一种车辆主动悬挂系统的耗散性能控制方法及装置
技术领域
本发明涉及车辆主动悬挂控制领域，更具体地说，涉及一种车辆主动悬挂系统的耗散性能控制方法及装置。
背景技术
汽车悬挂系统作为车辆中至关重要的垂直部分，在支撑车身重量、保持胎面接地和确保驾驶安全等方面起着至关重要的作用。近年来，伴随着车辆运输的普及，除了上述安全性要求外，对驾驶舒适度这一与路面情况紧密相关的要求也在不断提升。为了减轻车身振动，并防止乘客或货物由于复杂的路面条件而受到颠簸，越来越多的学者开始针对悬挂系统进行研究。其中，常用的汽车悬挂系统有被动悬挂系统和主动悬挂系统两种，主动悬挂系统在弹簧和减震器等被动减震方法的基础上加入了制动器单元来主动抵消震动时的能量，因此具有更好的减震效果，得到了更多的关注。
车辆主动悬挂系统的控制方案设计中，需要重点考虑两个问题，一是如何对车辆主动悬挂系统进行精确建模，二是如何精确控制主动悬挂系统中制动器单元输出的作用力大小，从而达到最佳减震效果。
针对第一个问题，现有技术中有中国发明专利：一种考虑时滞干扰的车辆主动悬架系统的自适应控制方法，公开号：CN112356633A，公开日：2021-02-12，该发明公开了一种考虑时滞干扰的车辆主动悬架系统的自适应控制方法，包括：建立存在输入时滞的非线性主动悬架系统模型，根据牛顿第二定律得到主动悬架的动力学方程；设计抗时滞干扰的自适应反推控制器；分析时滞对系统影响，计算被控悬架系统的临界时滞，并得到自适应反推控制器的可控时滞范围；选取合适的增益k1，k2和反馈系数l1，l2，ls和lc，便可使得非线性系统在一定时滞范围的影响下，保证所有约束限制在合理的范围之内，满足控制指标。又有中国发明专利：一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器及结构和设计方法，公开号：CN112440643A，公开日：2021-03-05，该发明公开了一种主动悬架系统模糊自适应采样控制器及结构和设计方法，通过采集车身的垂直位移、垂直振动速率和车轮的垂直位移、垂直振动速率以及电磁驱动器的电流，经过时间判断模块和数据处理模块处理，利用模糊自适应律模块得到自适应参数，再经数据处理模块处理为优化后的自适应参数，根据优化后的自适应参数并使用设计的电压信号来调节电流，将逆电动势产生的势能返回给汽车悬架系统，从而使主动汽车悬架系统根据采样数据实现对汽车悬架系统的有效控制，进而通过控制电磁驱动器的输入电流使汽车悬架系统达到稳定的状态。然而上述研究中的悬挂系统本身是模型确定的，这就导致了一定的局限性。由于车身和轮胎质量是随着载客量和载货量的变化而不断变化的，因此车辆主动悬挂系统本身具有一定的不确定性，现有技术中暂无考虑此种不确定性的技术方案。
针对第二个问题，车辆行驶过程中，路面情况的变化会导致悬挂系统需要面对多种非线性干扰和不确定性因素的影响，这对设计控制器的鲁棒性和响应快速性等方面提出了更高的要求。另外，有限带宽下的频繁信息交互使得通讯信道拥塞，导致数据传输速度下降，进而影响精确控制的要求。现有技术中的控制算法一般采用传统的周期采样控制，造成了带宽资源的浪费。
发明内容
1.要解决的技术问题
针对现有技术中存在的悬挂系统面对多种非线性干扰和不确定性因素影响以及有限带宽下的频繁信息交互使得通讯信道拥塞的问题，本发明基于多面体不确定性方法对悬挂系统中的参数不确定进行建模，减少所设计控制器对确定系统模型的依赖；再利用事件触发机制来调度控制信号的传输频率，提高了带宽资源的利用率；最后综合考虑车辆主动悬挂系统的物理限制和耗散性能，将对非线性扰动具有不敏感特性的滑模控制策略应用到控制器的设计中，提高了控制器的鲁棒性，实现了车辆主动悬挂系统的有效控制。
2.技术方案
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种车辆主动悬挂系统的耗散性能控制方法，包括：
步骤A：分析1/4车辆主动悬挂系统的动力学特性，选取合适的状态变量，定义系统状态信号，获取1/4车辆主动悬挂系统的状态空间表达式；
步骤B：考虑簧上质量和簧下质量的不确定性，利用多面体不确定性方法，根据步骤A中获取的1/4车辆主动悬挂系统状态空间表达式，建立不确定1/4车辆主动悬挂系统状态方程；
