CN115360912A - 基于pi前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，属于车辆控制领域，包括步骤：S1、建立馈能悬架系统动力学模型；S2、建立能量回馈控制系统仿真模型；S3、设计电压外环控制器，通过PI控制器和基于模型的前馈补偿器计算得到参考电流；同时设计负载扰动观测器对负载的变化进行观测；S4、设计电流内环控制器，通过模型预测控制算法计算得到最优占空比；同时设计电感电流观测器对电感电流进行等效估计以避免输入电压和电感电阻的变化对回馈电能质量的影响。本发明可有效地改善回馈电能的质量，同时在外界发生扰动时依旧可以保持良好的控制效果。此外，本发明还可以有效地提高车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及车辆控制领域，特别涉及基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统。
背景技术
随着环境和能源问题的日益严峻，汽车节能技术的研发和改进已在世界范围内成为一个热点问题。悬架是汽车中一个重要的部件，主要用于吸收和衰减路面不平引起的振动，将悬架的振动能转化为电能并加以回收利用，对提高汽车的燃油经济性具有十分显著的作用。因此，如何高效可靠地将悬架的振动能量转化为可用电能已经成为国内外学者的研究焦点。
近年来，研究者们对馈能型悬架的作动器构型、能量回收效率及动力学性能等方面进行了广泛的研究。馈能型悬架根据作动器构型不同可分为旋转电机式和直线电机式，旋转电机式需要传动机构将悬架的上下振动转化为旋转运动，但是这种电机结构复杂、工作效率低，而直线电机则可以对悬架的振动直接进行转化，具有安装简单，机械损失少等优势。因此，直线电机被广泛的应用于馈能悬架领域的研究中。为了解决振动能量回收不充分的问题，研究者们采用了新的辅助功率平衡策略以及设计了克服阻尼失效的控制系统来提高悬架的能量转换效率，改善悬架的动力学性能。
随着车联网技术的高速发展，智能交通与自动驾驶等领域需要使用多个传感器对道路和车辆状况进行监测，对电能质量的要求越来越严格，设计一种可以改善回馈电能质量的有效方法，实现对传感器等车载用电设备进行直接供电具有十分重要的意义。在能量回馈控制系统中，Boost电路在能量转换的过程中发挥着十分重要的作用，因此，本发明主要集中在对Boost电路的控制策略方面，同时考虑能量回馈控制系统中参数的扰动可能会影响能量回馈的效果，本发明中设计了扰动观测器对系统中的不确定项进行观测，从而提高能量回馈控制系统的鲁棒性。本发明中所提出的方法可以将振动产生的随机、无规则的交流电转化为稳定可靠的直流电，实现为车载用电设备直接进行供电的目的。
发明内容
为解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，可以将悬架振动产生的电能转化为稳定可靠的直流电，以供车载用电设备使用。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，包括：
悬架动力学系统，包括弹簧、阻尼减振器和电磁直线电机作动器，所述悬架动力学系统用于将车辆在行驶过程中的振动能量转化为不规则的交流电；
能量回馈控制系统，包括整流滤波模块、升压模块和PI前馈模型预测控制模块，所述能量回馈控制系统用于将不规则的交流电转化为稳定可靠的直流电，其中，所述PI前馈模型预测控制模块包括PI前馈控制模块和模型预测控制模块。
可选的，所述电磁直线电机作动器用于可以在车辆行驶于不平路面时，悬架的振动使得电机内永磁铁和线圈之间产生相对运动，从而产生感应电动势和感应电流。
可选的，所述电磁直线电机用于根据电磁阻尼原理，产生电磁阻尼力阻碍悬架相对运动，从而衰减路面不平引起的振动，提高车辆的乘坐舒适性。
可选的，所述整流滤波模块用于对不规则的交流电转化为直流电。
可选的，所述能量回馈控制系统还包括：所述升压模块用于提升馈能电压幅值，从而避免电压幅值较小而无法进行使用。
可选的，所述能量回馈控制系统还包括：所述PI前馈控制模块包括电流内环、电压外环，电压外环采用了结合前馈补偿的PI控制器计算得到参考电流，电流内环通过模型预测控制模块输出最优占空比，驱动脉宽调制器产生脉冲信号控制MOSFET的导通与关断，使得馈能电压稳定在期望电压值。
可选的，所述PI前馈控制模块的模型为：
式中：iref为参考电流，uref为参考电压，
为扰动变量观测值，
为负载等效电阻观测值，
