一种悬架控制系统及其控制方法

技术领域

本发明属于车辆振动控制领域，尤其涉及一种悬架控制系统及其控制方法。

背景技术

悬架系统是车辆的重要组成部分，可以传递从路面引入作用在车体与车轮之间的垂向作用力，用来衰减、降低路面激励带来的车体振动。根据阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，悬架系统被分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。被动悬架由于弹簧刚度和减振器阻尼系数不可调，不能随外部路面状况而改变，难以适应不同的道路状况，因而减振性能有限。此外，传统被动悬架将车辆振动能量以热能的形式进行耗散，造成大量能量浪费。主动悬架可以根据路况实时输出控制力，但需外部提供能量，能耗巨大。半主动悬架虽然不能实时输出阻尼力，但可以实时调节阻尼或刚度，极大的降低了能耗。半主动悬架中的典型代表就是磁流变半主动悬架，其结构简单、控制方便，将振动能量回收与磁流变减振器技术相结合可以最大程度地降低能耗，并且提高车辆动力学性能。

当前车辆悬架的主要控制算法有：基于车辆状态判定的控制算法、基于经典控制理论的控制算法、基于最优控制理论的控制算法和基于智能优化理论的控制算法。最常见的控制策略有:模糊控制、滑模变结构控制、天棚地棚及其衍生控制以及最优控制等。最优控制中的线性二次型最优控制(LQR)根据控制目标列出性能泛函，再采用变分理论求取最优控制量，使得泛函值最小。模糊控制可以有效地解决半主动系统的多参数非线性问题，鲁棒性好，通用性强。

汽车的垂向振动负效应抑制问题属于车辆悬架系统，传统悬架“弹簧-阻尼器”结构中缺失有效的“惯性元件”制约悬架整体性提升。虽然现有技术中将惯容器引入车辆悬架，构成“惯容器-弹簧-阻尼器”动惯性悬架结构体系，但如何通过基本的理想惯容器模型实现其液压惯容力的主动可调，如何对“惯容器-弹簧-阻尼器”动惯性悬架控制达到理想的平顺性及舒适性效果是现在的技术难题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种悬架控制系统及其控制方法，该系统在每当路况变换时单独控制可变惯容的惯容器，也可以与磁流变阻尼器进行联合控制；簧载质量加速度传感器将信号传送给模糊控制器得到期望阻尼力，并将期望阻尼力通过磁流变阻尼力限制器后输入至磁流变阻尼器控制器，磁流变阻尼器控制器向悬架系统提供实际阻尼力；本申请还设计了悬架系统的最优控制器，控制目标即为：使系统的输出变量非簧载质量加速度、位移以及磁流变阻尼器控制力四个参量的平方按一定权重相加的和最小，并得到当前路面情况下最优惯容系数输送给惯容器。本申请所设计的悬架系统可以将车轮共振转化为惯容器的共振，其控制方法利于不同路况条件下单独控制惯容系数，并能与磁流变阻尼器进行联合控制，实现全路况系统综合性能最优。

本发明所采用的技术方案如下：

一种悬架控制系统，包括

悬架系统，所述悬架系统包括并联在非簧载质量与轮胎等效弹簧之间的惯容器、弹簧、阻尼器，以及并联在非簧载质量和簧载质量之间的悬架弹簧、零磁场阻尼、磁流变阻尼器；所述惯容器为可变惯容惯容器；

模糊自适应PID控制器，所述模糊自适应PID控制器接收悬架系统中簧载质量上的车体垂直振动加速度；所述模糊自适应PID控制器内对k

磁流变阻尼力限制器，所述磁流变阻尼力限制器接收模糊自适应PID控制器输出的期望阻尼力，在磁流变阻尼力限制器内进行阻尼力的限制处理输出限制后的期望阻尼力；

磁流变阻尼器控制器，所述磁流变阻尼器控制器限制后的期望阻尼力，根据限制后的期望阻尼力输出实际阻尼力至悬架系统的磁流变阻尼器；

惯容系数调节单元，所述惯容系数调节单元包括路况识别单元和最优控制器，所述路况识别单元用于获取非簧载质量加速度x″

进一步，所述惯容器两侧腔室分别通过叠加式液控单向阀连接液压马达，在装有叠加式液控单向阀的2条液压输送支路上均装有叠加式双单向节流阀，在2条液压输送支路之间连接有比例阀。

