CN111452579A - 基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于车辆半主动悬架控制技术领域，公开了一种基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制系统及方法，所述方法包括：设置车辆的期望垂直加速度y_r，基于参考模型获取理想状态响应x_m，基于LQG控制器获取阻尼力控制量U；将阻尼力控制量U作用于MRD电流模型，获取控制电流量I；将控制电流量I作用于半主动悬架的MRD减振器，获取实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y；计算实际状态响应x_p与理想状态响应x_m之差e，并作用于自适应优化模型，根据自适应律进行参数K和F的自适应优选；将自适应优选的参数K和F作用于LQG控制器的参数M；基于本发明的系统和方法，有效规避了现有控制方法中设计繁琐、控制效果不佳的问题。

Description

基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制系统及方法

技术领域

本发明属于车辆半主动悬架控制技术领域，具体涉及基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制系统及方法。

背景技术

悬架是车辆行驶系统中不可或缺的组成部分，其性能直接决定车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性和行驶安全性，车辆对性能优越的悬架系统有着迫切的需求。现阶段，基于主动、半主动控制的可控悬架技术是提高悬架性能公认的有效途径。

以半主动控制为例，目前应用于车辆半主动悬架中的控制方法主要包括以下几种：

1)模糊控制算法：由于汽车悬架是非常复杂的非线性系统，数学模型极其复杂，模糊控制采用模糊逻辑进行推理，不需要建立控制系统的精确数学模型，可以避免由于系统误差对控制效果带来的负面影响，从而可以取得良好的控制效果。但是，在模糊控制器的设计过程中需要工程人员根据被控对象的特点设计出切实可行的模糊规则，而模糊规则的设计并无现成的理论可以借鉴，设计者只有依靠个人经验再结合大量的试验来进行，设计过程较为繁琐；

2)天棚阻尼控制算法：该算法的原理是设想在汽车簧载质量与惯性坐标系之间安装一个阻尼器，该阻尼器可以产生一个与簧载质量运动方向相反的力，以有效抑制汽车簧载质量的振动、提高汽车的平顺性；并且，在天棚阻尼控制算法在工作过程中，仅需检测非簧载质量及簧载质量之间的相对运动速度，对传感器数量要求少且控制算法简单有效，从而成为了悬架领域运用较多的算法之一。但是，由于其实现的可能性较低，因此只能作为新算法的比较对象。

3)最优控制算法：该算法主要包含线性二次调节器(LQR)和线性二次高斯调节(LQG)两种控制策略，且两者的主要区别为：LQG内部集成了状态观测器。上述两种控制策略在应用时均需要大量的状态反馈信息，而在状态反馈过程中，其波动带来的状态重构会产生一系列的鲁棒性问题；另外，对于线性系统，最优控制算法可以达到很好的控制效果，但对于非线性系统的控制效果不佳。

综上可知，设计一种简单有效、性能良好的控制方法对可控悬架系统的开发具有重要意义。

发明内容

鉴于此，本发明提供了一种基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制系统及方法，并在本方法中结合了理想参考模型、LQG控制器、自适应控制和磁流变减振器，从而有效规避了现有控制方法中设计繁琐、控制效果不佳的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制系统，包括参考模型、LQG 控制器、自适应优化模型、MRD电流模型和半主动悬架；其中：

所述参考模型基于不变点理论构建而成，用于输出理想悬架的状态响应 x_m，且参考模型的动力学方程为：

所述LQG控制器基于二次最优控制理论进行设计，输出作用于MRD电流模型的阻尼力控制量U，且LQG控制器输出阻尼力控制量U的计算方程为： U(t)＝-R^-1B^TPX(t)＝-MX(t)；其中，M为所述控制系统的最优反馈增益矩阵，P 为常值正定矩阵，且P值须满足黎卡提代数方程：

PA+AP-(PB+N)R^-1(B^TP+N^T)+Q＝0；

所述MRD电流模型用于输出作用于半主动悬架的控制电流量I；

所述半主动悬架用于输出实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y；

所述自适应优化模型包括自适应律，以自适应优选参数K和F，所述参数K和F作用于M，且参数K和F基于实际状态响应x_p与理想状态响应x_m之差e获取，所述自适应律为：

