鬼佬大哥大
  • / 10
  • 下載費用:30 金幣  

一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器.pdf

摘要
申請專利號:

CN201610087234.3

申請日:

2016.02.16

公開號:

CN105539052A

公開日:

2016.05.04

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):B60G 17/015申請日:20160216|||公開
IPC分類號: B60G17/015; G06F17/50 主分類號: B60G17/015
申請人: 南京師范大學
發明人: 張海龍; 王恩榮; 劉劍; 顏偉; 湯強; 余勁
地址: 210097 江蘇省南京市鼓樓區寧海路122號
優先權:
專利代理機構: 南京知識律師事務所 32207 代理人: 李媛媛
PDF完整版下載: PDF下載
法律狀態
申請(專利)號:

CN201610087234.3

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2017.10.10|||2016.06.01|||2016.05.04

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明公開了一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器,適用于各種阻尼可調的車輛空氣、油氣、電磁主動懸架以及磁流變半主動懸架。其中,以車輛平穩行駛在平滑路面上的車身簧載質量為理想參考狀態,根據被控懸架系統實際簧載質量運動狀態與理想參考狀態之間的動力學誤差實現漸進穩定的滑模控制,滑模面采用所述動力學誤差的積分項、比例項與微分項的組合,該滑模控制器能夠理想地改善車輛垂直運動懸架性能,結構簡單、實時性高,易于工程實現。

權利要求書

1.一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器,其特征在于,該控制
器的設計步驟如下:
第一步,滑模面設計:
滑模面由懸架實際簧載質量位移與理想簧載質量位移的動力學誤差實現:
s = K 0 ( x s - x d ) + K 1 ( x s - x d ) + K 2 ( x · s - x · d ) ]]>
其中s表示滑模面,K0表示滑模面積分項系數,K1為滑模面比例項系數,K2為滑模面
微分項系數,xs表示實際簧載質量位移,xd表示理想簧載質量位移;
第二步,根據滑模面s計算得到理想輸出阻尼力:
F ^ d = - m s K 0 ( x s - x d ) - m s K 1 ( x · s - x · d ) + k s ( x s - x u ) + m s x ·· d ]]>
其中表示理想輸出阻尼力,ms表示簧載質量;
第三步,根據漸進穩定的滑模控制方法,計算得到實際輸出阻尼力:
F d = F ^ d - m s λ s i g n ( s ) ]]>
其中λ為正常數,表示車輛實際載荷變化系數,sign()表示符號函數。
2.根據權利要求1所述的一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器,
其特征在于,將車輛平穩行駛在平滑路面上的簧載質量運動狀態作為理想簧載質量位
移,即車身垂直靜止:
xd=msg/ks+(ms+mu)g/kt
x · d = 0 ]]>
x ·· d = 0 ]]>
其中,mu表示非簧載質量,ks表示懸架系統彈簧剛度系數,kt表示輪胎等效剛度系數,
g表示重力加速度。
3.根據權利要求1或2所述的一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控
制器,其特征在于,系數K0的取值為1-10;系數K1的取值為1-5;系數K2的取值為1-30。
4.根據權利要求1或2所述的一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控
制器,其特征在于,λ的取值為1.5。

說明書

一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器

技術領域

本發明涉及汽車減振控制技術領域,尤其涉及一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸
架滑模追蹤控制器。

背景技術

懸架系統是確保車輛駕乘舒適性與操控穩定性的關鍵系統,可分為被動懸架、半主
動懸架與主動懸架三類。其中,傳統的被動懸架系統不能同時兼顧舒適性與操控性,因
此,基于可變阻尼或者可變剛度執行裝置的半主動懸架和主動懸架成為近十年來國內外
學者及技術人員的熱點研究方向。

