一種基于H∞PID的主動懸架控制系統及控制方法與流程

文檔序號：11153004閱讀：969來源：國知局

本發明屬于車輛懸架技術領域，具體涉及一種基于H_∞PID的主動懸架控制系統及其控制方法。

背景技術：

懸架一般由彈性元件、減振器和導向元件組成，是車輛上的重要組成部件之一，是車身和車橋或車輪之間一切傳力連接裝置的總稱。

車輛在行駛過程中，由起伏不平的路面造成的各種沖擊載荷傳遞到車身，造成車身的振動、俯仰和側傾，懸架的作用是彈性地連接車橋和車架，迅速衰減路面對車身的沖擊、吸收車體的振動、增強輪胎對地面的抓地性能，進而保證貨物完整性和提高車輛的乘坐舒適性、行駛平順性和操縱穩定性。

傳統的懸架系統的剛度和阻尼系數，是按經驗設計或優化設計方法選擇的，一經選定后，在車輛行駛過程中就無法進行調節，這種懸架稱為被動懸架。被動懸架的動力輸出元件是彈性元件和阻尼元件，它們不能主動輸出作用力，只有受到外部激勵時才被動的產生作動力作用在車身和車輪上，從而達到緩沖和衰減振動的目的。為了克服被動懸架的不足，使懸架始終處于最優減振狀態，需要在傳統懸架系統中采用有源可控制的元件組成閉環控制系統。

但是現有的主動懸架控制系統對路面激勵的抑制能力有限，其魯棒性能也受到限制，為了進一步改善主動懸架的性能，將PID控制與H∞控制理論結合，利用閉環系統滿足H∞性能計算出最優的PID參數，進而對主動懸架進行閉環控制，就需要設計一種易于實現且適用于各種不同路面的主動懸架控制系統及方法。

技術實現要素：

本發明的目的是解決上述問題，提供一種基于H_∞PID的主動懸架控制系統。

本發明的另一目的是提供一種基于H_∞PID的主動懸架控制方法。

為解決上述技術問題，本發明的技術方案是：一種基于H_∞PID的主動懸架控制系統，該主動懸架控制系統包括內環和外環，所述內環包括車輛、垂向振動加速度傳感器、懸架控制器，所述外環包括電流控制器以及執行器，所述垂向振動加速度傳感器、懸架控制器、電流控制器以及執行器順次連接，所述垂向振動加速度傳感器與車身固連，所述執行器安裝于車身和車輪之間，所述主環用于根據不同的路面激勵實現懸架的H_∞控制，內環用于實現期望主動力。

優選地，所述車身垂向振動加速度傳感器用于實時采集車身的垂向振動加速度信號，并通過傅里葉變換得到其頻率分布區間，根據該頻率區間得到車輛整車模型。

優選地，所述車輛整車模型等效于單自由度系統、二自由度系統、四自由度系統或更高自由度系統。

優選地，所述懸架控制器用于根據車輛整車模型以及相關的線性矩陣不等式求得PID控制的三個參數kp、ki、kd，并根據垂向振動加速度傳感器所采集到的車身垂向振動加速度信號，計算出懸架主動控制所需要的主動力，并發出控制指令。

優選地，所述電流控制器用于根據懸架控制器的控制指令實時控制所述執行器所需要的電流，執行器在電流控制器的作用下將所需的主動力實時施加在所述懸架上，以保證懸架始終工作在最佳狀態。

一種基于H_∞PID的主動懸架控制系統的控制方法，具體包括一下步驟：

S1、獲取系統計算參數；

S2、獲取車身垂向振動信號的頻率分布區間：車身垂向振動加速度傳感器實時采集車身的垂向振動加速度信號，并通過傅里葉變換得到路面信號頻率分布區間；

S3、選擇車輛整車模型：根據路面信號頻率分布區間，選擇車輛整車模型；

S4、計算PID控制的三個參數kp、ki、kd：懸架控制器根據車輛整車模型和相關的線性矩陣不等式求得PID控制的三個參數kp、ki、kd；

S5、計算主動懸架的主動力：懸架控制器根據求得的PID控制的三個參數kp、ki、kd和車身垂向振動加速度傳感器所采集到的車身垂向振動加速度信號，計算出懸架主動控制所需要的主動力，并向電流控制器發出控制指令；

S6、電流控制器控制執行器：電流控制器根據懸架控制器的控制指令實時控制執行器所需要的電流，執行器在電流控制的作用下將所需的主動力實時施加在懸架上；

S7、懸架始終工作在最佳狀態：主動懸架控制系統根據路面信號頻率不同，實時切換整車模型并計算最優的PID控制器參數，以保證懸架在各種不同路面上都可以達到理想的控制效果；

所述系統為主動懸架控制系統。

優選地，所述路面信號頻率區間為0～10Hz時，車輛整車模型等效于單自由度系統；所述路面信號頻率區間為10～15Hz時，車輛整車模型等效于二自由度系統；所述路面信號頻率區間大于15Hz時，車輛整車模型等效于四自由度系統或更高自由度系統。

