CN107168279B - 一种基于h∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

一种基于H_∞预演控制的半车主动悬架系统的控制方法，包括以下步骤：步骤一、建立半车主动悬架系统的模型，包括动力学模型和状态空间模型；步骤二、提出基于H_∞预演控制的半车主动悬架系统的控制律。本发明提供了一种可以将路面变化这类扰动对悬架系统的负面影响抑制在更小范围内、控制性能良好的基于H_∞预演控制的半车主动悬架系统的控制方法。

Description

一种基于H∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制方法，具体涉及一种汽车主动悬架系统的控制方法，该方法通过传感器将前方的路面信息提前传送给悬架装置，悬架系统因而能够利用提前获取的路面信息设计控制器，这有效延长了处理器的处理时间，能够更好地克服路面凹凸不平对悬架系统在垂直方向上的影响，具有更强的鲁棒性，改善驾驶舒适度、稳定性和安全性，增强车辆的操控性。

背景技术

传统车辆悬架系统的功能主要是保证良好的乘坐舒适性和稳定的轮胎载荷, 其优劣直接影响汽车的操纵稳定性、平顺性、轮胎接地性等主要性能。良好的车辆悬架系统还可以减少车辆驾驶者在路面情况恶劣的条件下承受较少的振动，防止引发脊椎畸变和胃病等疾病，保证了司机的身心健康。

目前车辆悬架系统的控制可分为被动控制、半主动控制和主动控制三种类型。凡不需输入能量的振动控制称为被动控制，由基本的弹簧和阻尼构成，被放置在车身和车桥之间，由于改善驾驶舒适度或增强车辆操控性的能力是互相制约的一对性能，被动悬架只能改善两个性能指标之一，能力有限；输入少量能量调节阻尼的振动控制称为半主动控制，半主动悬架系统具有可变性的阻尼特性，在控制能力上可以提供很大的改善,但由于是无源操作，改善能力依然有限；通过输入外部能量使振动机构给悬架系统施加一定控制力的振动控制称为主动控制。

主动悬架系统采用力作动器来代替被动悬架系统中的弹簧和减振器或在原有被动悬架系统的基础上增加了主动力作动器。作动器通常为液动或气动形式，但大多数采用的是液压式作动器，它可根据控制信号产生相应大小的作用力。与被动悬架系统相比，主动悬架系统的最大优点是其适应能力强，可同时改善车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。

相比较被动悬架系统而言，主动悬架系统是典型的多目标控制系统。总的说来，汽车主动悬架系统的性能要求主要包括：1)尽可能地隔离路面传递到人体的冲击和振动，以达到乘坐的舒适性；2)从车辆行驶的安全性角度考虑，悬架的设计应该使系统的动载小于静载，进而增强轮胎的接地性；3)由于执行器同悬架平行放置，因此悬架的位移行程应该满足一定的限制，即当增加驾驶舒适度的同时，悬架工作位移应该保持在允许的范围内。然而，这些性能指标是互相冲突的。例如，提升驾驶舒适度同时会带来更大的悬架位移和更小的轮胎接地概率。

为了消除这些性能之间的冲突，很多悬架系统的多目标控制策略已经被提出。传统方法在处理悬架系统的多目标控制问题时，可能会导致系统性能的降级，甚至造成悬架系统性能的不稳定。而鲁棒控制方法中，H_∞控制和H₂控制或其二者的结合提供了一些多目标控制的可行性方案，在使用尽可能少的控制能量使悬架行程尽可能小的同时保证了路面不平对系统性能的影响被限定在一定的范围内。

然而，由于只使用了当前的路面信息，使用标准H_∞控制方法设计的悬架系统对路面干扰的抑制性能仍然有很大的改善空间。为此，本发明将基于H_∞预演控制方法设计汽车的主动悬架系统。由于该方法首先借助路面传感器提前获取了更多的路面信息，继而能够使用这些信息设计控制器，更有效地抵消路面干扰带给系统的不利影响，从而达到更好的控制性能。早在1968年，最优预演控制已经被应用于汽车工业的悬架系统，它利用前悬架的扰动信息作为后悬架的前馈信息或者利用声纳传感器将前方路面的变化信息提供给电子控制单元ECU，ECU 再根据提前获取的路面变化信息作出控制决策，提前抵消扰动对悬架系统的负面影响，改善了悬架系统的性能。综上，考虑到路面起伏信息的不确定性，最优预演控制的最优性能很难达到；而在相同的环境下，基于标准H_∞控制的悬架系统性能还有很大的提升空间。

