详情

原文传递磁流变半主动悬架分段建模与多目标控制方法研究

论文题名：	磁流变半主动悬架分段建模与多目标控制方法研究
关键词：	半主动悬架;磁流变阻尼器;分段线性系统;H∞控制;智能汽车
摘要：	悬架系统是汽车底盘的重要组成部分，是决定车辆行驶动力学性能的关键部件。阻尼力可控的半主动悬架可有效改善车辆的舒适性，且具有低成本优势，成为悬架技术发展的重要领域。在不同类型的半主动悬架中，磁流变半主动悬架具有响应快，阻尼力调节范围大的优点，但其复杂的非线性特性使得控制器设计困难。此外，传统悬架控制的目标是车路耦合激励下的簧上质量振动抑制，表征为未知车路耦合激励或随机激励作用下的垂向动力学控制问题，其原因在于车辆难以获取道路信息以及操控由驾驶员实现。汽车智能化带来更多道路信息和车辆操控方式的变化，这为悬架控制带来了新的研究内容与契机。本文的研究工作在这一背景下提出与开展，侧重从两个方面探索了悬架控制问题。一是以磁流变阻尼器的非线性阻尼力约束为出发点，针对复杂路面激励、车辆负载变化、降低传感器数量等问题进行半主动悬架非线性控制方法的研究。二是以智能汽车具有更多道路信息和主动操控方式为出发点，基于道路预瞄信息和车辆纵垂向动力学协调，即通过前方道路信息，车辆纵向速度操控与悬架系统协调进行提升智能汽车舒适性能的控制方法研究。本文的构成和具体研究内容如下：　　首先分析了磁流变阻尼器的非线性特征，给出了阻尼力约束边界的状态依赖描述，在此基础上，提出了一种阻尼力近似分段常值约束描述方法，构建了可有效描述磁流变阻尼力非线性特性的1/4悬架分段约束模型，并将悬架系统控制问题归结为分段H∞控制器设计问题。针对依赖状态不变集的凸优化方法以及非零对称约束问题，本文提出了一种具有仿射项的控制器形式，并在全局二次型Lyapunov函数（GQLF）基础上推导了保证H∞性能和稳定性的增益求解方法。在仿真环境和实验台架上，对提出的控制方法进行了仿真与实验验证，并分析了分段参数对控制性能的影响。仿真与实验结果表明给出的控制方法对于改善车辆的舒适性能是有效和可行的，且能应用于嵌入式车载电控单元。　　在磁流变阻尼力分段约束模型和分段H∞控制的基础上，本文进一步分析了负载变化对悬架控制性能的影响和基于全局二次型Lyapunov函数设计控制器带来的保守性问题。通过对每个分区构建与负载有关的独立Lyapunov函数和设计随负载变化的控制增益，提出了一种基于参数依赖二次型Lyapunov函数的磁流变半主动悬架负载自适应控制器设计方法。仿真和台架实验结果验证了本文提出的方法在车辆乘员数量和载货质量变化时具有较好的振动抑制性能和负载自适应能力。为了降低汽车电控系统的应用成本，便于控制方法在实际车辆中应用，在上述状态反馈控制方法基础上，进一步探索了基于车载传感器信息的磁流变半主动悬架输出反馈控制方法。本文首先针对现有方法无法处理约束的问题，提出了一种补充与改进思路，通过增加控制量约束条件，给出了一种具有控制量约束的PWA（piecewiseaffine）系统静态输出反馈控制器设计方法。尽管这种方法在理论上是可行的，但计算结果表明，该方法对于磁流变半主动悬架无可行解。本文分析了产生无可行解的原因，指出该方法基于凸优化设计，且采用保守性较大的边界不等式，对于本质是非凸的输出反馈控制器设计具有较大的保守性。为此，本文进一步从新的角度对磁流变半主动悬架输出反馈控制器设计方法进行了探索。其基本思路是分析状态反馈控制器和输出反馈控制器的形式和结构特征，利用状态反馈控制器设计结果，通过矩阵变换获得输出反馈控制增益。这种方法建立了状态反馈控制器与输出反馈控制器的联系，是一种新的研究思路和方法的探索。台架和实车道路实验结果表明，相比于被动悬架和经典skyhook算法，本文的方法具有更好的控制性能，且可在嵌入式电控单元中进行半主动悬架实时控制。　　汽车智能化和网联化技术的进步，为悬架控制带来了控制方式与控制维度变化的研究契机。其特征是悬架控制由道路信息未知或仅有统计意义信息的控制方式转为可获取不平道路信息的控制方式，由垂向动力学一个控制维度转为纵垂向动力学两个控制维度。这种控制方式和控制维度的变化使得悬架控制由激励产生后的被动振动抑制控制转为可调节激励信息的主动振动抑制控制，带来了新的悬架控制问题。针对汽车智能化带来的控制方式变化的研究契机，本文探索了利用前方不平路面预瞄信息的半主动悬架预瞄控制方法。与广泛采用的恒定车速下研究预瞄控制的方法不同，本文考虑了车速变化对预瞄信息的影响，讨论了如何将预瞄传感器获得的空间域道路信息转化为能被悬架控制充分利用的时间域信号问题，提出了一种充分利用预瞄数据且能适应预瞄数据长度变化的预瞄控制器设计方法。针对汽车智能化带来的控制维度变化的研究契机，本文从调节纵向车速减小车路耦合激励，通过悬架控制抑制垂向振动的角度，研究提升车辆舒适性能的纵垂向协调方法。研究思路是对全局行驶路面进行区域分割，对需要调节车速的区域进行减小车路耦合激励信号和兼顾车辆机动性的纵向车速优化，将优化的车速与悬架垂向动力学控制协调，提升车辆的舒适性能。本文的方法可提升智能汽车自动驾驶模式下不平路面行驶时的舒适性能，也为自动驾驶汽车提供了不平路面行驶时依据舒适性需求进行车速规划与调节的思路和方法。
作者：	吴健
专业：	控制科学与工程
导师：	刘志远
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2020