磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法

摘要

本发明针对MRD滞环非线性和车辆载荷的变化，公开了一种针对“四分之一”磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法。其中，以改进型天棚悬架系统为参考模型，根据被控系统和参考模型间的误差动力学实现渐近稳定的滑模控制，并应用MRD逆模和对称阻尼型MRD产生不对称阻尼特性的两种基本控制策略，以实现MRD阻尼力对其理想阻尼力的实时跟踪控制，从而提升“四分之一”MR车辆悬架系统综合性能，增强对车辆载荷的变化的鲁棒性，并能有效抑制磁流变阻尼器的滞环非线性对系统性能的不良影响。

主权项

1.一种磁流变智能车辆悬架混合半主动变结构控制方法，其步骤是：第一步：建立改进型天棚参考模型采用1自由度改进型天棚悬架系统作为参考模型，其动力学方程为$m_{s0}{x}_0+c_0({\stackrel{·}{x}}_{s0}-{\stackrel{·}{x}}_u)+c_s{\stackrel{·}{x}}_{s0}+k_s(x_{s0}-x_u)=0---\left(1\right)$其中，m_s0为理想簧载质量，其单位为千克(kg)；x_s0为理想簧载质量垂直位移，其单位为米(m)；x_u为底盘垂直运动位移，其单位为米(m)；c_s为天棚阻尼系数1，其单位为牛顿秒/米(Ns/m)；c₀为天棚阻尼系数2，其单位为牛顿秒/米(Ns/m)；k_s为悬架弹簧刚度牛顿/米(N/m)；第二步：采用渐近稳定的滑模控制方法，计算MRD控制阻尼力F_c：F_c＝F_d0-Ksgn(s)                   (6)其中，F_d0是理想阻尼力，K是变结构控制增益，sgn()是符号函数；理想阻尼力F_d0为$F_{d0}=-k_s(x_s-x_u)-m_{s0}{\stackrel{··}{x}}_{s0}+m_{s0}\lambda {\stackrel{·}{e}}_s;---\left(11\right)$其中，β为正常数，e_s为e_s(t)的简写，e_s(t)＝x_s(t)-x_s0(t)，x_s是x_s(t)的简写，表示车厢垂直运动位移，其单位为米(m)，x_s0是x_s0(t)的简写，表示理想簧载质量垂直位移；变结构控制增益K为其中，是正常数，表示滑模条件增益；MRD为磁流变阻尼器；第三步：建立MRD逆模型将计算得到的MRD控制阻尼力F_c转换成理想控制电流i_c，并以逆模控制方式来有效消除MRD的滞环非线性特性：MRD逆模型为：$i_c=f_d^{-1}(F_c,v_r)=\left\{\begin{array}{cc}{-I}_0-\frac{1}{a_2}\ln \left(\frac{[k_2-F_c/F_h+1]e^{-a_2{I}_0}-F_c/F_h+1}{[F_c/F_h-1](1+e^{-a_2{I}_0})+k_2}\right)& F_c{F}_h>0\\ 0& F_c{F}_h\le 0\end{array}\right.;0\le i_c\le I_m---\left(15\right)$其中，i_c为MRD控制电流，I_m为MRD控制电流最大值，F_c为MRD控制阻尼力，$F_h\left(v_r\right)=F_0(1+e^{a_1{v}_m})\frac{1-e^{-\alpha (v_r+v_h)}}{1+e^{-\alpha (v_r+v_h)}}(1+k_v|v_r\left|\right),$$k_v=k_1{e}^{{-a}_4{v}_m},$$v_m=\sqrt{{\left({\stackrel{·}{x}}_r\right)}^2-{\stackrel{··}{x}}_r{x}_r},$$\alpha =\frac{a_0}{1+k_0{v}_m},$x_r为MRD阻尼相对位移，V_r为MRD阻尼相对速度，Δx_s为车厢垂直运动位移的变化量，F₀、a₀、a₁、a₂、a₄、k₀、k₂为正常数，I₀、k₄为常数；第四步：应用对称阻尼型MRD产生不对称阻尼特性(ADFG)的基本控制策略和连续调制(CM)函数对i_c进行调制，生成使得对称阻尼型MRD产生压缩与延伸不对称阻尼特性的控制电流i_d，并有效地抑制由半主动控制方式带来的电流“开-关”工作的不连续性，从而实现MRD控制阻尼力F_c对其理想阻尼力F_d0的实时跟踪控制：i_d＝k_dM_p(p，ξ，v_r)M_c(p_c，ξ_c，z_c)i_c     0≤i_d≤i_H            (16)其中，$M_p(p,\xi ,v_r)=\frac{1+p}{2}+\frac{2}{\pi }[p(v_r>0)\cup (v_r\le 0)-\frac{1+p}{2}]\left|{\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\xi v}}_r}{v_m}\right)\right|,$$M_c(p_c,{\xi }_c,z_c)=\frac{1+p_c}{2}+\frac{2}{\pi }[p_c(z_c\ge 0)\cup (z_c<0)-\frac{1+p_c}{2}]\left|{\tan }^{-1}\left({\mathrm{\xi z}}_c\right)\right|,$M_p，M_c分别为不对称阻尼特性(ADFG)基本控制策略和连续调制(CM)函数算子，z_c＝F_hF_c为半主动控制的逻辑条件，p为电流的对称与不对称控制模式选择参数，p_c为不对称因子，ξ、ξ_c均为平滑因子。