CN106647256B - 一种基于h∞ pid的主动悬架控制***及控制方法 - Google Patents

一种基于h∞ pid的主动悬架控制***及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于H∞PID的主动悬架控制***及控制方法，控制***包括内环和外环，内环包括车辆、垂向振动加速度传感器、悬架控制器，外环包括电流控制器以及执行器。主环根据不同的路面激励实现主动悬架的H∞控制，内环控制执行器实现期望主动力。利用H∞控制理论获得PID控制的相应参数，并使主动悬架始终工作在最佳状态。该主动悬架控制***及方法利用H∞控制理论获得PID控制的三个参数，很好地解决了PID控制效果好但参数调试困难的问题，并在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果。

Description

一种基于H∞ PID的主动悬架控制***及控制方法
技术领域
本发明属于车辆悬架技术领域，具体涉及一种基于H∞ PID的主动悬架控制***及其控制方法。
背景技术
悬架一般由弹性元件、减振器和导向元件组成，是车辆上的重要组成部件之一，是车身和车桥或车轮之间一切传力连接装置的总称。
车辆在行驶过程中，由起伏不平的路面造成的各种冲击载荷传递到车身，造成车身的振动、俯仰和侧倾，悬架的作用是弹性地连接车桥和车架，迅速衰减路面对车身的冲击、吸收车体的振动、增强轮胎对地面的抓地性能，进而保证货物完整性和提高车辆的乘坐舒适性、行驶平顺性和操纵稳定性。
传统的悬架***的刚度和阻尼系数，是按经验设计或优化设计方法选择的，一经选定后，在车辆行驶过程中就无法进行调节，这种悬架称为被动悬架。被动悬架的动力输出元件是弹性元件和阻尼元件，它们不能主动输出作用力，只有受到外部激励时才被动的产生作动力作用在车身和车轮上，从而达到缓冲和衰减振动的目的。为了克服被动悬架的不足，使悬架始终处于最优减振状态，需要在传统悬架***中采用有源可控制的元件组成闭环控制***。
但是现有的主动悬架控制***对路面激励的抑制能力有限，其鲁棒性能也受到限制，为了进一步改善主动悬架的性能，将PID控制与H∞控制理论结合，利用闭环***满足H∞性能计算出最优的PID参数，进而对主动悬架进行闭环控制，就需要设计一种易于实现且适用于各种不同路面的主动悬架控制***及方法。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题，提供一种基于H∞ PID的主动悬架控制***。
本发明的另一目的是提供一种基于H∞ PID的主动悬架控制方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于H∞ PID的主动悬架控制***，该主动悬架控制***包括内环和外环，所述内环包括车辆、垂向振动加速度传感器、悬架控制器，所述外环包括电流控制器以及执行器，所述垂向振动加速度传感器、悬架控制器、电流控制器以及执行器顺次连接，所述垂向振动加速度传感器与车身固连，所述执行器安装于车身和车轮之间，所述外环用于根据不同的路面激励实现悬架的H∞控制，内环用于实现期望主动力。
优选地，所述车身垂向振动加速度传感器用于实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到其频率分布区间，根据该频率区间得到车辆整车模型。
优选地，所述车辆整车模型等效于单自由度***、二自由度***、四自由度***或更高自由度***。
优选地，所述悬架控制器用于根据车辆整车模型以及相关的线性矩阵不等式求得PID 控制的三个参数kp、ki、kd，并根据垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并发出控制指令。
优选地，所述电流控制器用于根据悬架控制器的控制指令实时控制所述执行器所需要的电流，执行器在电流控制器的作用下将所需的主动力实时施加在所述悬架上，以保证悬架始终工作在最佳状态。
一种基于H∞ PID的主动悬架控制***的控制方法，具体包括一下步骤：
S1、获取***计算参数；
S2、获取车身垂向振动信号的频率分布区间：车身垂向振动加速度传感器实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到路面信号频率分布区间；
S3、选择车辆整车模型：根据路面信号频率分布区间，选择车辆整车模型；
S4、计算PID控制的三个参数kp、ki、kd：悬架控制器根据车辆整车模型和相关的线性矩阵不等式求得PID控制的三个参数kp、ki、kd；
S5、计算主动悬架的主动力：悬架控制器根据求得的PID控制的三个参数kp、ki、kd和车身垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并向电流控制器发出控制指令；
