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:
式中:ms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,mu为簧下质量,x1为簧下质心位移,Kt为轮胎刚度,x0为路面激励,ma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
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
Tyu={P(s)+W(s)Δ(s):||Δ(s)||∞<1}
另外,再次引入性能不确定性函数Δf(s)及其权函数Wf(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:
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ΔP作用下结构奇异值μ小于1,即有
μΔ(M11)<1
其中
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
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。