本發(fā)明涉及車輛懸架控制
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種含有限頻帶約束的車輛主動(dòng)懸架魯棒控制器的設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
：懸架系統(tǒng)將車輛簧下質(zhì)量與簧上質(zhì)量有效地連接起來，從而減小路面向車身傳遞的振動(dòng)。近年來，主動(dòng)懸架因其控制性能良好得到了廣泛的研究，產(chǎn)生了一系列的主動(dòng)控制方法，取得了一定的研究成果，但是依然存在較多的問題：1、現(xiàn)有研究多采用四分之一車輛的主動(dòng)懸架模型對(duì)車輛垂向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，或者二分之一車輛的懸架模型對(duì)車輛垂向和俯仰運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛垂向、俯仰和側(cè)傾的多目標(biāo)控制，導(dǎo)致主動(dòng)懸架控制效果與實(shí)際差別較大。2、隨著車輛的使用和磨損，主動(dòng)懸架中各個(gè)零部件的參數(shù)，經(jīng)常發(fā)生變動(dòng)。如車輛懸架的剛度和阻尼，隨著車輛的使用其性能會(huì)發(fā)生變動(dòng)。而大部分主動(dòng)懸架的控制算法，是在假定車輛參數(shù)不發(fā)生變動(dòng)的情況下設(shè)計(jì)的；一旦車輛參數(shù)變動(dòng)，主動(dòng)懸架控制性能將發(fā)生較大變化，不利于乘坐舒適性。3、在目前主動(dòng)懸架的研究中，研究者大多關(guān)注對(duì)整個(gè)振動(dòng)頻帶的響應(yīng)抑制，而較少考慮人體對(duì)垂向特定頻帶的敏感性更強(qiáng)；研究表明，垂向4-8Hz的振動(dòng)對(duì)人體的影響更為突出，因此在主動(dòng)懸架控制過程中，應(yīng)予以特別考慮。綜上所述，針對(duì)主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)中的整車模型多目標(biāo)控制、主動(dòng)懸架參數(shù)不確定性問題和有限頻帶內(nèi)振動(dòng)的抑制問題，需要提供更有效的解決方案，以提高主動(dòng)懸架控制的有效性，最終提高車輛乘坐舒適性。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)中的整車模型多目標(biāo)控制、主動(dòng)懸架參數(shù)不確定性問題和有限頻帶內(nèi)振動(dòng)的抑制問題，提供含有限頻帶約束的車輛主動(dòng)懸架魯棒控制器的設(shè)計(jì)方法，其能夠有效提高車輛乘坐的舒適性。為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：含有限頻帶約束的車輛主動(dòng)懸架魯棒控制器的設(shè)計(jì)方法，包括如下步驟：步驟1、分析車輛動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，建立基于整車的主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型；步驟2、分析主動(dòng)懸架中參數(shù)變動(dòng)特點(diǎn)，并結(jié)合俯仰及側(cè)傾方向的振動(dòng)約束、主動(dòng)懸架作動(dòng)器約束、懸架行程約束的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)含不確定參數(shù)的主動(dòng)懸架魯棒多目標(biāo)控制模型；并根據(jù)主動(dòng)懸架魯棒多目標(biāo)控制模型確定閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程；步驟3、根據(jù)含不確定參數(shù)的主動(dòng)懸架魯棒多目標(biāo)控制模型，建立含有限頻帶約束的車輛主動(dòng)懸架魯棒控制模型；步驟3.1、確定閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定和干擾抑制性能所需滿足的條件和閉環(huán)系統(tǒng)控制輸出所需滿足的條件；步驟3.2、根據(jù)所確定的閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定和干擾抑制性能所需滿足的條件和系統(tǒng)控制輸出所需滿足的條件，并結(jié)合閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程，求取狀態(tài)反饋增益；步驟3.3、利用所得的狀態(tài)反饋增益，得到車輛主動(dòng)懸架魯棒控制器；根據(jù)車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)，該控制器可以輸出主動(dòng)懸架的作動(dòng)器所需的力，對(duì)路面的振動(dòng)進(jìn)行抑制。