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原文传递一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法

专利名称：	一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法
摘要：	本发明公开了一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法，属于汽车控制领域，包括以下步骤：步骤一，建立二自由度非线性主动悬架模型；步骤二，根据步骤一所建立的悬架数学模型推理协调抗饱和控制器所需要的公式，并进行稳定性证明；步骤三，进行控制器参数调节和仿真结果对比。本发明可以解决车身垂直加速度和悬架动行程之间的冲突，有效的提高了乘坐舒适性和操作稳定性；本发明还可以解决主动力的饱和问题，有效的解决了执行器输出饱和给悬架系统带来的影响，从而显著提高了悬架的整体性能；并采用命令滤波的方式获取了虚拟控制的导数，使得控制器更有利于实际应用，取得更好的控制效果，能应用于悬架控制领域。
专利类型：	发明专利
申请人：	燕山大学
发明人：	刘爽;郝若兰;赵丁选;巩明德;倪涛
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T18:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T19:00:00+0805
申请号：	CN202010056356.2
公开号：	CN111169247A
代理机构：	石家庄众志华清知识产权事务所(特殊普通合伙)
代理人：	张明月
分类号：	B60G17/018;B;B60;B60G;B60G17;B60G17/018
申请人地址：	066004 河北省秦皇岛市海港区河北大街438号
主权项：	1.一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：建立二自由度非线性主动悬架模型；步骤二：根据步骤一所建立的悬架数学模型推理协调抗饱和控制器所需要的公式，并进行稳定性证明；步骤三：控制器参数调节和仿真结果对比。 2.根据权利要求1所述的一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法，其特征在于：所述步骤一包括以下步骤： Ⅰ、根据牛顿第二定律建立主动悬架的动力学模型：在式(1)中，Fc,Fk,Ft,Fb的表达式如下所示： Fk＝kk(zs-zu)+kkn(zs-zu) Ft＝kt(zu-z0) 其中在悬架动力学模型中，ms表示悬架簧载质量，mu表示悬架非簧载质量，Fc表示悬架的非线性阻尼力，Fk表示悬架的非线性刚度，Ft表示轮胎的刚度，Fb表示轮胎的阻尼，uz表示主动悬架的输出力，kk表示悬架线性刚度系数，kkn表示悬架刚度的非线性洗漱，kt表示轮胎刚度系数，bf表示轮胎阻尼系数，zs表示车身垂直位移，zu表示轮胎垂直位移，z0表示路面输入； Ⅱ：将动力学模型抽象成悬架的数学模型：首先将动力学模型写成状态空间表达式的形式：建立车辆主动悬架的空间状态表达式，定义状态变量如下所示：将式(1)的动力学方程改写为：定义θ1＝1/ms为系统的不确定参数；为了便于控制器的设计，引入以下引理： Lemma1 存在γc＞0,以及控制器参数k＞0，满足下列式子，状态误差z1满足H∞性能，d表示外部扰动； Lemma2 命令滤波定义如下：其中φ1(0)＝β1(0)，φ2(0)＝0，φ1，φ2是命令滤波器的输出，β1是命令滤波器的输入；对于t＞0，如果输入信号β1满足\|β1\|≤η1，η1，η21是正常数，存在0＜ζn＜1，ωn＞0，可以使得\|φ1-β1\|≤κ1，是有界的； Lemma3 对于任意的正数λi，当\|vi\|＜λi时，满足以下不等式：式(2)即为二自由度主动悬架的数学模型，针对该主动悬架数学模型设计协调抗饱和控制器。 3.根据权利要求1所述的一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法，其特征在于：所述步骤二包括以下内容：根据步骤一所建立的悬架数学模型设计协调抗饱和控制器，所述控制器的控制目标包括：①协调控制车身垂直加速度和悬架动行程：因为悬架中的车身垂直加速度和悬架动行程二者之间的互相冲突，需通过协调控制车身垂直加速度和悬架动行程来提高乘坐舒适性和操作稳定性；②设计抗饱和补偿器：能够有效的降低主动悬架输出的主动力饱和问题，进而提高悬架系统的整体性能； S1：设计协调抗饱和控制器，稳定车身运动状况：令x1＝zs,x3＝zu, x1表示第一个状态变量，x2表示第二个状态变量，x3表示第三个状态变量，x4表示第四个状态变量；设计主动悬架的抗饱和输出力为：式中Fm＝-Fc-Fk,k2＞0,g1＞0k2,g1均为控制器的设计参数，是经命令滤波求取的虚拟控制变量的导数；z2是定义的状态变量，v1是定义的误差补偿，e2是定义的辅助误差变量，是θ1的估计值，θ1＝1/ms，ysm是设置的悬架动行程所允许的最大值； S2：证明协调抗饱和控制器的稳定性。 4.