CN111959218B - 一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法 - Google Patents

一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及车辆悬架振动控制技术领域，具体涉及一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法。该方法通过阻尼力监测系统实时监测半主动执行器阻尼力的状态；通过簧上质量加速度传感器测量车身垂向加速度，并通过积分或状态观测器/滤波器重构车身振动速度；通过改进天棚阻尼控制器根据车身振动速度得到期望阻尼力；通过半主动执行器力闭环控制器根据期望阻尼力与实际阻尼力的误差和映射关系得到光滑的控制电流/电压。相比传统的天棚阻尼控制方法，本发明不需要安装簧下质量加速度或不需要通过状态观测器/滤波器间接得到簧下质量振动速度和簧上质量与簧下质量间的相对速度，只需要车身振动速度一个信息就可以得到天棚阻尼控制器的输出。

Description

一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法
技术领域
本发明涉及车辆悬架振动控制技术领域，具体涉及一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法。
背景技术
车辆悬架的结构按控制力可分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架三类。被动悬架主要又弹性组件和被动减振器组成，车辆舒适性和操纵稳定性只在特定的路面状况和运行状态下具有较好的减振效果；主动悬架通过输入外部能量使控制机构给悬架系统施加一定的控制力进行振动抑制，存在硬件昂贵，传感器数量多，结构复杂和消耗能量多的缺点；与主动悬架相比，半主动悬架的控制效果较接近主动悬架，但造价较低，耗能少，结构简单可靠，易于实现，因此具有更广阔的应用前景。
现有技术中存在的主要问题和不足包括：
天棚阻尼控制是一种对簧上质量绝对速度的反馈控制，其假想将执行器设置在簧上质量和惯性坐标(“天棚”)之间，来获得理想的阻尼力来抑制簧上质量的振动。由于控制器结构相对简单和需要的状态信息较少等优点在车辆半主动悬架控制领域得到了广泛的研究和应用，但经典的天棚阻尼控制需要簧上质量和簧下质量之间的相对速度信息来切换控制模式，因此通常需要安装簧下质量加速度传感器或通过状态观测器/滤波器来间接得到相对速度。
经典的天棚阻尼控制需要簧上质量和簧下质量之间的相对速度信息是由于认为半主动执行器只能耗散能量，即只有当相对速度和簧上质量振动速度同向时才能输出阻尼力。然而，分别对簧上质量加速度和簧下质量加速度进行积分间接得到的相对速度由于传感器本身的噪声、漂移和趋势项等因素会存在一定的误差，当真实的相对速度和重构的相对速度存在相位误差时就会使得经典的天棚阻尼控制策略在执行器误操作，从而会影响控制系统的性能。
采用状态观测器/滤波器重构的簧上质量加速度和簧下质量的相对速度，重构误差会受到传感器噪声和状态观测器/滤波器系统未建模动态的影响，因此也会存在真实的相对速度和重构的相对速度相位失配的问题。
因此，探索一种不依赖于簧上质量加速度和簧下质量相对速度的半主动控制策略，对于改善振动控制系统的控制性能和可靠性具有重要的理论意义和工程应用价值。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题和不足，本发明提供了一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，该方法通过阻尼力监测系统实时监测半主动执行器阻尼力的状态；通过簧上质量加速度传感器测量车身垂向加速度，并通过积分或状态观测器/滤波器重构车身振动速度；通过改进天棚阻尼控制器根据车身振动速度得到期望阻尼力；通过半主动执行器力闭环控制器根据期望阻尼力与实际阻尼力的误差和映射关系得到光滑的控制电流/电压。
为了达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：
一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，包括阻尼力/力矩监测系统、簧上质量加速度传感器、改进天棚阻尼控制器、半主动执行器、执行器力闭环控制器；
所述阻尼力/力矩监测系统用于实时监测半主动执行器当前时刻的实际阻尼力并反馈至执行器力闭环控制器；所述簧上质量加速度传感器用于测量车身垂向加速度，并通过积分或状态观测器/滤波器重构车身振动速度；所述改进天棚阻尼控制器用于根据车身振动速度得到期望阻尼力；所述执行器力闭环控制器用于根据期望阻尼力与实际阻尼力的误差和映射关系得到光滑的控制电流/电压，并经由所述电流驱动器控制半主动执行器的阻尼力/力矩。
进一步，所述阻尼力/力矩监测系统用于监测半主动执行器实际的阻尼力/力矩值，由实际物理的力/力矩传感器测试系统实现或由虚拟的力/力矩监测系统实现。