優選地，所述步驟S1中的計算參數包括車輪質量、懸架剛度、懸架阻尼、輪胎剛度、車身質量、車身俯仰角、輪胎位移、車身位移、慣性矩、車身質心位置。

本發明的有益效果是：本發明提供的基于H_∞PID的主動懸架控制系統及控制方法，將PID控制與H_∞控制理論結合，利用閉環系統滿足H_∞性能計算出最優的PID參數，進而對主動懸架進行閉環控制，很好地解決了PID控制效果好但參數調試困難的問題，并在各種不同路面上都可以達到理想的控制效果，使主動懸架始終工作在最佳減震狀態。整體而言，該主動懸架控制系統和控制方法，簡單易于實現，工性能優越，適用范圍廣，具有很強的實用價值，值得在業內推廣。

附圖說明

圖1為本發明基于H_∞PID的主動懸架控制系統框圖；

圖2為本發明基于H_∞PID的主動懸架控制方法流程圖；

圖3為實施例中整車單自由度等效模型簡圖；

圖4為實施例中整車二自由度等效模型簡圖；

圖5為實施例中整車四自由度等效模型簡圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發明做進一步的說明：

如圖1所示，本發明的基于H_∞PID的主動懸架控制系統，該主動懸架控制系統包括內環和外環，內環包括車輛、垂向振動加速度傳感器、懸架控制器，外環包括電流控制器以及執行器，垂向振動加速度傳感器、懸架控制器、電流控制器以及執行器順次連接，垂向振動加速度傳感器與車身固連，執行器安裝于車身和車輪之間，主環用于根據不同的路面激勵實現懸架的H_∞控制，內環用于實現期望主動力。

車身垂向振動加速度傳感器實時采集車身的垂向振動加速度信號，并通過傅里葉變換得到其頻率分布區間，根據該頻率區間得到車輛整車模型。

懸架控制器用于根據車輛整車模型以及相關的線性矩陣不等式(LMI)求得PID控制的三個參數kp、ki、kd，并根據垂向振動加速度傳感器所采集到的車身垂向振動加速度信號，計算出懸架主動控制所需要的主動力，并向電流控制器發出控制指令。

電流控制器用于根據懸架控制器的控制指令實時控制執行器所需要的電流，執行器在電流控制器的作用下將所需的主動力實時施加在懸架上，以保證懸架始終工作在最佳狀態。

如圖2所示，本發明提供的基于H_∞PID的主動懸架控制系統的控制方法流程圖，包括以下步驟：

S1、獲取系統計算參數：

本發明提供的一種主動懸架控制系統的被控對象等效模型簡圖如圖3、4和5所示，其中圖3、4和5分別代表整車單自由度、二自由度和四自由度等效模型簡圖。此處計算參數包括圖中的車身質量m₂(整車單、二自由度模型)，車輪質量m₁，懸架剛度k₂，懸架阻尼c，輪胎剛度k₁，車身質量m_s(整車四自由度模型)，車身俯仰角輪胎位移x₁，車身位移x₂，慣性矩車身質心位置l₁，l₂。

其中，系統指本發明提供的一種主動懸架控制系統。

S2、獲取車身垂向振動信號的頻率分布區間

車身垂向振動加速度傳感器實時采集車身的垂向振動加速度信號y，并通過傅里葉變換得到其頻率分布區間ω。

S3、選擇車輛整車模型

a、當路面信號頻率區間在0～10Hz時，車輛整車模型等效于單自由度系統；

根據如圖3所示的單自由度等效模型，由牛頓第二定律建立系統的振動微分方程：

其中m₂為車身質量；x_m2為由于路面不平導致的車身沿z方向的位移；k₂為懸架剛度；c為懸架阻尼；x_q表示路面不平度，u_f為主動懸架提供的主動控制力。

取系統的狀態變量、測量輸出變量和被控輸出變量分別為輸入變量為u＝u_f，干擾變量為則由公式(1)可得系統的狀態空間：

其中：

b、當路面信號頻率區間在10～15Hz時，車輛整車模型等效于二自由度系統；

根據圖4所示的二自由度等效模型，由牛頓第二定律可得系統的振動微分方程：

其中m₁為車輪質量；m₂為車身質量；k₁為輪胎剛度；k₂為懸架剛度；c為懸架阻尼；x_m1，x_m2分別為路面不平引起的輪胎和車身沿x方向的位移；x_q表示路面不平度；u_f為主動懸架提供的主動控制力。

取系統的狀態變量和輸入變量分別為u＝u_f，測量輸出變量為被控輸出變量為干擾變量w＝x_q，則由公式(2)可得系統的狀態空間：

其中：

D_q1＝0,

D_q2＝0

c、當路面信號頻率區間大于15Hz時，車輛整車模型等效于四自由度系統或更高自由度系統。

根據圖5所示的四自由度等效模型，由牛頓第二定律可得系統的振動微分方程(假設足夠小)：

其中m_s表示車身質量；分別m_u1,m_u2為兩個輪胎質量；k_s1,c_s1,k_s2,c_s2分別為兩個懸架的剛度和阻尼；k_u1,k_u2為兩個輪胎的剛度；x_si-x_ui為懸架位移；x_qi為由路面不平引起的垂向位移；l₁,l₂為前輪、后輪到車身質心的距離；為慣性矩；u_f1,u_f2為主動控制力；x_c,分別為車身位移與俯仰角。