本發(fā)明涉及汽車懸架控制技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種基于阻尼力約束的阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制方法。
背景技術(shù):
懸架系統(tǒng)對(duì)于改善汽車的平順性和操穩(wěn)性來說至關(guān)重要。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)克服了被動(dòng)懸架剛度和阻尼不可調(diào)整的技術(shù)缺陷,而其成本遠(yuǎn)低于主動(dòng)懸架,代表了汽車懸架發(fā)展的主要方向。其中,阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架能獨(dú)立跟蹤阻尼力需求信號(hào),阻尼力可連續(xù)調(diào)節(jié)到阻尼工作區(qū)域的任何一點(diǎn),能夠滿足不同路況和工況下的車輛性能要求。目前,阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架主要分為磁流變(或電流變)和電磁閥式兩種,其中電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)迅速、性能可靠和易于工程實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
目前,半主動(dòng)懸架控制過程中未直接考慮阻尼力工作范圍和控制力需求信號(hào)與懸架相對(duì)速度之間的邏輯關(guān)系,而是在求解出最優(yōu)控制阻尼力后再根據(jù)實(shí)際減振器的輸出力范圍和懸架相對(duì)速度對(duì)其加以限制或施加約束,導(dǎo)致懸架不能得到最優(yōu)的控制效果。giorgettin等人基于模型預(yù)測(cè)控制理論將約束的半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為分段仿射系統(tǒng),并通過混合整數(shù)二次規(guī)劃來求解,但是沒有考慮減振器阻尼力的非線性邊界約束(giorgettin,bemporada,tsengzhe,etal.hybridmodelpredictivecontrolapplicationtowardsoptimalsemi-activesuspension[j].internationaljournalofcontrol,2006,79(5):391-398)。
專利文獻(xiàn)(cn105974821a)提出一種基于阻尼多模式切換減振器的車輛半主動(dòng)懸架混雜控制方法,通過仿真分析確定減振器在不同阻尼模式下的復(fù)原阻尼系數(shù)和壓縮阻尼系數(shù),并基于混合邏輯動(dòng)態(tài)建模方法進(jìn)行半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì),其關(guān)注點(diǎn)為減振器阻尼的多模式切換,并未涉及半主動(dòng)懸架性能,及半主動(dòng)懸架阻尼力須滿足的約束問題。
半主動(dòng)懸架控制的主要難點(diǎn)在于如何處理減振器阻尼力必須滿足的各種非線性約束問題。本發(fā)明針對(duì)電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架系統(tǒng),提出一種綜合權(quán)衡舒適性和操穩(wěn)性,并考慮半主動(dòng)懸架阻尼力約束的混雜模型預(yù)測(cè)控制方法,建立半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)模型,基于模型預(yù)測(cè)控制理論,進(jìn)行半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)的有限時(shí)域優(yōu)化控制,并將其轉(zhuǎn)化為包含實(shí)值變量和二值變量的混合整數(shù)二次規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)阻尼連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架的混雜模型預(yù)測(cè)控制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是要提供一種綜合權(quán)衡舒適性和操穩(wěn)性,并基于阻尼力約束的阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制方法。
為了解決以上的技術(shù)問題,本發(fā)明提供了一種基于阻尼力約束的阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制方法,建立半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)模型,基于模型預(yù)測(cè)控制理論,進(jìn)行半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)的有限時(shí)域優(yōu)化控制,并將其轉(zhuǎn)化為包含實(shí)值變量和二值變量的混合整數(shù)二次規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)阻尼連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架的混雜模型預(yù)測(cè)控制,包括如下的步驟:
步驟1:阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模;
步驟2:阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架非線性約束的優(yōu)化;
步驟3:半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制;
步驟4:半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化求解。
所述步驟1的阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模,包括如下的步驟:a)引入輔助變量,將邏輯性和非線性約束條件轉(zhuǎn)化為一組閾值和邏輯條件;b)利用混雜系統(tǒng)描述語言建立包含系統(tǒng)方程和約束條件的混雜系統(tǒng)模型,并利用其自帶的hysdel編譯器將混雜系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為mld模型。
所述邏輯性約束條件,是指半主動(dòng)懸架所具有的無源約束條件,即當(dāng)阻尼力需求符號(hào)與懸架相對(duì)速度相同時(shí),所需求的控制力才等于最優(yōu)控制力。
所述非線性約束條件,是指減振器阻尼力必須滿足一定的邊界條件,即優(yōu)化得到的阻尼力要位于實(shí)際減振器的力作用范圍。
所述步驟3的半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制,包括以下步驟:a)在預(yù)測(cè)時(shí)域
所述步驟4的半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化求解,包括以下步驟:a)放松優(yōu)化變量中二值變量的部分或全部的整數(shù)約束限制,生成一系列對(duì)應(yīng)原來miqp的二次規(guī)劃;b)通過求解這一系列的二次規(guī)劃得到符合整數(shù)約束條件的miqp的次優(yōu)解或全局最優(yōu)解。
本發(fā)明的優(yōu)越功效在于:
1)本發(fā)明通過構(gòu)建多目標(biāo)優(yōu)化方法,解決了舒適性和操穩(wěn)性的矛盾;
2)本發(fā)明通過混合邏輯動(dòng)態(tài)建模方法,解決了半主動(dòng)懸架優(yōu)化問題中存在的非線性約束條件;
3)本發(fā)明采用混雜模型預(yù)測(cè)控制方法,把半主動(dòng)懸架控制問題轉(zhuǎn)化為有限時(shí)域內(nèi)有約束的優(yōu)化控制方法;
4)本發(fā)明將帶有非線性約束的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為包含實(shí)值變量和二值變量的混合整數(shù)二次規(guī)劃,并借助分支定界算法進(jìn)行求解,有效解決了帶有非線性約束的滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化問題。
附圖說明
構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解,本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明,并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1a為本發(fā)明實(shí)施例單輪車輛模型的被動(dòng)懸架;
圖1b為本發(fā)明實(shí)施例單輪車輛模型的裝有阻尼可調(diào)減振器的半主動(dòng)懸架;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例根據(jù)實(shí)際減振器特性試驗(yàn)得到的阻尼特性曲線;
圖3為本發(fā)明本實(shí)施例在matlab\simulink環(huán)境下仿真驗(yàn)證的主要參數(shù)表;
圖4~圖6示出了隨機(jī)路面工況下不同車速時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)量均方根值曲線;
圖7~圖10示出了正弦波突起路面形狀和相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)量時(shí)間歷程曲線;
圖11為本發(fā)明實(shí)施例a、b、c三種不同路面等級(jí)下系統(tǒng)的均方根值表。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明以半主動(dòng)懸架單輪車輛模型為實(shí)施例,以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明,但是本發(fā)明可以由權(quán)利要求限定和覆蓋的多種不同方式實(shí)施。
本發(fā)明綜合權(quán)衡舒適性和操穩(wěn)性的懸架優(yōu)化控制目標(biāo)函數(shù)至少包括兩部分內(nèi)容:a)利用車身垂向振動(dòng)加速度和懸架動(dòng)行程的二范數(shù)作為舒適性能指標(biāo);b)利用輪胎動(dòng)位移的二范數(shù)作為操穩(wěn)性能指標(biāo)。