步骤C：利用事件触发机制来调度向控制算法传输系统状态信号的传输频率；
步骤D：利用滑模控制方法设计控制算法，控制算法的输入信号是系统状态信号，控制算法的输出信号是制动器的作用力，并分析不确定1/4车辆主动悬挂系统的稳定性和耗散性能；
步骤E：通过设计的控制算法实现对1/4车辆主动悬挂系统的控制。
更进一步的，如权利要求1所述的一种车辆主动悬挂系统的耗散性能控制方法，其特征在于，步骤A中，获取1/4车辆主动悬挂系统的状态空间表达式的具体方法如下：
根据牛顿定律，描述1/4车辆主动悬挂系统的动态特性为：
其中Ms为簧上质量，Mu为簧下质量，ks为悬挂刚度，kt为轮胎刚度，cs为悬挂阻尼，ct为轮胎阻尼，zs为簧上质量位移，zu为簧下质量位移，zr为地面输入位移，u(t)为设计的作用力；
定义以下状态变量：
x1(t)＝zs(t)-zu(t),x2(t)＝zu(t)-zr(t),
其中x1(t)的物理意义是悬挂挠度，x2(t)的物理意义是轮胎挠度，x3(t)和x4(t)的物理意义分别是悬挂和轮胎在竖直方向上的变化速度，ω(t)的物理意义是路面的干扰输入。定义系统状态信号右角标符号“T”表示矩阵的转置；得到如下的1/4车辆主动悬挂系统的状态空间表达式：
其中
首先选取簧上的垂直加速度为设计控制方案效果的测量输出，另外考虑1/4车辆主动悬挂系统在物理结构上有两个限制：
悬挂系统在运行中不能触及悬挂行程上限，即：|zs(t)-zu(t)|≤zmax，其中zmax为已知的最大悬挂垂直位移；
行驶中的动态轮胎负荷要小于静态轮胎负荷，即：kt[zu(t)-zr(t)]≤(Ms+Mu)g，g为重力加速度；
根据以上两个限制，定义测量输出为：
z2(t)＝[(zs(t)-zu(t))T (zu(t)-zr(t))T]T和
最终，1/4车辆主动悬挂系统的状态空间表达式为：
其中||f(t,η(t))||≤μ||η(t)||为已知范数有界的控制器非线性扰动，μ为已知范数上界，另有：
更进一步的，步骤B中，建立不确定1/4车辆主动悬挂系统状态方程的具体方法如下：
假设簧上质量簧下质量 M s， M u和分别为最小和最大簧上质量，最小和最大簧下质量，使用四顶点多面体不确定系统对该不确定车辆主动悬挂系统进行建模，得到四个多面体顶点θ1，θ2，θ3，θ4的坐标为：
和
定义Πi＝[Ai,B1i,B2i,C1i,Di,C2i]，得到对应的矩阵多面体顶点
不确定1/4车辆主动悬挂系统的状态方程可以表示为：
其中参数Υ取值于一个凸有界多面体区域Υ∈Δ＝Co{Υ1,Υ2,…,Υr}，Co{Υ1,Υ2,…,Υr}表示由Υ1,Υ2,…,Υr组成的凸包，r为多面体顶点的个数；
最终得到不确定1/4车辆主动悬挂系统的状态方程的系统矩阵满足下列条件：
更进一步的，步骤C中，利用事件触发机制来调度向控制算法传输系统状态信号的传输频率的具体方法如下：
事件触发机制的触发点的选取满足以下规则：
tk+1ψ＝tkψ+minm≥1{mψ|[η(tkψ+mψ)-η(tkψ)]TΦ[η(tkψ+mψ)-η(tkψ)]>δηT(tkψ)Φη(tkψ)}
其中代表传输的最新数据η(t)，k为触发的次数，ψ为采样时间，Φ>0为事件触发的权重矩阵，δ>0为给定的容许参数；
由于事件触发机制中的时延现象，在时刻tkψ产生的信号η(tkψ)会在时到达零阶保持器，为第k个触发时刻的时延，和分别为最小和最大时延；
将时间间隔[ik,ik+1)划分成子集合其中
将时延函数d(t)和误差函数e(t)通过如下方式表达：
最终得到：
悬挂系统的状态信号η(t)在经过事件触发机制调度后会变成η(tkψ)，且有形式η(tkψ)＝e(t)+η(t-d(t))。
更进一步的，步骤D中，利用滑模控制方法设计控制算法并分析不确定1/4车辆主动悬挂系统的稳定性和耗散性能的具体方法如下：
根据滑模控制方法，建立等效控制律，并基于事件触发机制，调整等效控制律；
将等效控制律代入不确定1/4车辆主动悬挂系统的状态方程中，得到不确定1/4车辆主动悬挂系统的滑模动态方程；
根据李雅普诺夫方法验证不确定1/4车辆主动悬挂系统的稳定性，并计算控制器增益K；
