用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法技术

本发明专利技术提供一种用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法，具体过程为：确定电机工作在的三个区域，确定电机工作在区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ时所对应的系统能量平衡方程，并进一步确定能量平衡方程中的修正因子；根据所述能量平衡方程及修正因子，确定电机工作在各区域下的电机输出控制力的范围[F

Control method for dynamic performance and energy consumption optimization of active suspension

【技术实现步骤摘要】
用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法
本专利技术提出一种用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法，尤其针对主动悬架动力学特性和系统能耗进行综合优化，属于车辆控制
技术背景目前，主动悬架系统可以利用电机输出主动控制力的特性，对车辆的主动侧倾和安全控制提供一种有效的保障途径，同时可以利用电机自身的工作特性回收系统的振动能量，从而提高能量的利用率。一方面，主动悬架的应用可以稳定在复杂道路环境中行驶车辆的车身姿态，从而改善车辆的操纵稳定性，有效降低车辆侧翻等高风险事故的发生，同时能够通过降低车身的垂加速度来有效提高车辆在行驶过程中的舒适性，从而在最大范围内改善驾驶员以及乘客的乘坐体验。但主动控制过程依赖于主动控制力的输出，其伴随着能量的传递与消耗，随之而产生的则是主动悬架系统的高能耗问题，这也是在其应用过程中亟需解决的问题。另一方面，主动悬架系统可以利用电机的特性来回收系统振动能量，从而有效降低系统的能耗，但是在这种以降低能耗为主导的工作模式下，主动悬架对于车辆舒适性和操纵稳定性的改善率将大幅下降，从而失去它本身特有的优势。目前针对主动悬架的研究，一方面集中于进行主动悬架的结构优化，目的为在能量回收过程中提高其系统的回收效率，而另一方面，则聚焦于主动悬架的控制策略设计，从而实现在全局范围内对系统性能目标进行优化控制。常规主动悬架系统控制策略，往往侧重于对两方面性能中某一方面性能的提高，因此这两方面性能的兼容则成为研究的关键性问题。现有控制策略总是存在侧重点的不同，无法同时兼顾。对于不同控制策略作用下系统综合性能的评估，受制于系统非单一目标性能变量所带来的衡量指标不统一的问题，这也使“如何正确合理衡量在多目标控制条件下对悬架控制策略进行评价”成为研究过程中的难题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法，该控制方法以主动悬架系统的动力学性能和能耗改善的综合优化为目标，进而实现对主动悬架系统进行最优控制。一种用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法，具体过程为：电机以电动机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相同，电机做正功消耗能量，输出主动控制力时，定义此时电机工作在区域Ⅰ；电机以电动机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相反，电机消耗所吸收的振动能量和电源电能，输出主动控制力，定义此时电机工作在区域Ⅱ；电机以发电机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相反，电机回收振动能量并将其转化为电能存储在电池中，同时被动输出控制力，定义此时电机工作在区域Ⅲ；确定电机工作在区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ时所对应的系统能量平衡方程，并进一步确定能量平衡方程中的修正因子；根据所述能量平衡方程及修正因子，确定电机工作在各区域下的电机输出控制力的范围[Femin,Femax]；当所需的最优控制力Fc处于控制力范围内时，输出最优控制力Fe＝Fc，当所需的最优控制力Fc大于最大控制力时，输出最大控制力Fe＝Femax，当所需最优控制力Fc小于最小控制力时，输出最小控制力Fe＝Femin。进一步地，本专利技术电机工作在区域Ⅰ时，所对应的能耗平衡方程为：k1WV,1+WF＝WE+WR+WJ其中，WE为主动悬架系统内部的能量；WF为消耗的电池电能；WR为回路电阻的热损耗；WJ为电机输出力；WV,1为电机工作在区域1时，车辆行驶动能转化而来的振动能量；k1为实际振动能量的修正因子。进一步地，本专利技术电机工作在区域Ⅱ时，所对应的能耗平衡方程为：k2WV,2+WF＝WE+η2WM+WR+WJ其中，WE为主动悬架系统内部的能量；WF为消耗的电池电能；WR为回路电阻的热损耗；WJ为电机输出力；WM为电机回收的能量；WV,2为电机工作在区域2时，车辆行驶动能转化而来的振动能量，k2为实际振动能量的修正因子，η2为能量回收效率。进一步地，本专利技术电机工作区域Ⅲ时，所对应的能耗平衡方程为：k3WV,3＝WE+η3WM+WR+WJ其中，WE为主动悬架系统内部的能量；WR为回路电阻的热损耗；WJ为电机输出力；WM为电机回收的能量；WV,3为电机工作在区域3时，车辆行驶动能转化而来的振动能量，k3为实际振动能量的修正因子，η3为能量回收效率。进一步地，本专利技术所述修正因子为：其中，λ为正数，Wa,i为实际测量得到的能量消耗。进一步地，本专利技术所述确定电机工作在各区域下的电机输出控制力的范围为：根据电机当前的工作(电动机还是发电机)模式，根据相应回路电阻的极值，计算出由车辆行驶动能转化而来的振动能量；根据电机当前的工作状态判断其所处的工作区域，利用该区域对应的能量平衡方程及修正因子，计算回路电阻处于极值时，电机输出力范围[Femin,Femax]。进一步地，本专利技术将车身姿态改善率、舒适性改善率和能量回收效率这三个目标性能的关联系数序列进行加权求和，得到最优参考序列下的加权求和γio和最差参考序列下的加权求和γiw；定义系统性能因子Θ为：基于所述系统性能因子Θ，利用输出的电机控制力Fe来计算最优目标函数来进而得到最优控制力Fc：minJ＝min(||Θ||2+||Fc-Fe||2)再根据得到的最优控制力Fc，计算输出控制力Fe，循环迭代实现对系统的最优控制。有益效果本专利技术所提出的控制方法，可以有效改善主动悬架车辆系统动力学特性和系统能耗的兼容性，从而在符合驾驶员要求的前提下，实现电机在其各个工作区域内工作效率的最大化。本专利技术在多优化性能目标的前提下，提出一个定量化的综合评价指数，实现了对系统综合性能的直观评价与比较及优化迭代。附图说明图1为控制策略下的两种控制模式及其评价方法；图2为电动机的实际工作区域；图3为发电机的实际工作区域；图4为装配主动悬架系统车辆的系统能量流动及控制策略逻辑图；图5为综合评价指数生成方法。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。一、主动悬架系统能量组成分析推导主动悬架系统内部的能量组成和转换，需要对由车辆行驶动能转化而来的振动能量和以下五种能量进行计算：悬架系统内部的能量、电机回收的能量、回路内部电阻的热损耗、电机输出主动控制力消耗的能量和电机输出力做的功。由车辆行驶动能转化而来的振动能量为：其中，K为轮胎刚度，q为路面垂向激励，zt和分别为轮胎垂向位移和速度。主动悬架系统内部的能量为：其中，Em和Es分别为悬架系统的动能和弹性势能，m为簧上质量，K为悬架刚度系数，z和v分别为悬架的位移和速度。所消耗的电池电能为：WF＝∫PFdt(3)其中，为PF为电池功率。电机回收的能量WM为：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法，其特征在于，具体过程为：/n电机以电动机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相同，电机做正功消耗能量，输出主动控制力时，定义此时电机工作在区域Ⅰ；/n电机以电动机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相反，电机消耗所吸收的振动能量和电源电能，输出主动控制力，定义此时电机工作在区域Ⅱ；/n电机以发电机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相反，电机回收振动能量并将其转化为电能存储在电池中，同时被动输出控制力，定义此时电机工作在区域Ⅲ；/n确定电机工作在区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ时所对应的系统能量平衡方程，并进一步确定能量平衡方程中的修正因子；/n根据所述能量平衡方程及修正因子，确定电机工作在各区域下的电机输出控制力的范围[F

