一种用于车辆主动悬架的全息最优滑模控制器

技术领域

本发明属于车辆悬架控制领域，尤其涉及一种用于车辆主动悬架的控制器，该控制器通过产生主动控制力的主动控制力发生器对悬架实现控制。

背景技术

悬架是车辆车架（或车身）与车轴（或者车轮）之间传力连接装置的总称。按照其工作原理的不同，可以分为被动悬架、主动悬架和半主动悬架。传统被动悬架限制了车辆性能进一步提升，半主动悬架与主动悬架有望突破这种限制。主动悬架是在被动悬架的基础上增加一个可以产生主动控制力的主动控制力发生器，可使车辆平顺性达到最优。控制方法属于主动悬架的核心技术之一，对主动悬架的工作效果产生重要的影响。

最优性能和鲁棒性能是评价控制系统作用效果优劣的2个主要指标。现有的悬架控制主要包括最优控制、模糊控制、PID控制、滑模控制等，每一种控制都有其自身的优点，也存在相应的不足。最优控制能使悬架系统在名义工况下获得较好的使用性能，但鲁棒性不够好；而模糊控制和PID控制虽然成本较低，有一定的自适应能力，但控制精度不够高，无法使系统获得最优性能。而滑模控制是一种鲁棒性很强的控制方法，可单独或与其他控制方法组合使用，但它不能使系统获得最优性能。滑模控制方法的运用有两个关键步骤：构建滑模流形函数与根据该滑模流形函数设计滑模控制器。

为获得最优性能及良好的鲁棒性，将最优控制与滑模控制相结合，形成所谓的最优滑模控制。Vadim I. Utkin 在 《Sliding Modes in Control and Optimization》第137页到139页介绍了根据最优滑模控制方法构建最优滑模流形函数的具体方法如下。

1）求取线性系统的状态方程 和评价其工作优劣的二次型性能指标。其中X₀是一个n1阶的状态向量；U₀是一个m1阶的控制向量；W₀是一个l1阶的扰动向量；A₀是一个nn阶的状态矩阵；B₀是一个nm阶的控制矩阵；G₀是一个nl阶的干扰矩阵；Q₀是一个n1阶的状态变量加权矩阵；N₀是一个nm阶的交叉加权矩阵；R₀是一个mm阶的控制量加权矩阵；T是总工作时间；t是时间变量。

2）针对状态方程和二次型性能指标，构建最优滑模流型函数；其中S₀表示最优滑模流型函数，系统运动状态应该从两边趋向于滑模流型函数S₀=0。I_m是一个mm阶的单位矩阵；T是一个nn阶的非奇异方阵，满足；A₀₁₁是一个(n-m)(n-m)阶的矩阵，满足；Q₀₁₁是一个(n-m)(n-m)阶的矩阵，Q₀₂₂是一个mm阶的矩阵，满足，；P为黎卡提矩阵微分方程的唯一解，黎卡提矩阵微分方程满足。

根据上述构建的最优滑模流型函数S₀来设计应用于主动悬架的最优滑模控制器，虽然该控制器能使滑模流型函数S₀在0附近运动，但是滑模流型函数S₀在设计过程中没有考虑中的A₀₂₁、A₀₂₂所包含的部分悬架系统结构信息、nm阶的交叉加权矩阵N₀以及mm阶的控制量加权矩阵R₀所包含的部分悬架系统期望信息。这些悬架结构信息的缺失使得控制器在设计过程中就丢失了必要的数据，无法完整地、确定地描述悬架系统的基本属性；而悬架期望性能的缺失则使得控制器在对系统性能不满意或者未达到期望要求的情况下，参照了一个本身就存在误差的性能指标进行实时反馈，因此，根据最优滑模流型函数S₀来设计应用于主动悬架的控制器无法使主动悬架取得真正的名义最优性能和良好的鲁棒性。