进一步，所述模糊自适应PID控制器中3个参数的自调整公式分别表示为：

其中，k

进一步，在所述模糊自适应PID控制器中，将悬架系统的状态误差e和状态误差的变化率ec作为模糊自适应PID控制器的输入。

进一步，考虑标准PID控制器中k

若e×ec＞0，说明系统状态误差在向绝对值增大的方向变化；

若e×ec＜0，说明误差在向绝对值减小的方向变化，e×ec＜0时的k

进一步，所述模糊自适应PID控制器中的2个输入量均采用7个模糊语言子集来描述，分别为负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB；同时，模糊控制器的3个输出量也采用7个模糊语言子集来描述，表示为负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB，基本论域为归一化后的区间[-1,1]。

进一步，磁流变阻尼器控制器其内部的控制采用积分分离PI算法。

进一步，建立LQR控制器的性能指标为：

其中，q

进一步，最优控制规律设计中，将可变惯容的ISD半主动悬架的模型状态空间y＝Cx+Du代入LQR控制器的性能指标中得到拓展为：

其中，状态变量的加权矩阵Q＝C

反馈增益矩阵表达为：K＝R

P满足Riccati方程：A

利用Matlab软件提供的LQR函数可以求得最优反馈增益矩阵K，以此得到最优惯容系数。

一种悬架控制方法，包括如下步骤：

步骤1、搭建具有可变惯容惯容器的悬架系统；

步骤2、基于步骤1中悬架控制系统中的悬架系统，从悬架系统上采集车体垂直振动加速度、非簧载质量加速度x″

步骤3、模糊自适应PID控制器基于车体垂直振动加速度输出期望阻尼力；磁流变阻尼力限制器对期望阻尼力进行限制处理，并将限制处理后的期望阻尼力输入磁流变阻尼器控制器，磁流变阻尼器控制器根据限制后的期望阻尼力输出实际阻尼力至悬架系统的磁流变阻尼器4，实现对悬架系统中阻尼力的调节；

步骤4、惯容系数调节单元基于x″

本发明的有益效果：

本发明针对汽车的垂向振动负效应抑制问题提出一种新型悬架系统控制方法，该新型悬架系统可以将车轮共振转化为惯容器的共振，其控制方法利于不同路况条件下单独控制惯容系数，并能与磁流变阻尼器进行联合控制，实时调节参数，实现全路况系统综合性能最优。

附图说明

图1是本发明的悬架系统控制流程图；

图2是本发明悬架系统结构示意图；

图3是本发明可变惯容的惯容器结构图；

图4是本发明模糊自适应控制器的simulink控制图；

图5是本发明的模糊控制规则图；

图6为本发明控制效果图；

图中，1：簧载质量，2：悬架弹簧，3：零磁场阻尼，4：磁流变阻尼器，5：非簧载质量，6：惯容器，7：弹簧，8：阻尼器，9：轮胎等效弹簧，10：液压马达，11：比例阀，12：叠加式双单向节流阀，13：叠加式液控单向阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述的一种悬架控制系统，整个系统结构框图如图1，包括：悬架系统、模糊自适应PID控制器、惯容系数调节单元、磁流变阻尼力限制器、磁流变阻尼器控制器。

1、悬架系统

结合附图2所示，悬架系统包括惯容器6、弹簧7、阻尼器8、悬架弹簧2、零磁场阻尼3、磁流变阻尼器4；其中，惯容器6为可变惯容惯容器，且惯容器6与弹簧7、阻尼器8并联位于非簧载质量5与轮胎等效弹簧9之间，在非簧载质量5和簧载质量1之间并联有悬架弹簧2、零磁场阻尼3、磁流变阻尼器4。

在本申请中，将惯容器6置于非簧载质量5与轮胎等效弹簧9之间，使车轮共振转化为惯容器6的共振，以消除车轮共振，用来改善车轮动变形。

本申请所设计的惯容器6的结构如图3所示，包括惯容器6及惯容器6的液压回路，惯容器6两侧腔室分别通过叠加式液控单向阀13连接液压马达10，在装有叠加式液控单向阀13的2条液压输送支路上均装有叠加式双单向节流阀12，在2条液压输送支路之间连接有比例阀11。本申请所设计的惯容器6是在现有定惯容液力惯容器的基础上，通过叠加式双单向节流阀12改变流量的大小以此来改变惯容器的惯容系数，叠加式液控单向阀13进行回路保压，比例阀11进行惯容器惯容系数的调节。