S6、电流控制器控制执行器：电流控制器根据悬架控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，执行器在电流控制的作用下将所需的主动力实时施加在悬架上；
S7、悬架始终工作在最佳状态：主动悬架控制***根据路面信号频率不同，实时切换整车模型并计算最优的PID控制器参数，以保证悬架在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果；
所述***为主动悬架控制***。
优选地，所述路面信号频率区间为0～10Hz时，车辆整车模型等效于单自由度***；所述路面信号频率区间为10～15Hz时，车辆整车模型等效于二自由度***；所述路面信号频率区间大于15Hz时，车辆整车模型等效于四自由度***或更高自由度***。
优选地，所述步骤S1中的计算参数包括车轮质量、悬架刚度、悬架阻尼、轮胎刚度、车身质量、车身俯仰角、轮胎位移、车身位移、惯性矩、车身质心位置。
本发明的有益效果是：本发明提供的基于H∞ PID的主动悬架控制***及控制方法，将 PID控制与H∞控制理论结合，利用闭环***满足H∞性能计算出最优的PID参数，进而对主动悬架进行闭环控制，很好地解决了PID控制效果好但参数调试困难的问题，并在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果，使主动悬架始终工作在最佳减震状态。整体而言，该主动悬架控制***和控制方法，简单易于实现，工性能优越，适用范围广，具有很强的实用价值，值得在业内推广。
附图说明
图1为本发明基于H∞ PID的主动悬架控制***框图；
图2为本发明基于H∞ PID的主动悬架控制方法流程图；
图3为实施例中整车单自由度等效模型简图；
图4为实施例中整车二自由度等效模型简图；
图5为实施例中整车四自由度等效模型简图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：
如图1所示，本发明的基于H∞ PID的主动悬架控制***，该主动悬架控制***包括内环和外环，内环包括车辆、垂向振动加速度传感器、悬架控制器，外环包括电流控制器以及执行器，垂向振动加速度传感器、悬架控制器、电流控制器以及执行器顺次连接，垂向振动加速度传感器与车身固连，执行器安装于车身和车轮之间，外环用于根据不同的路面激励实现悬架的H∞控制，内环用于实现期望主动力。
车身垂向振动加速度传感器实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到其频率分布区间，根据该频率区间得到车辆整车模型。
悬架控制器用于根据车辆整车模型以及相关的线性矩阵不等式(LMI)求得PID控制的三个参数kp、ki、kd，并根据垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并向电流控制器发出控制指令。
电流控制器用于根据悬架控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，执行器在电流控制器的作用下将所需的主动力实时施加在悬架上，以保证悬架始终工作在最佳状态。
如图2所示，本发明提供的基于H∞ PID的主动悬架控制***的控制方法流程图，包括以下步骤：
S1、获取***计算参数：
本发明提供的一种主动悬架控制***的被控对象等效模型简图如图3、4和5所示，其中图3、4和5分别代表整车单自由度、二自由度和四自由度等效模型简图。此处计算参数包括图中的车身质量m2(整车单、二自由度模型)，车轮质量m1，悬架刚度k2，悬架阻尼c，轮胎刚度k1，车身质量ms(整车四自由度模型)，车身俯仰角
Figure GDA0002945510000000041
轮胎位移x1，车身位移x2，惯性矩
Figure GDA0002945510000000042
车身质心位置l1，l2。
其中，***指本发明提供的一种主动悬架控制***。
S2、获取车身垂向振动信号的频率分布区间
车身垂向振动加速度传感器实时采集车身的垂向振动加速度信号y，并通过傅里叶变换得到其频率分布区间ω。
S3、选择车辆整车模型
a、当路面信号频率区间在0～10Hz时，车辆整车模型等效于单自由度***；
根据如图3所示的单自由度等效模型，由牛顿第二定律建立***的振动微分方程：
Figure GDA0002945510000000043
其中m2为车身质量；xm2为由于路面不平导致的车身沿z方向的位移；k2为悬架刚度； c为悬架阻尼；xq表示路面不平度，uf为主动悬架提供的主动控制力。
取***的状态变量、测量输出变量和被控输出变量分别为
Figure GDA0002945510000000044
Figure GDA0002945510000000045
输入变量为u＝uf，干扰变量为
Figure GDA0002945510000000046