优选的，所述半主动悬架包括MRD磁流变减振器和悬架，且MRD磁流变减振器从MRD电流模型获取控制电流量I，并向悬架提供控制阻尼力f_d。

基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制方法，应用于上述控制系统，包括如下步骤：

S1.设置车辆的期望垂直加速度y_r，基于所述参考模型获取理想状态响应 x_m，基于所述LQG控制器获取阻尼力控制量U；

S2.将阻尼力控制量U作用于所述MRD电流模型，获取控制电流量I；

S3.将控制电流量I作用于所述半主动悬架的MRD减振器，获取实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y；

S4.计算实际状态响应x_p与理想状态响应x_m之差e，并作用于所述自适应优化模型，根据自适应律进行参数K和F的自适应优选；

S5.将优选的参数K和F作用于LQG控制器的参数M，以进行LQG控制器的优选。

优选的，在步骤S3中，包括：

S31.将控制电流量I作用于所述MRD磁流变减振器，获取控制阻尼力f_d；

S32.将控制阻尼力f_d作用于所述悬架，且基于悬架输出实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y。

针对上述控制方法：

优选的，在步骤S3中，还包括MRD磁流变减振器的计算模型，且计算模型为，根据磁流变减振器Bouc-Wen模型对磁流变减振器中输入的控制电流量 I和输出的控制阻尼力f_d进行描述：

则

其中， C₀为磁流变液屈服后的粘性系数；

为减振器活塞杆与的相对速度，也称为激励速度；α为滞变力所占比例系数；z为滞变位移；f_d为磁流变减振器输出的总阻控制尼力；

为滞变速度，γ为与滞回环宽度相关的比例参数；β为调节滞回环高度参数。

优选的，所述参考模型的构建方法为，基于不变点理论在非载簧上安装调谐装置，且调谐装置包括弹簧k_d和阻尼器c_d，所述参考模型包括如下构建步骤：

确定调谐装置质量m_d与非载簧质量m_u的质量比为：

基于质量比确定调谐装置的弹簧k_d为：

确定阻尼器c_d为：

优选的，所述LQG控制器的设计步骤包括：

选取控制指标：以汽车平顺性为评价标准，所述控制指标包括：衡量乘坐舒适性和平顺性的车辆加速度，减小悬架缓冲块冲击力的悬架动行程，以及保证车辆操纵性能和轮胎接地性的轮胎动变形；

以二次最优控制理论描述汽车性能指标：

其中，q₁为车身加速度的加权系数，默认取1；q₂为悬架动行程的加权系数；q₃为轮胎动变形的加权系数；

基于据极值原理，确定半主动悬架在任意时刻t的最优控制力U(t)： U(t)＝-R^{- 1}B^TPX(t)＝-MX(t)，其中，M为系统的最优反馈增益矩阵，P为常值正定矩阵，且P值须满足黎卡提代数方程：PA+AP-(PB+N)R^-1(B^TP+N^T)+Q＝0。

进一步的，在以二次最优控制理论描述汽车性能指标的步骤中，还包括指标同尺度量化处理：

设置车辆加速度均方

的同尺度量化比例系数β₁为1，计算悬架动行程和轮胎动变形的同尺度量化比例系数：

其中，σ_i ²为悬架各性能指标的均方；β_i为各指标同尺度量化比例系数。

更进一步的，在以二次最优控制理论描述汽车性能指标的步骤中，还包括采用层次分析法进行加权比例系数的计算：

基于各指标的相对重要性h_ij构造判断矩阵H：

确定各指标的权重系数：

确定主观加权比例系数：设置车辆加速度的主观加权比例系数γ₁取值为1，计算悬架动行程与轮胎动变形的主观加权比例系数：W₁/γ₁＝W₂/γ₂＝W₃/γ₃；

最终加权比例系数：q_i＝β_i·γ_i,(i＝1,2,…,n)，其中，β_i为同尺度量化比例系数，γ_i为主观加权比例系数。

综上，与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)基于不变点理论，构建了理想悬架参考模型，从而有效解决了舒适性与操稳性之间的矛盾，提高控制效果，并改善了车辆行驶过程中的舒适性、安全性等多种性能。

