一种基于迭代学习改进的H∞控制方法

一种基于迭代学习改进的h
∞
控制方法
技术领域
1.本发明涉及一种基于迭代学习改进的h∞控制方法，属于汽车智能控制技术领域。


背景技术：

2.随着汽车行业的快速发展，提高乘用车整体性能要求也势在必行。然而，在汽车速度提高的同时，也导致了其车体振动加剧、乘坐舒适性降低。悬架系统作为汽车底盘的关键部件之一，对汽车的整体性能具有极其重要的影响。因此，如何抑制汽车的车身振动、提高其乘坐舒适性和运行稳定性是亟待解决的科学问题。
3.针对这一问题，当前的汽车的悬架系统根据控制形式的不同可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。其中被动悬架只能优化一种刚度和阻尼系统，被动悬架在改善汽车乘坐舒适性以及操作稳定性方面效果并不明显；汽车主动悬架的研究更多处于试验或者学术研究方面，且该系统结构复杂、体积庞大、成本较高，导致主动悬架系统没有大规模实施。因此由于半主动悬架以其减振效果接近主动悬架，操纵稳定性明显优于被动悬架等优点受到越来越多的关注。而当前对半主动悬架虽然提出了天棚-add混合控制器理论、一种基于最优控制存在唯一性定理的数值解法，及一种基于最优控制存在唯一性定理的数值解法等控制理论和方法。且天棚控制已经以结构简单，调校方便的优势在众多车型上得到量产应用。但是，设计控制器时往往并未考虑参考模型与被控对象之间差异带来的影响，其中参数不确定性是最为主要的影响因素。因此导致当前的半主动悬架控制理论依然存在较大的不足和漏洞。
4.针对这一需要，迫切需要开发一种全新的半主动悬架控制方法，以有效满足实际使用的需要。


技术实现要素：

5.本发明目的就在于克服上述不足，提供一种基于迭代学习改进的h∞控制方法。
6.为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
7.一种基于迭代学习改进的h∞控制方法，包括以下步骤：
8.s1，构建设计平台，在计算机系统中配置matlab/simulink软件平台，并以matlab/simulink软件平台为基础开展后续设计工作基础；
9.s2，构建半主动悬架的非线性动力学模型，首先以车体和车轮垂直方向受力平衡的基础上，建立的1/4车辆2自由度半主动悬架系统的振动微分方程，然后根据ads减振器的半主动悬架系统的可调阻尼系数对得到被动悬架系统的振动微分方程，最后结合2自由度半主动悬架系统的振动微分方程和被动悬架系统的振动微分方程，得到半主动悬架系统的振动微分方程转化为系统状态空间表达式；
10.s3，设计基于迭代学习回路的控制器，首先构建标准h∞鲁棒控制系统，并设置h∞滤波器；然后根据汽车运行中，涉及出状态观测其来估计列车运行过程中不可测的状态x，同时设测量噪声v，从而得到汽车系统函数；最后将汽车系统函数引入到h∞鲁棒控制系统
中，得到h∞鲁棒控制系统满足条件函数，并得到最终汽车系统函数变形函数及闭环传递函数。
11.s4，自适应控制，完成s2步骤的同时，将pid控制算法与极点配置方法相结合，得到自适应极点配置pid控制器，实现对宣贯系统刚度参数矫正；同时采用自适应pd控制算法，在不需要人工试验情况下自适应的调整宣贯系统的pd增益，同时在参数不确定时通过采用h∞滤波器对车身横向加速度进行鲁棒估计，从而有效的一致车轮对的横向位移和速度、车体的横移量和速度，实现车辆悬挂系统自适应控制；
12.s5，系统仿真，完成s3步骤后，在amesim软件中建立汽车悬架仿真模型，与控制算法所在的matlab/simulink软件平台共同搭建联合仿真平台并进行控制效果的验证。