发明内容

为了克服现有基于标准H_∞控制的悬架系统的控制性能较差的不足，本发明为改善现有汽车主动悬架控制技术的控制性能，提供了一种基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供如下的技术方案：

一种基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、建立半车主动悬架系统模型，过程如下：

根据牛顿第二定律，悬架系统的动力学方程为：

式(1)-(4)中，弹簧动态和阻尼特性的输出力遵循以下关系：

公式(1)-(6)中，M表半车车身质量，I表示半车车身转到惯量，θ表示车身质心处的俯仰角，z_c为质心垂直位移，a、b分别为车身质心至前、后轴的距离，f_f和f_r分别表示前后悬架部分的弹力和阻尼力，m_f和m_r分别表示前、后轮的非簧载质量，k_f2和k_r2分别表示前、后轮胎的刚度系数，k_f1、k_r1为前、后悬架减振弹簧的刚度系数,b_f、b_r分别为前、后悬架阻尼系数，z₀₁和z₀₂分别为前、后轮相对地面的垂直位移，z₁、z₂为前、后轮相对平衡态的垂直位移；u₁和u₂表示执行器输入力；

定义状态变量

x＝[x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈]′ (7)

其中，

x₁＝z_c+aθ-z₁；x₃＝z_c-bθ-z₂；

x₅＝z₁-z₀₁；x₇＝z₂-z₀₂；

根据(1)-(8)推导出,半车主动悬架系统的状态空间模型如下：

其中，x是系统状态变量；u＝[u₁,u₂]′为系统的控制输入；是扰动输入，即高低起伏的路面信息,假设其能量有限；y为系统的被调节输出；步骤二、提出基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制律如下：

(10)中h表示车辆前后轮经过同一地点的时间差、t表示时间、w(t-h+s)表示 t-h+s时刻系统的扰动、其它所涉及到的控制增益由以下方程的稳定解及已知的系统参数决定：

式(12)中γ为提前给定的H_∞预演控制抑噪水平指标,其它参数如下：

所述步骤二中，控制律设计过程如下：

2.1)首先根据已知的状态系数矩阵通过Riccati方程(11)解出一个稳定的解

2.2)根据方程(13)-(18)分别求解出中间矩阵G_c(t)、B_τ(t)、A_γ、R_γ；

2.3)利用A_γ、R_γ、求解Riccati方程(12)得到X_γ；

2.4)根据方程(10)得到最终的控制律u。

本发明的有益效果主要表现在：与基于标准H_∞控制的车辆主动悬架系统的控制方法相比，由于提前获取并使用了具有不确定性的高低起伏的路面信息，基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法能够将噪声对被调节输出y的影响控制在更小的范围内，因而具有更好的控制效果。具体而言，基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法可利用前悬架的路边变化信息作为后悬架的前馈信息、利用声纳传感器将车辆前方路面的变化信息提供给电子控制单元 ECU，ECU再根据这些已知的路面变化信息做出控制决策，提前抵消路面扰动对悬架系统的不良影响，使扰动对系统的影响被限定在更小的范围内，有效地改善了悬架系统的性能。

附图说明

图1为本发明所建立的汽车主动悬架模型示意图。

具体实施方式

为了更具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，一种基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤一、建立如图1所示的半车主动悬架模型，根据牛顿第二定律，悬架系统的动力学方程为：

式(1)-(4)中，弹簧动态和阻尼特性的输出力遵循以下关系：

公式(1)-(6)中，M表半车车身质量，I表示半车车身转到惯量，θ表示车身质心处的俯仰角，z_c为质心垂直位移，a、b分别为车身质心至前、后轴的距离，f_f和f_r分别表示前后悬架部分的弹力和阻尼力，m_f和m_r分别表示前、后轮的非簧载质量，k_f2和k_r2分别表示前、后轮胎的刚度系数，k_f1、k_r1为前、后悬架减振弹簧的刚度系数,b_f、b_r分别为前、后悬架阻尼系数，z₀₁和z₀₂分别为前、后轮相对地面的垂直位移，z₁、z₂为前、后轮相对平衡态的垂直位移；u₁和u₂表示执行器输入力；

(2)建立状态空间方程模型；

定义状态变量

x＝[x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈]′ (7)

