一种主动悬架控制器的设计方法

本发明涉及车辆悬架控制技术领域，尤其涉及一种主动悬架控制器的设计方法。

背景技术：

车辆悬架系统是车辆的重要组成部分，对保证车辆的操纵稳定性、平顺性和路面承载能力有着至关重要的影响。然而，车辆悬架系统的各项性能指标往往互相矛盾。因此，需要一种最优控制策略，以最大限度地提高主动悬架的整体性能。而h∞控制方法能够很轻松地处理约束控制问题，有效地保证悬架的理想性能。因此，基于h∞算法的主动悬架控制引起了广泛的研究兴趣。

执行器的时滞和故障是主动悬架系统控制中的一个关键问题，它会影响闭环系统的稳定性。因此，在主动悬架控制器的设计中应考虑时滞和故障容错的影响。以往的主动悬架系统的控制在考虑了执行器时滞与执行器故障容错问题时，未考虑有限频域和预览信息的影响。

由于共振的存在，人体对4-8hz之间的垂直振动更加敏感，考虑有限的频率约束是合理的。获取预览信息的方法有两种，即前瞻预览和轴距预览。前瞻预览可以控制所有的车轮，而轴距预览更安全，展示更好的性能。由于激光传感器的成本较高，且前瞻预览有时会有不可靠的信息，因此广泛采用轴距预览策略来获取预览信息。

综上所述，急需发明一种含有轴距预览信息的多目标频域约束的主动悬架控制器的设计方法。

技术实现要素：

本发明提供一种主动悬架控制器的设计方法，解决了现有主动悬架控制器的设计中没有考虑有限频域和轴距预瞄的问题。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种主动悬架控制器的设计方法，所述设计方法包括以下步骤：

s1、分析车辆动力学特点，建立基于半车的主动悬架动力学模型；

s2、分析主动悬架的性能要求，确定主要的控制目标；

s3、根据道路轮廓预览信息和执行器故障容错，建立含有预瞄信息和容错的主动悬架系统闭环控制模型；

s4、确定闭环系统渐进稳定、干扰抑制性能、闭环系统控制输出所需满足的条件；

s5、根据整车悬架控制系统闭环控制模型，采用李雅普诺夫稳定性分析法建立系统稳定的矩阵不等式；

s6、根据所确定的条件和对矩阵不等式进行线性化所得式，求取状态输出反馈增益，从而得到车辆主动悬架控制器。

优选地，所述s1建立的主动悬架动力学模型为：

其中，a、b1、b2、c分别是系统状态方程中的系数矩阵；

优选地，所述s2中，主动悬架的主要控制目标包括乘车品质、悬架行程约束、抓地能力和执行器饱和；

优选地，所述s3中，含有预瞄信息和容错的主动悬架控制模型的建立方法为：

其中τ(t)表示执行器的时滞，ag、ad、bg1、cg1、cd1、cg2分别是系统状态方程中的系数矩阵；

优选地，所述s4中，闭环系统渐进稳定和干扰抑制性能所需满足的条件为：

其中，是路面输入ωg(t)到控制输出z1(t)的传递函数，γ是预定的干扰抑制水平，ω1和ω2是控制频率的上下限，sup代表函数的上界；

系统控制输出所需满足的条件为：

|{z2(t)}q|≤1,q＝1,2,3,4

其中，{z2(t)}q表示z2(t)的第q行向量；

优选地，系统稳定的矩阵不等式为：

ws^tesws+θs+θs^t＜0

w^tew+θ+θ^t＜0

其中，

优选地，所述s6中，计算状态输出反馈增益k的计算过程为：

s601、将s6所述矩阵不等式进行线性化，得到系统稳定的线性矩阵不等式；

s602、求解s601所述线性矩阵不等式，得到控制器的状态反馈增益矩阵ksf＝vj^-1；

s603、用ksf替代k求解s6所述矩阵不等式，得到输出反馈增益矩阵ksof；

s604、利用s603得到的输出反馈增益，得到车辆主动悬架控制器。

本发明的有益效果在于：

1、本发明采用h∞多目标控制方法来设计控制系统，能有效保证主动悬架的各性能要求。

2、本发明针对具有执行器故障容错、有限频域和输出限制等的主动悬架系统，提出一种静态输出反馈控制算法来设计控制器。

3、本发明利用轴距预瞄策略作为路面信息获得方法，进一步提高悬架性能。

附图说明

为了更清楚的说明本发明的实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，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为本发明主动悬架控制器设计流程图。

