一种基于MPC的互联空气悬架协同控制系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及车辆的半主动悬架系统控制领域中的一种基于MPC的互联空气悬架协同控制系统及方法，协同控制系统由传感器模块、拓展观测器模块、MPC控制器、阻尼系数控制器、互联状态控制器、车身高度控制器、阻尼系数执行机构、互联状态执行机构和车身高度执行机构组成；MPC控制器从顶层出发，将阻尼系数、互联状态和车身高度对性能的影响始终归结于各自的执行机构提供的悬架力，以悬架性能指标最优为优化目标，最优悬架力依次由阻尼系数控制器、互联状态控制器和车身高度控制器控制对应的执行机构生成，通过MPC控制器求解系统最优悬架力，再对最优悬架力依次通过阻尼系数、互联状态和车身高度执行机构进行分配，提高控制精度且适用于任意工况下的控制。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MPC的互联空气悬架协同控制系统及方法
本专利技术涉及车辆的半主动悬架系统控制技术，具体涉及互联空气悬架的阻尼系数、互联状态和车身高度协同控制系统及方法。
技术介绍
随着悬架系统中的可控结构逐渐增多，阻尼系数、车身高度和互联状态的协同控制成为获得更好的悬架性能的一种途径。例如中国专利公开号为CN105082920B的文献提出了一种阻尼与车身高度可调互联空气悬架协同控制系统及方法，其首先制定了互联状态控制策略、车身高度控制策略和阻尼控制策略，并建立了协调控制器协调互联状态控制系统、车身高度控制系统和阻尼控制系统工作，以整车综合性能评价指标最小为目标，依据查表法修正互联状态和阻尼系数的控制策略，最后根据工况判别进行车身高度的调节，从而实现协同控制。然而，在车辆实际行驶过程中工况复杂，其只设定了六种工况，考虑的工况较少，因此导致控制精度差，且根据表格制定的控制策略进行协同控制的可移植性差。MPC(模型预测控制)是一种在有限时域内的滚动优化控制，作为最优控制的另一个分支，其利用系统预测模型来预测系统未来的发展从而优化控制信号，具有对未来系统状态的预估和能够在求解系统最优控制的同时将系统约束考虑在内的优势，因此在悬架控制领域有着较多的应用。模型预测控制的基本原理是基于一个描述对象动态行为的模型，预测系统未来的动态，在每个采样时刻用最新得到的测量值刷新优化问题并求解刷新后的优化问题，将得到的优化问题的第一个控制量作用于系统，如此循环往复，因此模型预测控制包括三个基本步骤：(1)基于预测模型预测未来系统动态；(2)求解优化问题；(3)将优化解的第一个元素作用于系统。
技术实现思路
本专利技术基于现有互联空气悬架协同控制存在的控制精度差和可移植性差等问题，提出一种基于MPC的互联空气悬架协同控制系统以及该系统的控制方法，实现互联空气悬架阻尼系数、互联状态和车身高度三者的协同，进一步提升互联空气悬架系统的综合性能。本专利技术所述的一种基于MPC的互联空气悬架协同控制系统采用的技术方案是：其由传感器模块、拓展观测器模块、MPC控制器、阻尼系数控制器、互联状态控制器、车身高度控制器、阻尼系数执行机构、互联状态执行机构和车身高度执行机构组成；传感器模块测量前左悬架行程速度前右悬架行程速度后左悬架行程速度和后右悬架行程速度测量侧倾角速度俯仰角速度和质心处簧上质量加速度以及测量前左空气弹簧气压Pfl、前右空气弹簧气压Pfr、后左空气弹簧气压Prl和后右空气弹簧气压Prr信息，并将前左悬架行程速度前右悬架行程速度后左悬架行程速度后右悬架行程速度侧倾角速度俯仰角速度和质心处簧上质量加速度信息传输至拓展观测器模块，将前左悬架行程速度前右悬架行程速度后左悬架行程速度后右悬架行程速度传输至阻尼系数控制器，将前左空气弹簧气压Pfl、前右空气弹簧气压Pfr、后左空气弹簧气压Prl和后右空气弹簧气压Prr输送至互联状态控制器和车身高度控制器；拓展观测器模块估计出质心处簧上质量的垂向位移Zs及其速度前左簧下质量的垂向位移Zufl及其速度前右簧下质量的垂向位移Zufr及其速度后左簧下质量的垂向位移Zurl及其速度后右簧下质量的垂向位移Zurr及其速度前左轮胎处路面激励qfl、前右轮胎处路面激励qfr、后左轮胎处路面激励qrl和后右轮胎处路面激励qrr并传输至MPC控制器；MPC控制器得到最优悬架力F＝[FflFfrFrlFrr]并传输至阻尼系数控制器，Ffl为前左悬架的最优悬架力、Ffr为前右最优悬架力、Frl为后左最优悬架力、Frr为后右最优悬架力；阻尼系数控制器求解得到前左最优阻尼系数cfl*、前右最优阻尼系数cfr*、后左最优阻尼系数crl*、后右最优阻尼系数crr*、前左最优悬架力与前左阻尼力的差值Ffl-FDfl、前右最优悬架力与前右阻尼力的差值Ffr-FDfr、后左最优悬架力与前右阻尼力的差值Frl-FDrl、后右最优悬架力与后右阻尼力的差值Frr-FDrr，并将前左最优阻尼系数cfl*、前右最优阻尼系数cfr*、后左最优阻尼系数crl*、后右最优阻尼系数crr*传输给阻尼系数执行机构，将前左最优悬架力与前左阻尼力的差值Ffl-FDfl、前右最优悬架力与前右阻尼力的差值Ffr-FDfr、后左最优悬架力与前右阻尼力的差值Frl-FDrl、后右最优悬架力与后右阻尼力的差值Frr-FDrr传输给互联状态控制器；互联状态控制器求解得到前左互联状态执行机构开启时间tIfl、前右互联状态执行机构开启时间tIfr、后左互联状态执行机构开启时间tIrl、后右互联状态执行机构开启时间tIrr并输送至互联状态执行机构，求解得到剩余的前左最优悬架力Ffl-FDfl-FIfl、剩余的前右最优悬架力Ffr-FDfr-FIfr、剩余的后左最优悬架力Frl-FDrl-FIrl、剩余的后右最优悬架力Frr-FDrr-FIrr并输送至车身高度控制器；车身高度控制器输出前左车身高度执行机构开启时间tHfl；、前右车身高度执行机构开启时间tHfr、后左车身高度执行机构开启时间tHrl、后右车身高度执行机构开启时间tHrr至车身高度控制器。本专利技术所述的一种基于MPC的互联空气悬架协同控制系统的控制方法采用的技术方案是包括以下步骤：步骤(1)：建立系统的离散化状态空间方程，根据离散化状态空间方程中的状态变量和控制量u[k]构建成本函数，制定约束为Fmin≤u[k]≤Fmax，求解控制量u[k]使得成本函数最小，得到优化的MPC控制器，u[k]＝[FflFfrFrlFrr]，Fmax、Fmin分别是各悬架的执行机构能提供的最大、最小悬架力；步骤(2)：阻尼系数控制器根据前左最优悬架力Ffl和前左悬架行程速度f’dfl计算出前左目标阻尼系数将前左目标阻尼系数caimfl与前左最大、最小阻尼系数cmaxfl、cminfl相比较得到前左最优阻尼系数cfl*；计算出前左阻尼力判断Ffl＞FDfl是否成立，若否，则流程结束，若是，则阻尼系数控制器计算前左最优悬架力与前左阻尼力的差值Ffl-FDfl并输入到互联状态控制器；同理得到前右、后左、后右最优阻尼系数cfr*、crl*、crr*、前右、后左、后右阻尼力FDfr、FDrl、FDrr以及差值Ffr-FDfr、Frl-FDrl、Frr-FDrr；步骤(3)：互联状态控制器根据式计算出前左空气弹簧气压改变的目标值ΔPIaimfl，Aefl为前左空气弹簧的有效面积，将目标值ΔPIaimfl与前左空气弹簧气压的最大、最小值ΔPmaxfl、ΔPflmin作比较得到前左空气弹簧气压改变的目标最优值ΔPIfl，计算出前左互联状态执行机构开启时间tIfl＝ΔPIfl×kI，kI是互联状态改变空气弹簧单位气压值所需的时间，同理得到前右、后左、后右互联状态执行机构开启时间tIfr、tIrl、tIrr；步骤(4)：互联状态控制器计算出悬架力FIfl＝ΔPIfl·Aefl，Aefl是各个空气弹簧的有效面积Aefl，判断Ffl-FDfl＞FIfl是否成立，如果不成立，流程结束，如果成立，将剩余的前左最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MPC的互联空气悬架协同控制系统，其特征是：由传感器模块、拓展观测器模块、MPC控制器、阻尼系数控制器、互联状态控制器、车身高度控制器、阻尼系数执行机构、互联状态执行机构和车身高度执行机构组成；/n传感器模块测量前左悬架行程速度

【技术特征摘要】
1.一种基于MPC的互联空气悬架协同控制系统，其特征是：由传感器模块、拓展观测器模块、MPC控制器、阻尼系数控制器、互联状态控制器、车身高度控制器、阻尼系数执行机构、互联状态执行机构和车身高度执行机构组成；