为输出电压观测值。
可选的，所述模型预测控制模块的模型为：
式中：d为占空比，
扰动变量观测值，
为输出电压观测值，iref为参考电流，
为电感电流观测值，L为电感感值，T为采样周期。
可选的，所述能量回馈控制系统还包括：
电感电流扰动观测器，用于对升压模块中电感电流进行估计作为电流内环的输入，以避免二者的扰动对能量回馈效果的影响，其中，升压模块为Boot电路；负载扰动观测器，用于对负载的变化进行观测，以避免负载发生突变时影响馈能电压的稳定，通过观测器对负载电阻的估计使得能量回馈控制系统可以对扰动做出快速响应，从而提高了能量回馈控制系统的鲁棒性和动态响应速度。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
本发明公开的新型馈能型悬架控制系统包括：悬架的动力学系统和能量回馈控制系统。可选的，所述悬架动力学系统包括：弹簧、阻尼减振器、电磁直线电机作动器。所述能量回馈控制系统包括：整流滤波模块、升压模块和控制模块。所述能量回馈控制系统中控制模块采用PI前馈模型预测双闭环控制算法。电压外环采用PI前馈控制对电流进行限幅和控制从而得到参考电流，电流内环采用模型预测控制输出最优占空比，从而使馈能电压能够快速准确地跟踪到期望值。所述系统考虑未知的参数及扰动对系统的影响，设计扰动观测器对系统中不确定项进行观测，从而提高系统的鲁棒性及动态特性。所述悬架动力学系统由于电磁直线电机作动器会产生电磁阻尼力作用，从而改善了系统的动力学性能。
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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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为本发明实施例馈能悬架原理图；
图2为本发明实施例1/4馈能悬架动力学模型图；
图3为本发明实施例Boost电路拓扑图；
图4为本发明实施例PI前馈模型预测控制模型整体框图；
图5为本发明实施例一个周期内电感电流波形图；
图6为本发明实施例随机路面激励仿真图；
图7为本发明实施例PI控制算法下馈能电压与纹波波形图；
图8为本发明实施例PI前馈模型预测控制算法下馈能电压与纹波波形图；
图9为本发明实施例未加前馈控制下的负载变化时馈能电压瞬态响应波形图；
图10为本发明实施例PI前馈模型预测控制下负载变化时馈能电压瞬态响应波形图；
图11为本发明实施例不同系统下簧载加速度仿真图；
图12为本发明实施例不同系统下轮胎动载荷仿真图；
图13为本发明实施例不同系统下悬架动行程仿真图。
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。
本发明的目的是提供一种基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，可以有效地改善回馈电能的质量，从而解决了悬架振动产生的电能质量不佳而无法对车载用电设备直接供电的问题。与此同时，也在一定程度上改善了悬架的动力学性能。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例馈能悬架原理图。如图1所示，馈能型悬架由悬架动力学系统和能量回馈控制系统组成。
所述悬架动力学系统主要由弹簧、阻尼减振器、电磁直线电机作动器等构成。
所述能量回馈控制系统主要包括整流滤波模块、升压模块和控制模块等。
所述悬架动力学系统可以将车辆在行驶过程中的振动能量转化为不规则的交流电。
所述能量回馈控制系统可以将不规则的交流电转化为稳定可靠的直流电。
所述整流滤波模块可以对不规则的交流电转化为直流电。
所述升压模块可以提升整流后直流电压的幅值，从而避免电压幅值较小而无法进行使用。
所述控制模块可以使馈能电压稳定在期望值，进而改善回馈电能的质量。
图2为本发明实施例1/4馈能悬架动力学模型。如图2所示，将车辆模型转化为动力学模型，本发明做出以下假设：(1)车辆是对称的；(2)忽略车辆前后振动的影响；(3)忽略轮胎的阻尼，将其等效为弹簧；(4)馈能装置的质量与车身车轮质量相比较小，可以忽略不计。
所述1/4馈能悬架动力学模型，根据牛顿定律可以得到动力学方程为：
式中：ms为簧载质量；mu为非簧载质量；zs为簧载质量位移；zu为非簧载质量位移；zr为路面垂向位移；ks为悬架刚度；kt为轮胎刚度；cs为悬架阻尼系数；F为作动力。
选取状态变量