根据滑模控制原理，设计最终的滑模控制器。
接下来，建立等效控制律并调整等效控制律的方法如下：
构造滑模面s(t)：
其中G为滑模面矩阵，并满足GB1(Υ)为非奇异矩阵，GB2(Υ)＝0；K为待设计的控制器增益；
当系统轨迹到达滑模面后，满足条件得出等效控制律ueq(t)＝Kη(t)-f(t,η(t))；
在事件触发机制下，等效控制律调整为：
ueq(t)＝Kη(tkψ)-f(t,η(t))＝K[e(t)+η(t-d(t))]-f(t,η(t))。
更进一步的，不确定1/4车辆主动悬挂系统的滑模动态方程的计算方法如下：
将等效控制律代入不确定1/4车辆主动悬挂系统的状态方程中，得到不确定1/4车辆主动悬挂系统的滑模动态方程为：
更进一步的，根据李雅普诺夫方法验证不确定1/4车辆主动悬挂系统的稳定性和耗散性并计算控制器增益K的方法如下：
对于给定的参数γ>0，δ>0，ξ>0，ε>0，，定矩阵 和矩阵使得下面的线性矩阵不等式成立，则不确定1/4车辆主动悬挂系统是渐近稳定的并满足耗散性能指标γ：
其中
具体增益矩阵的计算方式为
最后，根据滑模控制原理，对于已知的范数上界μ和前面计算出的控制器增益K，得到滑模控制律为：
u(t)＝Kη(tkψ)-π(t)sgn(s(t)),t∈[ik,ik+1)
其中π(t)＝υ+μ||η(t)||，μ为非线性扰动，f(t,η(t))的已知范数上界，υ>0为已知的标量。
一种车辆主动悬挂系统的耗散性能控制装置，其设置用于实施上述车辆主动悬挂系统的耗散性能控制方法。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：基于多面体不确定性方法，对具有参数不确定的车辆主动悬挂系统进行了建模，为后面设计一个不依赖于确定模型的控制器奠定了基础；为了进一步提高信号传输的效率，用事件触发机制来智能分配信道资源；将时延考虑进事件触发机制中，使其更具一般性；基于事件触发策略，采用响应快速、鲁棒性强、对扰动和不确定性具有不变性特征的滑模控制方法，控制效果更好；进一步考虑了车辆在实际运行过程中悬挂系统的竖直位移限位和轮胎的动态负载要求，通过设计的控制器降低了车身竖直加速度，提高了驾驶的舒适性和安全性。
附图说明
图1是1/4车辆主动悬挂系统的模型图；
图2是基于事件触发机制的车辆主动悬挂系统的控制框图；
图3是主动和被动悬挂情况下车身竖直加速度随时间变化情况；
图4是主动和被动悬挂情况下悬挂竖直位移随时间变化情况；
图5是主动和被动悬挂情况下轮胎相对动态负载随时间变化情况；
图6是控制器输出(作用力)随时间变化情况；
图7是事件触发机制的释放时间和间隔变化情况。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
实施例1
本发明的实施例提供了一种车辆主动悬挂系统的耗散性能控制方法。
车辆模型分为全车模型、1/2车模型和1/4车模型，1/4车模型通过对一个车轮进行分析，简化整车分析的难度。车辆悬挂系统有被动悬挂系统和主动悬挂系统两种，主动悬挂系统在弹簧和减震器等被动减震方法的基础上加入了制动器单元来主动抵消震动时的能量，因此具有更好的减震效果。本发明实施例设计了一种控制算法，控制制动器单元的作用力，从而达到最佳减震效果。
如图1所示，本发明实施例根据1/4车辆主动悬挂系统的动力学特性，建立1/4车辆主动悬挂系统的状态空间表达式：
分析1/4车辆主动悬挂系统的动力学特性并构建状态空间表达式，具体方法为：
表1各参数对应物理意义
定义各个参数的物理意义如表1中所示，根据牛顿定律可以描述该悬挂系统的动态特性如下：
然后再定义如下的状态变量：
x1(t)＝zs(t)-zu(t),x2(t)＝zu(t)-zr(t),
其中x1(t)的物理意义是悬挂挠度，x2(t)的物理意义是轮胎挠度，x3(t)和x4(t)的物理意义分别是悬挂和轮胎在竖直方向上的变化速度，ω(t)的物理意义是路面的干扰输入。接下来定义右角标符号“T”表示矩阵的转置。得到如下的1/4车辆主动悬挂系统的状态空间表达式：
其中