发明内容

针对现有应用于主动悬架的最优滑模控制器在其最优滑模流型函数构建过程中丢失部分结构与期望性能信息，而导致根据该最优滑模流型函数设计的控制器不能使主动悬架在名义工况下获得最优性能，以及在变工况的条件下鲁棒性较差的缺陷，本发明提供了一种不丢失任何系统结构与期望性能信息的全息最优滑模控制器，来保证主动悬架获得真正名义最优性能及更好的变工况条件下的鲁棒性能。

为了实现上述目的，本发明所述的用于车辆主动悬架的全息最优滑模控制器采用的技术方案是：本发明由第一求解器与第二求解器构成，其输入是第h-1个工作循环的悬架系统运动状态向量X_(h-1)、其输出是第h个工作循环的悬架控制力发生器控制力，h为大于0的整数；第一求解器的输出为第二求解器的输入，第h个工作循环时的第一求解器的输入是悬架系统运动状态向量X_(h-1)与第h-1个工作循环的悬架控制力发生器控制力U_(h-1)组合形成的扩展状态向量，第h个工作循环时的第二求解器的输出是悬架控制力发生器控制力，将输入至悬架系统完成主动悬架的第h次控制。

所述第一求解器的输入经计算律计算后输出矩阵U_e(h)， K_es、K_eb分别为扩展齐次控制矩阵向量与扩展补偿控制矩阵向量。

所述扩展齐次控制矩阵向量K_es与扩展补偿控制矩阵向量K_eb是：根据悬架系统的状态方程及二次性能评价指标函数构建扩展状态矩阵A₁和改写J为，用变换矩阵计算正则化扩展状态矩阵和正则化扩展状态变量加权矩阵并分块，用黎卡提方程方程求取黎卡提解向量P_e，用黎卡提解向量P_e构建扩展最优滑模流形函数，将简写为K_e，结合滑模趋近律求得扩展齐次控制矩阵向量与扩展补偿控制矩阵向量；其中： X是悬架系统状态向量，U是悬架系统控制向量，W是扰动向量，A是状态矩阵，B是控制矩阵，G是干扰矩阵，Q是状态变量加权矩阵，N是交叉加权矩阵，R是控制量加权矩阵，，，，I_M是与A等阶的单位矩阵，I是与R等阶的单位矩阵，，T是总工作时间。

本发明采用上述技术方案后具有的有益效果是：与由现有最优滑模控制方法设计的主动悬架控制器相比，本发明通过对第一求解器（扩展最优滑模求解器）和第二求解器（扩展方程求解器）执行全系最优滑模控制流程，全面考虑了所有的悬架系统结构信息和期望性能信息，从而使主动悬架控制系统获得真正的名义最优性能和更好的鲁棒稳定性。

附图说明

图1是本发明一种用于车辆主动悬架的全息最优滑模控制器的构造框图；

图2是本发明的应用于车辆主动悬架时在第h次控制循环时的控制原理示意图；

图3是现有最优滑模控制器控制的主动悬架（根据现有最优滑模控制方法设计控制器控制的主动悬架）、本发明提供的全息最优滑模控制器控制的主动悬架与被动悬架在名义工况下的悬架二次性能指标比较图；

图4是现有最优滑模控制器控制的主动悬架、本发明提供的全息最优滑模控制器控制的主动悬架与被动悬架在变簧载质量情况下的悬架二次性能指标比较图；

图5是现有最优滑模控制器控制的主动悬架、本发明提供的全息最优滑模控制器控制的主动悬架与被动悬架在变轮胎刚度下的悬架二次性能指标比较图；

图6是现有最优滑模控制器控制的主动悬架、本发明提供的全息最优滑模控制器控制的主动悬架与被动悬架在变车速下的悬架二次性能指标比较图。

图中：1.悬架等效弹簧；2.簧载质量；3.悬架阻尼；4.簧载质量运动状态传感器； 5.全息最优滑模控制器；6.车轮质量运动状态传感器；7.悬架控制力发生器；8.车轮质量；9.轮胎等效弹簧；10.第一求解器；11.第二求解器。 