(2)基于LQG的随机线性二次最优控制理论将悬架系统近似简化为线性系统，从而有效降低了控制器的设计难度。

(3)采用层次分析法确定评价指标的加权比例系数，并运用LQG控制理论，对悬架系统各性能评价指标进行优化，以得到最优的结果，从而有效避免了设计者主观确定各性能评价指标加权系数及其加权系数之间比例的问题。

(4)采用自适应算法，在运行中不断检测系统参数和运行指标，并根据系统参数和运行指标的变化不断改变参数K和F，以此来调整系统参数，从而达到最优的控制作用，并有效实现了控制器的实时在线优化。

附图说明

图1为本发明的控制框图；

图2为本发明中参考模型的结构示意图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

请参阅图1所述，本发明提供了一种基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制系统，包括参考模型、LQG控制器、自适应优化模型、MRD电流模型和半主动悬架；其中：

参考模型基于不变点理论构建而成，用于输出理想悬架的状态响应x_m，且参考模型的动力学方程为：

LQG控制器基于二次最优控制理论进行设计，输出作用于MRD电流模型的阻尼力控制量U，且LQG控制器输出阻尼力控制量U的计算方程为： U(t)＝-R^-1B^TPX(t)＝-MX(t)；其中，M为控制系统的最优反馈增益矩阵，P为常值正定矩阵，且P值须满足黎卡提代数方程：

PA+AP-(PB+N)R^-1(B^TP+N^T)+Q＝0；

MRD电流模型用于输出作用于半主动悬架的控制电流量I；

半主动悬架包括MRD磁流变减振器和悬架，且MRD磁流变减振器从MRD 电流模型获取控制电流量I，并向悬架提供控制阻尼力f_d，悬架用于输出实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y；

自适应优化模型包括自适应律，以自适应优选参数K和F，参数K和F 作用于M，且参数K和F基于实际状态响应x_p与理想状态响应x_m之差e获取，所述自适应律为：

根据上述控制系统，本发明还提供了一种基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制方法，包括如下步骤：

S1.设置车辆的期望加速度y_r，基于参考模型获取理想状态响应x_m，基于LQG控制器获取阻尼力控制量U；

S2.将阻尼力控制量U作用于MRD电流模型，获取控制电流量I；

S3.将控制电流量I作用于半主动悬架的MRD减振器，获取实际状态响应 x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y；

S4.计算实际状态响应x_p与理想状态响应x_m之差e，并作用于所述自适应优化模型，根据自适应律进行参数K和F的自适应优选；

S5.将优选的参数K和F作用于LQG控制器的参数M，以进行LQG控制器的优选。

具体，基于半主动悬架的组成，步骤S3优选为：

S31.将控制电流量I作用于MRD磁流变减振器，获取控制阻尼力f_d；

S32.将控制阻尼力f_d作用于悬架，且基于悬架输出实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y。