传感器模块测量前左悬架行程速度前右悬架行程速度后左悬架行程速度和后右悬架行程速度测量侧倾角速度俯仰角速度和质心处簧上质量加速度以及测量前左空气弹簧气压Pfl、前右空气弹簧气压Pfr、后左空气弹簧气压Prl和后右空气弹簧气压Prr信息，并将前左悬架行程速度前右悬架行程速度后左悬架行程速度后右悬架行程速度侧倾角速度俯仰角速度和质心处簧上质量加速度信息传输至拓展观测器模块，将前左悬架行程速度前右悬架行程速度后左悬架行程速度后右悬架行程速度传输至阻尼系数控制器，将前左空气弹簧气压Pfl、前右空气弹簧气压Pfr、后左空气弹簧气压Prl和后右空气弹簧气压Prr输送至互联状态控制器和车身高度控制器；
拓展观测器模块估计出质心处簧上质量的垂向位移Zs及其速度前左簧下质量的垂向位移Zufl及其速度前右簧下质量的垂向位移Zufr及其速度后左簧下质量的垂向位移Zurl及其速度后右簧下质量的垂向位移Zurr及其速度前左轮胎处路面激励qfl、前右轮胎处路面激励qfr、后左轮胎处路面激励qrl和后右轮胎处路面激励qrr并传输至MPC控制器；MPC控制器得到最优悬架力F＝[FflFfrFrlFrr]并传输至阻尼系数控制器，Ffl为前左悬架的最优悬架力、Ffr为前右最优悬架力、Frl为后左最优悬架力、Frr为后右最优悬架力；
阻尼系数控制器求解得到前左最优阻尼系数cfl*、前右最优阻尼系数cfr*、后左最优阻尼系数crl*、后右最优阻尼系数crr*、前左最优悬架力与前左阻尼力的差值Ffl-FDfl、前右最优悬架力与前右阻尼力的差值Ffr-FDfr、后左最优悬架力与前右阻尼力的差值Frl-FDrl、后右最优悬架力与后右阻尼力的差值Frr-FDrr，并将前左最优阻尼系数cfl*、前右最优阻尼系数cfr*、后左最优阻尼系数crl*、后右最优阻尼系数crr*传输给阻尼系数执行机构，将前左最优悬架力与前左阻尼力的差值Ffl-FDfl、前右最优悬架力与前右阻尼力的差值Ffr-FDfr、后左最优悬架力与前右阻尼力的差值Frl-FDrl、后右最优悬架力与后右阻尼力的差值Frr-FDrr传输给互联状态控制器；
互联状态控制器求解得到前左互联状态执行机构开启时间tIfl、前右互联状态执行机构开启时间tIfr、后左互联状态执行机构开启时间tIrl、后右互联状态执行机构开启时间tIrr并输送至互联状态执行机构，求解得到剩余的前左最优悬架力Ffl-FDfl-FIfl、剩余的前右最优悬架力Ffr-FDfr-FIfr、剩余的后左最优悬架力Frl-FDrl-FIrl、剩余的后右最优悬架力Frr-FDrr-FIrr并输送至车身高度控制器；
车身高度控制器输出前左车身高度执行机构开启时间tHfl；、前右车身高度执行机构开启时间tHfr、后左车身高度执行机构开启时间tHrl、后右车身高度执行机构开启时间tHrr至车身高度控制器。


2.一种如权利要求1所述的基于MPC的互联空气悬架协同控制系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：
步骤(1)：建立系统的离散化状态空间方程，根据离散化状态空间方程中的状态变量和控制量u[k]构建成本函数，制定约束为Fmin≤u[k]≤Fmax，求解控制量u[k]使得成本函数最小，得到优化的MPC控制器，u[k]＝[FflFfrFrlFrr]，Fmax、Fmin分别是各悬架的执行机构能提供的最大、最小悬架力；
步骤(2)：阻尼系数控制器根据前左最优悬架力Ffl和前左悬架行程速度计算出前左目标阻尼系数将前左目标阻尼系数caimfl与前左最大、最小阻尼系数cmaxfl、cminfl相比较得到前左最优阻尼系数cfl*；计算出前左阻尼力FDfl＝cfl*·fdfl，判断Ffl＞FDfl是否成立，若否，则流程结束，若是，则阻尼系数控制器计算前左最优悬架力与前左阻尼力的差值Ffl-FDfl并输入到互联状态控制器；同理得到前右、后左、后右最优阻尼系数cfr*、crl*、crr*、前右、后左、后右阻尼力FDfr、FDrl、FDrr以及差值Ffr-FDfr、Frl-FDrl、Frr-FDrr；
步骤(3)：互联状态控制器根据式计算出前左空气弹簧气压改变的目标值ΔPIaimfl，Aefl为前左空气弹簧的有效面积，将目标值...

【专利技术属性】
技术研发人员：李仲兴，周蓥，于文浩，江洪，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32