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专利号: 202010102776X
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-06-16
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种非线性主动液压悬架系统的滑模自适应控制方法,其特征在于:包括以下步骤:步骤一、建立考虑非对称单出杆液压执行器非线性主动悬架模型;

步骤二、推导考虑系统不确定参数及外界扰动的滑模自适应控制器;

步骤三、设计扩张状态观测器,为悬架系统设计状态观测器用来观测车轮运动速度以及液压缸腔内压力;

步骤四、调节系统参数。

2.根据权利要求1所述的一种非线性主动液压悬架系统的滑模自适应控制方法,其特征在于:步骤一所述建立考虑非对称单出杆液压执行器非线性主动悬架模型为:其中:

其中M为汽车车身质量即簧上质量,I为俯仰运动的转动惯量,u1为在前悬架组件输入的主动控制力,u2为在后悬架组件输入的主动控制力,uz为车身垂直运动虚拟主动控制量,为车身俯仰运动虚拟主动控制量,ΔF1为第一扰动量,ΔF2为第二扰动量,mf为前轮的簧下质量,mr为后轮的簧下质量,Fdf为前悬架组件中的阻尼力,Fdr为后悬架组件中的阻尼力,Fsf为前悬架组件中的弹性力,Fsr为后悬架组件中的弹性力,Ftf为前轮胎产生的弹性力,Ftr为后轮胎产生的弹性力,Fbf为前轮胎产生的阻尼力,Fbr为后轮胎产生的阻尼力,z1为前轮的簧下质量位移,z2为后轮的簧下质量位移;z01为前轮的路面输入位移,z02为后轮的路面输入位移;a代表前悬架组件中心到车身质量中心的距离,b代表后悬架组件中心到车身质量中心的距离;kf1是前悬架组件弹簧线性项刚度系数,kf2是前悬架组件弹簧立方项刚度系数,kr1是后悬架组件弹簧线性项刚度系数,kr2是后悬架组件弹簧立方项刚度系数;bf1为前悬架组件阻尼系数,br1为后悬架组件阻尼系数;kf3为前轮胎的刚度系数,kr3为后轮胎的刚度系数;

bf2为前轮胎的阻尼系数,br2为后轮胎的阻尼系数;Zc为车身质量垂直位移,代表车身俯仰角,Δyf代表前悬架行程,Δyr代表后悬架行程,其中Δyf和Δyr的具体表示如下式:忽略主动力的具体实现方式,考虑非对称单出杆液压执行器为主动悬架提供主动力,即主动悬架模型式(1)中的u1,u2具有如下(4)式的形式:u1为在前悬架组件输入的主动控制力,u2为在后悬架组件输入的主动控制力,A1为液压缸无杆腔的有效面积,A2为液压缸有杆腔的有效面积,Δyf代表前悬架行程,Δyr代表后悬架行程,Vh1分别为Δyf=0时液压缸无杆腔的等效容积,Vh2分别为Δyr=0时液压缸有杆腔的等效容积,P1为前轮液压缸无杆腔的压力,P2为前轮液压缸有杆腔的压力,P3为后轮液压缸无杆腔的压力,P4为后轮液压缸有杆腔的压力,PS为供油压力,β为油液弹性刚度,Ct为液压缸内泄漏系数,u01为前轮阀芯位移实际控制量,u02为后轮阀芯位移实际控制量,cd为流量系数,ω为伺服阀面积梯度,ρ为油液密度,g为伺服阀算子。

3.根据权利要求1所述的一种非线性主动液压悬架系统的滑模自适应控制方法,其特征在于:步骤二所述的推导考虑系统不确定参数及外界扰动的滑模自适应控制器为:定义状态变量:

x1=zc, x5=z1, x7=z2, x9=P1,x10=P2,x11=P3,x12=P4,则方程(1)可以写成状态空间表达式的形式,如式(5):