上述方案中，步驟1所建立的主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型為：其中，ms是簧上質(zhì)量，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的垂向加速度，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的俯仰角加速度，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的側(cè)傾角加速度，Ip是俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，Ir是側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，a是前軸到質(zhì)心的距離，b是后軸到質(zhì)心的距離，d是車輛半寬，F(xiàn)i是第i個(gè)懸架處的力，i＝1,2,3,4。上述方案中，步驟2所設(shè)計(jì)的主動(dòng)懸架魯棒多目標(biāo)控制模型為：其中，z∞(t)是H∞型控制輸出，z2(t)是H2型控制輸出，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的俯仰角加速度，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的側(cè)傾角加速度，xsui是懸架相對(duì)行程，fi是作動(dòng)器輸出力，是最大俯仰角加速度，是最大側(cè)傾角加速度，rmax是懸架最大運(yùn)行行程，F(xiàn)max是作動(dòng)器最大輸出力；是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的垂向加速度，是質(zhì)心處最大垂向加速度，i＝1,2,3,4。上述方案中，步驟2中的閉環(huán)系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：其中，是系統(tǒng)狀態(tài)向量的導(dǎo)數(shù)，x(t)是系統(tǒng)狀態(tài)向量，是系統(tǒng)干擾項(xiàng)，z∞(t)是H∞型控制輸出，z2(t)是H2型控制輸出，分別是閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)方程中的系數(shù)矩陣。上述方案中，步驟3.1中，閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定和干擾抑制性能所需滿足的條件為：其中，G(jω)是路面輸入到控制輸出z2(t)的傳遞函數(shù)，γ是預(yù)定的干擾抑制水平，ω1和ω2是控制頻率的上下限，sup代表函數(shù)的上界。上述方案中，步驟3.1中，干擾抑制水平γ>0。上述方案中，步驟3.1中，系統(tǒng)控制輸出所需滿足的條件為：其中，z∞(t)是H∞型控制輸出，是預(yù)定的參數(shù)水平。上述方案中，步驟3.1中，參數(shù)水平上述方案中，步驟3.2中，狀態(tài)反饋增益K的計(jì)算過程為：步驟3.2.1、給定干擾抑制水平γ，正數(shù)η和正擾動(dòng)數(shù)ρ，并在滿足步驟3.1的前提下，根據(jù)如下不等式成立，計(jì)算增益過渡矩陣和轉(zhuǎn)換矩陣并使得：其中，Ψ22＝-diag[∈1I,∈2I,∈1I,∈2I]，Ω22＝-diag[∈3I,∈4I,∈5I,∈3I,∈4I,∈5I]，A0是系統(tǒng)矩陣A的名義矩陣，EA,HA是系統(tǒng)矩陣A的矩陣分解項(xiàng)，B10是系統(tǒng)矩陣B名義矩陣，Bks是系統(tǒng)矩陣B的矩陣分解項(xiàng)，B2是系統(tǒng)矩陣，C20是系統(tǒng)矩陣C2的名義矩陣，EC2,HC2是系統(tǒng)矩陣C2的矩陣分解項(xiàng)，C10是系統(tǒng)矩陣C1的名義矩陣，EC1,HC1是系統(tǒng)矩陣C1的矩陣分解項(xiàng)，D12是H∞型控制輸出的系數(shù)矩陣，D22是H2型控制輸出的系數(shù)矩陣，P是適維矩陣，是適維矩陣，是適維矩陣，ω1,ω2分別是頻帶上下限，ωc是頻帶中間值，∈1,∈2,∈3,∈4,∈5,∈6分別是正數(shù)，是預(yù)定的參數(shù)水平，I是單位矩陣，sym代表對(duì)稱陣，*代表矩陣的對(duì)稱項(xiàng)，diag代表對(duì)角陣；步驟3.2.2、根據(jù)所得增益過渡矩陣和轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算狀態(tài)反饋增益K，其中與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下特點(diǎn)：1、采用基于整車模型的主動(dòng)懸架模型，可以綜合對(duì)車輛垂向振動(dòng)、俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制，同時(shí)可對(duì)懸架行程、作動(dòng)器輸出力等進(jìn)行綜合控制，從而實(shí)現(xiàn)車輛主動(dòng)懸架的多目標(biāo)控制。