二级减振式主动悬架的结构与控制参数协调设计方法技术

本发明专利技术公开车辆悬架领域中的一种二级减振式主动悬架的结构与控制参数协调设计方法，构建二级减振式主动悬架的动力学模型和状态空间方程，用状态向量表达不含理想控制力软约束参数的H2指标方程，在H2指标方程中增加1个控制力软约束形成包含理想控制力软约束参数的H2指标方程，建立悬架综合性能指标函数，获得车轮加速度和簧载质量加速度作为输出方程，计算出整体控制矩阵，构建优化目标函数，当目标函数在最小值时，对应的衬套弹簧的等效刚度、衬套弹簧的等效粘性阻尼这两个结构参数以及控制参数的取值即为协调优化设计值，在理想电磁控制力及衬套弹簧动扰度受各自上限值约束的情况下获得最小的悬架综合性能指标值。

Coordination Design Method of Structural and Control Parameters for Two-stage Vibration Absorbing Active Suspension

【技术实现步骤摘要】
二级减振式主动悬架的结构与控制参数协调设计方法
本专利技术属于车辆悬架
，尤其涉及一种二级减振式主动悬架的结构与控制参数协调优化方法。
技术介绍
为应对旋转电机式作动器等效惯性质量过大的问题，中国专利申请号为201810431986.6、名称为“一种螺旋弹簧与橡胶弹簧异轴心的主动悬架”的文献中提出了一种异轴式两级减振式主动悬架结构，其原理如图1所示，悬架弹簧3与作动器6异轴安装时，在作动器6与车轮之间采用衬套弹簧8增加一级减振结构，在铅垂方向上(与悬架运动相关的所有物理量的方向都是在铅垂方向上)，车轮质量2与轮胎等效弹簧1组成车轮，车轮位于簧载质量4的下方，旋转电机式的作动器6安装于衬套弹簧8之上，然后与悬架弹簧3并联于车轮与簧载质量4之间，车轮直接与地面相互作用而使悬架产生振动；在簧载质量4上固定设有簧载质量加速度传感器5，在车轮质量2上固定设有车轮质量加速度传感器9，簧载质量加速度传感器5与车轮质量加速度传感器9各自通过信号线连接于控制器7，作动器6也通过信号线连接于控制器7，控制器7可采用LQG或H2/H∞控制策略。在二级减振式主动悬架的结构参数选择和控制器7设计的过程中，一方面，控制器7求取理想控制力时，需要增加控制参数对其进行约束，以免超过作动器6的最大电磁输出力；另一方面，衬套弹簧8的刚度和阻尼参数除对整个悬架系统的综合性能产生直接的影响外，还影响理想控制力的大小，进而又再次影响悬架性能；此外，主动悬架工作时，衬套弹簧8会存在动扰度，过大的动扰度会导致衬套弹簧8的尺寸过大，进而影响到它在车辆上的安装。因此，为了获取理想的悬架工作效果，并考虑实用性，必须对二级减振式主动悬架的控制参数和衬套弹簧8的参数进行协同设计，在将理想主动控制力及衬套弹簧8的动扰度约束在作动器6的最大输出力及最大动挠度限值之内的同时，使悬架综合性能指标尽可能小。因此，这是一个2个目标值(衬套弹簧8最大动扰度与作动器6最大电磁输出力)受上限约束与1个目标值(悬架综合性能指标)求最小值的控制器7的参数和结构参数的优化问题。虽然，可以利用遗传算法、蚁群算法或粒子群算法等对多个参数进行优化来获得最小的悬架综合性能值，但这些方法不适用于在求悬架综合性能值最小时又要保证其他指标不超过特定限值。现有的H2/H∞控制策略，首先在保证闭环系统稳定的情况下使得某个性能指标达到极值，使H∞范数有界；然后寻找一个辅助代价函数，该辅助代价函数是系统H2范数的一个上界，通过对辅助代价函数进行优化来得到问题的解。
技术实现思路
