一种用于可控悬架系统的时滞补偿控制器的设计方法

摘要

本发明公开一种车辆动力学悬架系统控制领域中的用于可控悬架系统的时滞补偿控制器的设计方法，设计卡尔曼滤波器标准状态方程，得到观测向量设计多段一阶泰勒级数时滞补偿模块，获得只考虑传感器信号采集及传输时滞的预测补偿向量F3(t‑τ1)；以F3(t‑τ1)为输入设计输出为预测控制力F2的预测补偿模块，以F2为输入设计以作动器时滞模块输出的上一计算时刻考虑时滞的预测控制力F2(t‑τ3)为输出的作动器时滞模块，最后确定预期控制效果指标的最小的一阶泰勒级数段数；本发明采用多段一阶泰勒级数对可控悬架系统时滞进行补偿，提高时滞补偿精度，分开考虑了实际的传感器采集及传输时滞、控制器计算时滞以及作动器响应时滞，提高了卡尔曼滤波器对系统状态向量的观测精度。

说明书

技术领域

本发明属于车辆动力学悬架系统控制领域，尤其涉及用于可控悬架系统的悬架控制器的设计方法。

背景技术

悬架是车身与车轮之间一切传力连接装置的总称，对汽车的乘坐舒适性和行驶安全性有重要的影响。按照其工作原理，可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架，被动悬架应用最广泛技术最成熟，一旦装车，其刚度及阻尼参数就会固定不变，在汽车行驶时无法根据不同的外界激励对其进行调节，因此不能适应汽车复杂的行驶工况，对汽车平顺性影响极大。半主动悬架和主动悬架都属于可控悬架，因为可控悬架阻尼力可调，可控悬架具有良好的平顺性改善能力。

时滞是目前可控悬架系统必须解决的关键技术，可控悬架系统响应的时滞主要有以下三部分组成：传感器信号采集及传输时滞、控制器计算时滞、控制信号传输及作动器响应时滞。可控悬架系统在工作时，如果不处理其响应时滞会影响车辆的平顺性和行驶安全，这是因为在测量系统状态、计算以及产生可控阻尼力等过程中都需要消耗一定的时间。为了缓解时滞对悬架系统造成的负面影响，目前针对时滞问题主要有以下解决方法：一是史密斯预估补偿控制法，其技术比较成熟，但严重依赖模型精确匹配。二是PID控制法，其成本较低，有一定的自适应能力，但是控制精度不够高，动态性能不好。三是大林控制方法，其稳定性和鲁棒控制方法比较经典，但是计算振荡过程较长。四是线性二次型(LinearQuadratic Gaussian，LQG)控制法，这是一种常见的最优控制方法，它具有很强的适用性，在没有时滞的理想状态下能使可控悬架系统在名义工况下获得最优的使用性能。

中国专利公开号为CN109334377A、名称为“磁流变半主动悬架等效替换泰勒级数LQG时滞补偿控制系统及其构造方法”的文献中公开的时滞补偿控制系统，基于上述的LQG控制法提出了泰勒级数LQG时滞补偿方法，但其存在的问题是：在时滞较大的情况下时滞补偿效果并不理想，究其原因是，时滞越大，求取的预测控制力放大现象越明显，因此导致半主动悬架的控制效果随时滞增大而变差，从其中的计算公式上也可得出，如下式所示：

式(a1)的补偿原理为下式(a2)：

式中：τ为系统时滞；F

发明内容

本发明针对现有可控悬架系统的控制器存在的在时滞较大情况下时滞补偿效果较差，以及时滞越大时预测控制力放大现象越明显的问题，提出了一种用于可控悬架系统的时滞补偿控制器的设计方法，所设计的时滞补偿控制器采用多段一阶泰勒级数进行时滞补偿，提高时滞补偿效果。