得
其中,
所述1/4馈能悬架系统的动力学性能评价指标应包括：
(1)乘坐舒适性
乘坐舒适性即车身加速度
是指车辆行驶在不平路面时，人对悬架振动的感受。车身加速度越小，乘坐舒适性越高。
(2)操纵稳定性
操纵稳定性即轮胎动载荷zu-zr，是指车辆在行驶过程中为保证行车安全，轮胎应与路面保持接触，轮胎动载荷越小，车辆操作稳定性越高。
(3)车身姿态
车身姿态即悬架动行程zs-zu，是指簧载质量与非簧载质量的相对位移，车辆行驶过程中悬架动行程过大车桥会撞击限位块，从而会减少汽车使用寿命。
(4)馈能潜力
馈能潜力与悬架簧载质量与非簧载质量之间的相对速度相关，悬架振动速度越大，发电机产生的感应电动势越大，产生的电能越多，反之亦然。
本发明通过上述四个指标来综合评定馈能型悬架的动力学性能。
由于车辆在不平路面行驶时，悬架的振动会引起电磁直线电机内永磁体和线圈之间产生相对运动，根据法拉第电磁感应定律,所述电磁直线电机会产生感应电动势和感应电流为：
式中：ue为感应电动势；ie为感应电流；ke为直线电机反电动势系数；R为馈能电路等效电阻；r为直线电机内阻。
同时，根据电磁阻尼原理，所述电磁直线电机会产生阻尼力来阻碍悬架的相对运动，电磁阻尼力为：
F＝kiie (5)
式中：ki为直线电机推力系数。
结合式和可以得到：
令
此时可以将发电机等效为阻尼减振器，则电磁阻尼力可以写为：
因此，所述馈能悬架在回收能量的同时也会产生等效电磁阻尼力来衰减路面不平引起的振动，进而可以改善车辆悬架系统的动力学性能。
图3为本发明实施例Boost电路拓扑。其中：ui，uo分别为Boost电路的输入和输出电压，R为负载等效电阻，RL为电感阻值，L为电感感值，D为二极管，S为可控开关管，C为输出电容。多数情况下悬架的振动幅度不大，会导致发电机产生的电压较小从而影响能量回馈的效果。所述Boost电路可以将整流后的电能进行升压变换，并通过控制开关管的通断时间使得馈能电压的幅值稳定在期望值。
由于车载用电设备常用电压为24V,故本文将期望电压值设定为24V。
所述Boost电路有两种开关状态：
所述Boost电路开关管S导通时，二极管D处于截止状态，输入电压ui对电感L充电，电感L由于开关管S的导通而储存能量，负载R由电容C供电，可得到电感电流iL与输出电压uo方程为：
所述Boost电路开关管S关断时，二极管D处于导通状态，电感L由于开关管S的关断而释放能量，输入电压ui和电感L同时给负载R和电容C供电，可得到电感电流iL与电压方程uo为：
选取电感电流iL(t)与输出电压uo(t)为状态变量，d(t)为控制输入，根据状态空间平均法，可以得到Boost电路在连续电流模式下的状态空间表达式为：
其中：
图4为本发明实施例PI前馈模型预测控制模型的整体框图。如图4所示，PI前馈模型预测控制分为电压外环控制和电流内环控制。
所述PI前馈模型预测控制系统中模型预测控制模型可以加快控制系统的动态响应速度，但同时会带来稳态误差。而PI前馈控制的积分环节可以消除系统存在的稳态误差，二者相辅相成，故本发明将PI前馈控制算法与模型预测控制算法相结合。
所述PI前馈模型预测控制系统模型中部分参数未知或存在扰动，这些不准确的参数将很大程度上会影响回馈电能的质量。为此，本发明设计了扰动观测器对这些参数进行估计。具体涉及的系统参数包括输入电压ui、电感电阻RL及负载等效电阻R等。在电压外环中，由于用电设备的使用数量不同会导致等效负载电阻R发生变化，因此，本发明中设计负载扰动观测器对负载的变化进行观测，以避免负载的扰动对馈能效果的影响，再通过PI前馈控制器来产生对电压偏差的响应，从而得到参考电流；在电流内环中，考虑到Boost电路中的输入电压和电感电阻的变化可能会对电感电流造成影响，所以本发明中设计电感电流观测器对电感电流进行估计，再根据电感电流观测器输出的电流与参考电流的关系，通过模型预测控制算法计算得到占空比，进而驱动脉宽调制器产生脉冲信号控制MOSFET的导通与关断。
图5为本发明实施例一个周期内电感电流波形图。如图5所示，预测电流模式控制就是当每个控制周期起始时，首先对输入电压ui、输出电压uo及电感电流iL进行采样，然后根据采样值计算出电感电流的上升率和下降率。由于Boost电路开关周期非常短，两个相邻开关周期的电感电流斜率可以近似认为保持不变，因此，可通过电感电流波形斜率对下一时刻的电流进行预测。
电感电流各个阶段的斜率计算公式如下：
由图5可知，通过kT时刻的采样电流iL(k)、(k+1)T周期内的占空比d(k+1)及电感电流的上升率及下降率可以计算得到下一周期的电感电流iL(k+1)为：
