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专利号: 2019102618124
申请人: 燕山大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 计算;推算;计数
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种考虑非线性主动悬架执行器的自适应动态面控制方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:S1、建立二自由度非线性悬架模型:根据牛顿第二定律建立悬架的动力学模型,将动力学模型抽象成悬架的数学模型;

S11、根据牛顿第二定律建立主动悬架的动力学模型:悬架系统为一个高度复杂的非线性系统,在实际应用中易受各种因素的影响,在此将上述表达式中的阻尼力Fc与弹性力Fk考虑成如下的非线性形式:其中

Fk=k(zs-zu)+ξ*k(zs-zu)3

Ft=kt(zu-z0)

由于电液执行器体积小、效果好,因此在主动悬架设计中,采用电液系统作为执行器来产生隔振力,液压装置通常具有非线性的特点,综合考虑液压装置的非线性动力学建立以下方程:Fu=APL                             (3)其中在悬架动力学模型中,ms表示悬架簧载质量,mu表示悬架非簧载质量,Fc表示悬架的非线性阻尼力,Fk表示悬架的非线性刚度,Ft表示轮胎的刚度,Fb表示轮胎的阻尼,Fu表示主动悬架的输出力,k表示悬架刚度系数,kt表示轮胎刚度系数,bf表示轮胎阻尼系数,ξ表示悬架刚度的非线性程度,A表示液压缸活塞的有效面积,A2表示液压缸内活塞的面积,Az表示单向阀阻尼孔面积,Cd表示流量系数,ρ表示液压油密度,zs表示车身垂直位移,zu表示轮胎垂直位移,z0表示路面输入,PL表示负载压力,ps表示供油压力,βe表示油液弹性刚度,u表示伺服阀的位移,Ct表示液压缸内泄露系数; kv表示伺服阀算子,其中ω为伺服阀面积梯度,ka为伺服阀增益,vt表示液压缸总压缩容积;η1,η2是为了简化表达方式而引入的阻尼力系数符号;

S2、设计自适应动态面控制器:根据步骤S1所建立的悬架数学模型设计自适应动态面控制器,所述控制器的控制目标包括:减小车身垂直加速度,以提高乘坐舒适性;减小悬架动行程,以提高悬架的使用寿命;减小轮胎的动静载荷比,以提高行驶安全性;

设计自适应动态面控制器,以稳定车身运动状况:

x1表示第一个状态变量,x2表示第二个状态变量,x3表示第三个状态变量,x4表示第四个状态变量,x5表示第五个状态变量;

θ1,θ2,θ3,θ4为不确定参数, 分别为θ1,θ2,θ3,θ4的估计值;

下面给出伺服阀的阀芯位移u表达式:

其中S2是动态面函数,τ2是时间常数,k3是控制器设计参数,z2是状态误差,z3是状态误差;

S3、调节所述自适应动态面控制器的参数,进行仿真验证:由于车身垂直加速度、悬架动行程和轮胎动静载荷比三个控制目标之间相互冲突,因此调节控制器参数,获得使控制器参数取值适中的数值,使所设计的控制器可同时减小车身垂直加速度、减小悬架动行程和减小轮胎动静载荷比,进而提高悬架的整体性能。

2.根据权利要求1所述的考虑非线性主动悬架执行器的自适应动态面控制方法,其特征在于,所述步骤S1中还包括以下步骤:S12、将所述悬架的动力学模型抽象为悬架的数学模型,首先将动力学模型写成状态空间表达式的形式:由于 得式(5):

利用系统不确定参数θ1,θ2,θ3,θ4,将式(5)改写为式(6):式(6)即为二自由度主动悬架的数学模型,针对该主动悬架数学模型设计自适应动态面控制器。

3.根据权利要求2所述的考虑非线性主动悬架执行器的自适应动态面控制方法,其特征在于,所述步骤S2中自适应动态面控制器的设计过程具体包括以下步骤:S21、控制器的控制目标为:在考虑电液执行器的基础上,设计控制器使得车身垂直加速度降低,悬架动行程降低,轮胎动静载荷比减小,此外还考虑了外界不确定性扰动,令F=-Fc-Fk,F表示非线性阻尼力与非线性弹性力的和的相反数,z1=x1-yd                                 (7)z2=x2-α1                                                        (8)z3=x5-α2                                                         (9)其中,z1=x1-yd为跟踪误差,z2=x2-α1为状态误差,z3=x5-α2为状态误差,α1为稳定的虚拟控制函数,α2为稳定的虚拟控制函数,yd是参考轨迹;

S22、由于悬架系统为一种阶数较高的系统,基于反步控制理论设计控制器,为减少反步控制理论中虚拟控制函数的多次求导而导致计算复杂和产生微分爆炸的现象,通过改进自适应算法,加入动态面控制,引入一个虚拟滤波器函数β1,让稳定的虚拟控制函数通过一阶滤波器,用动态面函数估计虚拟控制量的导数:其中τ1为时间常数,α1(0)表示α1的初始值,β1(0)表示β1的初始值,定义动态面函数S1=α1-β1,可以得到:ε1连续有界,定义其最大值为M1,

S23、z2=x2-α2是第二步的状态误差,其中α2是稳定的虚拟控制函数,引入一个虚拟滤波器函数β2,让稳定的虚拟控制函数α2通过一阶滤波器,其中τ2是时间常数,α2(0)表示α2的初始值,β2(0)表示β2的初始值;

定义动态面函数S2=α2-β2,可以得到:

其中

ε2连续有界,定义其最大值为M2;

z3=x5-α2,z3是状态误差,设计控制器,给出伺服阀位移控制:其中 分别为θ1~θ4的估计值,k3为控制器参数。

4.根据权利要求3所述的考虑非线性主动悬架执行器的自适应动态面控制方法,其特征在于,所述步骤S2中自适应动态面控制器中不确定参数的的的具体设计过程如下:在主动悬架系统中,簧载质量是一个不确定参数,随乘客数量和车载货物的多少而不断变化,因此在控制器设计过程中需考虑簧载质量的不确定性,随着车辆运行状态的不同,运行环境的改变,电液执行机构中电液伺服阀的参数易发生改变,因此在控制器的设计过程中需考虑电液执行机构中的不确定参数;

设计四个不确定参数的自适应律的具体表达如式(15):其中 是θi的参数估计值,ri为自适应律设计参数,ri>0,i=1~4;

投影映射 定义如下:Θ表示所要设计的自适应律

参数估计误差定义为 并且满足以下属性:

(1)

(2) 即θi是有界的;

θimax表示θi的最大值,θimin表示θi的最小值, 为参数估计误差i=1~4。

5.根据权利要求4所述的考虑非线性主动悬架执行器的自适应动态面控制方法,其特征在于,所述步骤S2中自适应动态面控制器稳定性的调节过程为:选取第一个李雅普诺夫函数V1如下:

由杨不等式可以得到:

其中σ1表示杨不等式中任意小的数,将式(18),式(19)代入式(17)可以得到:选取第二个李雅普诺夫函数为:

运用杨不等式可得,σ2为杨不等式中任意小的数:

将式(22),(23)代入到式(21)中可以得到:θ1max表示θ1的最大值;

选取第三个李雅普诺夫函数:

调节参数k1=0.5,k2=300,k3=300,τ1=0.01,τ2=0.01,以保证 系统是半全局渐进稳定的。