13.进一步的，所述s2步骤中，1/4车辆2自由度半主动悬架系统的振动微分方程表达式为：
[0014][0015]
式中：ms为簧载质量，kg；
[0016]mt
为非簧载质量，kg；
[0017]ks
为悬架刚度，kn/m；
[0018]kt
为车轮刚度，kn/m；
[0019]
xs为车体的绝对位移，m；
[0020]
x
t
为车轮的绝对位移，m；
[0021]
xr为路面激励，m；
[0022]csa
为基于ads减振器的半主动悬架系统的实时阻尼系数，n
·
s/m。
[0023]
进一步的，所述基于ads减振器的半主动悬架系统的可调阻尼力ff表达式为：式中，代表车体振动速度，m/s；
[0024]
为车轮振动速度，m/s；
[0025]cf
为基于ads减振器的半主动悬架系统的可调阻尼系数，n
·
s/m；
[0026]ff
为基于ads减振器的半主动悬架系统的可调阻尼力，n；
[0027]
同时，基于ads减振器的半主动悬架系统的实时阻尼系数c
sa
和实时输出阻尼力f
sa
表达式为：
[0028]csa
＝c
0-cf[0029][0030]
式中，c0为基于ads减振器的半主动悬架系统零电流下的阻尼系数， n
·
s/m，该参数是其能达到的最大阻尼系数；
[0031]fsa
为基于ads减振器的半主动悬架系统输出阻尼力，n，为当车体与车轮朝着相反且向外的方向运动时，其输出阻尼力f
sa
为正；
[0032]
最后将ads减振器的半主动悬架系统的实时阻尼系数c
sa
和实时输出阻尼力f
sa
带入到1/4车辆2自由度半主动悬架系统的振动微分方程表达式中，得到 1/4车辆2自由度半主动悬架系统的振动微分方程表达式变形式：
[0033][0034]
取半主动悬架系统的状态变量输出量将半主动悬架系统的振动微分方程转化为系统状态空间表达式如下：
[0035][0036]
式中：u为半主动悬架的输入向量，且有u＝[ffxr]
t
，即为ads减振器阻尼力和路面激励共同组成的矩阵；a
sa
为半主动悬架系统矩阵，b
sa
为半主动悬架控制矩阵，c
sa
为半主动悬架输出矩阵，d
sa
为半主动悬架传递绝阵，具体参数如下：
[0037][0038][0039]
进一步的，所述s2步骤中，半主动悬架系统的振动微分方程转化为系统状态空间表达式作业时：
[0040]
首先，根据ads减振器的输出阻尼力大小与ads控制阀中的输入工作电流大小成反比变化，故半主动悬架系统也会退化为传统的被动悬架系统，此时的1/4车辆2自由度被动悬架系统振动模型，在引入车体和车轮的垂直方向的受力平衡的基础上，被动悬架系统的振动微分方程改写为：
[0041][0042]
式中，cs为被动悬架系统阻尼系数，n
·
s/m；
[0043]ms
簧载质量，kg；m
t
为非簧载质量，kg；
[0044]ks
为悬架刚度，kn/m；
[0045]kt
为车轮刚度，kn/m；
[0046]
xs为车体的绝对位移，m；
[0047]mt
为车轮的绝对位移，m；
[0048]
xr路面激励，m。
[0049]
然后，取被动悬架系统的状态变量输出量被动悬架系统的振动微分方程转化即可转化为系统状态空间表达式，该表达式具体如下：
[0050][0051]
式中：u为被动悬架的输入向量，且有u＝[xr]；
[0052]ap
为被动悬架系统矩阵；
[0053]bp
被动悬架控制矩阵；
[0054]cp
被动悬架输出矩阵；
[0055]dp
被动悬架传递矩阵；
[0056]
各矩阵具体参数为：
[0057][0058][0059]
进一步的，所述s3步骤中，汽车系统函数为：
[0060][0061]
