專利名稱：汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破骷皹?gòu)造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛工程設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)模控制器及構(gòu)造方法。
背景技術(shù)：
隨著汽車制造業(yè)的快速發(fā)展以及汽車技術(shù)相關(guān)理論研究水平的不斷提高，人們對汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛安全性以及乘車舒適性等方面的性能要求也越來越高。汽車作為一個復(fù)雜的運動體，在其行駛的過程中，各個子系統(tǒng)之間存在著相互影響、相互制約的關(guān)系，各個控制子系統(tǒng)是針對提高車輛某一項性能指標而設(shè)計，而整車性能指標的提高則依賴于各個子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作。因而，汽車(特別是汽車底盤系統(tǒng))的集成控制已成為現(xiàn)代車輛動力學控制研究的熱點之一。近些年來，微型電子計算機技術(shù)以及大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，促使了各類電子控制技術(shù)在汽車上的廣泛應(yīng)用，使得汽車電子化程度日益提高。汽車的底盤系統(tǒng)也隨之改變了以往完全依靠液壓或者氣壓執(zhí)行機構(gòu)來傳遞力的機械式結(jié)構(gòu)，逐漸步入電子伺服控制階段，操縱裝置與執(zhí)行器之間靠的非機械連接被電信號聯(lián)系而取代。汽車底盤系統(tǒng)技術(shù)與汽車行駛安全性、操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性密切相關(guān)，比如制動時的跑偏和甩尾，輪胎偏磨，轉(zhuǎn)向遲鈍，高速下的控制和穩(wěn)定性，方向盤的輕重和路感，轉(zhuǎn)彎時的側(cè)傾和側(cè)翻等等。汽車底盤系統(tǒng)正朝著整個底盤系統(tǒng)的集成控制發(fā)展，因此汽車的操作穩(wěn)定性、行駛平順性以及制動安全性等性能的提高，不能只考慮其中的一個或幾個子系統(tǒng)，應(yīng)該從整車的角度出發(fā)，協(xié)調(diào)控制底盤各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，從而改善汽車的各方面性能。然而，汽車底盤系統(tǒng)十分復(fù)雜，是一個多變量、非線性、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，為了消除(或盡量減小)汽車底盤系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)之間的耦合與干涉，有必要對汽車底盤集成系統(tǒng)進行非線性解耦控制。有鑒于此，有必要提出一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破骷皹?gòu)造方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破骷皹?gòu)造方法，其克服了傳統(tǒng)汽車底盤集成系統(tǒng)控制方法的缺陷，可以實現(xiàn)汽車底盤集成系統(tǒng)的側(cè)向、縱向以及垂向之間非線性動態(tài)解耦控制，使控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制品質(zhì)。本發(fā)明的一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)模控制器，所述控制器由內(nèi)模控制器和廣義逆系統(tǒng)構(gòu)成，其中所述內(nèi)?？刂破饔少|(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)?？刂破?、橫擺角速度內(nèi)?？刂破骱蛙嚿韨?cè)傾角內(nèi)?？刂破鞑⒙?lián)組成，質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)模控制器由質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)部模型和調(diào)節(jié)器構(gòu)成，橫擺角速度內(nèi)模控制器由橫擺角速度內(nèi)部模型和調(diào)節(jié)器構(gòu)成，車身側(cè)傾角內(nèi)?？刂破饔绍嚿韨?cè)傾角內(nèi)部模型和調(diào)節(jié)器構(gòu)成；所述廣義逆系統(tǒng)與汽車底盤集成系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成廣義偽線性系統(tǒng)，所述廣義逆系統(tǒng)由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射構(gòu)成，廣義偽線性系統(tǒng)包括質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)；所述汽車底盤集成系統(tǒng)由主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)和主動懸架子系統(tǒng)構(gòu)成。