CN112440643A - 一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器及结构和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器及结构和设计方法，通过采集车身的垂直位移、垂直振动速率和车轮的垂直位移、垂直振动速率以及电磁驱动器的电流，经过时间判断模块和数据处理模块处理，利用模糊自适应律模块得到自适应参数，再经数据处理模块处理为优化后的自适应参数，根据优化后的自适应参数并使用设计的电压信号来调节电流，将逆电动势产生的势能返回给汽车悬架系统，从而使主动汽车悬架系统根据采样数据实现对汽车悬架系统的有效控制，进而通过控制电磁驱动器的输入电流使汽车悬架系统达到稳定的状态。

Description

一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器及结构和设计方法

技术领域

本发明涉及主动汽车悬架控制技术领域，尤其涉及一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器及结构和设计方法。

背景技术

汽车的悬架包括两种，一种是从动悬架，另一种是主动悬架。从动悬架即传统式的悬架，是由弹簧、减振器(减振筒)、导向机构等组成，它的功能是减弱路面传给车身的冲击力，衰减由冲击力而引起的承载系统的振动。其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器的主要作用是衰减振动。相比于从动悬架，主动悬架系统的刚度和阻尼特性能根据汽车的行驶条件(车辆的运动状态和路面状况等)进行动态自适应调节，使悬架系统始终处于最佳减振状态。

目前，主动汽车悬架系统控制技术存在以下问题：

第一，基本没有使用采样控制方法，而从实际角度来看，由于技术等原因的限制，时刻获取汽车的信息来控制主动悬架系统是不可实现的，现有的自适应控制方法在实际应用中有着很大的局限性。

第二，现有的自适应方法虽然可以实现对主动悬架系统的控制，但是在面对数据丢包、部分数据缺失等情况时，无法保障系统的稳定性。

发明内容

本发明提供一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，以克服上述技术问题。

本发明一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器，包括：

时间判断模块、数据处理模块、模糊自适应律模块及电磁驱动器模块；

所述时间判断模块用于根据预设采样周期计算得到控制增益参数，并将所述控制增益参数分别发送所述数据处理模块和电磁驱动器模块；

所述数据处理模块用于采集所述汽车悬架系统数据信息；用于根据所述控制增益参数采集所述汽车悬架系统数据信息，获得模糊自适应参数信息，并将所述模糊自适应参数信息发送至所述模糊自适应律模块，并接受返回的模糊自适应参数动态变化信息，通过计算得到自适应参数优化信息发送所述电磁驱动器模块；所述汽车悬架系统数据信息，包括：车身和车轮的垂直位移信息和垂直振动速率信息；

所述模糊自适应律模块用于计算所述模糊自适应参数信息的动态变化信息，并将所述模糊自适应参数动态变化信息发送所述数据处理模块；

所述电磁驱动器模块用于根据所述控制增益参数采集电流信息，并根据所述自适应参数优化信息通过调节电流强度来调节输出电压。

一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器结构，包括：汽车悬架系统以及所述主动悬架系统模糊自适应采样控制器；其中，所述数据处理模块的输入端分别与所述汽车悬架系统、时间判断模块、模糊自适应律模块的输出端连接；所述模糊自适应律模块的输入端与所述数据处理模块的输出端连接；所述电磁驱动器模块的输入端分别与所述数据处理模块、时间判断模块的输出端连接；所述主动汽车悬架系统与所述电磁驱动器模块的输出端连接；所述时间判断模块的输入端与时间采集设备相连接。

一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，包括：

建立汽车悬架系统模型；

根据预设采样周期获得控制增益参数，以判断采样时间；

采集所述汽车悬架系统模型数据信息；根据所述控制增益参数来处理所述汽车悬架系统模型数据信息，获得模糊自适应参数信息；所述汽车悬架系统模型数据信息，包括：车身和车轮的垂直位移信息、垂直振动速率信息；

