一种具有电液作动器的整车主动悬挂的状态反馈控制方法与流程

技术特征：
1.一种具有电液作动器的整车主动悬挂的状态反馈控制方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：建立整车主动悬挂系统动力学模型；步骤2：建立单出杆电液伺服系统的负载动力学模型；步骤3：选取状态变量，推导出具有单出杆电液伺服作动器的整车主动悬挂系统的状态空间表达式；步骤4：根据整车主动悬挂的期望性能指标以及利用传感器测得的状态信号设计低复杂状态反馈控制率；步骤5：根据步骤4中设计的低复杂状态反馈控制率证明具有单出杆电液作动器的整车主动悬挂系统稳定性；步骤6：反复调节影响控制率的各个参数，直到仿真结果达到预期的控制效果。2.根据权利要求1所述的一种具有电液作动器的整车主动悬挂的状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤1具体包括以下步骤：首先，建立整车主动悬挂的动力学模型：在上述公式(1)中：f
si
＝k
si
y
i y1＝z
s
asin(θ)-csin(φ)-z
u1 y3＝z
s-bsin(θ)-csin(φ)-z
u3
y2＝z
s
asin(θ) dsin(φ)-z
u2
y4＝z
s-bsin(θ) dsin(φ)-z
u4
其中，m是车体质量，i
θ
是俯仰运动的转动惯量，是翻滚运动的转动惯量，z
s
是整车质心垂向位移，θ和分别表示车体的俯仰角和翻滚角，m
i
(i为1、2、3、4)是车轮质量，f
si
是弹簧力，f
di
是阻尼力，k
si
和k
di
分别是弹性系数和阻尼系数，k
ti
是车轮的刚性系数，z
ui
表示车轮的垂向位移，z
0i
表示路面激励，a、b、c和d表示距离车体质心的距离，u
i
表示的是单出杆电液作动器产生的主动力；在系统模型(1)中，δf1、δf2和δf3是不确定的未建模动力学和外部扰动项的集总项，u
z
、u
θ
分别是由实际的单出杆液压作动器产生的主动力u
i
计算得到，计算公式如下所示：然后，基于cu
3-du4＝0和公式(2)，单出杆液压作动器u
i
能够由u
z
、u
θ
推导得到如下形式：
单出杆电液作动器输出力u
i
＝a1p
1i-a2p
2i
，其中a1、a2分别是无杆腔有效面积和有杆腔有效面积，p
1i
、p
2i
分别是第i个作动器的无杆腔压力和有杆腔压力，它们可用压力传感器测量得到。3.根据权利要求1所述的一种具有电液作动器的整车主动悬挂的状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤2采用三位五通伺服阀驱动作动器，负载动力学方程如下所示：其特征在于：所述步骤2采用三位五通伺服阀驱动作动器，负载动力学方程如下所示：上式中，v
01i
和v
02i
分别为第i个作动器的有杆腔和无杆腔的初始容积，其中i为1
…
4，c
t
为液压缸内部的泄露系数，c
e
为液压缸的外泄露系数，β
e
为油液弹性模量，q
1i
是第i个作动器的无杆腔油流量，q
2i
是第i个作动器的有杆腔油流量，q
1i
和q
2i
计算公式如下：计算公式如下：其中，是流量增益，函数s(
·
)是符号函数，当
·
≥0时，s(
·
)＝1；当
·
<0时，s(
·
)＝0，p
s
为液压系统供油压力，p
r
为液压系统回油压力，c
d
为节流口的流量系数，w是滑阀面积梯度，ρ是油液密度，x
vi
表示第i个作动器的阀芯位移；在液压作动器操作中，输入电流u控制伺服阀的阀芯位移x
v
，进而获得所需要的对应的力，伺服阀的动态特性为τ是时间常数，u
vi
(t)是第i个作动器的控制电流输入，由于伺服阀的截止频率远大于控制系统的带宽，因此可以简化阀的动力学特性，写成如下形式：x
vi
＝k
v
u
vi
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)根据式(4)-(8)可以得到：式(9)中:v
1i
＝v
01i
a1y
iv2i
＝v
02i-a2y
i
4.根据权利要求1所述的一种具有电液作动器的整车主动悬挂的状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤3具体为：首先，定义系统状态变量如下：
x1＝z
s