其中

x₁＝z_c+aθ-z₁；x₃＝z_c-bθ-z₂；

x₅＝z₁-z₀₁；x₇＝z₂-z₀₂；

根据(1)-(8)推导出,半车主动悬架系统的状态空间模型如下：

公式(9)中，x是系统状态变量；u＝[u₁,u₂]′为系统的控制输入；是扰动输入，即高低起伏的路面变化信息,假设其能量有限；y为系统的被调节输出； C＝diag{p₁,…,p₈}，其中 diag{p₁,…,p₈}表示对角线元素为p₁,…,p₈的对角阵,p_i表示对第i个状态的调节偏好,i＝1,…,8；q_i表示对第i个控制输入状态的调节偏好，i＝1,2；一方面，为确保主动悬架系统的舒适性、安全性和稳定性，需要通过控制律的调节使车身加速度尽可能小、使悬架行程x₁、x₃尽可能小、使轮胎动载k_f1x₅、k_f2x₇尽可能小，而根据(1)-(8)可知，实际均是x_1,x₂,x₃,x₄,x₆,x₈的线性组合，因此为保证舒适性、安全性和稳定性，就要通过控制律的调节使状态变量x_1,x₂,…,x₈尽可能小；另一方面，还要使得调节过程所消耗的能量尽可能小；由于具有不确定性的路面高低起伏必然会影响并进入半车主动悬架系统，因此将半车主动悬架系统的调节目标修改为：给定抑噪水平γ，选择控制律u，使得在u的调节下，路面的高低起伏对被调节输出 y的影响被限定在γ以下；与标准H_∞控制不同，模型(9)表明，该系统可以提前获取较多的路面起伏信息；

步骤二、设计基于H_∞预演控制的车辆悬架系统控制律；

根据下列方程得到车辆主动悬架系统的控制律u：

(10)中h表示车辆前后轮经过同一地点的时间差、t表示时间、其它所涉及到的控制增益由以下方程的稳定解及已知的系统参数决定：

式(12)中γ为提前给定的H_∞预演控制抑噪水平指标,其它参数如下：

控制律的设计过程如下：

2.1)首先根据已知的状态系数矩阵通过Riccati方程(11)解出一个稳定的解

2.2)根据方程(13)-(18)分别求解出中间矩阵G_c(t)、B_τ(t)、A_γ、R_γ；

2.3)利用A_γ、R_γ、求解Riccati方程(12)得到X_γ；

2.4)根据方程(10)得到最终的控制律u。

Claims (2)

1.一种基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法，其特征在于：所述控制方法包括以下步骤：

步骤一、建立半车主动悬架系统模型，过程如下：

根据牛顿第二定律，悬架系统的动力学方程为：

式(1)-(4)中，弹簧动态和阻尼特性的输出力遵循以下关系：

公式(1)-(6)中，M表半车车身质量，I表示半车车身转动惯量，θ表示车身质心处的俯仰角，z_c为质心垂直位移，a、b分别为车身质心至前、后轴的距离，f_f和f_r分别表示前后悬架部分的弹簧拉力和阻尼力，m_f和m_r分别表示前、后轮的非簧载质量，k_f2和k_r2分别表示前、后轮胎的刚度系数，k_f1、k_r1为前、后悬架减振弹簧的刚度系数,b_f、b_r分别为前、后悬架阻尼系数，z₀₁和z₀₂分别为前、后轮相对地面的垂直位移，z₁、z₂为前、后轮相对平衡态的垂直位移；u₁和u₂表示执行器输入力；

定义状态变量

x＝[x₁，x₂，x₃，x₄，x₅，x₆，x₇，x₈]′ (7)

其中

x₁＝z_c+aθ-z₁；x₃＝z_c+bθ-z₂；

根据(1)-(8)推导出,半车主动悬架系统的状态空间模型如下：

其中，x是系统状态变量；u＝[u₁，u₂]′为系统的控制输入；是扰动输入，即高低起伏的路面变化信息,假设其能量有限；y为系统的被调节输出；

步骤二、提出基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制律如下：

(10)中h表示车辆前后轮经过同一地点的时间差、t表示时间、w(t-h+s)表示t-h+s时刻系统的扰动、其它所涉及到的控制增益由以下方程的稳定解及已知的系统参数决定：

式(12)中γ为提前给定的H_∞预演控制抑噪水平指标,其它参数如下：

为根据已知的状态系数矩阵通过Riccati方程(11)解出一个稳定的解；X_γ为利用A_γ、R_γ、求解Riccati方程(12)得的解。

2.如权利要求1所述的基于H_∞预演控制的车辆主动悬架系统的控制方法，其特征在于：所述步骤二中，控制律设计过程如下：

2.1)首先根据已知的状态系数矩阵通过Riccati方程(11)解出一个稳定的解

2.2)根据方程(13)-(18)分别求解出中间矩阵G_c(t)、B_τ(t)、A_γ、R_γ；

2.3)利用A_γ、R_γ、求解Riccati方程(12)得到X_γ；

2.4)根据方程(10)得到最终的控制律u。