通过计算所述模糊自适应参数信息获得模糊自适应参数动态变化信息，再通过所述模糊自适应参数动态变化信息计算得到自适应参数优化信息；

根据所述控制增益参数采集电流信息，并根据所述自适应参数优化信息通过调节电流强度来调节输出电压；

将所述输出电压输出至所述汽车悬架系统模型，通过输出电流控制所述汽车悬架系统模型运动。

进一步地，所述建立汽车悬架系统模型，包括：

所述汽车悬架模型用式(1)表示为：

式中，m_c是悬架系统的簧载质量，m_u是悬架系统的簧下质量，f_d是阻尼力，f_c是弹簧力，f_t是汽车轮胎的弹力，f_b是汽车轮胎的阻尼力，s_c是簧载质量的垂向位移，s_u是簧下质量的垂向位移，s_r是路面激励变量，

是电磁驱动器中逆电动势产生的势能。

进一步地，所述根据预设采样周期获得控制增益参数，以判断采样时间，包括：

预先设置定长采样周期，根据式(2)对控制增益参数进行判断：

式中，s₀为控制增益参数，t为当前时间，t_k为采样时间。

进一步地，所述根据所述控制增益参数来处理所述汽车悬架系统模型数据信息，获得模糊自适应参数信息，包括：

设计虚拟误差面为：

z_j＝x_j-α_j-1,(j＝1,2,...,5) (3)

式中，x₁代表簧载质量的垂向位移s_c，x₂代表簧载质量的垂向位移速率v_c，x₃代表簧下质量的垂向位移s_u，x₄代表簧下质量的垂向位移速率v_u，x₅代表电磁驱动器模块中的电流强度i；α_j是虚拟控制器，其形式为

式中，

λ₁,...,λ_i是正实设计参数，θ_i为模糊自适应参数；

簧载质量的垂向位移s_c通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，t_k＝kh是采样时间，k＝0,1...,∞是第k个采样时刻，h是采样周期。

簧载质量的垂向位移速率v_c通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，

是簧载质量的垂向位移速率；

簧下质量的垂向位移s_u通过数据处理获得变量

表达式为：

簧载质量的垂向位移速率v_u通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，

是簧下质量的垂向位移速率；

电流信号i通过数据处理获得变量i^e，表达式为：

i^e(t)＝s₀(t)i(t_k)+(1-s₀(t))i(t) (9)

所述变量

i^e既是所述采样信息。

进一步地，所述通过计算所述模糊自适应参数信息获得模糊自适应参数动态变化信息，再通过所述模糊自适应参数动态变化信息计算得到自适应参数优化信息，包括：

对所述模糊自适应参数信息引入模糊自适应律，表达式为：

式中，γ_j和σ_j是正实设计常数，z_j是虚拟误差面，

代表簧载质量的垂向位移

代表簧载质量的垂向位移速率

代表、簧下质量的垂向位移

代表簧下质量的垂向位移速率

代表电磁驱动器模块中的电流信号i^e。

进一步地，根据所述控制增益参数采集电流信息，并根据所述自适应参数优化信息通过调节电流强度来调节输出电压，包括：

建立如式(11)的电磁驱动器模型：

是输入电压，P_e是逆电动势，L是自感参数，R是电磁驱动器内的电阻，i是电磁驱动器内的电流；

逆电动势产生的势能，N_m是电磁驱动器的输出转矩，U_h是电磁驱动器的电压；

电磁驱动器产生的电压P_u为：

获得输出电压为：

式中，λ₅是设计的正实常数，θ₅是数据处理模块输出的优化后的自适应参数。

本发明将车身的垂直位移，车身的垂直振动速率，车轮的垂直位移，车轮的垂直振动速率，电磁驱动器的电流等信息经过时间判断模块和数据处理模块处理，利用模糊自适应律模块得到优化后的自适应参数，通过电磁驱动器模块得到电磁驱动器的输入电压，使用设计的电压信号来调节电流，将逆电动势产生的势能返回给汽车悬架系统，从而使主动汽车悬架系统根据采样数据实现对汽车悬架系统的有效控制，进而通过控制电磁驱动器的输入电压、电流使汽车悬架系统达到稳定的状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法流程图；