进一步的，所述s3步骤中，将汽车系统函数引入到h∞鲁棒控制系统内所得到h∞鲁棒控制系统满足条件函数具体表达式为：
[0062][0063]
其中：是xv的估计值，l为观测器增益矩阵，k为反馈控制器增益，同时观测器增益矩阵l满足：
[0064]
进一步的，所述s3步骤中标准h∞鲁棒控制系统的闭环系统需满足下列特性：
[0065]
第一，闭环系统满足内部稳定要求，即要求闭环系统状态矩阵的所有特征值都位于左半开复平面内；
[0066]
第二，||t
zw
(s)||
∞
《1；
[0067]
h∞控制问题可分为h∞次优控制和h∞最优控制两类，其中：
[0068]
h∞次优控制问题：
[0069]
求解所有正则实有理控制器k(s)，使得闭环系统内部稳定的同时满足
[0070]
||t
zw
(s)||
∞
＜γ，0＜γ＜r；
[0071]
h∞最优控制问题：
[0072]
求解一个正则实有理控制器k(s)，使得闭环系统内部稳定的同时满足
[0073][0074]
在工程实际中，为简化h∞控制问题，对被控对象g(s)的各矩阵系数均分别乘以一个常值r，即可将使得||t
zw
(s)||
∞
《r的h∞次优控制和h∞最优控制归结为满足||t
zw
(s)||
∞
《1的标准h∞控制问题。
[0075]
进一步的，所述s3步骤中，最终汽车系统函数变形函数为：
[0076][0077]
闭环传递函数为：
[0078][0079]
式中：t
wy
(s)为闭环传递函数；
[0080]
γ为一个给定的正定标量，表示干扰衰减水平。
[0081]
进一步的，所述s3步骤中，车辆悬挂系统自适应控制时，处于对运行平稳性和乘坐舒适性的控制目的，假设立车系统的被控输出变量表示如下：
[0082][0083][0084]
由此可知车立体横移加速度和摇头角加速度满足下式：
[0085][0086]
并以此建立状态空间方程式：
[0087][0088]
其中，a∈r
34
×
34
，b1∈r
34
×
16
，b2∈r
34
×2，c∈r2×
134
，d1∈r2×
16
，d2∈r2×2分别是从汽车动力学威风方程中得到的系统矩阵。
[0089]
本发明较传统的设计方法，通过构建半主动悬架的非线性动力学模型，和采用h∞回路成形控制方法在设计控制器，克服了传统设计工作中权函数的选取主要依靠工程人员的设计经验，需要反复调整和试凑的缺陷，提高了设计作业的工作效率，降低了设计过程中因数据获取不准而存在的盲目性，极大的提高了设计工作精度、效率，并有效降低了设计工作的劳动强度和成本。
附图说明
[0090]
图1为本发明方法流程图；
[0091]
图2为半主动悬架示意图；
[0092]
图3为汽车车体不同方向自由度的振动分布示意图；
[0093]
图4为标准h∞鲁棒控制系统得结构框图。
具体实施方式
[0094]
如图1和2所示，一种基于迭代学习改进的h∞控制方法，包括以下步骤：
[0095]
s1，构建设计平台，在计算机系统中配置matlab/simulink软件平台，并以matlab/simulink软件平台为基础开展后续设计工作基础；
[0096]
s2，构建半主动悬架的非线性动力学模型，首先以车体和车轮垂直方向受力平衡的基础上，建立的1/4车辆2自由度半主动悬架系统的振动微分方程，然后根据ads减振器的
半主动悬架系统的可调阻尼系数对得到被动悬架系统的振动微分方程，最后结合2自由度半主动悬架系统的振动微分方程和被动悬架系统的振动微分方程，得到半主动悬架系统的振动微分方程转化为系统状态空间表达式；
[0097]