2、采用魯棒控制算法，在建模過程中考慮到懸架剛度、阻尼等參數(shù)的不確定性，建立含參數(shù)不確定性的主動(dòng)懸架控制模型，使得控制器對(duì)參數(shù)變動(dòng)具有較好的魯棒性。3、建立含有限頻帶約束的主動(dòng)懸架控制方法，對(duì)4-8Hz的垂向振動(dòng)進(jìn)行特別抑制，有助于提高乘坐舒適性。附圖說明圖1為含有限頻帶約束的主動(dòng)懸架魯棒控制流程圖。圖2為基于整車模型的主動(dòng)懸架模型圖。圖3為簧上質(zhì)量垂向加速度頻譜圖。圖4為凸包路面的簧上質(zhì)量加速度時(shí)域圖。具體實(shí)施方式一種含有限頻帶約束的車輛主動(dòng)懸架魯棒控制器的設(shè)計(jì)方法，如圖1所示，具體包括如下步驟：步驟一、建立基于整車的主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)圖2基于整車的主動(dòng)懸架模型，分析車輛動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，建立基于整車模型的車輛主動(dòng)懸架模型動(dòng)力學(xué)方程：其中，ms表示簧上質(zhì)量，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處(CG)的垂向加速度，和是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的俯仰角加速度和側(cè)傾角加速度，Ip和Ir分別是俯仰和側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，θ和分別是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的俯仰角和側(cè)傾角，a前軸到質(zhì)心的距離，b后軸到質(zhì)心的距離，d是車輛半寬，F(xiàn)i是第i個(gè)懸架處的力并可表示如下：其中，xui和xsi分別表示簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量的位移，和分別表示簧下質(zhì)量和簧上質(zhì)量的垂向速度，ki和ci分別是第i個(gè)懸架的剛度和阻尼。fi是第i個(gè)主動(dòng)懸架作動(dòng)器輸出力。通過分析，可得xsi的表達(dá)式如下：其中，xs是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的位移，簧下質(zhì)量mui的方程可表示如下：其中，xgi是第i個(gè)輪胎處的路面譜輸入，kti是第i個(gè)輪胎的剛度，定義系統(tǒng)控制輸入：u(t)＝[f1,f2,f3,f4]T(5)系統(tǒng)干擾項(xiàng)：系統(tǒng)狀態(tài)向量：其中，xs是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的垂向位移，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的垂向速度。給出系統(tǒng)的狀態(tài)空間表達(dá)式如下其中，A,B1,B2分別是系統(tǒng)的狀態(tài)矩陣。至此，建立了基于整車的主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型方程。步驟二、分析主動(dòng)懸架中參數(shù)變動(dòng)特點(diǎn)，并結(jié)合俯仰及側(cè)傾方向的振動(dòng)約束、主動(dòng)懸架作動(dòng)器約束、懸架行程約束等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)含不確定參數(shù)的主動(dòng)懸架魯棒多目標(biāo)控制模型。步驟二(一)、建立主動(dòng)懸架不確定參數(shù)表征模型。分析主動(dòng)懸架參數(shù)變動(dòng)情況如下：懸架剛度參數(shù)ki在其最小值kimin和最大值kimax之間變，則參數(shù)ki可做如下表述：其中，λki是未知參數(shù)且滿足|λki|<1的條件，k0i和分別是參數(shù)ki的中值及變動(dòng)半徑，表述如下：懸架的阻尼參數(shù)ci在其最小值cimin和最大值cimax之間變動(dòng)，輪胎剛度參數(shù)kti在其最小值ktimin和最大值ktimax之間變動(dòng)，然后，參數(shù)ci和kti可表述為：其中，λci和λkti分別滿足|λci|≤1和|λkti|≤1，參數(shù)c0i，k0ti和可描述如下：通過以上公式，可得系統(tǒng)矩陣A可描述為其中，A0可通過將矩陣A中的參數(shù)ki，ci，kti分別替換為k0i，c0i，k0ti得到，這樣矩陣Aki，Aci和Akti可描述如下：其中，Nki＝λkiInki，Nci＝λciInci，Nkti＝λtiInti分別是對(duì)角陣，并且和矩陣Aki，Aci，Ati，分別具有相同的維數(shù)。