根据权利要求3所述的一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法，其特征在于：所述S1中协调抗饱和控制器的设计过程具体包括以下步骤： S11、协调控制车身垂直加速度与悬架动行程之间的关系：定义悬架动行程为： Y1＝zs-zu＝x1-x3 由于物理机械结构的限制，悬架的使用寿命，因此悬架的动行程应该被限制在合理的范围之内： Y1≤ysm＜Δysmax 式中ysm为本专利所设置的悬架动行程的最大范围，所设置的悬架动行程的最大范围小于悬架动行程的最大允许值，这样的设置，可以有效的改善悬架动行程，提高车辆行驶的平顺性；为了协调控制车身的垂直加速度与悬架动行程之间的关系，设计如下的非线性滤波器：式中ε1为较小的正数，k3为非线性滤波器的设计参数，状态x3经过滤波后得到ψ1(Y1)是悬架动行程函数，定义如下：式中λ1为设计参数，在式(3)中相比ψ1(Y1)变化缓慢，因此在滤波器方程中，将ψ1(Y1)看做常数处理，可得：当悬架动行程在给定的范围内时，即Y1≤ysm，可得ψ1(Y1)＝0，此时有：此时是低通滤波器，x3将无法通过，控制器的主要作用是调节车身垂直加速度；而当悬架动行程超出本专利所规定的范围时，此时有：此时是高通滤波器，此时控制器的主要作用将调节悬架前后轮的动行程； S12、设计协调抗饱和控制器，定义状态误差如下： z2＝x2-α1 设计命令滤波的方式来获取虚拟控制信号的导数；设计命令滤波如lemma2所示：式中β1是命令滤波器的输入，α1＝φ1,1,分别是命令滤波器的输出；但是命令滤波器可能会导致滤波误差，因此，为了减小命令滤波误差(α1-β1)的影响，定义误差补偿为：式中ξ1,ξ2是误差补偿信号，误差补偿信号可以补偿滤波误差，改善控制效果，设计如下的误差补偿信号：式中k2,μ1为控制器设计参数；虚拟控制函数定义如下：式中L1＝ε1+k3ψ1(Y1)，k1为控制器设计参数； S13：由于实际的悬架物理系统中会存在各种不确定的扰动，在主动悬架中需要输出更大的主动力来抵消这些潜在的扰动，但是实际的车辆悬架系统是有物理限制的，主动悬架输出的力不可能无限制的增大，因此设计一个抗饱和补偿环节来解决输出主动力的饱和现象，以获得更好的平顺性，定义饱和函数为： uz＝sat(vz) (9) 定义饱和误差为： Δuz＝sat(vz)-vz sat(vz)定义为：定义辅助误差变量如下所示： e2＝z2-η2 式中变量η2设计为：主动悬架的抗饱和输出力为：式中Fm＝-Fc-Fk,k2＞0,g1＞0；设计不确定参数如下所示：式中τ1＝(Fm+uz)e2,r1＞0为设计的参数，θ1为不确定参数，分别为θ1的估计值；θ1max为θ1的最大值，θ1min为θ1的最小值，Fm＝-Fc-Fk是定义的中间量，e2是定义的变量。 5.根据权利要求3所述的一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法，其特征在于：所述S2中具体的方法如下：首先选择第一步的李雅普诺夫函数如下所示：对式(13)求导可得：由式(6)，误差补偿的定义以及系统的状态误差定义可以得出：对v1求导可得：由于x2＝z2+α1，将x2＝z2+α1以及式(3)代入上式中可得：式中L1＝ε1+k3ψ1(Y1)；在此，设计将代入到中可得：因为将式(15)代入到式(14)中可得：在此，设计将β1代入到式(16)中可得：选取第二步的李雅普诺夫函数为：对V2求导可得：由z1,z2定义可得： v2＝z2-ξ2＝x2-α1-ξ2 对v2求导可得：将代入可得：在此设计并将代入到中可得：由e2定义可得：将式(10)代入到式(18)中可得：将式(19)代入到可得：设计vz如下所示：设计不确定参数如下所示：将vz代入到式(19)中可得：将上式以及式(22)代入到式(20)中可得：根据Lemma3可得：所以可得：由不等式2ab≤a2+b2可得：又因为有界，令进一步可以得到：令C1＝min{μ1,k2}，由式(24)可得：即在t→∞，z1,z2,v1,v2,η2都是有界的，系统稳定；将所研究的悬架系统看做由两个子系统构成，分别是簧上质量子系统，簧下质量子系统，控制器的设计以及稳定性证明主要是针对簧上质量子系统，因此，还需要满足簧下质量子系统的稳定，才能说明整个悬架系统是稳定的；所以，下面证明系统的零动态稳定性：令z1＝z2＝0,v1＝v2＝0,e2＝0，外部扰动d＝0，由于悬架的饱和力是由外部扰动造成的，当外部扰动d＝0以后，执行器将不会产生饱和，所以我们可以得到： uz＝-Fm (25) 将式(25)代入到簧下质量子系统中可得： X＝A1X+BZ (26) 将式(26)写成矩阵的形式：其中因为A1是Hurwitz的，因此该系统的零动态是渐近稳定的，证明完毕。 6.根据权利要求1所述的一种基于命令滤波的车辆主动悬架协调抗饱和控制方法，其特征在于：所述步骤三中具体的方法如下： A：悬架系统参数与控制器参数的取值，为调节控制器参数，使得控制器参数取得某数值，进而降低车身垂直加速度、悬架动行程、轮胎动静载荷比，提高车辆行驶的安全性能，操作稳定性，获得更好的乘坐舒适性； B：调节控制器，分析协调抗饱和控制器应用在悬架系统上的效果。
所属类别：	发明专利