本發(fā)明提供了一種基于阻尼力約束的阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制方法,建立半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)模型,基于模型預(yù)測(cè)控制理論,進(jìn)行半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)的有限時(shí)域優(yōu)化控制,并將其轉(zhuǎn)化為包含實(shí)值變量和二值變量的混合整數(shù)二次規(guī)劃,實(shí)現(xiàn)阻尼連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架的混雜模型預(yù)測(cè)控制,包括如下的步驟:
步驟1:阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模;
步驟2:阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架非線性約束的優(yōu)化;
步驟3:半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制;
步驟4:半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化求解。
所述步驟1的阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模,包括如下的步驟:a)引入輔助變量,將邏輯性和非線性約束條件轉(zhuǎn)化為一組閾值和邏輯條件;b)利用混雜系統(tǒng)描述語言建立包含系統(tǒng)方程和約束條件的混雜系統(tǒng)模型,并利用其自帶的hysdel編譯器將混雜系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為mld模型。
所述邏輯性約束條件,是指半主動(dòng)懸架所具有的無源約束條件,即當(dāng)阻尼力需求符號(hào)與懸架相對(duì)速度相同時(shí),所需求的控制力才等于最優(yōu)控制力。
所述非線性約束條件,是指減振器阻尼力必須滿足一定的邊界條件,即優(yōu)化得到的阻尼力要位于實(shí)際減振器的力作用范圍。
步驟1:阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架單輪車輛的動(dòng)態(tài)建模:
圖1a所示為單輪車輛模型的被動(dòng)懸架,圖1b所示為單輪車輛模型的裝有阻尼可調(diào)減振器的半主動(dòng)懸架,其中:
對(duì)于阻尼連續(xù)可調(diào)半主動(dòng)懸架,其動(dòng)力學(xué)方程為
式中:
選狀態(tài)變量
其中,
步驟2:阻尼可調(diào)半主動(dòng)懸架非線性約束的優(yōu)化:
綜合考慮半主動(dòng)懸架對(duì)車輛平順性和操穩(wěn)性的要求,定義性能指標(biāo)如下:
其中,
根據(jù)(3)(4)式,目標(biāo)函數(shù)(5)可以表示為
其中,
半主動(dòng)懸架的所需要的控制力要滿足一定的約束條件,即
(7)式給出了半主動(dòng)懸架所具有的無源約束條件,即當(dāng)阻尼力需求符號(hào)與懸架相對(duì)速度相同時(shí),所需求的控制力才等于最優(yōu)控制力。(8)式給出了減振器阻尼力必須滿足的邊界條件,即優(yōu)化得到的阻尼力要位于實(shí)際減振器的力作用范圍。圖2為根據(jù)實(shí)際減振器特性試驗(yàn)得到的阻尼特性曲線,本實(shí)施例只繪制了部分電流下的特性曲線,該款減振器的實(shí)際電流作用范圍為0.29-1.6a。以最大電流(1.6a)和最小電流(0.29a)時(shí)的阻尼力作為控制量邊界,其與懸架相對(duì)速度有關(guān),且呈現(xiàn)出強(qiáng)非線性。
為便于優(yōu)化的描述,將(8)式的邊界用一組控制量和狀態(tài)量的線性不等式來表示,即
其中,
聯(lián)合(6)-(9)式,半主動(dòng)懸架的優(yōu)化控制可看作是非線性約束條件下的混雜系統(tǒng)優(yōu)化控制。
步驟3:半主動(dòng)懸架混雜模型預(yù)測(cè)控制:
1)半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)動(dòng)態(tài)建模:
針對(duì)半主動(dòng)懸架的非線性約束問題,本實(shí)施例采用bemporada.提出的混合邏輯動(dòng)態(tài)(mixedlogicaldynamical,mld)建模方法,考慮系統(tǒng)的邏輯、動(dòng)態(tài)和約束等,將系統(tǒng)方程和約束條件在統(tǒng)一的模型框架下描述。
引入二值輔助變量
式中:“
引入二值輔助變量
利用混雜系統(tǒng)描述語言(hybridsystemdescriptionlanguage,hysdel)建立包含系統(tǒng)方程(3)(4)和約束條件(10)(11)(12)(13)(14)的混雜系統(tǒng)模型,并利用其自帶的hysdel編譯器將混雜系統(tǒng)模型轉(zhuǎn)換為mld模型,即
其中,
2)半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)模型預(yù)測(cè)控制