iL(k+1)＝iL(k)+k1t1+k2t2+k3t3 (12)
由于t2＝d(k+1)T,结合式(11)和式(12)，可以得到：
令iref＝iL(k+1),由式(13)可以得到预测电流模式控制下的占空比d(k+1)为：
由于受路面不平度干扰及运动状态改变等因素的影响，会使得悬架的振动具有非常大的偶然性、随机性以及不确定性，从而会导致发电机产生的电压不断地发生变化。与此同时，能量回馈控制系统中的电感内阻也存在扰动。所述电感电流观测器对输入电压ui及电感电阻RL进行估计，从而可以避免二者扰动引起的电感电流突变，提高回馈电能的质量。
当输入电压ui及电感内阻RL发生变化时，二者的误差量对电感电流iL产生的影响如式(15)所示：
定义输入电压ui和电感内阻RL引起的扰动变量为：
w(t)＝ui(t)-iL(t)RL (16)
由于控制系统一般在高频率下进行，w(t)在一个周期内近似不变，则可得到：
w(k+1)＝w(k) (17)
将扰动变量代入式(16)中，并采用欧拉算法将电感电流离散化后可以得到：
将以电感电流iL(k)和扰动变量w(k)为状态变量，将式(17)和式(18)写成矩阵形式为：
式中：
因此，所述电感电流观测器可以设计为：
其中：
为电感电流观测值，
为输入电压ui和电感电阻RL引起的扰动观测值。
结合(20)和(21)可以得到状态变量与观测值的误差为：
若要使系统稳定，要求(AL-HCL)必须是Hurwitz矩阵，可得到观测变量公式为：
本发明通过使用电感电流观测器观测得到扰动变量
可以不用直接使用输入电压ui和电感电阻RL值，就能得到下一时刻的电感电流iL(k+1)，可以有效地避免二者的扰动对回馈电能质量的影响。
所述电流内环控制采用模型预测控制算法，首先根据建立的离散模型与最终期望的目标，在满足限制条件的前提下，完成该时刻下对目标函数最小值的求取，得到最优的开关状态。通过每个周期反馈回的最新数据不断刷新，并求解刷新后的优化问题，最终实现对模型的迭代优化。
所述电流内环采用的模型预测控制算法整个过程主要包括以下三步：
(1)建立电感电流预测值的等效模型。结合式(18)和式(23)，可得到在使用观测器后k+1时刻电感电流的预测值为：
(2)建立目标代价函数。本发明中考虑输出电压uo和电感电流iL两个误差项，因此，为了方便对表达式求解，采用误差的二次方更有利于目标函数求最值，所以设定目标函数为：
(3)通过目标函数对下一时刻的参考电流与预测电流的误差进行评估分析，选择使目标函数最小的占空比并作用在开关管上：
由式(26)可知，欲计算得到能量回馈控制系统的最优占空比d(k+1)，还需要通过所述电压环来得到输出电压的观测量
及参考电流iref。
所述电压外环控制采用PI控制器和基于模型的前馈补偿器来产生对电压偏差的响应，从而得到参考电流。为避免负载等效电阻R变化对能量回馈控制系统的影响，采用负载扰动观测器对等效电阻R扰动进行观测，并通过前馈补偿控制器对扰动进行快速响应，可有效地提高能量回馈控制系统的鲁棒性和动态响应特性。所以参考电流主要由两部分构成，一部分是通过观测器估计值计算得到，另一部分是通过电压外环中PI控制器对稳态误差进行修正所得。故参考电流可表示为：
iref(k+1)＝iref·ob(k+1)+iref·co(k+1) (27)
根据系统功率平衡原理，可以得到：
结合式(27)和式(28)，可得到观测器输出参考电流为：
当接不同的用电设备时会导致负载等效电阻R发生变化，而且这种变化是未知的，为了提高所述能量回馈控制系统抵抗负载等效电阻扰动的鲁棒性，设计负载扰动观测器对负载等效电阻进行估计。
根据所述Boost电路模型，可以得到电流关系如式(30)所示
式中：iD，iC，io分别为流经二极管、电容及负载电阻的电流。
整理式可以得到：
以输出电流io(t)、输出电压uo(t)为状态变量建立状态空间方程，并采用欧拉算法将其离散化可以得到：
其中：
因此，所述负载扰动观测器可以设计为：
其中：
结合式(32)和式(33)，可以得到：
若要使系统稳定，要求(Ao-HCo)必须是Hurwitz矩阵，则可得到输出变量的观测值及负载观测值如式(35)所示：
此外，另一部分参考电流由电压外环中PI控制器计算得到：
通过式(36)可以得到电流内环所需的参考电流，通过负载扰动观测器可以观测得到等效电阻的变化，并采用前馈补偿控制对扰动做出快速响应，从而提高系统的鲁棒性和动态响应特性，有效地改善了回馈电能的质量。