本申请所设计的悬架系统的运动方程表示为：

式中：b

2、模糊自适应PID控制器

利用加速度传感器从簧载质量1上获取车体垂直振动加速度，且车体垂直振动加速度作为悬架系统的输出量；将实际阻尼力作为悬架系统的输入量。

构建模糊自适应PID控制器，模糊自适应PID控制器接收加速度传感器输入的车体垂直振动加速度数据，即将悬架系统的输出量输入模糊自适应PID控制器。

在本申请中，将车体垂直振动加速度定义为悬架系统的状态误差，且将悬架系统的状态误差和状态误差的变化率作为模糊自适应PID控制器的输入，悬架系统的状态误差表示为e，悬架系统状态误差的变化率表示为ec。

选用模糊控制器对传统PID控制器的3个参数(k

其中，k

综合考虑标准PID控制器3个参数之间的相互影响及制约关系，对应不同的e和ec，故PID控制器参数整定原则，具体如下的：

若e×ec＞0，说明系统状态误差在向绝对值增大的方向变化。

若e×ec＜0，说明误差在向绝对值减小的方向变化，e×ec＜0时的k

模糊控制时模糊自适应PID控制器的2个输入量均采用7个模糊语言子集来描述，分别为负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB；同时，模糊控制器的3个输出量也采用7个模糊语言子集来描述，表示为负大NB、负中NM、负小NS、零ZO、正小PS、正中PM、正大PB，基本论域为归一化后的区间[-1,1]。

经过模糊离散化后的系统状态误差e及误差变化率ec的论域为：

e＝{-1,-0.833,-0.667,-0.5,-0.333,-0.167,0,0.167,0.333,0.5,0.667,0.833,1}

ec＝{-1,-0.833,-0.667,-0.5,-0.333,-0.167,0,0.167,0.333,0.5,0.667,0.833,1}

设定模糊控制器输入量——PID控制器的调节量Δk

Δk

Δk

Δk

参照上述给出的PID控制器参数整定原则，并综合考虑车辆悬架系统振动控制特性及专家知识经验，如图4制定模糊控制器对e和ec到Δk

3、磁流变阻尼力限制器

磁流变阻尼力限制器接收模糊自适应PID控制器输出的期望阻尼力，在磁流变阻尼力限制器内进行阻尼力的限制处理输出限制后的期望阻尼力。

4、磁流变阻尼器控制器

磁流变阻尼器控制器接收限制后的期望阻尼力，磁流变阻尼器控制器其内部的控制规律根据限制后的期望阻尼力输出期望阻尼力对应的控制电流，即得到实际阻尼力。磁流变阻尼器控制器其内部的控制采用积分分离PI算法，积分分离PI算法参考“孙东.基于反馈线性化卡尔曼观测器的磁流变半主动悬架控制器设计与试验研究[D].江苏大学,2020.”

5、惯容系数调节单元

惯容系数调节单元包括路况识别单元和最优控制器。具体如下：

路况识别单元包括加速度传感器、位移传感器，分别用于获取非簧载质量加速度、非簧载质量位移、惯容器位移信息；由此得到非簧载质量加速度x″

最优控制器接收路况识别单元输出的信息以及磁流变阻尼器输出的实际阻尼力，在最优控制器对x″

在本申请中，获取最优惯容系数的方法为：

选取悬架系统的状态变量与输出变量为：

系统输入u为磁流变阻尼器输出的实际阻尼力F

y＝Cx+Du

其中，矩阵A、B、G、C、D分别表示为：

建立LQR控制器的性能指标为：

其中，q

最优控制规律设计中，将y＝Cx+Du代入LQR控制器的性能指标中得到拓展为：

其中，状态变量的加权矩阵Q＝C

反馈增益矩阵表达为：K＝R

P满足Riccati方程：A

利用Matlab软件提供的LQR函数可以求得最优反馈增益矩阵K，以此可以得到最优惯容系数。

在图6中，6a、6b、6c分别对应的是车轮动载荷、车体垂直振动加速度、悬架动行程效果对比图，在图6a、6b、6c中，实线为本专利所提出的一种悬架系统，虚线为被动悬架；通过将本专利所提出的一种悬架系统和被动悬架的控制效果进行对比，可以看出相较于被动悬架，本发明所设计的悬架系统及其控制效果在对车体垂直振动加速度有明显的抑制作用，降低了悬架动行程，并能对车轮动变形起到抑制作用。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。