专利名称：磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法
技术领域：
本发明涉及一种磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法，属于车辆悬架 系统控制技术领域。
背景技术：
车辆悬架系统对路面车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性和运行安全性等性能有着十 分重要的影响。由于主动悬架的实现成本及性价比相对较高，且被动悬架又不能进行实时 调节，因此，有必要采用半主动悬架。虽然应用新型磁流变阻尼器(Magneto-rheological damper, MRD)的智能车辆悬架半主动控制研究已得到广泛重视，但由于MRD的强滞环非线 性和车辆负荷等运行参数的不确定性，使得该研究工作具有很强的挑战性。现有半主动控制方法具体包括如下几个方面1) 一种针对“四分之一”MR车辆悬 架系统的半主动滑模控制策略，即选择了一种理想的天棚半主动悬架系统作为参考模型， 根据实际被控系统和参考模型间的误差动力学实现渐近稳定的滑模控制，但不能有效地解 决MRD滞环非线性控制等问题；2) —种基于H00控制方法的MR整车悬架系统的半主动控制 策略，即将车厢质量作为系统的不确定参数，但不能有效地解决4个MRD的协调控制问题； 3) 一种针对“四分之一”MR车辆悬架系统的半主动神经网络控制策略，但仅在低频段有较 明显的控制效果；4) 一种针对“四分之一”MR车辆悬架系统非线性和参数不确定性的半主 动自适应模糊控制策略，通过实际道路平顺性试验，发现其在低频段(l-3Hz)效果欠佳；5) 一种针对“四分之一"MR车辆悬架系统的改进型半主动滑模控制策略，即应用MRD多项式滞 环模型的逆模控制方法来补偿MRD的滞环非线性特性，但由于MRD多项式滞环模型的不精 确性，使得控制效果一般。上述几种典型的鲁棒控制方法有力地推动了 MR智能车辆悬架关 于MRD滞环非线性和车辆运行参数不确定性的半主动控制研究，然而，上述方法虽针对“四 分之一” MR车辆悬架子系统进行半主动控制研究，但尚缺乏对MRD滞环非线性控制和对车 辆悬架MRD不对称悬架阻尼控制要求的系统解决办法，且离实际应用尚有较大距离。因此， 有必要设计一种磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，针对MRD滞环非线 性和车辆载荷的变化，提出一种针对“四分之一”磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控 制方法。为整车4个MR悬架子系统的解耦控制研究打好基础。本发明以改进型天棚悬架 系统为参考模型，根据被控系统和参考模型间的误差动力学实现渐近稳定的滑模控制，并 应用MRD逆模和对称阻尼型MRD产生不对称阻尼特性的两种基本控制策略，以实现MRD控 制阻尼力对其理想阻尼力的实时跟踪控制。本发明为一种磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法，其步骤是第一步建立改进型天棚参考模型。“四分之一”车辆悬架系统如附
图1所示。在典型的模型参考控制系统中，要求将系统输入提供给参考模型，实际系统和参考模型的不同响应靠控制器来调节。然而，在车辆 悬架系统的设计过程中，将路面激励信号提供给参考模型是非常困难的，因此本发明采用 附图2所示的1自由度改进型天棚悬架系统作为参考模型。由于轮胎刚度几乎是悬架弹簧 刚度的5倍，因此在悬架系统正常工作频率范围内，通常将非簧载质量的运动近似为路面 输入，这样非簧载质量的状态变化可直接作为参考模型的输入，从而避免了直接测量路面 输入信号Xi，其动力学方程表示为 ms0x0 + c0(is0 -xu) + CsXs0 + ks(xs0-xa) = 0(1)其中，Histl为理想簧载质量，其单位为千克(kg) ；Xstl为理想簧载质量垂直位移，其单 位为米(m) ;xu为底盘垂直运动位移，其单位为米(m) ;cs为天棚阻尼系数1，其单位为牛顿 秒/米(Ns/m) ；Ctl为天棚阻尼系数2，其单位为牛顿秒/米(Ns/m) ;ks为悬架弹簧刚度牛顿 / 米(N/m)。