本发明所述的一种用于可控悬架系统的时滞补偿控制器的设计方法采用的技术方案是包括以下步骤：

步骤1)在垂向方向上对可控悬架运动进行动力学分析，建立包含系统响应总时滞τ

步骤2)设计多段一阶泰勒级数时滞补偿模块，段数为n，n≥2，多段一阶泰勒级数时滞补偿模块以预测控制力F

步骤3)以所述的观测向量

步骤4)以所述的预测控制力F

步骤5)对可控悬架进行动力学仿真，分别计算出一阶泰勒级数段数为n时的悬架综合性能指标J

本发明采用上述技术方案后突显的技术效果是：

1、本发明针对现有一阶泰勒级数进行时滞补偿效果不甚理想的问题，采用多段一阶泰勒级数对可控悬架系统时滞进行补偿，与中国专利公开号为CN109334377A文献中的时滞补偿控制系统相比，可以接近理想的时滞补偿效果，且可以消除系统时滞较大且振动频率较高时时滞补偿预测控制力被放大的现象，提高时滞补偿精度。

2、本发明设计卡尔曼滤波器时，对传感器采集及传输时滞、控制器计算时滞、作动器响应时滞进行细分考虑，分开考虑了实际的传感器采集及传输时滞、控制器计算时滞及作动器响应时滞，提高了卡尔曼滤波器对系统状态向量的观测精度。

附图说明

图1为可控悬架系统的结构框图：

图2为图1中时滞补偿控制器的设计框图。

具体实施方式

图1所示的可控悬架系统中示出的是1/4车模型的可控悬架，可控悬架包括簧载质量2、悬架弹簧1、主动作动器6、簧载质量加速度传感器3、非簧载质量加速度传感器5和车轮等。在垂直方向上，车轮由非簧载质量7与等效成弹簧的轮胎刚度8组成，车轮位于簧载质量2下方，簧载质量2与非簧载质量7之间并联有悬架弹簧1和主动作动器6。簧载质量2上设有簧载质量加速度传感器3，非簧载质量7上设有非簧载质量加速度传感器5。簧载质量加速度传感器3和非簧载质量加速度传感器5分别通过信号线连接时滞补偿控制器4，时滞补偿控制器4经控制线连接主动作动器6。整个可控悬架系统的传感器信号采集及传输时滞为τ

如图2所示，时滞补偿控制器4由卡尔曼滤波器模块、作动器时滞模块、多段一阶泰勒级数时滞补偿模块、时滞补偿预测模块组成。时滞补偿控制器4具体的设计方法如下：

步骤1：设计卡尔曼滤波器模块。根据图1，在垂向方向上对可控悬架运动进行动力学分析，建立如下包含了系统响应总时滞τ

式中：m

取状态向量X＝(x

式中：

基于可控悬架运动状态方程(3)设计卡尔曼滤波器如下式标准的状态方程(4)：

步骤2，设计多段一阶泰勒级数时滞补偿模块。

多段一阶泰勒级数时滞补偿模块中用于时滞补偿的一阶泰勒级数段数为n，n≥2，多段一阶泰勒级数时滞补偿模块以时滞补偿预测模块输出的预测控制力F

式中：

式中：F

步骤3，设计时滞补偿预测模块。

以卡尔曼滤波器模块、多段一阶泰勒级数时滞补偿模块的输出

式中：K

(K

式中：

步骤4，构造作动器时滞模块。

以时滞补偿预测模块输出预测控制力F

步骤5，确定用于时滞补偿一阶泰勒级数的段数n。

按下式(10)定义当用于时滞补偿一阶泰勒级数的段数为n(n≥2)时，时滞补偿控制效果指标M

时滞补偿控制效果指标M

式中：

首先确定车辆模型参数以及预期控制效果指标M

以某SUV汽车为例，确定的车辆模型参数如下表1所示，预期的悬架时滞补偿预期控制效果指标M

表1

根据表1数据确定出用于时滞补偿一阶泰勒级数的段数n的求解数据表如下表2所示，得到满足预期的悬架时滞补偿控制效果指标(M

表2

用本发明方法所构造的时滞补偿控制器4工作时，作动器时滞模块接收到时滞补偿预测模块输出的当前时刻的预测控制力F