图2是主动悬架系统模糊自适应采样控制器的控制器结构示意图；

图3是本发明的车身的垂直位移控制效果图；

图4是本发明的车身的垂直振动速率控制效果图；

图5是本发明的车轮的垂直位移控制效果图；

图6是本发明的车轮的垂直振动速率控制效果图；

图7是本发明的电磁驱动器的电流控制效果图；

图8是本发明的电磁驱动器的输入电压调整曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

本实施例提供一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器，包括：

时间判断模块、数据处理模块、模糊自适应律模块及电磁驱动器模块；

所述时间判断模块用于根据预设采样周期计算得到控制增益参数，并将所述控制增益参数分别发送所述数据处理模块和电磁驱动器模块；

所述数据处理模块用于采集所述汽车悬架系统数据信息；用于根据所述控制增益参数采集所述汽车悬架系统数据信息，获得模糊自适应参数信息，并将所述模糊自适应参数信息发送至所述模糊自适应律模块；所述汽车悬架系统数据信息，包括：车身和车轮的垂直位移信息和垂直振动速率信息；

所述模糊自适应律模块用于计算所述模糊自适应参数信息的动态变化信息，并将所述模糊自适应参数动态变化信息发送所述数据处理模块；

所述电磁驱动器模块用于根据所述控制增益参数采集电流信息，并根据所述模糊自适应参数动态变化信息通过调节电流强度来调节输出电压。

如图2所示，本实施例提供了一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器结构，包括：主动悬架系统模糊自适应采样控制器及汽车悬架系统；其中，数据处理模块的输入端分别与汽车悬架系统、时间判断模块、模糊自适应律模块的输出端连接；模糊自适应律模块的输入端与数据处理模块的输出端连接；电磁驱动器模块的输入端分别与数据处理模块、时间判断模块的输出端连接；主动汽车悬架系统与电磁驱动器模块的输出端连接；时间判断模块的输入端与时间采集设备相连接。

本实施例提供一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，包括：

101、建立汽车悬架系统模型；

具体而言，汽车悬架模型用式(1)表示为：

式中，m_c是悬架系统的簧载质量，m_u是悬架系统的簧下质量，f_d是阻尼力，f_c是弹簧力，f_t是汽车轮胎的弹力，f_b是汽车轮胎的阻尼力，s_c是簧载质量的垂向位移，s_u是簧下质量的垂向位移，s_r是路面激励变量，

是逆电动势产生的势能。

102、根据预设采样周期获得控制增益参数，以判断采样时间；

具体而言，预先设置定长采样周期，根据式(2)对控制增益参数进行判断：

式中，s₀为控制增益参数，t为当前时间，t_k为采样时间。

103、采集汽车悬架系统模型数据信息；根据控制增益参数来处理汽车悬架系统模型数据信息，获得模糊自适应参数信息；汽车悬架系统模型数据信息，包括：汽车悬架系统模型中的车身和车轮的垂直位移信息、垂直振动速率信息以及电流信息；

具体而言，设计虚拟误差面为：

z_j＝x_j-α_j-1,(j＝1,2,...,5) (3)

式中，x₁代表簧载质量的垂向位移s_c，x₂代表簧载质量的垂向位移速率v_c，x₃代表簧下质量的垂向位移s_u，x₄代表簧下质量的垂向位移速率v_u，x₅代表电磁驱动器模块中的电流强度i；α_j是虚拟控制器，其形式为

式中，

λ₁,...,λ_i是正实设计参数，θ_i为模糊自适应参数；

簧载质量的垂向位移s_c通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，t_k＝kh是采样时间，k＝0,1...,∞是第k个采样时刻，h是采样周期。

簧载质量的垂向位移速率v_c通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，

是簧载质量的垂向位移速率；

簧下质量的垂向位移s_u通过数据处理获得变量

表达式为：

簧载质量的垂向位移速率v_u通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，

是簧下质量的垂向位移速率；

电流信号i通过数据处理获得变量i^e，表达式为：

i^e(t)＝s₀(t)i(t_k)+(1-s₀(t))i(t) (9)