，x5＝θ，x7＝z
u1
，x9＝z
u2
，x
11
＝z
u3
，x
13
＝z
u4
，x
15
＝a1p
11-a2p
21
，x
16
＝a1p
12-a2p
22
，x
17
＝a1p
13-a2p
23
，x
18
＝a1p
14-a2p
24
；然后，具有单出杆液压作动器的整车主动悬挂模型为：然后，具有单出杆液压作动器的整车主动悬挂模型为：然后，具有单出杆液压作动器的整车主动悬挂模型为：在式(12)中：
在式(10)中，1/m、1/i
θ
是有界的，δf
i
是模型中未知的未建模动力学以及外部扰动集总项，同样是有界的；f
si
和f
di
是有界的；式(12)中两腔压力p
1i
和p
2i
是有界的，并且始终小于液压源压力p
s
。5.根据权利要求1所述的一种具有电液作动器的整车主动悬挂的状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤4具体包括：(1)为整车子系统(10)的垂向、俯仰、翻滚运动设计虚拟控制器u
zd
、和u
θd
对车体垂向位移x1设计虚拟控制器u
zd
，然后利用同样的步骤设计得到俯仰角x5和翻滚角x3的虚拟控制器和u
θd
；1)设计垂向位移x1的虚拟控制函数u
zd
：第一步：定义误差变量z1＝x
1-x
1r
和标准误差x
1r
是状态变量x1的参考轨迹，ρ1(t)固定时间性能函数：式中ρ
10
、ρ
t1
、t1是一组正常数，参数ρ
10
的选取必须满足定义转换误差如下：第一个虚拟控制器如下：上式中k1是正常数。第二步：定义虚拟控制误差为z2＝x
2-α1和标准误差为第二个固定时间性能函数ρ2(t)如下：同样的，ρ
20
、ρ
t2
、t2是一组正常数，参数ρ
20
的选取必须满足定义第二个转换误差如下：
子系统(10)的垂向运动的虚拟控制函数u
zd
被设计成如下形式：上式中k2是正常数；2)设计翻滚角x3的虚拟控制函数的虚拟控制函数的虚拟控制函数的虚拟控制函数的虚拟控制函数上式中，ρ
30
，ρ
t3
，t3和ρ
40
，ρ
t4
，t4被设计者挑选的合适的正常数，并且参数ρ
30
和参数ρ
40
的选取必须满足和k3和k4是正的控制增益。3)设计俯仰角x5的虚拟控制函数u
θd
：：：：上式中，ρ
50
、ρ
t5
、t5和ρ
60
、ρ
t6
、t6被设计者挑选的合适的正常数，并且参数ρ
50
和参数ρ
60
的
选取必须满足和k5和k6是正的控制增益；(2)推导出作动器子系统(12)的实际控制器u
v1
、u
v2
、u
v3
和u
v4
。根据公式(3)，单出杆电液作动器期望的理想输出力u
id
(i为1
…
4)能够根据公式(16)-(18)获得的u
zd
、和u
θd
计算得到：1)设计第一个作动器的实际控制电流u
v1
：定义误差变量z
15
＝x
15-x
15d
和标准误差ζ
15
＝z
15
/ρ
15
,x
15
＝a1p
11-a2p
21
是第一个电液作动器实际的输出力；ρ
15
(t)是固定时间性能函数：式中ρ
150
、ρ
t15
、t
15
是一组正常数，参数ρ
150
的选取必须满足定义转换误差如下：被设计的第一个作动器的实际控制法则如下：上式中k
15
是正的控制增益；2)设计第二个作动器实际控制电流u
v2
：ζ
17
＝z
16
/ρ
16
；z
16
＝u
2-u
2d
3)设计第三个作动器实际控制电流u
v3
：ζ
19
＝z
17
/ρ
17
；z
17
＝u
3-u
3d
4)设计第四个作动器实际控制电流u
v4
：
z
18
＝z
18
/ρ
18
；z
18
＝u
4-u
4d
在式(28)-(30)中，u
i
＝a1p
1i-a2p
2i
,i＝2,34是第i个电液作动器实际的输出力，ρ
160
、ρ
t16
、t
16
，ρ
170
、ρ
t17
、t
17
和ρ
180
、ρ
t18
、t
18
为正常数，参数ρ
m0
的选取必须满足m＝16、17、18；k
16
、k
17
和k
18
是正的控制增益。6.根据权利要求1所述的一种具有电液作动器的整车主动悬挂的状态反馈控制方法，其特征在于：所述步骤5标准误差的导数向量的形式如下：具体包括以下步骤：首先，在时间段t∈[0,τ
max
)上，微分方程(30)在非空开集合ω
ζ
中存在最大解证明：ω
ζ