车辆主动悬挂系统的控制除了稳定性的目标外，还存在其他相关性能的要求。其中，簧上的垂直加速度也被称为车身加速度，与乘坐舒适度密切相关，该变量的变化情况可以体现出设计控制器效果，因此选取为测量输出。再考虑1/4车辆主动悬挂系统在物理结构上有两个限制：
(1)为了避免悬挂系统在运行中触及行程上限导致悬架损坏影响行车安全，限定悬挂的行程为：|zs(t)-zu(t)|≤zmax，其中zmax为已知的最大悬挂垂直位移。
(2)为了确保轮胎可以不间断地与地面保持接触，行驶中的动态轮胎负荷要小于静态轮胎负荷：kt[zu(t)-zr(t)]≤(Ms+Mu)g，g为重力加速度。
综合考虑上述三个要求，选取测量输出z2(t)＝[(zs(t)-zu(t))T (zu(t)-zr(t))T]T，得到如下的1/4车辆主动悬挂系统的状态空间表达式：
其中||f(t,η(t))||≤μ||η(t)||为已知范数有界的控制器非线性扰动，μ为已知范数上界，另有：
现有技术中研究的悬挂系统本身是模型确定的，这就导致了一定的局限性。由于车身和轮胎质量是随着载客量和载货量的变化而不断变化的，因此车辆主动悬挂系统本身具有一定的不确定性。本发明实施例针对此种不确定性，设计了基于多面体不确定性方法建立不确定1/4车辆主动悬挂系统的状态方程，具体方法如下：
随着载重量和路面情况的变化，簧上质量Ms和簧下质量Mu会不断变化，假设簧上质量簧下质量 M s， M u和分别为最小和最大簧上质量，最小和最大簧下质量，使用四顶点多面体不确定系统对该不确定车辆主动悬挂系统进行建模，得到四个多面体顶点θ1，θ2，θ3，θ4的坐标为：
和
定义Πi＝[Ai,B1i,B2i,C1i,Di,C2i]，得到对应的矩阵多面体顶点
不确定1/4车辆主动悬挂系统的状态方程可以表示为：
其中参数Υ取值于一个凸有界多面体区域Υ∈Δ＝Co{Υ1,Υ2,…,Υr}，Co{Υ1,Υ2,…,Υr}表示由Υ1,Υ2,…,Υr组成的凸包，r为多面体顶点的个数；
最终得到不确定1/4车辆主动悬挂系统的状态方程的系统矩阵满足下列条件：
在车辆主动悬挂系统的实际控制中，有限带宽下的频繁信息交互使得通讯信道拥塞，导致数据传输速度下降，进而影响精确控制的要求。因此本发明实施例通过智能调度通讯频率来代替传统的周期采样控制，减少了带宽资源的浪费。如图2所示，基于事件触发策略来智能调度系统状态信号向控制方案传输的频率的具体方法如下：
事件触发机制的触发点的选取满足以下规则：
tk+1ψ＝tkψ+minm≥1{mψ|[η(tkψ+mψ)-η(tkψ)]TΦ[η(tkψ+mψ)-η(tkψ)]>δηT(tkψ)Φη(tkψ)}
其中代表传输的最新数据η(t)，k为触发的次数，ψ为采样时间，Φ>0为事件触发的权重矩阵，δ>0为给定的容许参数；
由于事件触发机制中的时延现象，在时刻tkψ产生的信号η(tkψ)会在时到达零阶保持器，为第k个触发时刻的时延，和分别为最小和最大时延；
将时间间隔[ik,ik+1)划分成子集合其中
将时延函数d(t)和误差函数e(t)通过如下方式表达：
最终得到：
悬挂系统的状态信号η(t)在经过事件触发机制调度后会变成η(tkψ)，且有形式η(tkψ)＝e(t)+η(t-d(t))。
本发明实施例通过对非线性扰动具有不敏感特性的滑模控制策略设计控制算法，首先构造滑模面：
其中G为滑模面矩阵，并满足GB1(Υ)为非奇异矩阵，GB2(Υ)＝0；K为待设计的控制器增益。根据滑模控制原理，当系统轨迹到达滑模面后，满足条件因此可以推出等效控制律ueq(t)＝Kη(t)-f(t,η(t))。而基于事件触发机制下，对应的等效控制律为ueq(t)＝Kη(tkψ)-f(t,η(t))＝K[e(t)+η(t-d(t))]-f(t,η(t))。将该控制律代入不确定1/4车辆主动悬挂系统的状态方程中，可以得到如下的滑模动态方程：
利用李雅普诺夫方法验证不确定1/4车辆主动悬挂系统的稳定性和耗散性：
对于给定的参数γ>0，δ>0，ξ>0，ε>0，，定矩阵 和矩阵使得下面的线性矩阵不等式成立，则不确定1/4车辆主动悬挂系统是渐近稳定的并满足耗散性能指标γ：
其中
具体增益矩阵的计算方式为
接下来构造滑模控制律：根据滑模控制原理，对于已知的范数上界μ和前面计算出的控制器增益K，如果控制律满足以下的要求，则不确定1/4车辆主动悬挂系统的滑模动态方程的状态可以被驱动到设计好的滑模面上：