基于線性最優控制的全液壓主動懸架系統及空氣懸架系統技術成熟,控制性能良好
已獲得商業應用,然而其造價高、結構復雜維修成本高,限制了其進一步應用普及;基
于天棚半主動控制的磁流變半主動懸架系統,結構簡單、控制效果良好,獲得了部分商
業應用,然而開關控制將引起系統非線性動力學問題,并且難以獲得類似全主動懸架系
統的綜合懸架性能。進一步發展起來的最優控制、模糊控制、自適應控制等現代控制方
法在理論上能夠有效應用于車輛可控懸架系統,但此類方法多存在設計假設條件多、需
求參數多及計算實時性差等特點,與實際控制存在較大差異,絕大多數目前只停留在仿
真計算或者實驗室試驗階段,距離實車應用還有很大距離,例如中國發明專利(ZL
201010144138.0)提出的磁流變智能車輛懸架混合半主動變結構控制方法,其采用的參
考模型為理想的天棚控制的半主動懸架系統,同時假設路面輸入激勵近似等于非簧載質
量運動狀態,追蹤過程需要經過較復雜的計算過程,導致控制實時性不高,控制器所需
反饋狀態包括多組位移、速度、加速度信號,實際應用時信號誤差易導致控制失效。

發明內容

基于2011年、2015年國家自然科學基金資助項目:磁流變整車懸架系統半主動解
耦控制研究、磁流變懸架系統電磁干擾機理與抑制方法研究(51075215,51475246),
本發明提出了一種基于比例積分微分的可控懸架系統滑模控制算法,目的在于:提出一
種針對“四分之一”可控懸架系統的理想輸出阻尼力計算方法,從而實現半主動懸架、
主動懸架系統的同時滿足駕乘舒適性與操控穩定性綜合懸架性能,并且有效抑制由于可
控執行機構固有非線性導致的系統混沌運動。

為了實現上述目的,本發明采用的技術方案如下:

一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器,其設計步驟如下:

第一步,滑模面設計:

滑模面由懸架實際簧載質量位移與理想簧載質量位移的動力學誤差實現:

s = K 0 ( x s - x d ) + K 1 ( x s - x d ) + K 2 ( x · s - x · d ) ]]>

其中s表示滑模面,K0表示滑模面積分項系數,用于消除動力學誤差項,通常取值為
1-10;K1為滑模面比例項系數,用于放大動力學誤差項,通常取值為1-5;K2為滑模面
微分項系數,用于提高動力學誤差追蹤響應速度,通常取值為1-30;xs表示簧載質量位
移,xd表示簧載質量理想位移;

第二步,根據滑模面s計算得到理想輸出阻尼力:

F ^ d = - m s K 0 ( x s - x d ) - m s K 1 ( x · s - x · d ) + k s ( x s - x u ) + m s x ·· d ]]>

其中表示理想輸出阻尼力,ms表示簧載質量;

第三步,根據漸進穩定的滑模控制方法,計算得到實際輸出阻尼力:

F d = F ^ d - m s λ s i g n ( s ) ]]>

其中λ為正常數,表示車輛實際載荷變化系數,通常取值為1.5,sign()表示符號函數。

將車輛平穩行駛在平滑路面上的簧載質量運動狀態作為理想簧載質量位移,即車身
垂直靜止:

xd=msg/ks+(ms+mu)g/kt

x · d = 0 ]]>

x ·· d = 0 ]]>

其中,mu表示非簧載質量,ks表示懸架系統彈簧剛度系數,kt表示輪胎等效剛度系數,
g表示重力加速度。

本發明的關鍵在于:理想運動狀態采用簡單的簧載質量垂直靜止為平衡狀態,從而
簡化設計復雜度;滑模面設計為簧載質量實際運動狀態與理想運動狀態間的誤差進行比
例項、積分項、微分項計算,較傳統滑模控制器,從而提高了追蹤性能。此外,本發明
提出的控制器易于工程實現、控制方法簡單、所需傳感器少、計算量小、實時性高,能
夠有效地簡化車輛可控懸架系統控制器設計的復雜性、提高控制實時性,該發明易于投
入實際應用,適用于各種阻尼可調的車輛空氣、油氣、電磁主動懸架以及磁流變半主動
懸架。

