一种汽车空气悬架的鲁棒控制系统及其控制方法与流程

技术特征：

1.一种汽车空气悬架的鲁棒控制系统，其特征在于：包括传感器组、GPS导航模块、控制模块和执行机构，所述传感器组和GPS导航模块分别与控制模块的输入端口相连，控制模块的输出端口连接执行机构，所述执行机构为由容积电磁阀控制的空气弹簧；所述控制模块接收传感器组和GPS导航模块采集的信号，通过建立ECAS动力学模型求解鲁棒控制器K获得空气弹簧所需刚度，控制容积电磁阀对空气弹簧进行调节。

2.根据权利要求1所述的汽车空气悬架的鲁棒控制系统，其特征在于：所述传感器组包括空气弹簧气压传感器、车轮垂向加速度传感器、汽车速度传感器、车身垂向加速度传感器和悬架动挠度传感器，各个传感器采集信号传递给控制模块；所述空气弹簧气压传感器采集空气弹簧气压信号，所述车轮垂向加速度传感器采集车轮垂向加速度，所述汽车速度传感器采集汽车行驶速度，所述车身垂向加速度传感器采集车身垂向加速度信号，所述悬架动挠度传感器采集悬架动挠度信号。

3.根据权利要求1所述的汽车空气悬架的鲁棒控制系统，其特征在于：所述空气弹簧包括两个容积不同的副气室和一个主气室，两个副气室分别通过容积电磁阀Ⅰ和容积电磁阀Ⅱ与主气室相连，所述空气弹簧在不同的初始气体压力时，通过调节容积电磁阀Ⅰ和容积电磁阀Ⅱ的开闭达到空气弹簧所需刚度。

4.根据权利要求1所述的汽车空气悬架的鲁棒控制系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)汽车启动时，空气悬架鲁棒控制系统接通电源；

(2)汽车行驶后，传感器组进行信号采样，同时GPS导航模块进行行车定位确定车辆所在道路，控制模块将其与储存的道路标准进行比对，确定出道路路面等级；

(3)控制模块利用汽车行驶速度和道路路面等级计算出车轮路面激励，建立ECAS动力学模型求解鲁棒控制器K，以悬架动挠度、车轮垂向加速度和车身垂向加速度三者加权之和最小为目标，求解出与汽车行驶状态协调匹配的目标悬架刚度；

(4)根据目标悬架刚度确定出容积电磁阀的目标开闭状态，并与容积电磁阀的当前状态进行比较获得各自状态偏差，并进行调整；

(5)传感器组和GPS导航模块进入下一个采样周期，控制模块重复前述的调控过程，并以此循环，直到汽车行驶停止为止。

5.根据权利要求4所述的汽车空气悬架的鲁棒控制系统的控制方法，其特征在于：所述鲁棒控制器K的构建包括以下步骤：

①应用拉格朗日法建立四分之一ECAS汽车系统动力学模型，具有如下特征：

$m_s\stackrel{\·\·}{x_2}=F-c({\stackrel{\·}{x}}_2-{\stackrel{\·}{x}}_1)$

$m_u{\stackrel{\·\·}{x}}_1=-F+c({\stackrel{\·}{x}}_2-{\stackrel{\·}{x}}_1)+K_t(x_1-x_0)$

$F=PA=\frac{m_a}{V}RTA=\frac{m_a}{x_2-x_1}RT$

式中：m_s为簧载质量，x₂为簧载质心位移，F为空气弹簧力，c为减振器阻尼系数，m_u为簧下质量，x₁为簧下质心位移，K_t为轮胎刚度，x₀为路面激励，m_a为空气弹簧内气体质量，R气体常数，T空气绝对温度值；

根据GB/T4970—1996汽车试验标准进行实验，在相同路面激励条件下比较实验结果与仿真结果，以此来验证四分之一ECAS汽车系统动力学模型的准确性和有效性；

②用牛顿法建立七自由度ECAS整车动力学微分方程，并且微分方程通过状态空间实现

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\·}{x}=Ax+Bu\\ y=Cx+Du\end{array}\right.$

式中：A、B、C、D为控制系数矩阵，x为状态变量，为状态变量的一阶导数，y为可测的ECAS汽车性能变量，u为控制输入变量；

在ECAS整车模型基础上，构建频域下的开环控制广义模型P(s)，即

P(s)＝C(sI-A)^-1B

引入Δ(s)不确定性矩阵及其W(s)权函数，控制输入到控制输出的传递函数用加法不确定性进行描述，即有

T_yu＝{P(s)+W(s)Δ(s)：||Δ(s)||_∞＜1}

另外，再次引入性能不确定性函数Δ_f(s)及其权函数W_f(s)；同时，引入待解鲁棒控制器K，通过闭环成形构成闭环控制系统，其传递函数矩阵M(s)具有如下形式：

$M\left(s\right)=\left[\begin{array}{cc}{M}_{11}& M_{12}\\ M_{21}& M_{22}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}WK{\left(I-PK\right)}^{-1}& W{\left(I-PK\right)}^{-1}\\ W_f{\left(I-PK\right)}^{-1}& W_f{\left(I-PK\right)}^{-1}\end{array}\right]$

控制系统具有鲁棒稳定性和鲁棒性能的充分必要条件是矩阵M₁₁在不确定矩阵Δ作用下结构奇异值μ小于1和矩阵M在不确定矩阵Δ_P作用下结构奇异值μ小于1，即有

μ_Δ(M₁₁)＜1

${\mathrm{\μ}}_{{\mathrm{\Δ}}_p}\left(M\right)\<1$

其中

${\mathrm{\Δ}}_p=\left[\begin{array}{cc}\mathrm{\Δ}& 0\\ 0& {\mathrm{\Δ}}_p\end{array}\right]$

③为了求解出鲁棒控制器K，引入标度矩阵D，且其初始值为单位矩阵

通过D-K迭代法，寻找一个鲁棒控制器K(s)，使满足

$\left|\right|{\mathrm{D\μ}}_{{\mathrm{\Δ}}_P}\left(M\right)D^{-1}\left|\right|\≤1$

求解出ECAS汽车系统的鲁棒控制器K。

6.根据权利要求4所述的汽车空气悬架的鲁棒控制系统的控制方法，其特征在于：步骤(4)中根据空气弹簧的实测气压值和计算所得的目标悬架刚度，对照控制模块中存储的空气弹簧不同初始气压时对应容积电磁阀Ⅰ、Ⅱ不同开闭状态下的弹簧刚度进行遍历，确定出与悬架所需刚度最接近的空气弹簧刚度，由此明确容积电磁阀Ⅰ及Ⅱ的目标开闭状态并进行调节。