综上，在持续循环控制的过程中使得作用于车辆的实际垂直加速度y始终保持为最小值，由此有效提高了车辆行驶过程中的舒适性、安全性等多种性能。

而在上述控制系统和控制方法中，而模型的构建和计算原理如下：

(1)关于MRD磁流变减振器的计算模型：

具体，根据磁流变减振器Bouc-Wen模型对磁流变减振器中输入的控制电流量I和输出的控制阻尼力f_d进行描述：

则

其中， C₀为磁流变液屈服后的粘性系数；

为减振器活塞杆与的相对速度，也称为激励速度；α为滞变力所占比例系数；z为滞变位移；f_d为磁流变减振器输出的总阻控制尼力；

为滞变速度，γ为与滞回环宽度相关的比例参数；β为调节滞回环高度参数。

(2)结合图2，构建参考模型：

不变点理论：指传统悬架的参数不论怎么改变，悬架性能的频率特性曲线始终经过一个点，这个点就是悬架的不变点；

基于不变点的影响，使得悬架的性能不会达到最佳状态，因此本发明中在悬架上设置调谐装置，以降低悬架的不变点，提高悬架性能，进而实现理想悬架参考模型的构建；

上述调谐装置的设置方式如图2所示，且基于调谐装置的参考模型的构建步骤包括：

确定调谐装置质量m_d与非载簧质量m_u的质量比为：

基于质量比确定调谐装置的弹簧k_d为：

确定阻尼器c_d为：

(3)设计LQG控制器：

a)选取控制指标：以汽车平顺性为评价标准，控制指标包括：衡量乘坐舒适性和平顺性的车辆加速度，减小悬架缓冲块冲击力的悬架动行程，以及保证车辆操纵性能和轮胎接地性的轮胎动变形。

b)以二次最优控制理论描述汽车性能指标：

其中，q₁为车身加速度的加权系数，默认取1；q₂为悬架动行程的加权系数；q₃为轮胎动变形的加权系数；

c)确定汽车性能指标的加权系数：

c1.指标同尺度量化处理：设置车辆加速度均方

的同尺度量化比例系数β₁为1，计算悬架动行程和轮胎动变形的同尺度量化比例系数：

其中，σ_i ²为悬架各性能指标的均方；β_i为各指标同尺度量化比例系数；

c2.采用层次分析法进行加权比例系数的计算：

基于各指标的相对重要性h_ij构造判断矩阵H：

且各指标的相对重要性h_ij如下表所述：

指标i/j	同等重要	略重要	比较重要	重要	很重要
						h<sub>ij</sub>	1	3	5	7	9

确定各指标的权重系数：

确定主观加权比例系数：设置车辆加速度的主观加权比例系数γ₁取值为1，计算悬架动行程与轮胎动变形的主观加权比例系数：W₁/γ₁＝W₂/γ₂＝W₃/γ₃；

最终加权比例系数：q_i＝β_i·γ_i,(i＝1,2,…,n)，其中，β_i为同尺度量化比例系数，γ_i为主观加权比例系数。

上述，层次分析法是一种用于多目标规划和决策的方法，用其确定控制指标的加权比例系数，可有效避免反复试算，从而提高控制器的准确性和适应性。

d)基于据极值原理，确定半主动悬架在任意时刻t的最优控制力U(t)： U(t)＝-R-¹B^TPX(t)＝-MX(t)，其中，M为系统的最优反馈增益矩阵，P为常值正定矩阵，且P值须满足黎卡提代数方程：PA+AP-(PB+N)R^-1(B^TP+N^T)+Q＝0。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制系统，其特征在于，包括参考模型、LQG控制器、自适应优化模型、MRD电流模型和半主动悬架；其中：

所述参考模型基于不变点理论构建而成，用于输出理想悬架的状态响应x_m，且参考模型的动力学方程为：

所述LQG控制器基于二次最优控制理论进行设计，输出作用于MRD电流模型的阻尼力控制量U，且LQG控制器输出阻尼力控制量U的计算方程为：U(t)＝-R^-1B^TPX(t)＝-MX(t)；其中，M为所述控制系统的最优反馈增益矩阵，P为常值正定矩阵，且P值须满足黎卡提代数方程：

PA+AP-(PB+N)R^-1(B^TP+N^T)+Q＝0；

所述MRD电流模型用于输出作用于半主动悬架的控制电流量I；

所述半主动悬架用于输出实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y；

所述自适应优化模型包括自适应律，以自适应优选参数K和F，所述参数K和F作用于M，且参数K和F基于实际状态响应x_p与理想状态响应x_m之差e获取，所述自适应律为：

2.根据权利要求1所述的控制系统，其特征在于：所述半主动悬架包括MRD磁流变减振器和悬架，且MRD磁流变减振器从MRD电流模型获取控制电流量I，并向悬架提供控制阻尼力f_d。