附圖說明

圖1是“四分之一”車輛可控懸架系統結構與控制原理示意圖,其中:1為車身簧
載質量;2為底盤非簧載質量;3為可控懸架系統控制器;4為可控懸架系統可控阻尼器;
5為車輛輪胎。

圖2是“四分之一”磁流變懸架系統動力學模型。

圖3是本發明滑模控制下的半車懸架系統與傳統的被動懸架系統在單頻諧波激勵下
的性能比較:(a)是簧載質量加速度比較;(b)是非簧載質量加速度比較;(c)是懸架動
行程比較;(d)是輪胎動態力比較。

圖4是本發明滑模控制下的半車懸架系統與傳統的被動懸架系統在平滑脈沖下的性
能比較:(a)是簧載質量加速度比較;(b)是非簧載質量加速度比較;(c)是懸架動行程
比較;(d)是輪胎動態力比較。

具體實施方式

本發明提出的滑模控制器設計步驟如下:

第一步,滑模面設計。通過使被控懸架系統的簧載質量ms跟蹤其本身的理想運動狀
態來實現,漸進穩定的滑動模態由簧載質量實際運動狀態與理想運動狀態間的誤差的比
例項、積分項、微分項計算產生。滑模面定義為:

s = K 0 ( x s - x d ) + K 1 ( x s - x d ) + K 2 ( x · s - x · d ) - - - ( 1 ) ]]>

其中s表示滑模面,K0表示滑模面積分項系數,K1為滑模面比例項系數,K2為滑模面
微分項系數,xs表示實際簧載質量位移,xd表示理想簧載質量位移。

第二步,理想輸出阻尼力計算。如圖2所示,“四分之一”懸架系統動力學方程為:

{ m s x ·· s = - k s ( x s - x u ) + F d m u x ·· u = - k t ( x u - x i ) - c t ( x · u - x · i ) + k s ( x s - x u ) - F d - - - ( 2 ) ]]>

根據滑模面可達條件得到:

K 0 ( x s - x d ) + K 1 ( x · s - x · d ) + ( x ·· s - x ·· d ) = 0 - - - ( 3 ) ]]>

結合式(2)計算得到:

F ^ d = - m s K 0 ( x s - x d ) - m s K 1 ( x · s - x · d ) + k s ( x s - x u ) + m s x ·· d - - - ( 4 ) ]]>

其中表示理想輸出阻尼力。

第三步,漸進穩定的滑模控制率設計:

F d = F ^ d - m s λ s i g n ( s ) - - - ( 5 ) ]]>

其中λ為正常數,表示車輛實際載荷變化系數,通常取值為1.5。

第四步,理想簧載質量運動狀態確定。簧載質量理想運動狀態為穩定行駛在平滑路
面時的穩定狀態,即車身垂直靜止:

xd=msg/ks+(ms+mu)g/kt(6)

x · d = 0 - - - ( 7 ) ]]>

x ·· d = 0 - - - ( 8 ) ]]>

第五步,控制器穩定性證明。

定義李雅普諾夫函數則代入式(1)得:

V · = K 0 ( x s - x d ) + K 1 ( x · s - x · d ) + ( x ·· s - x ·· d ) - 1 m s ( k s ( x s - x u ) - F d ) s - - - ( 9 ) ]]>

代入式(4)、(5)整理得到:

V · = - λ s i g n ( s ) s - - - ( 10 ) ]]>

顯然系統漸進穩定。

本發明的具體控制過程為:車輛運行過程中,傳感器將采集到的簧載質量位移信號、
加速度信號傳送給電控單元,電控單元根據本發明提出的控制算法計算后向驅動模塊發
出控制信號,驅動模塊向執行器發出相對應的驅動信號,由執行器向車輛提供相應的阻
尼力,最終實現懸架系統的主動或半主動控制。

實施例:

以本發明在磁流變半主動懸架系統應用為例說明具體實施方式,如圖2所示,為“四
分之一”車輛磁流變半主動懸架系統模型。這里,假設車身簧載質量為ms,非簧載質量
為mu,ks表示懸架系統的剛度系數,FMRD表示磁流變阻尼器輸出可控阻尼力,kt、ct分
別表示輪胎的剛度系數和阻尼系數,xs、xu、xi分別表示懸架系統的簧載質量垂直運動
位移、非簧載質量垂直運動位移和輪胎承受的路面激勵信號。