则由公式(1)可得***的状态空间：
Figure GDA0002945510000000047
其中：
Figure GDA0002945510000000048
Figure GDA0002945510000000049
b、当路面信号频率区间在10～15Hz时，车辆整车模型等效于二自由度***；
根据图4所示的二自由度等效模型，由牛顿第二定律可得***的振动微分方程：
Figure GDA0002945510000000051
其中m1为车轮质量；m2为车身质量；k1为轮胎刚度；k2为悬架刚度；c为悬架阻尼；xm1，xm2分别为路面不平引起的轮胎和车身沿x方向的位移；xq表示路面不平度；uf为主动悬架提供的主动控制力。
取***的状态变量和输入变量分别为
Figure GDA0002945510000000052
u＝uf，测量输出变量为
Figure GDA0002945510000000053
被控输出变量为
Figure GDA0002945510000000054
干扰变量w＝xq，则由公式(2)可得***的状态空间：
Figure GDA0002945510000000055
其中：
Figure GDA0002945510000000056
Dq1＝0,
Figure GDA0002945510000000057
Dq2＝0
c、当路面信号频率区间大于15Hz时，车辆整车模型等效于四自由度***或更高自由度***。
根据图5所示的四自由度等效模型，由牛顿第二定律可得***的振动微分方程(假设
Figure GDA0002945510000000058
足够小)：
Figure GDA0002945510000000061
其中ms表示车身质量；分别mu1,mu2为两个轮胎质量；ks1,cs1,ks2,cs2分别为两个悬架的刚度和阻尼；ku1,ku2为两个轮胎的刚度；xsi-xui为悬架位移；xqi为由路面不平引起的垂向位移；l1,l2为前轮、后轮到车身质心的距离；
Figure GDA0002945510000000062
为惯性矩；uf1,uf2为主动控制力；xc,
Figure GDA0002945510000000063
分别为车身位移与俯仰角。
取***的状态、控制输入、干扰、测量输出、被控输出变量分别如下：
Figure GDA0002945510000000064
up＝[uf1 uf2]T,
Figure GDA0002945510000000065
则由公式(5)得到***的状态空间
Figure GDA0002945510000000066
其中：
Figure GDA0002945510000000071
Figure GDA0002945510000000081
Figure GDA0002945510000000082
Dq1＝0,
Figure GDA0002945510000000083
Dq2＝0
S4、计算PID控制的三个参数kp、ki、kd
悬架控制器根据车辆整车模型和相关的线性矩阵不等式求得PID控制的三个参数kp、 ki、kd。
设悬架简化模型的状态空间为：
Figure GDA0002945510000000084
考虑PID控制：
Figure GDA0002945510000000085
为了尽可能减小输出，得到
Figure GDA0002945510000000086
令
Figure GDA0002945510000000091
由公式(9)和(10)可得：
Figure GDA0002945510000000092
引入一个新的控制器状态xc＝u，令状态变量x＝[xp xq xc]T，测量输出和被控输出分别为y＝yp,z＝zp，干扰变量
Figure GDA0002945510000000093
可得引入PID控制后的闭环***为：
Figure GDA0002945510000000094
xc＝u
其中：A＝A1+B1KB2,B＝A2+B1KB3,
Figure GDA0002945510000000095
Figure GDA0002945510000000096
Figure GDA0002945510000000097
C1＝[Cp1 0 Dp1],
Figure GDA0002945510000000098
C2＝[Cp2 0 Dp2],
Figure GDA0002945510000000099
采用PID控制器(8)的闭环***(12)需满足：
Figure GDA00029455100000000910
其中，γ为闭环***的H∞性能。
由有界实引理可知，存在正定实对称阵P>0满足如下优化问题：
Figure GDA0002945510000000101
利用变量代换Q＝PB1K将上述非线性问题转化为如下所示的线性优化问题：
Figure GDA0002945510000000102