【技术特征摘要】
1.一种用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法，其特征在于，具体过程为：
电机以电动机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相同，电机做正功消耗能量，输出主动控制力时，定义此时电机工作在区域Ⅰ；
电机以电动机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相反，电机消耗所吸收的振动能量和电源电能，输出主动控制力，定义此时电机工作在区域Ⅱ；
电机以发电机的形式工作，电机控制力与悬架速度方向相反，电机回收振动能量并将其转化为电能存储在电池中，同时被动输出控制力，定义此时电机工作在区域Ⅲ；
确定电机工作在区域Ⅰ、区域Ⅱ及区域Ⅲ时所对应的系统能量平衡方程，并进一步确定能量平衡方程中的修正因子；
根据所述能量平衡方程及修正因子，确定电机工作在各区域下的电机输出控制力的范围[Femin,Femax]；
当所需的最优控制力Fc处于控制力范围内时，输出最优控制力Fe＝Fc，当所需的最优控制力Fc大于最大控制力时，输出最大控制力Fe＝Femax，当所需最优控制力Fc小于最小控制力时，输出最小控制力Fe＝Femin。


2.根据权利要求1所述用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法，其特征在于，电机工作在区域Ⅰ时，所对应的能耗平衡方程为：
k1WV,1+WF＝WE+WR+WJ
其中，WE为主动悬架系统内部的能量；WF为消耗的电池电能；WR为回路电阻的热损耗；WJ为电机输出力；WV,1为电机工作在区域1时，车辆行驶动能转化而来的振动能量；k1为实际振动能量的修正因子。


3.根据权利要求1所述用于主动悬架动力学性能和能耗优化的控制方法，其特征在于，电机工作在区域Ⅱ时，所对应的能耗平衡方程为：
k2WV,2+WF＝WE+η2WM+WR+WJ
其中，WE为主动悬架系统内部的能量；WF为消耗的电池电能；WR为回路电阻的热损耗；WJ为电机输出力；WM为电机回收的能量；WV,2为电机工作在区域...

【专利技术属性】
技术研发人员：高泽鹏，任宏斌，陈思忠，陈勇，赵玉壮，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11