s3，设计基于迭代学习回路的控制器，首先构建标准h∞鲁棒控制系统，并设置h∞滤波器；然后根据汽车运行中，涉及出状态观测其来估计列车运行过程中不可测的状态x，同时设测量噪声v，从而得到汽车系统函数；最后将汽车系统函数引入到h∞鲁棒控制系统中，得到h∞鲁棒控制系统满足条件函数，并得到最终汽车系统函数变形函数及闭环传递函数。
[0098]
s4，自适应控制，完成s2步骤的同时，将pid控制算法与极点配置方法相结合，得到自适应极点配置pid控制器，实现对宣贯系统刚度参数矫正；同时采用自适应pd控制算法，在不需要人工试验情况下自适应的调整宣贯系统的pd增益，同时在参数不确定时通过采用h∞滤波器对车身横向加速度进行鲁棒估计，从而有效的一致车轮对的横向位移和速度、车体的横移量和速度，实现车辆悬挂系统自适应控制；
[0099]
s5，系统仿真，完成s3步骤后，在amesim软件中建立汽车悬架仿真模型，与控制算法所在的matlab/simulink软件平台共同搭建联合仿真平台并进行控制效果的验证。
[0100]
所述s2步骤中，1/4车辆2自由度半主动悬架系统的振动微分方程表达式为：
[0101][0102]
式中：ms为簧载质量，kg；
[0103]mt
为非簧载质量，kg；
[0104]ks
为悬架刚度，kn/m；
[0105]kt
为车轮刚度，kn/m；
[0106]
xs为车体的绝对位移，m；
[0107]
x
t
为车轮的绝对位移，m；
[0108]
xr为路面激励，m；
[0109]csa
为基于ads减振器的半主动悬架系统的实时阻尼系数，n
·
s/m。
[0110]
进一步的，所述基于ads减振器的半主动悬架系统的可调阻尼力ff表达式为：
[0111]
式中，代表车体振动速度，m/s；
[0112]
为车轮振动速度，m/s；
[0113]cf
为基于ads减振器的半主动悬架系统的可调阻尼系数，n
·
s/m；
[0114]ff
为基于ads减振器的半主动悬架系统的可调阻尼力，n；
[0115]
同时，基于ads减振器的半主动悬架系统的实时阻尼系数c
sa
和实时输出阻尼力f
sa
表达式为：
[0116]csa
＝c
0-cf[0117][0118]
式中，c0为基于ads减振器的半主动悬架系统零电流下的阻尼系数， n
·
s/m，该参
数是其能达到的最大阻尼系数；
[0119]fsa
为基于ads减振器的半主动悬架系统输出阻尼力，n，为当车体与车轮朝着相反且向外的方向运动时，其输出阻尼力f
sa
为正；
[0120]
最后将ads减振器的半主动悬架系统的实时阻尼系数c
sa
和实时输出阻尼力f
sa
带入到1/4车辆2自由度半主动悬架系统的振动微分方程表达式中，得到 1/4车辆2自由度半主动悬架系统的振动微分方程表达式变形式：
[0121][0122]
取半主动悬架系统的状态变量输出量将半主动悬架系统的振动微分方程转化为系统状态空间表达式如下：
[0123][0124]
式中：u为半主动悬架的输入向量，且有u＝[ffxr]
t
，即为ads减振器阻尼力和路面激励共同组成的矩阵；a
sa
为半主动悬架系统矩阵，b
sa
为半主动悬架控制矩阵，c
sa
为半主动悬架输出矩阵，d
sa
为半主动悬架传递绝阵，具体参数如下：
[0125][0126][0127]
同时，所述s2步骤中，半主动悬架系统的振动微分方程转化为系统状态空间表达式作业时：
[0128]
首先，根据ads减振器的输出阻尼力大小与ads控制阀中的输入工作电流大小成反比变化，故半主动悬架系统也会退化为传统的被动悬架系统，此时的1/4车辆2自由度被动悬架系统振动模型，在引入车体和车轮的垂直方向的受力平衡的基础上，被动悬架系统的振动微分方程改写为：
[0129][0130]