图2为本发明半车主动悬架动力学模型。

图3为本发明车身垂直加速度的频域响应图。

图4为本发明车身俯仰角加速度的频域响应图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供一种技术方案，一种主动悬架控制器的设计方法，包括以下步骤，s1：分析车辆动力学特点，建立基于半车的主动悬架动力学模型；

s2：分析主动悬架的性能要求，确定主要的控制目标；

s3：根据道路轮廓预览信息、执行器时滞和故障容错信息，建立含有轴距预瞄、时滞和容错的主动悬架系统闭环控制模型；

s4：确定在有限频域范围内，闭环系统渐进稳定、干扰抑制性能所需满足的条件；

s5：根据整车悬架控制系统闭环控制模型，采用李雅普诺夫稳定性分析法建立系统稳定的矩阵不等式；

s6：根据闭环系统所需满足的条件和对矩阵不等式进行线性化，求取状态输出反馈增益，从而得到车辆主动悬架控制器。

具体的，s1中首先根据图2的半车悬架模型和车辆动力学特点，建立基于半车模型的车辆主动悬架模型动力学方程：

其中，ms是车身质量；muf、mur表示前后悬挂的非簧载质量；l1、l2表示车身重心到前后悬架的距离；iy是车身转动惯量；θ为车身俯仰角；zs为质心簧载质量位移；zuf、zur分别为前后非簧载质量位移；fsf、fsr为前后悬挂簧载质量的受力；fuf、fur为前后悬挂非簧载质量的受力并可表示如下：

zsf(t)＝zs(t)+l1θ(t),zsr(t)＝zs(t)-l2θ(t)

其中，ksf、ksr表示前后悬架的刚性系数；ktf、ktr表示前后轮胎的刚性系数；csf、csr表示前后悬架的阻尼系数；ctf、ctr表示前后轮胎的阻尼系数；uf、ur表示前后执行机构产生的控制力；zsf、zsr分别为前后簧载质量位移；zrf、zrr分别为前后路面垂向位移；

选取状态向量x(t)＝[x1x2x3x4x5x6x7x8]^t，干扰输入控制输入为u(t)＝[uf(t)ur(t)]^t；

其中x1＝zsf(t)-zuf(t)，x2＝zsr(t)-zur(t)，x3＝zuf(t)-zrf(t)，x4＝zur(t)-zrr(t)，

zsf、zsr分别为前后簧载质量位移；zuf、zur分别为前后非簧载质量位移；zrf、zrr分别为前后路面垂向位移；

因和悬架行程的值分别可由速度传感器、陀螺仪和位移传感器测量，故输出向量可表示为：

从而可得主动悬架系统的状态空间方程和测量输出向量表示为：

其中，a、b1、b2、c分别是系统状态方程中的系数矩阵；

至此，建立了半车悬架动力学模型。

s2中，分析主动悬架的性能要求，确定多目标控制的内容主要包括：

(1)乘车品质：如图2，图3所示，在设计的控制器控制下，垂直加速度和俯仰角加速度应达到最小，即：

(2)安全性能准则：采用所提控制器应保证安全性能准则，具体描述如下：

a)悬架行程约束：悬架的行程受其机械结构的影响，必须小于最大；也就是说，

zsf(t)-zuf(t)≤zfmax

zsr(t)-zur(t)≤zrmax

b)抓地能力：轮胎与不平路面的接触应不间断，即前后轮胎的动载荷不应超过相应的静载荷，也就是说：

c)执行器的饱和效应：由于执行器功率的限制，需要考虑执行器的饱和，也就是说：

其中，zfmax、zrmax表示前后悬架位移极限的最大值，ufmax、urmax表示前后执行机构产生的最大控制力，g表示重力加速度；

因此，综合考虑上述目标要求，并用状态空间描述两个控制目标相关的输出变量，可以写成：

其中z1(t)是乘车品质控制输出，z2(t)是安全性能准则控制输出，c1、c2、d1分别是系统状态方程中的系数矩阵。

s3中，含有预瞄信息和故障容错的主动悬架控制模型的建立方法如下：

路面垂向速度和的关系可以被拉普拉斯传递函数描述为：

根据padé方法，将e^-ds近似为有限阶传递函数，可以表示为：

其中，

在不是一般性的前提下，令m＝n并简化为m＝2，则可得：

其中b2＝1，b1＝6/d，v表示车辆纵向速度；

定义一个状态向量η(t)＝[η1(t)η2(t)]^t，根据和的关系可得状态空间：

根据主动悬架系统的控制要求，设计鲁棒静态输出反馈控制器为：

u(t)＝gksofy(t-τ)＝gksofcgxg(t-τ)