据此，可以利用MATLAB的LMI工具箱可求得上述线性优化问题的解，即得到该主动悬架控制***最优H∞性能求解问题的解：
Figure GDA0002945510000000103
根据方程(16)即可求得PID控制器(8)的三个参数kp、ki、kd。
S5、计算主动悬架的控制力
悬架控制器求出PID控制的三个参数kp、ki、kd之后，根据车身垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，利用公式(9)即可计算出悬架主动控制所需要的主动力，并向电流控制器发出控制指令。
S6、电流控制器控制执行器
电流控制器根据悬架控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，执行器在电流控制的作用下将所需的主动力实时施加在悬架上，使主动悬架始终工作在最佳状态。Ic是在电流控制器的作用下执行器所需要的电流，Im是执行器反馈回电流控制器的实测电流。
S7、主动悬架始终工作在最佳状态
主动悬架控制***根据路面信号频率不同，实时切换整车模型并计算最优的PID控制器参数，以保证主动悬架在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于H∞PID的主动悬架控制***的控制方法，其特征在于：主动悬架控制***的控制方法，基于主动悬架控制***，该主动悬架控制***包括内环和外环，所述内环包括车辆、垂向振动加速度传感器、悬架控制器，所述外环包括电流控制器以及执行器，所述垂向振动加速度传感器、悬架控制器、电流控制器以及执行器顺次连接，所述垂向振动加速度传感器与车身固连，所述执行器安装于车身和车轮之间，所述外环用于根据不同的路面激励实现悬架的H∞控制，内环用于实现期望主动力；
主动悬架控制***的控制方法包括以下步骤：
S1、获取***计算参数；
S2、获取车身垂向振动信号的频率分布区间：车身垂向振动加速度传感器实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到路面信号频率分布区间；
S3、选择车辆整车模型：根据路面信号频率分布区间，选择车辆整车模型；a、当路面信号频率区间在0～10Hz时，车辆整车模型等效于单自由度***；b、当路面信号频率区间在10～15Hz时，车辆整车模型等效于二自由度***；c、当路面信号频率区间大于15Hz时，车辆整车模型等效于四自由度***或更高自由度***；
S4、计算PID控制的三个参数kp、ki、kd：悬架控制器根据车辆整车模型和相关的线性矩阵不等式求得PID控制的三个参数kp、ki、kd；
设悬架简化模型的状态空间为：
Figure FDA0002945509990000011
其中，xp为***的状态变量，yp为测量输出变量，zp为被控输出变量；
为了尽可能减小输出，得到：
Figure FDA0002945509990000012
引入一个新的控制器状态xc＝u，令状态变量x＝[xp xq xc]T，测量输出和被控输出分别为y＝yp,z＝zp，干扰变量
Figure FDA0002945509990000013
可得引入PID控制后的闭环***为：
Figure FDA0002945509990000021
利用MATLAB的LMI工具箱可求得线性优化问题的解，即得到该主动悬架控制***最优H∞性能求解问题的解：B1K＝P-1Q
其中，B1、K、P、Q分别为矩阵；
S5、计算主动悬架的主动力：悬架控制器根据求得的PID控制的三个参数kp、ki、kd和车身垂向振动加速度传感器所采集到的车身垂向振动加速度信号，计算出悬架主动控制所需要的主动力，并向电流控制器发出控制指令；
S6、电流控制器控制执行器：电流控制器根据悬架控制器的控制指令实时控制执行器所需要的电流，执行器在电流控制的作用下将所需的主动力实时施加在悬架上；
S7、悬架始终工作在最佳状态：主动悬架控制***根据路面信号频率不同，实时切换整车模型并计算最优的PID控制器参数，以保证悬架在各种不同路面上都可以达到理想的控制效果；
所述***为主动悬架控制***。
2.根据权利要求1所述的基于H∞PID的主动悬架控制***的控制方法，其特征在于：所述车身垂向振动加速度传感器用于实时采集车身的垂向振动加速度信号，并通过傅里叶变换得到其频率分布区间，根据该频率区间得到车辆整车模型。
3.根据权利要求1所述的基于H∞PID的主动悬架控制***的控制方法，其特征在于：所述车辆整车模型等效于单自由度***、二自由度***、四自由度***或更高自由度***。
4.根据权利要求1所述的基于H∞PID的主动悬架控制***的控制方法，其特征在于：所述步骤S1中的计算参数包括车轮质量、悬架刚度、悬架阻尼、轮胎刚度、车身质量、车身俯仰角、轮胎位移、车身位移、惯性矩、车身质心位置。
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