具体实施方式

如图1所示，本发明用于车辆主动悬架的全息最优滑模控制器5由第一求解器10与第二求解器11构成，第一求解器10是扩展最优滑模求解器，第二求解器11是扩展方程求解器。全息最优滑模控制器5的输入是第h-1个工作循环的悬架系统运动状态向量X_(h-1)，全息最优滑模控制器5的输出是第h个工作循环的悬架控制力发生器控制力，h为大于0的整数。第一求解器10的输出为第二求解器11的输入，第h个工作循环时的第一求解器10的输入是第h-1个工作循环的悬架系统运动状态向量X_(h-1)与第h-1个工作循环的悬架控制力发生器控制力U_(h-1)组合形成扩展状态向量，第h个工作循环时的第二求解器11的输出是悬架控制力发生器控制力。将悬架控制力发生器控制力输入至悬架系统，完成主动悬架的第h次控制。

第一求解器10针对其输入的，经计算律计算得出矩阵U_e(h)， 其中，K_es、K_eb分别为扩展齐次控制矩阵向量与扩展补偿控制矩阵向量。将矩阵U_e(h) 作为第二求解器11的输入，第二求解器11针对其输入U_e(h) ，经计算律执行求解计算，计算后输出悬架控制力发生器控制力；a和b均为大于0的整数，为的导数。

扩展齐次控制矩阵向量K_es与扩展补偿控制矩阵向量K_eb是与循环次数无关的常值向量，其求取方法为：

1）首先求取悬架系统的状态方程及二次性能评价指标函数，其中X是状态向量；U是控制向量；W是扰动向量；A是悬架系统状态矩阵；B是悬架系统控制矩阵；G是干扰矩阵；Q是状态变量加权矩阵；N是交叉加权矩阵；R是控制量加权矩阵；T是总工作时间；t是时间变量。

=(x₁, x₂, x₃, x₄)^T, x₁=z₁-q, x₂=z₂-z₁, x₃=, x₄=

  ，         ，

  ，   ，

 ，      ，

m₁为车身质量，m₂为轮胎质量；k₁为轮胎等效刚度，k₂为悬架等效刚度，c_s为悬架阻尼系数；u为悬架系统控制力；z₁为车轮垂直位移，为车轮垂直速度，为车轮垂直加速度；z₂为车身垂直位移；为车身垂直速度，为车身垂直加速度。其中q为悬架系统的路面位移输入，满足，参考空间频率n₀=0.1m^-1，w为路面白噪声函数，G_q(n₀)为参考空间频率n₀下的路面谱值，v为车辆行驶速度，下截止频率f₀=0.011*v；δ₁和δ₂分别是与车轮动变形和悬架动扰度相关的加权系数；x₁=z₁-q是车轮动形变，x₂=z₂-z₁是悬架动脑度，x₃=是车轮垂直运动速度， x₄=是簧载质量车轮垂直运动速度，它们由簧载质量运动状态传感器与车轮质量运动状态传感器测得。

2）构建扩展状态矩阵A₁和改写J，，I是与R等阶的单位矩阵；改写，Q₁是扩展状态变量加权矩阵，满足，X₁扩展状态向量，满足。

3）利用变换矩阵计算正则化扩展状态矩阵和正则化扩展状态变量加权矩阵并分块，I_M是与A等阶的单位阵，A_M的第1行第1列分块矩阵A_M11和Q_M的第1行第1列分块矩阵Q_M11与A（或Q）等阶；A_M的第2行第2列分块矩阵A_M22和Q_M的第2行第2列分块矩阵Q_M22与R等阶；A_M的第1行第2列分块矩阵A_M12和Q_M的第1行第2列分块矩阵Q_M12与B等阶；A_M的第2行第1列分块矩阵A_M21和Q_M的第2行第1列分块矩阵Q_M21与N等阶。此时有：，，、，。