本實(shí)施例基于混雜模型預(yù)測(cè)控制(hybridmodelpredictivecontrol,hmpc)理論,研究半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)的有限時(shí)域優(yōu)化控制。在預(yù)測(cè)時(shí)域
類似地,保持(15)(16)兩式的類型,將其擴(kuò)展到整個(gè)預(yù)測(cè)時(shí)域
其中,
在t時(shí)刻,
其中,優(yōu)化變量
在每個(gè)采樣時(shí)刻t,通過滾動(dòng)時(shí)域求解上述優(yōu)化,由最優(yōu)控制序列
所述步驟4的半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化求解,包括以下步驟:a)放松優(yōu)化變量中二值變量的部分或全部的整數(shù)約束限制,生成一系列對(duì)應(yīng)原來miqp的二次規(guī)劃;b)通過求解這一系列的二次規(guī)劃得到符合整數(shù)約束條件的miqp的次優(yōu)解或全局最優(yōu)解。
步驟4:半主動(dòng)懸架混雜系統(tǒng)滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化求解:
便于優(yōu)化求解,定義預(yù)測(cè)時(shí)域內(nèi)的輸出向量
則目標(biāo)函數(shù)(17)式寫成以下形式:
同時(shí),狀態(tài)空間方程(18)式寫成以下形式:
其中,
將(22)式帶入的目標(biāo)函數(shù)(21)式中,得到
令
則目標(biāo)函數(shù)(23)式為
約束條件(19)式寫成以下形式:
其中
進(jìn)一步寫成
其中
至此,根據(jù)目標(biāo)函數(shù)(24)式和約束條件(26)式,得到半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的混合整數(shù)二次規(guī)劃miqp,即
式中:
對(duì)于(27)式提出的問題,基于分支定界(branch&bound)算法來求解,首先放松優(yōu)化變量
本實(shí)施例在matlab\simulink環(huán)境下仿真驗(yàn)證,主要參數(shù)如圖3所示。
設(shè)置兩種仿真工況:1)隨機(jī)路面輸入工況;2)正弦波突起路面輸入工況??刂菩Чc被動(dòng)懸架、lqr控制半主動(dòng)懸架進(jìn)行對(duì)比,其中l(wèi)qr控制參數(shù)選取與本發(fā)明混雜模型預(yù)測(cè)控制算法相同,其最優(yōu)控制律為
式中:
由于半主動(dòng)懸架的非線性限制,由lqr控制算法得到的
為便于后面仿真對(duì)比,被動(dòng)懸架仿真結(jié)果用“passive”表示,lqr算法控制結(jié)果用“l(fā)qr”表示,本發(fā)明研究混雜模型預(yù)測(cè)控制算法用“hmpc”表示。如圖4~圖10所示為本實(shí)施例仿真效果圖。
隨機(jī)路面輸入工況被廣泛用于測(cè)試車輛的舒適性和操縱穩(wěn)定性。分別采用a、b、c三級(jí)路面,車速依次為40km/h、60km/h、80km/h、和100km/h,仿真時(shí)間為20s。圖11示出了a、b、c三種不同路面等級(jí)下系統(tǒng)的均方根值,可以看出,路面等級(jí)從a級(jí)到c級(jí),passive懸架、lqr懸架和hmpc懸架的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)(車身垂向加速度、懸架動(dòng)行程和輪胎動(dòng)載荷)的均方根值都呈現(xiàn)上升趨勢(shì),而在不同等級(jí)的路面上,hmpc懸架相對(duì)于passive懸架和lqr懸架均能有效降低各個(gè)指標(biāo)的數(shù)值,改善懸架的綜合性能。為了測(cè)試不同車速時(shí)的振動(dòng)響應(yīng),圖4~圖6給出了不同車速時(shí)的振動(dòng)響應(yīng)量均方根值,可以看出,隨著車速的升高,passive懸架、lqr懸架和hmpc懸架的各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),如車身垂向加速度、懸架動(dòng)行程和輪胎動(dòng)載荷的均方根值均呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在不同車速下lqr懸架和hmpc懸架都能有效降低各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)值,而hmpc懸架的控制效果更優(yōu)于lqr懸架。
正弦波突起路面輸入用于測(cè)試懸架彈跳性能,為了更清晰模擬懸架性能,設(shè)置正弦波突起的幅值和寬度分別為0.05m和6m,超過實(shí)際車輛軸距,車速依次為30km/h、60km/h和90km/h,仿真時(shí)間為10s。
圖7~圖10示出了正弦波突起路面形狀和相應(yīng)的振動(dòng)響應(yīng)量時(shí)間歷程曲線,其中車速為
以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)先實(shí)施例而已,并不用于限制本發(fā)明,對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說,本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。