下面以質心為參考坐標,列寫系統動力學方程:

{ m s x ·· s = - k s ( x s - x u ) + F M R D m u x ·· u = - k t ( x u - x i ) - c t ( x · u - x · i ) + k s ( x s - x u ) - F M R D - - - ( 11 ) ]]>

其中,磁流變阻尼器輸出可控阻尼力采用修正的Boucwen計算模型

F M R D = c ( i d ) F h ( x s - x u , x · s - x · u ) - - - ( 12 ) ]]>

其中c(id)為基于Sigmoid函數的電流調制函數,為Boucwen滯回函數,結
合公式(12),計算得到磁流變阻尼器半主動驅動電流為

i d = c - 1 ( F d F h ( x s - x u , x · s - x · u ) ) - - - ( 13 ) ]]>

其中,id表示驅動電流,c-1()表示電流調制函數逆函數。

為驗證本發明提出的以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器的有效性,
在Matlab/Simulink環境下建立了上述滑模追蹤控制下的磁流變半主動懸架系統動力學
模型和磁流變被動懸架系統的動力學模型,通過系統仿真試驗來驗證所提出控制器的有
效性。

圖3、圖4分別示出了在單頻諧波、平滑脈沖輸入激勵下,關于提出的以車輛平穩
狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制下的磁流變半主動懸架系統與磁流變被動懸架系
統的時域響應比較,磁流變被動懸架系統為磁流變阻尼器工作在最大電流下,選擇的評
價指標為:簧載質量加速度和非簧載質量加速度懸架動行程xr、輪胎動態力Ft。

通過系統響應比較分析得知:

本發明提出的以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制下的磁流變半主動
懸架系統對車輛的簧載質量垂直振動實施有效控制,其振動加速度明顯降低,改善了駕
乘舒適性;控制下的懸架動行程較傳統被動懸架有了大幅降低,同時,控制下的懸架系
統輪胎動態力減小,改善了輪胎工況,延長了輪胎使用壽命;非簧載質量位移加速度較
被動懸架系統有小幅增加。

綜上可知,本發明提出的以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器能夠有
效地提高磁流變半主動懸架系統的綜合懸架性能,結構簡單、具有廣泛的應用前景。

本發明的優點:

1、本發明的創新特色體現在,以車輛平穩運行在平滑路面上的簧載質量靜止狀態
為參考,狀態信號包括靜態離地高度以及簧載質量垂直加速度,實際應用中能夠方便準
確獲得(如:可以采用傳感器測量簧載質量中心位置離地高度,以實現載荷變化下的有
效控制),可極大地簡化車輛半主動懸架系統控制器設計的復雜性和提高可控懸架控制
系統的實時性,方便投入實際工程應用。

2、本發明提出的可控懸架系統滑模控制算法,由于實時追蹤理想運動狀態,從而
能夠一定程度有效抑制了由于磁流變阻尼器滯回特性引起的懸架系統非線性振動。

3、本發明提出的方法,可以應用到如乘用車、摩托車等機動車輛的減振控制,也
可以推廣應用到如精密車床加工、建筑設計等結構振動控制。

關 鍵 詞:
一種 車輛 平穩 狀態 參考 可控 懸架 追蹤 控制器
  專利查詢網所有資源均是用戶自行上傳分享,僅供網友學習交流,未經上傳用戶書面授權,請勿作他用。
關于本文
本文標題:一種以車輛平穩狀態為參考的可控懸架滑模追蹤控制器.pdf
鏈接地址:http://www.wwszu.club/p-6337832.html
關于我們 - 網站聲明 - 網站地圖 - 資源地圖 - 友情鏈接 - 網站客服客服 - 聯系我們

[email protected] 2017-2018 zhuanlichaxun.net網站版權所有
經營許可證編號:粵ICP備17046363號-1 
 


收起
展開
鬼佬大哥大