是非空的开集合，选择性能函数ρ
i
满足则因此，对于式(30)ζ(0)∈ω
ζ
；由于整车悬挂子系统(10)、(12)的动力学变量和性能函数ρ
i
(t)都是连续和可导的，因此，(30)的l(t,ζ)关于时间t是连续的，关于任何属于集合ω
ζ
的ζ是局部立利普希茨连续的，在时间段t∈[0,τ
max
)上，式(30)存在最大解ζ
i
(t)∈ω
ζ
,i＝1..3；其次，在时间段t∈[0,τ
max
)上，转换误差有界性证明：根据式(13)、(15)和(19)，计算的导数，i＝1、2、15：的导数，i＝1、2、15：的导数，i＝1、2、15：上式中，变量是有界的；选取李雅普诺夫函数并且结合(31)和(13)计算它的关于时间t的导数：
上式中因为ρ
i
,是有界的，考虑到是有界的，考虑到因此存在一个正常数δ1>0，使：联合式(34)和(35)得到：从式(36)中可知，当时，是负的；根据李雅普诺夫理论可知：是负的；根据李雅普诺夫理论可知：是有界的，也是有界的，故α1，在时间段t∈[0,τ
max
)上都是有界的；选取李雅普诺夫函数并且结合(32)和(15)计算它的关于时间t的导数：上式中因为ρ
i
,是有界的，考虑到根据极值理论可知，存在一个正常数δ2>0,使得：联合式(37)和(38)得到：从式(39)中可知，当时，是负的；根据李雅普诺夫理论得，是负的；根据李雅普诺夫理论得，是有界的，因此，也是有界的，故u
z
，在时间段t∈[0,τ
max
)上都是有界的；同样，可以得出翻滚运动u
φ
，俯仰运动u
θ
，在时间段t∈[0,τ
max
)上有界的；因为u
φ
，u
θ
，u
φ
，都是有界的，根据式(3)每个作动器理想的输出力x
15d
，以及它的导数在t∈[0,τ
max
)上都是有界的；选取李雅普诺夫函数并且结合(33)和(19)计算它的关于时间t的导数：
上式中其中，h
1i h
2i h
3i
，有界，i＝1
…
4，即存在正数使得又因为ρ
i
,x
15d
,是有界的，并且根据极值理论可知，存在一个正常数δ
15
>0，使得：联合式(40)和(41)得到：从(42)可知，当时，是负的；根据李雅普诺夫理论得，从式(33)中可以证明是有界的，因此，作动器控制变量u
v1
在t∈[0,τ
max
)上都是有界的；u
v2
，u
v3
，u
v4
也是有界的；再次，当τ
max
＝ ∞时，证明转换误差的有界性：因为s(
·
)是严格单调递增的函数，因此，对于任何的t∈[0,τ
max
)，ζ(t)都属于非空集合即因此，τ
max
＝ ∞；最后，在t∈[0, ∞)上，系统闭环信号有界性证明：因为s(
·
)是单调递增的，所以下面不等式成立：基于标准误差定义可以得到t∈[0, ∞)，根据误差定义z
i
进而可以得出：上述不等式中ρi,α1,x
15d
都是有界的，因此，在t∈[0, ∞)上，控制系统中x1、x2、x
15
是有界的；对主动悬架的翻滚角x3、俯仰角x5以及第2、3、4电液作动器利用同样的分析方法，能够得到相似的分析结果：得到相似的分析结果：同样地，上述不等式中ρi,α2,α3,x
16d
,x
17d
,x
18d
都是有界的。因此，在t∈[0, ∞)上，控制系统中x
i
,i＝3,4,5,6,16,17,18是有界的，所以悬架子系统(10)和液压作动器子系统(12)所有信号都是有界的；在t∈[0, ∞)上，垂向运动x1、俯仰角x5、翻滚角x3一直在固定时间预定边界内收敛。

技术总结
本发明涉及一种具有电液作动器的整车主动悬挂的状态反馈控制方法，属于整车主动悬挂技术领域，包括以下步骤：建立整车主动悬挂系统动力学模型；建立单出杆电液伺服系统的负载动力学模型；选取状态变量，推导出具有单出杆电液伺服作动器的整车主动悬挂系统的状态空间表达式；根据整车主动悬挂的期望性能指标以及利用传感器测得的状态信号设计低复杂状态反馈控制率；根据步骤4中设计的低复杂状态反馈控制率证明具有单出杆电液作动器的整车主动悬挂系统稳定性；反复调节影响控制率的各个参数，直到仿真结果达到预期的控制效果。本发明可以解决整车主动悬挂系统中复杂的非线性问题、参数不确定问题和未知外部扰动问题，更加容易工程实现。加容易工程实现。加容易工程实现。


技术研发人员：刘爽 王文波 赵丁选
受保护的技术使用者：燕山大学
技术研发日：2021.10.09
技术公布日：2022/1/18