常值正定矩阵，R为正定实对称常数矩阵。
10.一种存在作动器死区的主动悬架的优化控制系统，其特征在于，所述系统包括：
模型建立模块，用于建立四分之一车体的主动悬架方程以及作动器死区数学模型；
模型整合模块，用于将所述作动器死区数学模型加入到所述主动悬架模型方程中，以建立得到含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型；
增益输出模块，用于在所述含作动器死区的四分之一车体主动悬架模型中，基于最优控制器设计函数进行多次迭代以输出最优增益值。
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CN110901326A (zh) * 2019-12-03 2020-03-24 辽宁工业大学 一种具有状态约束与死区输入的主动悬架系统的控制方法

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