进一步，所述阻尼力/力矩监测系统利用现有执行器的阻尼力/力矩关于速度、位移、加速度、温度和电流等因素的映射模型，如多项式模型、Bingham类模型、Bouc-Wen模型、双曲正切类代数模型和神经网络模型等，根据上一时刻执行器的可测/可预测状态估计当前时刻的阻尼力/力矩值。
再进一步，所述虚拟的力/力矩监测系统为通过增广状态观测器的方法或具有存储功能的系统辨识模块。
进一步，所述阻尼力/力矩监测系统利用现代控制理论中的(增广状态、干扰)观测器设计技术，根据振动控制系统的状态，重构出当前时刻的阻尼力/力矩值。
进一步，所述改进天棚阻尼控制器用于根据车身振动速度得到期望阻尼力，具体为：
Figure BDA0002601284480000031
其中Fc为改进天棚阻尼控制器得到的期望阻尼力，Csky为天棚阻尼系数，
Figure BDA0002601284480000032
为车身振动速度。
进一步，所述执行器力闭环控制器的控制电流为：
Figure BDA0002601284480000033
其中Fc(k)为改进天棚阻尼控制器得到的当前时刻的期望阻尼力；Fa(k)为由阻尼力/力矩监测系统得到的当前时刻的实际阻尼力，I(k)和I(k-1)分别表示当前时刻和前一时刻的控制电流，ΔI(k)表示当电流控制增量；sat为饱和函数，用于将控制电流限定在[0,Imax]。
再进一步，所述ΔI(k)由如下决定：
e(k) NB NM NS ZE PS PM PB
F<sub>a</sub>(k)&gt;0 NB NM NS ZE PS PM PB
F<sub>a</sub>(k)&lt;0 PB PM PS ZE NS NM NB
其中e(k)＝Fc(k)-Fa(k)，为由天棚阻尼控制得到的期望阻尼力与实际阻尼力之间的误差；{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}表示误差的论域[-emin,emax]上划分的若干模糊子集。
备选地，ΔI(k)也可以由经典PID、仿人智能控制和自适应控制等算法实现。
与现有技术相比本发明具有以下优点：
针对现有半主动悬架需要簧上质量和簧下质量之间的相对速度信息而通过积分和观测器间接获得的相对速度与真实相对速度存在相位失配的问题，本发明提供了一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，在改进的天棚阻尼控制器中，去除了相对速度信息，仅利用车身振动速度得到天棚阻尼控制的期望阻尼力，进而通过阻尼力闭环反馈控制模块将控制阻尼力限定在控制可行域内。因此，本发明相比经典的天棚阻尼控制，具有更好的控制性能和更强的可靠性。
附图说明
图1为基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法示意图；
图2为基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制程序图。
具体实施方式
实施例1
一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，包括阻尼力/力矩监测系统、簧上质量加速度传感器、改进天棚阻尼控制器、半主动执行器、执行器力闭环控制器；所述阻尼力/力矩监测系统用于实时监测半主动执行器当前时刻的实际阻尼力并反馈至执行器力闭环控制器；所述簧上质量加速度传感器用于测量车身垂向加速度，并通过积分或状态观测器/滤波器重构车身振动速度；所述改进天棚阻尼控制器用于根据车身振动速度得到期望阻尼力；所述执行器力闭环控制器用于根据期望阻尼力与实际阻尼力的误差和映射关系得到光滑的控制电流/电压，并经由所述电流驱动器控制半主动执行器的阻尼力/力矩。
具体包括以下步骤：
(1)安装簧上质量加速度传感器测量车身垂向加速度，并通过积分或状态观测器/滤波器重构车身振动速度。
(2)通过阻尼力/力矩监测系统监测半主动执行器阻尼力的状态。
(3)根据改进天棚阻尼控制器得到半主动执行器的阻尼力大小为：
Figure BDA0002601284480000051
其中Fc为半主动执行器期望的阻尼力；Csky为天棚阻尼系数；
Figure BDA0002601284480000052
为车身振动速度。该控制器中仅需要车身振动速度，而不再需要簧上质量和簧下质量间的相对速度。
(4)将由改进天棚阻尼控制得到的期望阻尼力Fc和由阻尼力监测系统得到的当前时刻的阻尼力值信息，送入半主动执行器力闭环控制器，可得到控制电流为：
Figure BDA0002601284480000053
其中Fc为由改进天棚阻尼控制器得到的期望的阻尼力；Fa(k)为由阻尼力监测系统得到的当前时刻的实际阻尼力，I(k)和I(k-1)分别表示当前时刻和前一时刻的控制电流，ΔI(k)表示电流控制增量；sat为饱和函数，用于将控制电流限定在[0,Imax]。
(5)电流控制增量ΔI(k)，可由如下决定：
e(k) NB NM NS ZE PS PM PB
