车辆半主动悬架模型参考滑模控制
【摘要】 提出采用模型参考滑模控制的半主动悬架系统的鲁棒控制策略,使用四分之一汽车动力学模型作为研究对象,设计的控制器易于实现,并且不需要测量路面的输入信号和减振器的阻尼力。该控制器用一个改进的天棚控制系统作为参考模型,并确定了控制律,以使渐近稳定滑模能在实际被控系统和参考模型间的误差动力学系统中产生,用等速趋近率改善滑模运动段的动态品质。将控制器的性能和被动悬架系统、实际天棚系统以及理想天棚系统进行了对比。仿真研究证实了控制器的有效性和鲁棒性。
引言
汽车半主动悬架系统具有结构简单、能耗小、稳定性好、可靠性高,减振能力强等优点[1],已成为研究热点。许多具有粘性或粘弹塑性液体的可控减振器已成功开发,这使得半主动悬架系统具有了较理想的可控减振器。半主动悬架的另一个关键问题是设计切实可靠的控制器算法,使其能解决平顺性和行驶安全性的矛盾。当前理论上的研究方法很多[2~3],但投入实际应用的方法并不多。设计实用、可靠、成本低的控制策略是研究的重点[4]。
最普遍的控制策略是天棚控制[5]。因为在天空中找到一个固定减振器的想象点是不可能的,实际应用时将可调减振器放于簧上质量和簧下质量之间,然而,控制器使减振器的阻尼力施加于簧上质量的同时,也施加在簧下质量上,这导致簧下质量动力学性能的恶化,因而,实际天棚控制系统的控制效果比理想天棚控制系统差很多[6]。
实际悬架系统包含许多不确定性,包括系统的非线性,被动性约束以及模型误差,这要求设计具有鲁棒性的控制策略。滑模控制适用于线性或非线性系统,方法简单易于实现,对模型参数的不确定性和外界扰动具有高度的鲁棒性[7]。维持稳定的滑动模态是实现滑模控制的关键,用测量减振器阻尼力形成闭环力反馈,从而维持稳定的滑动模态是可行的方法[8],但成本太高,不适合大众型轿车。
本文提出一个易于实现,依据模型参考控制理论的滑模控制器(MRSMC),其采用一个不需测量路面信号和减振器阻尼力的改进理想天棚控制系统作为参考模型。
1 动力学模型
1•1 1/4半主动悬架系统模型
汽车悬架的1/4车辆模型是两自由度模型,它单独模拟了车辆的垂直或举升运动,因为大多数半主动悬架设计目的是减小垂直加速度,因此从控制器设计的观点,1/4车辆模型是足够有效的[9]。本文的实际被控系统即采用1/4车辆模型,如图1a所示。通常轮胎的阻尼力很小,故而将其忽略。
 振器活塞速度x2-x4的非线性函数
1•2 参考模型
模型参考控制的基本原理是用合适的控制力来使被控系统和理想系统工作一样,理想系统作为模型参考系统,其好处在于模型参考系统不必是一个实际的系统,却能是任何理想的数学模型,并且不必实际可行[10],但应和实际系统尽量相似。在典型的模型参考控制实施中,要求将系统输入提供给参考模型,而且实际系统和参考模型的不同响应是靠控制器来弥补的,然而在悬架系统中将路面高度信号提供给参考模型是非常困难的。
采用了一个简化的参考模型,如图1b所示,簧下质量的下部和图1a相同。因为轮胎几乎是悬架弹簧刚度的10倍,所以通常簧下质量的运动在悬架系统正常工作频率范围内可近似作为路面输入,运用这种近似方法,簧下质量的状态测量可直接用作参考模型的输入。不过,此处的参考模型不是理想天棚阻尼系统,而是具有理想可控减振器的近似系统(开关式阻尼)。这种参考模型具有理想可控的减振器,与被控半主动悬架的被动约束情况一致,不会使簧下质量的性能恶化。
在此,由图1建立参考模型簧上质量的单自由度动力学方程为
3 结束语
提出了一个易于实现的模型参考滑模控制器,它不需要测量路面的输入信号和减振器的阻尼力。
数值仿真结果表明,MRSMC对模型参数变化及扰动具有高度的鲁棒性,车身加速度比被动悬架和实际天棚控制有明显降低,由于天棚阻尼具有对“轮跳”现象压抑效果不理想的缺点,加上忽略了轮胎阻尼力等原因,因而MRSMC的轮胎动载荷比其他控制器好,但比被动悬架略有增加,这需要今后对参考模型或控制作进一步的改进。
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