图6为本发明实施例随机路面激励仿真图，为了验证本发明中所提出方法的普遍适用性，采用滤波白噪声法生成路面不平度信号从而对随机路面的实际情况进行模拟，可得到路面速度表达式为：
其中：f0是下截止频率；n0是参考空间频率；Gq(n0)是路面不平度系数；w(t)是单位白噪声的时域信号。
本发明中选取路面等级为C,车速为20m/s的随机路面激励进行仿真，为验证本发明中所提出方法的有效性做好准备。
图7为本发明实施例PI控制算法下馈能电压与纹波波形图。
所述PI控制算法，通过对kp、ki两个参数的调节完成控制率的设计。根据期望值与馈能电压的差值来计算得到新的控制量，使馈能电压可以跟随期望值。
图8为本发明实施例PI前馈模型预测控制下馈能电压与纹波波形图。
所述PI前馈模型预测控制在电压单环基础上加入电流内环形成双闭环控制，通过设置观测器及前馈补偿器对电感电流进行控制以进一步提高能量回馈控制系统性能。外环采用PI控制与前馈补偿结合的方法计算得到参考电流，内环采用模型预测控制算法输出逼近期望电压时的最优占空比。模型预测控制的目标函数采用误差二次方表达式来表示。由于在实际应用中，单步MPC和多步MPC表现一样良好，同时考虑处理器的计算负担，故本文采用单步预测方式。
完成对所述馈能悬架动力学系统和能量回馈控制系统的模型搭建之后，在相同的仿真条件下对两种控制方法进行仿真实验。
由图7和图8可以看出，两种控制算法都可以将回收电能转化为稳定的直流电，但是相比于电压单环PI控制算法，PI前馈模型预测控制具有更优越的表现，有效地减小了馈能电压的纹波，并且具有更快的调节速度和更小的超调，从而改善了回馈电能的质量，实现了对车载用电设备直接供电的目的。
因此，通过PI前馈模型预测控制算法对能量回馈控制系统进行控制，成功地将悬架振动产生随机、无规则的交流电转化为持续稳定的直流电，改善了回馈电能的质量，对馈能悬架的电能回收及再利用具有十分重要的意义。
图9和图10为本发明实施例未加前馈控制与PI前馈模型预测控制两种算法下在负载等效电阻变化时馈能电压瞬态响应波形图像，为了验证本发明中所提出的能量回馈控制系统对等效负载电阻扰动有较好的适应能力，在0.03s时将负载电阻从20Ω变到10Ω。
由图9和图10可以看出，在负载等效电阻发生变化时，两种控制算法均可以使馈能电压再次回到稳定状态。但是，加了前馈控制的模型预测控制算法的动态响应速度更快。在未加前馈控制作用下，馈能电压约有2.1％的幅值跌落，而PI前馈模型预测控制算法下仅有不到0.38％的幅值跌落。说明了本发明中所提出的算法可以更好地应对等效负载电阻的扰动，有效地提高了能量回馈控制系统鲁棒性。
图11-13分别为本发明实施例不同系统下簧载加速度、轮胎动载荷、悬架动行程仿真图。所述电磁直线电机作动器在回收能量的同时还会产生电磁阻尼力对悬架的动力学性能进行调控。
为了验证本发明中所提出的方法对悬架动力学性能的改善作用，将本发明中所述馈能悬架系统与同参数的被动悬架系统在随机路面激励下进行仿真。
如图11-13所示，红线代表所述馈能型悬架的仿真曲线，蓝线代表被动悬架的仿真曲线。
与同参数的被动悬架相比，本发明所述新型馈能悬架在簧载加速度和轮胎动载荷两方面有所改善，说明馈能悬架具有更好的乘坐舒适性和操纵稳定性。在悬架动行程方面有所恶化，所以在对新型馈能悬架进行设计时应考虑增大悬架的运动空间，防止车辆在行驶中撞击限位块，导致车辆的平顺性恶化。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，包括：
悬架动力学系统，包括弹簧、阻尼减振器和电磁直线电机作动器，所述悬架动力学系统用于将车辆在行驶过程中的振动能量转化为不规则的交流电；
能量回馈控制系统，包括整流滤波模块、升压模块和PI前馈模型预测控制模块，所述能量回馈控制系统用于将不规则的交流电转化为稳定可靠的直流电，其中，所述PI前馈模型预测控制模块包括PI前馈控制模块和模型预测控制模块。
2.根据权利要求1所述的基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，所述电磁直线电机作动器用于在车辆行驶于不平路面时，悬架的振动使得电机内永磁铁和线圈之间产生相对运动，从而产生感应电动势和感应电流。
3.根据权利要求1所述的基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，所述电磁直线电机用于根据电磁阻尼原理，产生电磁阻尼力阻碍悬架相对运动，从而衰减路面不平引起的振动，提高车辆的乘坐舒适性。