其中，ksof为系统所计算的控制器的增益矩阵，g为执行器故障系数；

bη＝[-2b16b0]^t,cη＝[10]

令xg(t)＝[x(t)η(t)]^t，由上述的状态空间方程和鲁棒静态反馈控制器u(t)＝gksofy(t)＝gksofcgxg(t)，可得含有预瞄信息、执行器时滞和故障容错的车辆主动悬架控制模型系统为：

其中τ(t)表示执行器的时滞，ag、ad、bg1、cg1、cd1、cg2分别是系统状态方程中的系数矩阵，g为故障系数，ad＝bg2gksofcg，bg1＝[b1eηbη]^t，bg2＝[b20]^t，cd1＝dg1gksofcg，cg1＝[c10]，dg1＝d1，cg2＝[c20]，dg2＝d2，cg＝[c0]，eη＝[11]^t；

接下来确定控制器性能。

s4中，当频域范围在4-8hz时，闭环系统渐进稳定和干扰抑制性能所需满足的条件为：

其中，是路面输入ωg(t)到控制输出z1(t)的传递函数，γ是预定的干扰抑制水平，ω1和ω2是控制频率的上下限，sup代表函数的上界；

系统控制输出所需满足的条件为：

|{z2(t)}q|≤1,q＝1,2,3,4

其中，{z2(t)}q表示z2(t)的第q行向量。

s5中，矩阵不等式的建立过程具体如下：

针对前述的闭环系统，对于给定的标量τ>0，γ>0，ρ>0，ω1，ω2和α，根据对称矩阵p1>0，r1>0，s1>0，q>0，z>0，x，p和广义矩阵f，l，k，建立李雅普诺夫函数为：

然后对李雅普诺夫函数求导，求得使得李雅普诺夫函数导数小于0的矩阵不等式为：

ws^tesws+θs+θs^t＜0

w^tew+θ+θ^t＜0

其中，

θs＝[0gk-i]^t[0lc-f]，θ＝[0gk0-i]^t[0lc0-f]

如果满足上述条件，则可以得到控制器的输出反馈增益为：ksof＝f^-1l，但由于矩阵不等式存在未知矩阵k，使得上述矩阵为非线性，无法直接求解，因此采用两阶段法来求解输出反馈增益矩阵；

先令上述矩阵不等式进行线性化，得到系统稳定的线性矩阵不等式；

针对上述的闭环系统，对于给定的标量τ>0，γ>0，ρ>0，ω1，ω2和α，若存在矩阵p1＞0，r1＞0，s1＞0，q＞0，z＞0，对称矩阵x，p和广义矩阵j，v，使得以下的lmi成立：

-q+τz＜0

通过求解以上线性矩阵不等式，可求得控制器的状态反馈增益矩阵ksf＝vj^-1，然后用ksf替代k求解矩阵不等式，则可得输出反馈增益矩阵ksof，利用所得的状态反馈增益，得到车辆主动悬架鲁棒控制器，根据车辆实时状态参数，该控制器可以输出主动悬架的执行器所需的力，对路面的干扰输入进行抑制。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

实施例

利用随机道路剖面进一步验证所设计的控制器的控制效果，具体为：

其中，nc＝0.01m^-1是道路空间截止频率，gq(n0)表示道路路面不平度系数，ω(t)是在空间域平稳高斯白噪声；根据iso-2631，gq(n0)＝16×10^-6m³表示b优等级，gq(n0)＝64×10^-6m³表示c平均等级，gq(n0)＝256×10^-6m³表示d差等级，gq(n0)＝1024×10^-6m³表示e极差等级；

通常采用均方根来量化传递到乘客位置的加速度强度，该强度与乘坐舒适性密切相关；因此，给出随机道路剖面下的均方根值，计算表达式为：

其中，t＝10s；给出了悬架系统在受控制和未受控制下的性能指标，如下表所示：

表一：车身垂直加速度和俯仰角加速度在不同道路下的均方根值

从表中可以观察到，与不受控制的方案相比,所提控制器控制下的车身垂直加速度的均方根值降低68.2％俯仰角加速度则是降低了73.7％，以上结果表明，所提控制器在随机激励下可以获得良好的平顺性和稳定性。