u(t)＝Kη(tkψ)-π(t)sgn(s(t)),t∈[ik,ik+1)
其中π(t)＝υ+μ||η(t)||；μ为非线性扰动f(t,η(t))的已知范数上界；υ>0为已知的标量。
本发明综合考虑车辆主动悬挂系统的物理限制和耗散性能，将对非线性扰动具有不敏感特性的滑模控制策略应用到控制器的设计中，提高了控制器的鲁棒性，实现了车辆主动悬挂系统的有效控制。对本发明实施例提供的控制方法进行仿真分析，通过编写Matlab程序求解线性矩阵不等式获取控制器增益，验证该控制算法可以用于车辆主动悬挂系统中，并具有良好的效果。
考虑1/4车辆主动悬挂系统具有以下参数：簧上质量Ms和簧下质量Mu均为不确定参数，其中簧上质量Ms在区间[973kg,1073kg]内浮动，簧下质量Mu在区间[114kg,124kg]内浮动；悬挂刚度ks＝42,720N/m，轮胎刚度kt＝101,115N/m；悬挂阻尼cs＝1095N·s/m，轮胎阻尼ct＝14.6N·s/m；悬挂的最大竖直位移限位为zmax＝0.08m。其他参数的选取：滑模面矩阵选取为G＝[1 0 1 0]，然后可以得到条件GB1(Υ)为非奇异的且有GB2(Υ)＝0；ξ＝1；事件触发机制中的参数δ＝0.1，ψ＝0.01s，最小时延最大时延ε＝0.1。选取性能指标参数γ＝40，将这些参数带入发明内容步骤4的线性矩阵不等式中，可以得到控制器的增益为：
K＝103×[3.4241 -1.5686 -2.0492 0.2346]
再选取非线性扰动f(t,η(t))＝2[x1(t)+x2(t)]，可以得到其范数上界为μ＝2；小参数选取为υ＝0.1。接下来验证所设计控制器对车辆主动悬挂系统的控制效果。
在车辆行驶过程中，多数扰动来源于路面的不良状况，可以将其看作是具有持续时间短，强度大等特征的离散事件。这里我们考虑在平直的路面上存在一个小障碍，可以描述为如下的数学模型：
其中H＝0.06m代表障碍的高度；L＝5m代表障碍的长度；V＝45km/h为车辆的速度。仿真结果如图3-图7所示。从图3中可以看出，在遭遇不良路面状况后，相比于被动悬挂系统，车身的竖直加速度能很快趋于零，达到稳定状态，且具有响应快，恢复好的效果；从图4中可以看出，悬挂的竖直位移相比于被动悬挂系统也能很快恢复，且始终低于限位zmax＝0.08m；从图5中可以看出，轮胎相对动态负载也具有同样的优秀性能，且始终小于1，因此满足k[zu(t)-zr(t)]≤(Ms+Mu)g，能够保证轮胎能不间断的与路面接触；从图6中可以看出，制动器输出的制动力可以根据镇定悬挂系统所需力量大小而发生变化，最后恢复到零；从图7中可以看出，事件触发机制有效地降低了数据传输的频率：在整个5s仿真时间中，有500次采样时间，其中只有157次数据被发送到零阶保持器中，占触发比率为157/500＝31.40％，有效的节省了带宽资源。根据以上的仿真结果，可以得出以下的结论：本发明提出的基于事件触发机制的车辆主动悬挂系统的控制方案是有效的，具有响应快、效果好和带宽占用低的优点。
以上示意性地对本发明创造及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，在不背离本发明的精神或者基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。附图中所示的也只是本发明创造的实施方式之一，实际的结构并不局限于此，权利要求中的任何附图标记不应限制所涉及的权利要求。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本专利的保护范围。此外，“包括”一词不排除其他元件或步骤，在元件前的“一个”一词不排除包括“多个”该元件。产品权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件通过软件或者硬件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。
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