4.根据权利要求1所述的基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，所述整流滤波模块用于对不规则的交流电转化为直流电。
5.根据权利要求1所述的基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，所述升压模块用于提升馈能电压幅值，从而避免电压幅值较小而无法进行使用。
6.根据权利要求1所述的基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，所述PI前馈控制模块包括电流内环、电压外环，电压外环采用了结合前馈补偿的PI控制器计算得到参考电流，电流内环通过模型预测控制模块输出最优占空比，驱动脉宽调制器产生脉冲信号控制MOSFET的导通与关断，使得馈能电压稳定在期望电压值。
7.根据权利要求1所述的基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，所述PI前馈控制模块的模型为：
式中：iref为参考电流，uref为参考电压，
为扰动变量观测值，
为负载等效电阻观测值，
为输出电压观测值。
8.根据权利要求1所述的基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，所述模型预测控制模块的模型为：
式中：d为占空比，
扰动变量观测值，
为输出电压观测值，iref为参考电流，
为电感电流观测值，L为电感感值，T为采样周期。
9.根据权利要求1所述的基于PI前馈模型预测控制算法的新型馈能型悬架控制系统，其特征在于，所述能量回馈控制系统还包括：
电感电流扰动观测器，用于对升压模块中电感电流进行估计作为电流内环的输入，以避免二者的扰动对能量回馈效果的影响，其中，升压模块为Boot电路；负载扰动观测器，用于对负载的变化进行观测，以避免负载发生突变时影响馈能电压的稳定，通过观测器对负载电阻的估计使得能量回馈控制系统可以对扰动做出快速响应，从而提高了能量回馈控制系统的鲁棒性和动态响应速度。
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Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104085265A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-10-08 | 江苏大学 | 一种馈能悬架自适应离线神经网络逆控制系统及方法 |
| KR20160007130A (ko) * | 2014-07-11 | 2016-01-20 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 모델예측제어 기법을 이용한 직류/직류 변환기의 출력 제어장치 및 출력 제어방법 |
| CN107599778A (zh) * | 2017-07-31 | 2018-01-19 | 江苏大学 | 一种电磁混合悬架的控制方法 |
| CN108274969A (zh) * | 2018-02-27 | 2018-07-13 | 江苏大学 | 一种基于车速分区的馈能悬架及其阻尼切换控制方法 |
| CN108306505A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-07-20 | 厦门大学 | 一种Boost变换器的复合自适应模型预测控制方法 |
| CN109130757A (zh) * | 2018-07-16 | 2019-01-04 | 西安交通大学 | 一种馈能式半主动悬架变阻尼系统与控制方法 |
| CN109831094A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-05-31 | 合肥工业大学 | 一种Boost PFC变换器的无模型预测电流控制系统及其控制方法 |
| CN110943613A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-03-31 | 东南大学 | 一种含干扰和电流约束的直流升压变换器控制方法 |
| CN111301088A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-06-19 | 西安科技大学 | 一种复合阻尼可调式馈能型混合悬架作动器及控制方法 |