3.基于悬架不变点理论的车辆半主动自适应控制方法，其特征在于，应用于权利要求1或2所述的控制系统中，包括如下步骤：

S1.设置车辆的期望垂直加速度y_r，基于所述参考模型获取理想状态响应x_m，基于所述LQG控制器获取阻尼力控制量U；

S2.将阻尼力控制量U作用于所述MRD电流模型，获取控制电流量I；

S3.将控制电流量I作用于所述半主动悬架的MRD减振器，获取实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y；

S4.计算实际状态响应x_p与理想状态响应x_m之差e，并作用于所述自适应优化模型，根据自适应律进行参数K和F的自适应优选；

S5.将优选的参数K和F作用于LQG控制器的参数M，以进行LQG控制器的优选。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述半主动悬架包括MRD磁流变减振器和悬架，且在步骤S3中，包括：

S31.将控制电流量I作用于所述MRD磁流变减振器，获取控制阻尼力f_d；

S32.将控制阻尼力f_d作用于所述悬架，且基于悬架输出实际状态响应x_p和作用于车辆的实际垂直加速度y。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，还包括磁流变减振器的计算模型，且计算模型I为下式，根据磁流变减振器Bouc-Wen模型对磁流变减振器中输入的控制电流量I和输出的控制阻尼力f_d进行描述：

则

其中，C₀为磁流变液屈服后的粘性系数；

为减振器活塞杆与的相对速度，也称为激励速度；α为滞变力所占比例系数；z为滞变位移；f_d为磁流变减振器输出的总阻控制尼力；

为滞变速度，γ为与滞回环宽度相关的比例参数；β为调节滞回环高度参数。

6.根据权利要求4所述控制方法，其特征在于，所述参考模型的构建方法为，基于不变点理论在非载簧上安装调谐装置，且调谐装置包括弹簧k_d和阻尼器c_d，所述参考模型包括如下构建步骤：

确定调谐装置质量m_d与非载簧质量m_u的质量比为：

基于质量比确定调谐装置的弹簧k_d为：

确定阻尼器c_d为：

7.根据权利要求4所述控制方法，其特征在于，所述LQG控制器的设计步骤包括：

选取控制指标：以汽车平顺性为评价标准，所述控制指标包括：衡量乘坐舒适性和平顺性的车辆加速度，减小悬架缓冲块冲击力的悬架动行程，以及保证车辆操纵性能和轮胎接地性的轮胎动变形；

以二次最优控制理论描述汽车性能指标：

其中，q₁为车身加速度的加权系数，默认取1；q₂为悬架动行程的加权系数；q₃为轮胎动变形的加权系数；

基于据极值原理，确定半主动悬架在任意时刻t的最优控制力U(t)：U(t)＝-R^-1B^TPX(t)＝-MX(t)，其中，M为系统的最优反馈增益矩阵，P为常值正定矩阵，且P值须满足黎卡提代数方程：PA+AP-(PB+N)R^-1(B^TP+N^T)+Q＝0。

8.根据权利要求7所述控制方法，其特征在于，在以二次最优控制理论描述汽车性能指标的步骤中，还包括指标同尺度量化处理：

设置车辆加速度均方

的同尺度量化比例系数β₁为1，计算悬架动行程和轮胎动变形的同尺度量化比例系数：

其中，σ_i ²为悬架各性能指标的均方；β_i为各指标同尺度量化比例系数。

9.根据权利要求8所述控制方法，其特征在于，在以二次最优控制理论描述汽车性能指标的步骤中，还包括采用层次分析法进行加权比例系数的计算：

基于各指标的相对重要性h_ij构造判断矩阵H：

确定各指标的权重系数：

确定主观加权比例系数：设置车辆加速度的主观加权比例系数γ₁取值为1，计算悬架动行程与轮胎动变形的主观加权比例系数：W₁/γ₁＝W₂/γ₂＝W₃/γ₃；

最终加权比例系数：q_i＝β_i·γ_i,(i＝1,2,…,n)，其中，β_i为同尺度量化比例系数，γ_i为主观加权比例系数。

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