一种针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车悬架主动控制领域，具体涉及一种针对冲击型路面扰动的汽车悬 架系统主动振动控制方法，在满足轮胎接地性、悬架行程限制等条件下，能够有效改善乘坐 舒适性。
【背景技术】
[0002] 随着汽车产业的快速发展以及汽车行驶速度的不断提高，人们对汽车的行驶安全 性和乘坐舒适性提出了更高的要求。汽车悬架决定和影响着这两个性能指标，是车辆中极 其重要的构架系统之一。相比传统的被动悬架系统，主动悬架系统能更大限度地满足汽车 行驶对安全性和舒适性的要求，是汽车悬架设计的主要趋势。
[0003] 本质上，主动悬架系统控制属于典型的多目标控制，即在保证汽车行驶安全性 (时域硬约束）的基础上改善乘坐舒适性（优化目标）。目前众多学者已提出多种主动悬 架系统控制策略，如最优控制、自适应控制、非线性控制W 2ZU0控制、模糊控制等。这些控制 策略大都考虑悬架系统在无穷时间区间内的渐近性能。因此，对于持续时间很短的冲击型 路面扰动（通常由路面上较大的坑、包等产生），上述控制策略可能过于保守，无法有效改 善系统动态性能。
[0004] 有限时间稳定性最早出现在上世纪50年代的俄国文献中，后在60年代被Dorato 等人引入控制领域。有限时间稳定要求系统状态在给定时间区间内不超出某设定区域。在 此基础上，诸多文献又定义了有限时间有界、有限时间随机稳定等概念。2009年，Amato等 人提出了输入-输出有限时间稳定的概念，即给定一类外部输入信号和一段时间区间，要 求系统输出不超出某特定区域。这些有限时间稳定相关概念（统称为有限时间稳定概念） 对于分析系统的暂态性能具有重要意义。
[0005] 在主动悬架系统控制中，针对冲击型路面扰动持续时间短、能量有限的特点，须重 点关注系统在短时间内的暂态性能。因此，如何将有限时间稳定相关概念和处理方法应用 于汽车主动悬架系统控制中，设计满足行驶安全性和乘坐舒适性要求的控制器具有重要的 现实意义和应用价值。
【发明内容】
[0006] 通过引入有限时间稳定的概念和处理方法，本发明提供了一种针对冲击型路面扰 动的汽车悬架系统主动控制方法，在保证轮胎接地性、悬架行程限制等性能条件下，能够有 效改善乘坐舒适性。
[0007] 本发明的技术方案为：
[0008] -种针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法，其特征在于，包括如下 步骤：
[0009] 步骤1，对冲击型路面扰动的持续时间和能量进行评估，并构建汽车主动悬架系统 模型；
[0010] 步骤2,合理选取乘坐舒适性指标，对悬架系统进行输入-输出有限时间稳定性分 析；
[0011] 步骤3,将轮胎接地性、悬架行程限制和执行器输出力限制作为约束条件，基于有 限时间稳定分析结果设计状态反馈控制器。
[0012] 进一步，所述步骤1中，冲击型路面扰动由光滑路面长坡形单凸包产生，凸包产生 的垂直位移为：
[0013]
【主权项】
1. 一种针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法，其特征在于，包括如下步 骤： 步骤1，对冲击型路面扰动的持续时间和能量进行评估，并构建汽车主动悬架系统模 型； 步骤2,合理选取乘坐舒适性指标，对悬架系统进行输入-输出有限时间稳定性分析； 步骤3,将轮胎接地性、悬架行程限制和执行器输出力限制作为约束条件，基于有限时 间稳定分析结果设计状态反馈控制器。
2. 根据权利要求1所述的针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法，其特征 在于：所述步骤1中，冲击型路面扰动由光滑路面长坡形单凸包产生，凸包产生的垂直位移 为：
其中a和1分别为凸包的高度和长度（单位为m), VtlS车辆行驶速度（单位为m/s), t为自然时间参数；凸包产生的冲击型路面扰动持续时间为： td= 1/V0， 凸包产生的冲击型路面扰动能量为：
3. 根据权利要求1所述的针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法，其特征 在于：所述步骤1中，汽车主动悬架系统模型构建为：
式中，状态向量冰）$&(/) x_(/) x;(/) x4(/)y，其中Xl(t)为悬架行程,x2(t)为轮胎 变形，X3(t)为簧上质量速度，X4(t)为簧下质量速度；U(t)为执行器输出力；路面垂直速度 W(t)为扰动输入；A、B和&分别为系统矩阵、输入矩阵和扰动矩阵。
4. 根据权利要求1所述的针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法，其特征 在于：所述步骤2中，选取车身垂直加速度峰值作为乘坐舒适性指标，即： Z1 (〇 = z (t) = Crv(〇 + D^uit), 其中Z1U)为悬架系统输出，之⑴为车身垂直加速度，C1为状态-输出矩阵，D1为输 入-输出矩阵。
5. 根据权利要求1所述的针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法，其特征 在于：所述步骤2中，对悬架系统进行输入-输出有限时间稳定性分析的具体过程为： 如果存在适维（能进行矩阵代数运算）正定对称矩阵P、S以及标量γ > 0,满足：
则开环悬架系统关于（α，β，Tf)是输入-输出有限时间稳定的； 式中，α、β和1均为给定正实数，分别表示扰动能量最大值、输出峰值上限和有限时 间区间长度；符号"<"表示对应矩阵是负定的，符号" I "表示适维单位阵。
6. 根据权利要求1所述的针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法，其特征 在于：所述步骤3中，将轮胎接地性、悬架行程及执行器输出力限制三个约束条件分别描述 为：I z21 (t) I = I c21x (t) I 彡 I、I Zii2 (t) I = I c22x (t) I 彡 1 和 I z23 (t) I = I c23x (t) I 彡 1，其 中c21、C22和c 23为相应的约束矩阵。
7. 根据权利要求1所述的针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法，其特征 在于：所述步骤3中，基于有限时间稳定分析结果设计状态反馈控制器，得出如下最小化问 题：
其中优化变量z、S为适维正定对称矩阵，优化变量L为适维矩阵，优化变量γ为非负 标量；I表示适维单位阵，asp为车身垂直加速度峰值上限，Umax为执行器输出力最大允许值， 乙为有限时间区间长度，α 2为路面扰动能量最大值，通过求解上述优化问题，设计状态反 馈控制器为u (t) =Kx (t) =LZ4X (t)，其中K为控制器增益。
【专利摘要】本发明公开了一种针对冲击型路面扰动的汽车悬架系统主动控制方法。主要分为三个步骤：1)对冲击型路面扰动的持续时间和能量进行评估，并构建汽车主动悬架系统模型；2)将车身垂直加速度峰值作为乘坐舒适性的衡量指标，对开环悬架系统进行输入-输出有限时间稳定性分析；3)考虑轮胎接地性、悬架行程限制和执行器输出力限制等约束条件，基于有限时间稳定分析结果设计状态反馈控制器。本发明针对冲击型路面扰动持续时间短、强度高的特点，通过引入有限时间稳定的概念和处理方法实现汽车悬架系统的主动振动控制，在满足轮胎接地性、悬架行程限制等条件下，能够有效改善车辆的乘坐舒适性。
【IPC分类】B60G17-015
【公开号】CN104669973
【申请号】CN201510076570
【发明人】薛文平, 李康吉, 刘国海
【申请人】江苏大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年2月12日