式中，cs为被动悬架系统阻尼系数，n
·
s/m；
[0131]ms
簧载质量，kg；m
t
为非簧载质量，kg；
[0132]ks
为悬架刚度，kn/m；
[0133]kt
为车轮刚度，kn/m；
[0134]
xs为车体的绝对位移，m；
[0135]mt
为车轮的绝对位移，m；
[0136]
xr路面激励，m。
[0137]
然后，取被动悬架系统的状态变量输出量被动悬架系统的振动微分方程转化即可转化为系统状态空间表达式，该表达式具体如下：
[0138][0139]
式中：u为被动悬架的输入向量，且有u＝[xr]；
[0140]ap
为被动悬架系统矩阵；
[0141]bp
被动悬架控制矩阵；
[0142]cp
被动悬架输出矩阵；
[0143]dp
被动悬架传递矩阵；
[0144]
各矩阵具体参数为：
[0145][0146][0147]
特别说明的，所述s3步骤中标准h∞鲁棒控制系统的闭环系统需满足下列特性：
[0148]
第一，闭环系统满足内部稳定要求，即要求闭环系统状态矩阵的所有特征值都位于左半开复平面内；
[0149]
第二，||t
zw
(s)||
∞
《1；
[0150]
h∞控制问题可分为h∞次优控制和h∞最优控制两类，其中：
[0151]
h∞次优控制问题：
[0152]
求解所有正则实有理控制器k(s)，使得闭环系统内部稳定的同时满足 ||t
zw
(s)||
∞
＜γ，0＜γ＜r；
[0153]
h∞最优控制问题：
[0154]
求解一个正则实有理控制器k(s)，使得闭环系统内部稳定的同时满足
[0155][0156]
在工程实际中，为简化h∞控制问题，对被控对象g(s)的各矩阵系数均分别乘以一个常值r，即可将使得||t
zw
(s)||
∞
《r的h∞次优控制和h∞最优控制归结为满足||t
zw
(s)||
∞
《1的标准h∞控制问题。
[0157]
此外，所述s3步骤中，汽车系统函数为：
[0158][0159]
同时，所述s3步骤中，将汽车系统函数引入到h∞鲁棒控制系统内所得到h∞鲁棒控制系统满足条件函数具体表达式为：
[0160][0161]
是xv的估计值，l为观测器增益矩阵，k为反馈控制器增益，同时观测器增益矩阵l满足：
[0162]
本实施例中，所述s3步骤中，最终汽车系统函数变形函数为：
[0163][0164]
闭环传递函数为：
[0165][0166]
式中：t
wy
(s)为闭环传递函数；
[0167]
γ为一个给定的正定标量，表示干扰衰减水平。
[0168]
此外，所述s3步骤中，车辆悬挂系统自适应控制时，处于对运行平稳性和乘坐舒适性的控制目的，假设立车系统的被控输出变量表示如下：
[0169][0170][0171]
由此可知车立体横移加速度和摇头角加速度满足下式：
[0172][0173]
并以此建立状态空间方程式：
[0174][0175]
其中，a∈r
34
×
34
，b1∈r
34
×
16
，b2∈r
34
×2，c∈r2×
134
，d1∈r2×
16
，d2∈r2×2分别是从汽车动力学威风方程中得到的系统矩阵。
[0176]
本发明较传统的设计方法，通过构建半主动悬架的非线性动力学模型，和采用h∞回路成形控制方法在设计控制器，克服了传统设计工作中权函数的选取主要依靠工程人员的设计经验，需要反复调整和试凑的缺陷，提高了设计作业的工作效率，降低了设计过程中因数据获取不准而存在的盲目性，极大的提高了设计工作精度、效率，并有效降低了设计工作的劳动强度和成本。
[0177]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。