所述变量

i^e既是所述采样信息。

104、通过计算所述模糊自适应参数信息获得模糊自适应参数动态变化信息，再通过所述模糊自适应参数动态变化信息计算得到自适应参数优化信息；

具体而言，对模糊自适应参数信息引入模糊自适应律，表达式为：

式中，γ_j和σ_j是正实设计常数，z_j是虚拟误差面，

代表簧载质量的垂向位移

代表簧载质量的垂向位移速率

代表、簧下质量的垂向位移

代表簧下质量的垂向位移速率

代表电磁驱动器模块中的电流信号i^e；

是模糊自适应参数动态变化信息，将

返回数据处理模块进行计算后会得到自适应参数优化信息θ₅。

105、据所述控制增益参数采集电流信息，并根据所述自适应参数优化信息通过调节电流强度来调节输出电压；

具体而言，建立如式(11)的电磁驱动器模型：

是输入电压，P_e是逆电动势，L是自感参数，R是电磁驱动器内的电阻，i是电磁驱动器内的电流；

逆电动势产生的势能，N_m是电磁驱动器的输出转矩，U_h是电磁驱动器的电压；

电磁驱动器产生的电压P_u为：

获得输出电压为：

式中，λ₅是设计的正实常数，θ₅是数据处理模块输出的优化后的自适应参数。

106、将输出电压输出至汽车悬架系统模型，通过输出电压控制汽车悬架系统模型运动。

具体而言，将经过电磁驱动器的电压信息输入到汽车悬架系统，通过调整电压、电流的强弱，减少了实际过程中电磁驱动器频繁变频所带来的负担。

仿真试验结果如下：

通过如图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，车身和车轮的垂直位移和垂直震动速率都实现了收敛，也就是意味着设计的采样控制器成功地对汽车车身进行了有效的控制。

该采样控制方法只需采样时间信息即可完成对系统的控制，因此，在控制过程中，如果发生数据丢包、部分数据缺失的情况，只要采样时间信息保持完整，仍然可以完成对汽车悬架系统的控制。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部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范围。

Claims (8)

1.一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器，其特征在于，包括：

时间判断模块、数据处理模块、模糊自适应律模块及电磁驱动器模块；

所述时间判断模块用于根据预设采样周期计算得到控制增益参数，并将所述控制增益参数分别发送所述数据处理模块和电磁驱动器模块；

所述数据处理模块用于采集所述汽车悬架系统数据信息；用于根据所述控制增益参数采集所述汽车悬架系统数据信息，获得模糊自适应参数信息，将所述模糊自适应参数信息发送至所述模糊自适应律模块，并接受返回的模糊自适应参数动态变化信息，通过计算得到自适应参数优化信息发送所述电磁驱动器模块；所述汽车悬架系统数据信息，包括：车身和车轮的垂直位移信息和垂直振动速率信息；

所述模糊自适应律模块用于计算所述模糊自适应参数信息的动态变化信息，并将所述模糊自适应参数动态变化信息发送所述数据处理模块；

所述电磁驱动器模块用于根据所述控制增益参数采集电流信息，并根据所述自适应参数优化信息通过调节电流强度来调节输出电压。

2.一种基于权利要求1所述的主动悬架系统模糊自适应采样控制器的控制器结构，其特征在于，包括：汽车悬架系统以及所述主动悬架系统模糊自适应采样控制器；其中，

所述数据处理模块的输入端分别与所述汽车悬架系统、时间判断模块、模糊自适应律模块的输出端连接；所述模糊自适应律模块的输入端与所述数据处理模块的输出端连接；所述电磁驱动器模块的输入端分别与所述数据处理模块、时间判断模块的输出端连接；所述主动汽车悬架系统与所述电磁驱动器模块的输出端连接；所述时间判断模块的输入端与时间采集设备相连接。

3.一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，其特征在于，包括：

建立汽车悬架系统模型；

根据预设采样周期获得控制增益参数，以判断采样时间；

采集所述汽车悬架系统模型数据信息；根据所述控制增益参数来处理所述汽车悬架系统模型数据信息，获得模糊自适应参数信息；所述汽车悬架系统模型数据信息，包括：车身和车轮的垂直位移信息和垂直振动速率信息；