| CN111709163A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-09-25 | 淮阴工学院 | 一种基于电磁主动馈能悬架的提升轮毂驱动汽车性能的方法 |
| CN112491276A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-03-12 | 西安热工研究院有限公司 | 一种提高高频电源抗扰动能力的方法 |
| CN114552984A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-05-27 | 泉州装备制造研究所 | 基于扰动观测预测控制的双向dc/dc变换装置 |
-
2022
- 2022-08-17 CN CN202210987181.6A patent/CN115360912A/zh active Pending
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN104085265A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-10-08 | 江苏大学 | 一种馈能悬架自适应离线神经网络逆控制系统及方法 |
| KR20160007130A (ko) * | 2014-07-11 | 2016-01-20 | 서울과학기술대학교 산학협력단 | 모델예측제어 기법을 이용한 직류/직류 변환기의 출력 제어장치 및 출력 제어방법 |
| CN107599778A (zh) * | 2017-07-31 | 2018-01-19 | 江苏大学 | 一种电磁混合悬架的控制方法 |
| CN108306505A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-07-20 | 厦门大学 | 一种Boost变换器的复合自适应模型预测控制方法 |
| CN108274969A (zh) * | 2018-02-27 | 2018-07-13 | 江苏大学 | 一种基于车速分区的馈能悬架及其阻尼切换控制方法 |
| CN109130757A (zh) * | 2018-07-16 | 2019-01-04 | 西安交通大学 | 一种馈能式半主动悬架变阻尼系统与控制方法 |
| CN109831094A (zh) * | 2019-04-04 | 2019-05-31 | 合肥工业大学 | 一种Boost PFC变换器的无模型预测电流控制系统及其控制方法 |
| CN110943613A (zh) * | 2019-11-25 | 2020-03-31 | 东南大学 | 一种含干扰和电流约束的直流升压变换器控制方法 |
| CN111301088A (zh) * | 2019-12-02 | 2020-06-19 | 西安科技大学 | 一种复合阻尼可调式馈能型混合悬架作动器及控制方法 |
| CN111709163A (zh) * | 2020-05-15 | 2020-09-25 | 淮阴工学院 | 一种基于电磁主动馈能悬架的提升轮毂驱动汽车性能的方法 |
| CN112491276A (zh) * | 2020-11-20 | 2021-03-12 | 西安热工研究院有限公司 | 一种提高高频电源抗扰动能力的方法 |
| CN114552984A (zh) * | 2021-11-25 | 2022-05-27 | 泉州装备制造研究所 | 基于扰动观测预测控制的双向dc/dc变换装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 寇发荣，等: "电磁直线电机悬架馈能潜力与能量回收分析", 《机械科学与技术》, vol. 40, no. 6, 30 June 2021 (2021-06-30), pages 941 - 947 * |
| 贾志东，等: "适用于Boost变换器的自适应模型预测控制方法", 《中国电机工程学报》, vol. 38, no. 19, 5 October 2018 (2018-10-05), pages 5838 - 5843 * |
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