本专利技术针对现有二级减振式主动悬架的优化设计存在的问题，提出一种采用新设计的改进H2/H∞控制器的二级减振式主动悬架的结构与控制参数协调优化方法，确定新设的控制器H2指标理想控制力软约束参数、H∞与H2指标协调参数、衬套弹簧的刚度和阻尼参数，以在理想电磁控制力及衬套弹簧动扰度受各自上限值约束的情况下获得最小的悬架综合性能指标值。本专利技术采用的技术方案是包括如下步骤：步骤1)：构建二级减振式主动悬架的动力学模型：m1为车轮质量；m2为簧载质量；mc为作动器6的等效惯性质量；q为悬架系统的路面不平度输入，为q的导数；n0为参考空间频率；w为标准高斯分布白噪声，Gq(n0)为路面不平度系数；u为汽车行驶速度；f0为下截止频率；z1为车轮垂直位移；z2为车身垂直位移；zc为作动器下端与衬套弹簧上端联结点垂直位移；k1为轮胎刚度；k2为悬架刚度；Fc为作动器的库伦阻尼力，Fc0为库伦阻尼的幅值，sign()为符号函数，与分别为z2与zc的导数；F为理想主动控制力；kc为衬套弹簧的等效刚度；cc为衬套弹簧的等效粘性阻尼；步骤2)：根据动力学模型构构建状态空间方程用状态向量X表达不含理想控制力软约束参数的H2指标方程Z20＝C20X+D210U+D210W，在H2指标方程Z20中增加1个控制力软约束形成包含理想控制力软约束参数的H2指标方程Z2＝C2X+D21U+D22W，建立悬架综合性能指标函数用状态向量X表达成H∞指标约束方程Z∞＝C1X+D11U+D12W，获得车轮加速度和簧载质量加速度作为输出方程Y＝C3X+D31U+D32W；ξ2为H2指标理想主动控制力软约束控制参数，T为车辆行驶时间，t为时间变量，U＝(Fe+Fc)，Fe是作动器电磁输出力，步骤3)：根据式[h∞h2KkRkSk]＝hinfmix(P,[421],[00ξ∞1])计算出整体控制矩阵Kk，h2与h∞分别为所能保证的闭环响应H2指标和H∞指标放大值；Rk与Sk分别为线性矩阵不等式可行解条件的解；[421]分别表示Z2、Y、U的维数；[00ξ∞1]中的第1个0表示H∞指标的上界不受限制，第2个0表示H2指标的上界不受限制，1表示H∞指标与H2指标协调时的H2指标默认加权系数，P为系统整体矩阵，ξ∞为H2指标加权系数默认为1时的H∞指标与H2指标的协调控制参数；步骤4)：构建优化目标函数：当目标函数FF在最小值时，获得最小综合性能指标函数J，对应的衬套弹簧的等效刚度kc、衬套弹簧的等效粘性阻尼cc这两个结构参数以及控制参数ξ∞、ξ2的取值即为协调优化设计值；J0为采用常规结构的理想主动悬架综合性能指标函数，λ1等于2或3，λ2为概率密度分布函数，λ2等于2.58，Femax为作动器最大电磁输出力，Sbmax为作动器电磁输出力及衬套弹簧动扰度受Femax与衬套弹簧动形变zc-z1容许最大值。本专利技术采用上述技术方案后，具有的有益效果是：1、本专利技术采用的改进H2/H∞控制，除了具有常规H2/H∞控制中可以处理多目标控制，同时具备优良的控制性、鲁棒性以及干扰抑制能力的优点之外，还可通过对H2指标理想控制力软约束控制参数进行调整，对理想控制力进行约束，避免控制器计算电磁控制力超过作动器的实际最大电磁输出力来获得更好的悬架工作效果。2、本专利技术通过优化目标函数的构建，可以在理想电磁控制力及衬套弹簧动扰度受各自上限值约束的情况下获得最小的悬架综合性能指标值，该方法逻辑性强、便于操作。3、本专利技术利用优化目标函数，将衬套弹簧动扰度与作动器电磁输出力的最大值超过各自上限值的概率维持在较小的范围内，也可消除路面因特殊情况(如货物抛撒使路面输入高度出现偶然性的突变)导致的协调设计时，衬套弹簧动扰度最大值与作动器电磁输出力最大值出现的异常变大而出现约束衬套弹簧动扰度与作动器电磁输出力的条件更苛刻的问题。附图说明图1是