通过计算所述模糊自适应参数信息获得模糊自适应参数动态变化信息，再通过所述模糊自适应参数动态变化信息计算得到自适应参数优化信息；

根据所述控制增益参数采集电流信息，并根据所述自适应参数优化信息通过调节电流强度来调节输出电压；

将所述输出电压输出至所述汽车悬架系统模型，通过输出电流控制所述汽车悬架系统模型运动。

4.根据权利要求3所述的一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，其特征在于，所述建立汽车悬架系统模型，包括：

所述汽车悬架模型用式(1)表示为：

式中，m_c是悬架系统的簧载质量，m_u是悬架系统的簧下质量，f_d是阻尼力，f_c是弹簧力，f_t是汽车轮胎的弹力，f_b是汽车轮胎的阻尼力，s_c是簧载质量的垂向位移，s_u是簧下质量的垂向位移，s_r是路面激励变量，

是逆电动势产生的势能。

5.根据权利要求4所述的一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，其特征在于，所述根据预设采样周期获得控制增益参数，以判断采样时间，包括：

预先设置定长采样周期，根据式(2)对控制增益参数进行判断：

式中，s₀为控制增益参数，t为当前时间，t_k为采样时间。

6.根据权利要求5所述的一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，其特征在于，所述根据所述控制增益参数来处理所述汽车悬架系统模型数据信息，获得模糊自适应参数信息，包括：

设计虚拟误差面为：

z_j＝x_j-α_j-1,(j＝1,2,...,5) (3)

式中，x₁代表簧载质量的垂向位移s_c，x₂代表簧载质量的垂向位移速率v_c，x₃代表簧下质量的垂向位移s_u，x₄代表簧下质量的垂向位移速率v_u，x₅代表电磁驱动器模块中的电流强度i；α_j是虚拟控制器，其形式为：

式中，

λ₁,...,λ_i是正实设计参数，θ_i为模糊自适应参数；

簧载质量的垂向位移s_c通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，t_k＝kh是采样时间，k＝0,1...,∞是第k个采样时刻，h是采样周期。

簧载质量的垂向位移速率v_c通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，

是簧载质量的垂向位移速率；

簧下质量的垂向位移s_u通过数据处理获得变量

表达式为：

簧载质量的垂向位移速率v_u通过数据处理获得变量

表达式为：

式中，

是簧下质量的垂向位移速率；

电流信号i通过数据处理获得变量i^e，表达式为：

i^e(t)＝s₀(t)i(t_k)+(1-s₀(t))i(t) (9)

所述变量

i^e既是所述模糊自适应参数信息。

7.根据权利要求6所述的一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，其特征在于，所述通过计算所述模糊自适应参数信息获得模糊自适应参数动态变化信息，再通过所述模糊自适应参数动态变化信息计算得到自适应参数优化信息，包括：

对所述模糊自适应参数信息引入模糊自适应律，表达式为：

式中，γ_j和σ_j是正实设计常数，z_j是虚拟误差面，

代表簧载质量的垂向位移

代表簧载质量的垂向位移速率

代表、簧下质量的垂向位移

代表簧下质量的垂向位移速率

代表电磁驱动器模块中的电流信号i^e。

8.根据权利要求7所述的一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器的设计方法，其特征在于，所述根据所述控制增益参数采集电流信息，并根据所述自适应参数优化信息通过调节电流强度来调节输出电压，包括：

建立如式(11)的电磁驱动器模型：

是输入电压，P_e是逆电动势，L是自感参数，R是电磁驱动器内的电阻，i是电磁驱动器内的电流；

逆电动势产生的势能，N_m是电磁驱动器的输出转矩，U_h是电磁驱动器的电压；

电磁驱动器产生的电压P_u为：

获得输出电压为：

式中，λ₅是设计的正实常数，θ₅是数据处理模块输出的优化后的自适应参数。

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