矩陣Eki,Hki，Eci,HciEti和Hti是描述含不確定矩陣的適維矩陣。其中同樣，和可描述為重寫系統(tǒng)矩陣A如下：A＝A0+EANAHA(20)其中步驟二(二)、給出主動(dòng)懸架多目標(biāo)控制模型。車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制目標(biāo)可做如下定義：(1)需要降低簧上質(zhì)量的振動(dòng)，因?yàn)檐囕v成員均計(jì)算為簧上質(zhì)量，故簧上質(zhì)量的加速度越小，乘坐舒適性越好。(2)對(duì)于車輛成員而言，頻繁的俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)也將增加乘坐的不舒適性，故俯仰角加速度和側(cè)傾角加速度均應(yīng)該得到有效抑制。(3)懸架行程對(duì)乘坐舒適性有重要影響，一旦懸架運(yùn)動(dòng)超出懸架行程，將形成硬沖擊，對(duì)成員的身體健康和車輛零部件都有重要影響。(4)對(duì)于主動(dòng)懸架而言，其作動(dòng)器起到關(guān)鍵作用，一旦作動(dòng)器飽和不能有效輸出，則主動(dòng)懸架的控制效果將受到影響，因此，控制器設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)考慮作動(dòng)器輸出力的飽和特性輸出力不能超出其最大限度；因此，綜合考慮上述目的，設(shè)計(jì)主動(dòng)懸架多目標(biāo)控制如下：其中，z∞(t)是H∞型控制輸出，z2(t)是H2型控制輸出，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的俯仰角加速度，是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的側(cè)傾角加速度，xsui是懸架相對(duì)行程，fi是作動(dòng)器輸出力，是最大俯仰角加速度，是最大側(cè)傾角加速度，rmax是懸架最大運(yùn)行行程，F(xiàn)max是作動(dòng)器最大輸出力；是簧上質(zhì)量在質(zhì)心處的垂向加速度，是質(zhì)心處最大垂向加速度，i＝1,2,3,4。根據(jù)多目標(biāo)控制模型，系統(tǒng)狀態(tài)方程可寫為：考慮到參數(shù)不確定性，系統(tǒng)矩陣C1和C2中可描述如下：其中，C10，C20和B10可通過將矩陣C1，C2和B1中的參數(shù)ki，ci，和kti分別替換為k0i，c0i，和k0ti得到。矩陣EC1,EC2,HC1，HC2和Bks是描述含不確定矩陣的適維矩陣。矩陣N滿足條件其中*＝A,B,C1,C2系統(tǒng)控制輸入：u(t)＝Kx(t)(25)參數(shù)K是被求的狀態(tài)反饋增益。綜合上述分析，閉環(huán)的系統(tǒng)狀態(tài)方程可寫為：其中其中，x(t)是系統(tǒng)狀態(tài)向量，是系統(tǒng)狀態(tài)向量的導(dǎo)數(shù)，是系統(tǒng)干擾項(xiàng)，分別是閉環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)方程中的系數(shù)矩陣，A0是系統(tǒng)矩陣A的名義矩陣，EA,NA,HA是系統(tǒng)矩陣A的矩陣分解項(xiàng)，B10是系統(tǒng)矩陣B名義矩陣，Bks,NB是系統(tǒng)矩陣B的矩陣分解項(xiàng)，C20是系統(tǒng)矩陣C2的名義矩陣，EC2,NC2,HC2是系統(tǒng)矩陣C2的矩陣分解項(xiàng)，C10是系統(tǒng)矩陣C1的名義矩陣，EC1,NC1,HC1是系統(tǒng)矩陣C1的矩陣分解項(xiàng)，D12是H∞型控制輸出的系數(shù)矩陣，D22是H2型控制輸出的系數(shù)矩陣。步驟三、根據(jù)含不確定參數(shù)的主動(dòng)懸架魯棒多目標(biāo)控制模型，建立含有限頻帶約束的車輛主動(dòng)懸架魯棒控制器設(shè)計(jì)方法。首先，確定系統(tǒng)控制器性能。(a)閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定并且滿足：其中，G(jω)是路面輸入到控制輸出z2(t)的傳遞函數(shù)，γ>0是預(yù)定給出的干擾抑制水平，ω1和ω2是控制頻率的上下限。(b)系統(tǒng)控制輸出z∞應(yīng)滿足：其中，預(yù)定的參數(shù)水平。然后，設(shè)計(jì)含有限頻帶約束的系統(tǒng)魯棒控制器。