其中uz=u1+u2, u1=A1x9-A2x10,u2=A1x11-A2x12,ΔF1和ΔF2为外界扰动。

x1为第一状态变量, 为第一状态变量的导数,x2为第二状态变量, 为第二状态变量的导数,x3为第三状态变量, 为第三状态变量的导数,x4为第四状态变量, 为第四状态变量的导数,x5为第五状态变量, 为第五状态变量的导数,x6为第六状态变量, 为第六状态变量的导数,x7为第七状态变量, 为第七状态变量的导数,x8为第八状态变量, 为第八状态变量的导数,x9为第九状态变量, 为第九状态变量的导数,x10为第十状态变量, 为第十状态变量的导数,x11为第十一状态变量, 为第十一状态变量的导数,x12为第十二状态变量, 为第十二状态变量的导数,Zc为车身质量垂直位移, 为车身垂直位移的导数,代表车身俯仰角,代表车身俯仰角的导数,z1为前轮的簧下质量位移,为前轮的簧下质量位移的导数,z2为后轮的簧下质量位移, 为后轮的簧下质量位移的导数,Δyf代表前悬架行程,Δyr代表后悬架行程,P1为前轮液压缸无杆腔的压力,P2为前轮液压缸有杆腔的压力,P3为后轮液压缸无杆腔的压力,P4为后轮液压缸有杆腔的压力,M为汽车车身质量即簧上质量,I为俯仰运动的转动惯量,Fdf为前悬架组件中的阻尼力,Fdr为后悬架组件中的阻尼力,Fsf为前悬架组件中的弹性力,Fsr为后悬架组件中的弹性力,a代表前悬架组件中心到车身质量中心的距离,b代表后悬架组件中心到车身质量中心的距离,uz为车身垂直运动虚拟主动控制量, 为车身俯仰运动虚拟主动控制量,mf为前轮的簧下质量,mr为后轮的簧下质量,u1为在前悬架组件输入的主动控制力,u2为在后悬架组件输入的主动控制力,Vh1为Δyf=0时液压缸无杆腔的等效容积,Vh2为Δyr=0时液压缸有杆腔的等效容积,g为伺服阀算子,β为油液弹性刚度,PS为供油压力,A1为液压缸无杆腔的有效面积,A2为液压缸有杆腔的有效面积,Ct为液压缸内泄漏系数,u01为前轮阀芯位移实际控制量,u02为后轮阀芯位移实际控制量;

垂直运动子系统:

式中

俯仰运动子系统:

式中

先根据子系统推导出uz, 进而得到虚拟控制变量x9d,x10d的表达式,最后通过设计自适应律推导出实际控制量u01,u02;

定义误差变量:

e1=x1-x1r;

其中x1r为状态变量x1的参考轨迹, 为x1r的导数,e1为状态变量x1与参考轨迹x1r之间的误差值,e2为状态变量x2与 之间的误差值;

选取滑模面:

s1=c1e1+e2  (9)

其中c1为第一控制参数,c1>0;s1为选取的第一个滑模面;则

其中θ1为系统不确定参数用来表示 为x1r的二阶导数;

选取等效控制项uzeq和切换控制项uzsw为:

其中 为θ1的估计值,k1为第二控制参数,k1>0;η1为第三控制参数,η1>0;

uz=uzeq+uzsw  (12)

定义误差变量:

e3=x3-x3r;

其中x3r为状态变量x3的参考轨迹, 为x3r的导数,e3为状态变量x3与参考轨迹x3r之间的误差值,e4为状态变量x4与 之间的误差值;

选取滑模面:

s2=c2e3+e4  (14)

其中c2为第四控制参数,c2>0;s2为选取的第二个滑模面;则

其中θ2为系统不确定参数用来表示 为x3r的二阶导数;

选取等效控制项 和切换控制项 为:

其中 为θ2的估计值,k2为第五控制参数,k2>0;η2为第六控制参数,η2>0;

定义误差变量:

e9=x9-x9d;e10=x10-x10d  (18)

其中x9d为状态变量x9的期望值,x10d为状态变量x10的期望值,e9为状态变量x9与x9d之间的误差值,e10为状态变量x10与x10d之间的误差值;

此时可以得出虚拟控制变量x9d与x10d为:

选取实际控制变量u01和u02为:

其中k9为第七控制参数,k9>0;k10为第八控制参数,k10>0;

为θi的估计值,i=1,2;

自适应律如下:

其中r1为第九控制参数,r1>0;r2为第十控制参数,r2>0;

τ1为自适应第一算子,τ2为自适应第二算子,proj(riτi)为自适应律;

τ1=s1(-Fdf-Fdr-Fsf-Fsr+uz)  (23)

其中θ1max为θ1的上限值,θ1min为θ1的下限值;其中θ2max为θ2的上限值,θ2min为θ2的下限值。

4.根据权利要求1所述的一种非线性主动液压悬架系统的滑模自适应控制方法,其特征在于:步骤三中所述设计扩张状态观测器,为悬架系统设计状态观测器用来观测车轮运动速度以及液压缸腔内压力:针对系统(5)设计扩张状态观测器用来估计车轮垂直运动速度及液压执行器有杆腔压力、无杆腔压力;

定义误差变量:

ε1=l5-x5;ε2=l7-x7  (26)

扩张状态观测器如式(27)所示:

其中:

l1是观测器第一状态变量,l2是观测器第二状态变量,l3是观测器第三状态变量,l4是观测器第四状态变量,l5是观测器第五状态变量,l6是观测器第六状态变量,l7是观测器第七状态变量,l8是观测器第八状态变量,l9是观测器第九状态变量,l10是观测器第十状态变量,l11是观测器第十一状态变量,l12是观测器第十二状态变量,l13是观测器第十三状态变量,l14是观测器第十四状态变量,x1是悬架系统第一状态变量,x2是悬架系统第二状态变量,x3是悬架系统第三状态变量,x4是悬架系统第四状态变量,x5是悬架系统第五状态变量,x7是悬架系统第七状态变量,ε1为观测器第一误差变量,ε2是观测器第二误差变量,M为汽车车身质量即簧上质量,I为俯仰运动的转动惯量,u1为在前悬架组件输入的主动控制力,u2为在后悬架组件输入的主动控制力,uz为车身垂直运动虚拟主动控制量, 为车身俯仰运动虚拟主动控制量,mf为前轮的簧下质量,mr为后轮的簧下质量,Fdfl为观测器的前悬架组件阻尼力,Fdrl为观测器的后悬架组件阻尼力,Fsfl为观测器的前悬架组件弹性力,Fsrl为观测器的后悬架组件弹性力,Ftfl为观测器的前轮胎弹性力,Ftrl为观测器的后轮胎弹性力,Fbfl为观测器的前轮胎阻尼力,Fbrl为观测器的后轮胎阻尼力,a代表前悬架组件中心到车身质量中心的距离,b代表后悬架组件中心到车身质量中心的距离,kf1是前悬架组件弹簧线性项刚度系数,kf2是前悬架组件弹簧立方项刚度系数,kr1是后悬架组件弹簧线性项刚度系数,kr2是后悬架组件弹簧立方项刚度系数;bf1为前悬架组件阻尼系数,br1为后悬架组件阻尼系数;kf3为前轮胎的刚度系数,kr3为后轮胎的刚度系数;bf2为前轮胎的阻尼系数,br2为后轮胎的阻尼系数;B1为第十一控制参数,B2为第十二控制参数,B3为第十三控制参数,B4为第十四控制参数,B5为第十五控制参数,B6为第十六控制参数,B7为第十七控制参数,B8为第十八控制参数,B9为第十九控制参数,B10为第二十控制参数,z01为前轮的路面输入位移,z02为后轮的路面输入位移,Δyfl为前观测悬架行程,Δyrl为后观测悬架行程。

5.根据权利要求1所述的一种非线性主动液压悬架系统的滑模自适应控制方法,其特征在于:步骤四中的调节系统参数c1,c2,k1,k2,k9,k10,r1,r2和观测器参数B1,B2,B3,B4,B5,B6,B7,B8,B9,B10,B11,B12,B13,B14,使得系统稳定,通过均方差值和图表来判断控制效果是否最优。