技术介绍
中两级减振式主动悬架的控制原理示意图；图中：1.轮胎等效弹簧；2.车轮质量；3.悬架弹簧；4.簧载质量；5.簧载质量加速度传感器；6.作动器；7.控制器；8.衬套弹簧；9.车轮质量加速度传感器。具体实施方式参见图1，二级减振式主动悬架是在普通悬架增加一个衬套弹簧8改造而来，车轮质量2、簧载质量4、轮胎刚度、悬架刚度参照原型被动悬架获得，即为已知参数。作动器6的力学特性由台架试验获得，作动器6的等效惯性质量、作动器6的库伦阻尼力也为已知参数。二级减振式主动悬架新增的衬套弹簧8的等效刚度kc、衬套弹簧8的等效粘性阻尼cc这2个悬架结构参数，因此需要对这2个新增的悬架结构参数进行设计。在特定的作动器6的工作能力之下，衬套弹簧8通过减小需求的作动器电磁控制力幅值来减小悬架综合性本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种二级减振式主动悬架的结构与控制参数协调设计方法，其特征是包括如下步骤：步骤1)：构建二级减振式主动悬架的动力学模型：

【技术特征摘要】
1.一种二级减振式主动悬架的结构与控制参数协调设计方法，其特征是包括如下步骤：步骤1)：构建二级减振式主动悬架的动力学模型：m1为车轮质量；m2为簧载质量；mc为作动器6的等效惯性质量；q为悬架系统的路面不平度输入，为q的导数；n0为参考空间频率；w为标准高斯分布白噪声，Gq(n0)为路面不平度系数；u为汽车行驶速度；f0为下截止频率；z1为车轮垂直位移；z2为车身垂直位移；zc为作动器下端与衬套弹簧上端联结点垂直位移；k1为轮胎刚度；k2为悬架刚度；Fc为作动器的库伦阻尼力，Fc0为库伦阻尼的幅值，sign()为符号函数，与分别为z2与zc的导数；F为理想主动控制力；kc为衬套弹簧的等效刚度；cc为衬套弹簧的等效粘性阻尼；步骤2)：根据动力学模型构构建状态空间方程用状态向量X表达不含理想控制力软约束参数的H2指标方程Z20＝C20X+D210U+D210W，在H2指标方程Z20中增加1个控制力软约束形成包含理想控制力软约束参数的H2指标方程Z2＝C2X+D21U+D22W，建立悬架综合性能指标函数用状态向量X表达成H∞指标约束方程Z∞＝C1X+D11U+D12W，获得车轮加速度和簧载质量加速度作为输出方程Y＝C3X+D31U+D32W；ξ2为H2指标理想主动控制力软约束控制参数，T为车辆行驶时间，t为时间变量，U＝(Fe+Fc)，Fe是作动器电磁输出力，步骤3)：根据式[h∞h2KkRkSk]＝hinfmix(P,[421],[00ξ∞1])计算出整体控制矩阵Kk，h2与h∞分别为所能保证的闭环响应H2指标和H∞指标放大值；Rk与Sk分别为线性矩阵不等式可行解条件的解；[421]分别表示Z2、Y、U的维数；[00ξ∞1]中的第1个0表示H∞指标的上界不受限制，第2个0表示H2指标的上界不受限制，1表示H∞指标与H2指标协调时的H2指标默认加权系数，P为系统整体矩阵，ξ∞为H2指标加权系数默认为1时的H∞指标与H2指标的协调控制参数；步骤4)：构建优化目标函数：当目标函数FF...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈士安，蒋旭东，姚明，仝嘉成，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32