第二步渐近稳定的滑模控制方法。由于应用天棚阻尼调节的车辆悬架系统能理想地实现车辆乘坐舒适性，因此本发 明设计的半主动变结构控制器(HSMC)将通过使被控系统的簧载质量1跟踪参考模型理想 簧载质量Histl的运动来实现，渐近稳定滑动模态在实际被控系统和参考模型间的误差动力 学系统中产生。滑模面定义为
_2] s=efi)+Aes(t)(2)其中，es(t)= Xs(t) -Xs0 (t) ,es(/) = i:s(0 -Xs0(/) , λ 为正常数，t 为时间，Xs 是 Xs (t)的简写，表示车厢垂直运动位移，其单位为米(m)，Xstl是Xstl (t)的简写，表示理想簧载 质量垂直位移。通过选定合适的λ来控制收敛速率，当t趋于无穷大时，es(t)为零。在滑 模面s = 0上，系统的动态响应表示为es = -Xes(3)其中， 为 ⑴的简写。滑模条件，si<0确保系统状态能够切换到滑模面。根据李亚普诺夫函数ν = s2/2，对V求导V = SS(4)由式(1)、(2)、(4)可求得F二 上(Xs-Xu)-、+ 电-丄Fd S(5)
msms .其中，Fd是MRD输出阻尼力，ms为实际簧载质量，Xs是xs (t)的简写，表示车厢垂直 运动位移，其单位为米(111)，\是\(0的简写，表示底盘垂直运动位移，其单位为米(m)，ks 为悬架弹簧刚度牛顿/米(N/m)，es与式(2)中的含义相同。定义MRD控制阻尼力F。为Fc = Fdtl-KSgn(S)(6)其中，Fdtl是理想阻尼力，K是变结构控制增益，SgnO是符号函数。这样，式(5)可 进一步表示为-&)-‘+枚-丄(Fd0 -尺 sgnCs))ls(7 ) ms ms
假设实际簧载质量ms与理想簧载质量Histl受正常数β约束如下
权利要求
1. 一种磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法，其步骤是 第一步建立改进型天棚参考模型采用1自由度改进型天棚悬架系统作为参考模型，其动力学方程为 ms0x0 + C0(i:s0-xu) + csxs0 + ks(xs0 -xu) = 0(1)其中，ms(l为理想簧载质量，其单位为千克(kg) ；Xstl为理想簧载质量垂直位移，其单位 为米(m) ;xu为底盘垂直运动位移，其单位为米(m) ;cs为天棚阻尼系数1，其单位为牛顿秒 /米(Ns/m) ；C0为天棚阻尼系数2，其单位为牛顿秒/米(Ns/m) ;ks为悬架弹簧刚度牛顿/ 米(N/m)；第二步采用渐近稳定的滑模控制方法，计算MRD控制阻尼力F。 Fc = Fdo-Ksgn (s) (6)其中，Fdtl是理想阻尼力，K是变结构控制增益，sgn()是符号函数； 理想阻力
全文摘要
本发明针对MRD滞环非线性和车辆载荷的变化，公开了一种针对“四分之一”磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法。其中，以改进型天棚悬架系统为参考模型，根据被控系统和参考模型间的误差动力学实现渐近稳定的滑模控制，并应用MRD逆模和对称阻尼型MRD产生不对称阻尼特性的两种基本控制策略，以实现MRD阻尼力对其理想阻尼力的实时跟踪控制，从而提升“四分之一”MR车辆悬架系统综合性能，增强对车辆载荷的变化的鲁棒性，并能有效抑制磁流变阻尼器的滞环非线性对系统性能的不良影响。
文档编号G05B13/04GK102004443SQ201010144138
公开日2011年4月6日 申请日期2010年4月12日 优先权日2010年4月12日
发明者刘太明, 宋慧, 应亮, 王恩荣, 赵阳, 颜伟 申请人:南京师范大学