F<sub>a</sub>(k)&gt;0 NB NM NS ZE PS PM PB
F<sub>a</sub>(k)&lt;0 PB PM PS ZE NS NM NB
其中e(k)＝Fc(k)-Fa(k)，为由天棚阻尼控制得到的期望阻尼力与实际阻尼力之间的误差；{NB(负大)，NM(负中)，NS(负小)，ZE(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)}表示误差的论域[-emin,emax]上划分的若干模糊子集。
备选地，ΔI(k)也可以由经典PID、仿人智能控制和自适应控制等算法实现。
(6)将控制电流通过电流驱动器输出给半主动执行器。
基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制程序如图2所示。
针对现有半主动悬架需要簧上质量和簧下质量之间的相对速度信息而通过积分和观测器间接获得的相对速度与真实相对速度存在相位失配的问题，本发明提供了一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，在改进的天棚阻尼控制器中，去除了相对速度信息，仅利用车身振动速度得到天棚阻尼控制的期望阻尼力，进而通过阻尼力闭环反馈控制模块将控制阻尼力限定在控制可行域内。因此，本发明相比经典的天棚阻尼控制，具有更好的控制性能和更强的可靠性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换以及改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，其特征在于：包括阻尼力/力矩监测系统、簧上质量加速度传感器、改进天棚阻尼控制器、半主动执行器、执行器力闭环控制器和电流驱动器；
所述阻尼力/力矩监测系统用于实时监测半主动执行器当前时刻实际阻尼力并反馈至执行器力闭环控制器；所述簧上质量加速度传感器用于测量车身垂向加速度，并通过积分或状态观测器/滤波器重构车身振动速度；所述改进天棚阻尼控制器用于根据车身振动速度得到期望阻尼力；所述执行器力闭环控制器用于根据期望阻尼力与实际阻尼力的误差和映射关系得到光滑的控制电流/电压，并经由所述电流驱动器控制半主动执行器的阻尼力/力矩；
所述执行器力闭环控制器的控制电流为：
Figure FDA0003304061390000011
其中Fc(k)为改进天棚阻尼控制器得到的当前时刻的期望阻尼力；Fa(k)为由阻尼力/力矩监测系统得到的当前时刻的实际阻尼力，I(k)和I(k-1)分别表示当前时刻和前一时刻的控制电流，ΔI(k)表示当电流控制增量；sat为饱和函数，用于将控制电流限定在[0,Imax]。
2.根据权利要求1所述的一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，其特征在于：所述阻尼力/力矩监测系统用于监测半主动执行器当前时刻实际的阻尼力/力矩值，由实际物理的力/力矩传感器测试系统实现或由虚拟的力/力矩监测系统实现。
3.根据权利要求2所述的一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，其特征在于：所述虚拟的力/力矩监测系统由增广状态观测器的方法或具有存储功能的系统辨识模块实现。
4.根据权利要求1所述的一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，其特征在于：所述改进天棚阻尼控制器用于根据车身振动速度得到期望阻尼力，具体为：
Figure FDA0003304061390000021
其中Fc为改进天棚阻尼控制器得到的期望阻尼力，Csky为天棚阻尼系数，
Figure FDA0003304061390000022
为车身振动速度。
5.根据权利要求1所述的一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，其特征在于：所述ΔI(k)由如下决定：
e(k) NB NM NS ZE PS PM PB F<sub>a</sub>(k)&gt;0 NB NM NS ZE PS PM PB F<sub>a</sub>(k)&lt;0 PB PM PS ZE NS NM NB
其中e(k)＝Fc(k)-Fa(k)，为由天棚阻尼控制得到的期望阻尼力与实际阻尼力之间的误差；{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}表示误差的论域[-emin,emax]上划分的若干模糊子集。
6.根据权利要求5所述的一种基于阻尼力闭环控制的半主动悬架天棚阻尼控制方法，其特征在于：所述NB表示负大，所述NM表示负中，所述NS表示负小，所述ZE表示零，所述PS表示正小，所述PM表示正中，所述PB表示正大。
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