給定參數(shù)γ，η和ρ，閉環(huán)系統(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定且滿足控制器性能(a)和(b)，當(dāng)且僅當(dāng)存在對(duì)稱矩陣以及常維矩陣適當(dāng)大小的正數(shù)∈s，(s＝1,2,...,6)滿足如下條件：其中Ψ22＝-diag[∈1I,∈2I,∈1I,∈2I](38)Ω22＝-diag[∈3I,∈4I,∈5I,∈3I,∈4I,∈5I](39)求解上述不等式，可得滿足上述條件(30)-(39)的和最終的狀態(tài)反饋增益K可通過如下公式得到：得到控制器增益K之后，就可以利用如下公式u(t)＝Kx(t)(41)其中，u(t)是控制輸入，K是狀態(tài)反饋增益，x(t)是系統(tǒng)狀態(tài)向量。計(jì)算主動(dòng)懸架的作動(dòng)器所需的力，對(duì)路面的振動(dòng)進(jìn)行抑制，實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的最終目的。本發(fā)明首先分析車輛動(dòng)力學(xué)特點(diǎn)，建立基于整車的主動(dòng)懸架模型；然后針對(duì)車輛部件的參數(shù)變動(dòng)情況，建立含不確定參數(shù)的主動(dòng)懸架狀態(tài)方程；針對(duì)車輛在俯仰及側(cè)傾方向的振動(dòng)、主動(dòng)懸架執(zhí)行器飽和特性、懸架行程限制等問題，建立主動(dòng)懸架多目標(biāo)控制模型；考慮人體對(duì)垂向振動(dòng)特定頻帶(4-8Hz)的敏感性，建立含有限頻帶約束的主動(dòng)懸架魯棒控制系統(tǒng)，并求解系統(tǒng)控制器，對(duì)車輛狀態(tài)進(jìn)行有效控制，以提高乘坐舒適性。本發(fā)明以減少特定頻帶的車輛垂向振動(dòng)為目標(biāo)，建立含有限頻帶約束的主動(dòng)懸架魯棒控制器，并考慮車輛參數(shù)不確定性，綜合控制車輛在俯仰及側(cè)傾方向的振動(dòng)、滿足主動(dòng)懸架執(zhí)行器飽和特性及懸架行程限制，提高車輛平順性和乘坐舒適性。下面通過一個(gè)具體實(shí)例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明：表1給出了車輛及主動(dòng)懸架系統(tǒng)的參數(shù)表。muimskiciktiIr40kg1550kg18kN/m1.4kNs/m220kN/m660kgm2aIpfmaxrmaxbd1.4m2080kgm26kN0.1m1.4m1.0m表1根據(jù)步驟一所述的整車動(dòng)力學(xué)模型，建立基于整車模型的主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)方程，如公式(1)所示，并通過公式(2)-(8)建立主動(dòng)懸架控制的狀態(tài)空間模型。根據(jù)步驟二(一)，分析主動(dòng)懸架參數(shù)變動(dòng)情況，利用公式(9)-(21)建立含不確定參數(shù)的主動(dòng)懸架狀態(tài)空間模型；根據(jù)步驟二(二)，利用公式(22)-(27)，建立主動(dòng)懸架多目標(biāo)控制模型；根據(jù)步驟三，利用公式(28)-(39)，建立含有限頻帶約束的主動(dòng)懸架魯棒多目標(biāo)控制器求解模型；并根據(jù)表1給出的車輛參數(shù)，求解得到控制器增益，如公式(40)所示。注意本實(shí)施方案中，假定車輛參數(shù)變動(dòng)范圍是其名義值的±30％。根據(jù)反饋控制公式(41)，將得到的作動(dòng)器輸出力，并將其作用于主動(dòng)懸架系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛振動(dòng)的主動(dòng)控制。仿真分析在Matlab-Simulink中進(jìn)行。為了更好的體現(xiàn)本發(fā)明算法的優(yōu)越性，特別給出了被動(dòng)懸架和用LQR算法的懸架性能表現(xiàn)，測(cè)試結(jié)果如圖3到圖4所示。圖3給出了四種參數(shù)變動(dòng)情況下，車輛簧上質(zhì)量垂向振動(dòng)加速度頻譜圖。圖3中，加速度頻譜圖線幅值越低，證明振動(dòng)控制效果越好。可以看出，相對(duì)于被動(dòng)懸架和LQR算法，本發(fā)明算法可以有效降低振動(dòng)加速度的幅值；特別在不同的參數(shù)變動(dòng)的情況下，本發(fā)明算法均保持較好的控制效果。另外，本發(fā)明針對(duì)垂向4-8Hz的振動(dòng)進(jìn)行了特別控制。從圖3中可以看出，在4-8Hz區(qū)間的垂向振動(dòng)得到了更有效地抑制，從而體現(xiàn)了本發(fā)明算法在有限頻帶內(nèi)更好的振動(dòng)抑制能力。圖4是在凸包路面進(jìn)行的仿真測(cè)試，即假定車輛通過一凸包，對(duì)車輛形成一個(gè)沖擊。圖4上是質(zhì)心處垂向加速度，圖4中是質(zhì)心處俯仰角加速度，圖4下是質(zhì)心處側(cè)傾角加速度。從圖4可以看出，相對(duì)于被動(dòng)懸架而言，本發(fā)明使車輛的垂向加速度、俯仰加速度和側(cè)傾加速度均得到了控制。圖4從另一方面體現(xiàn)了本發(fā)明算法多目標(biāo)控制魯棒能力。當(dāng)前第1頁1 2 3