4）利用黎卡提方程方程求取黎卡提解向量P_e；然后利用P_e构建扩展最优滑模流形函数，将简写为K_e，结合滑模趋近律（λ_e为正数）求取K_es与K_eb分别为和，扩展控制向量。X₁是扩展状态向量，满足。

将本发明用于车辆主动悬架的全息最优滑模控制器5用于控制1/4车二自由度车辆主动悬架系统时，将全息最优滑模控制器5分别连接于悬架控制力发生器7、簧载质量运动状态传感器4与车轮质量运动状态传感器6。如图2所示，1/4车二自由度车辆主动悬架系统在垂直方向上，车轮质量8与轮胎等效弹簧9组成车轮，车轮位于簧载质量2的下方，车轮质量8与簧载质量2之间并联有悬架等效弹簧1，悬架阻尼3和悬架控制力发生器7，车轮直接与地面相互作用而使悬架产生振动；在簧载质量2上固定设有簧载质量运动状态传感器4，在车轮质量8上固定设有车轮质量运动状态传感器6，簧载质量运动状态传感器4与车轮质量运动状态传感器6各自通过信号线连接于全息最优滑模控制器5，悬架控制力发生器7也通过信号线连接于全息最优滑模控制器5，全息最优滑模控制器5通过悬架控制力发生器7对悬架系统实现控制。

本发明全息最优滑模控制器5考虑了所有的悬架系统结构及期望性能信息，因此可以获得真正的名义最优性能和良好的变工况鲁棒性。

实际应用时悬架系统的参数为：悬架结构参数：车身质量m₁=350 kg，轮胎质量m₂=5000 kg，轮胎等效刚度k₁=300000 N/m，悬架等效刚度k₂=505000 N/m，悬架阻尼系数c_s =30150 Ns/m。车辆的名义工况为在C级公路上以行驶速度v=20 m/s的车速行驶，即路面谱值G_q(n₀)= 256×10^-6 m²/m^-1，加权系数δ₁= 52894，加权系数δ₂=4405.1，a=1, b=0.001。

图3、4、5、6中，曲线COSMC、Passive、HOSMC分别各代表现有最优滑模控制器控制的主动悬架、被动悬架及本发明全息最优滑模控制器5所控制的主动悬架 ，各图中纵坐标是主动悬架J，横坐标是时间坐标t。

如图3所示，显示了现有最优滑模控制器控制的主动悬架、被动悬架与本发明全息最优滑模控制器5所控制的主动悬架在名义工况下的悬架二次性能指标比较。现有最优滑模控制器控制的主动悬架的悬架性能较被动悬架还要差，而根据本发明全息最优滑模控制器5所控制的主动悬架J值取得最小，即可使悬架系统获得真正的名义最优性能。

如图4所示，显示了现有最优滑模控制器控制的主动悬架与本发明全息最优滑模控制器5所控制的主动悬架以及被动悬架在簧载质量m₂=6500 kg情况下工作时，本发明所述全息最优滑模控制器5控制的主动悬架使悬架系统二次性能指标J最小。

如图5所示，显示了现有最优滑模控制器控制的主动悬架与本发明全息最优滑模控制器5所控制的主动悬架以及被动悬架在变轮胎刚度k₂=656500 N/m情况下工作时，也是本发明所述全息最优滑模控制器5所控制的主动悬架使悬架系统二次性能指标J最小。如图6所示，显示了现有最优滑模控制器控制的主动悬架与本发明所述全息最优滑模控制器5所控制的主动悬架以及被动悬架在C级路面分别上26m/s的车速行驶时，同样是本发明所述全息最优滑模控制器5所控制的主动悬架使悬架系统二次性能指标J较小。

由图3-6可知：与现有最优滑模控制器相比，采用本发明所述的全息最优滑模控制器5对悬架控制系统进行控制时，可使悬架控制系统获得真正的名义最优性能和更好的鲁棒性。