相應(yīng)地，一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破鞯臉?gòu)造方法，所述方法包括S1、將主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)和主動懸架子系統(tǒng)作為一個整體構(gòu)成汽車底盤集成系統(tǒng)；S2、采用廣義逆系統(tǒng)理論來構(gòu)造汽車底盤集成系統(tǒng)的廣義逆系統(tǒng)，由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射構(gòu)成廣義逆系統(tǒng)；廣義逆系統(tǒng)與汽車底盤集成系統(tǒng)組成廣義偽線性系統(tǒng)，并將廣義逆系統(tǒng)串聯(lián)于汽車底盤集成系統(tǒng)，其中，廣義偽線性系統(tǒng)包括質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)；S3、對質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)分別引入質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)?？刂破鳎瑱M擺角速度內(nèi)?？刂破骱蛙嚿韨?cè)傾角內(nèi)模控制器構(gòu)造內(nèi)?？刂破?，將內(nèi)?？刂破髋c廣義逆系統(tǒng)相結(jié)合組成廣義逆內(nèi)模控制器，控制汽車底盤集成系統(tǒng)。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S2中廣義逆系統(tǒng)中非線性映射的構(gòu)造方法為建立汽車底盤集成系統(tǒng)的數(shù)學模型，進而推導(dǎo)出汽車底盤集成系統(tǒng)的狀態(tài)方程，然后針對汽車底盤集成系統(tǒng)的期望輸出Y=Iiy1 y2 y3] = [ P Y ]；將P、Y離線分別求其一階導(dǎo)數(shù)，進而求出廣義逆系統(tǒng)的第一個輸入巧+ 和廣義逆系統(tǒng)的第二個輸入P2 =a2(^+a2#，將求其一階、二階導(dǎo)數(shù),進而求出廣義逆系統(tǒng)的第三個輸入％+ ，3個輸出分別為汽車底盤集成系統(tǒng)的3個輸入前輪轉(zhuǎn)向補償角S。、橫`擺控制力矩Tz和懸架側(cè)傾力矩T41 ；確定非線性映射的輸入為# =[巧P v2 r % ^ #]，而非線性映射的輸出，
也即廣義逆系統(tǒng)的輸出為用來控制汽車底盤集成系統(tǒng)產(chǎn)生期望輸出的控制量u=[Ul U2U3I = [ 5 c Tz TJ ；通過計算得到廣義逆系統(tǒng)中非線性映射的表達式《=爐(y);其中，P為質(zhì)心側(cè)偏角、Y為橫擺角速度、小為車身側(cè)傾角，31(|、&11、&2(|、&21、&3。、a31和a32為廣義逆系統(tǒng)的參數(shù)。作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S2中“由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射構(gòu)成廣義逆系統(tǒng)”具體為廣義逆系統(tǒng)的第一個輸入_作為非線性映射的第一個輸入，其經(jīng)一階系統(tǒng)^1—~
V1ams + ]
的輸出為P，即為非線性映射的第二個輸入；廣義逆系統(tǒng)的第二個輸入％作為非線性映射的第三個輸入，其經(jīng)一階系統(tǒng)n 的輸出為Y，即為非線性映射的第四個輸入；廣義逆系統(tǒng)的第三個輸入％作為非線性映射的第五個輸入，其經(jīng)二階系統(tǒng)
+ ^的輸出為小，即為非線性映射的第六個輸入，再經(jīng)一個積分器^為小，即為非線性映射的第七個輸入。
作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟S3還包括確定參數(shù)a1(l、an、a20> a21、a30> a31和a32，使得質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)的質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)部模型、橫擺角速度內(nèi)部模型和車身側(cè)傾角內(nèi)部模型分別為Glm=I/ (a10s+an) =1/ (s+1)、G2m=I/ (a20s+a21)=l/(s+1)、G3m=I/ (a30s2+a31s+a32) =1/(s2+l. 414s+l)，得到相應(yīng)調(diào)節(jié)器分別為C1 ⑷=$ =(s + l)/(2s + l)、C2(s) = F2(S)G2I1 =(s + l)/(2s + 0、C3(S) = Fi(S)G^m = (V +1.414s+ 1^/(0.5^+1)2。本發(fā)明汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破骷皹?gòu)造方法具有以下有益效果通過構(gòu)造汽車底盤集成系統(tǒng)的廣義逆系統(tǒng)，將非線性、多變量、強耦合的原系統(tǒng)線性化解耦為3個單輸入單輸出的線性子系統(tǒng)，進而可以采用簡單的線性理論來解決復(fù)雜的非線性問題；采用廣義逆系統(tǒng)理論，不但可以實現(xiàn)汽車底盤集成系統(tǒng)的線性化解耦，并且可以通過合理調(diào)整4個線性環(huán)節(jié)的參數(shù)，使偽線性子系統(tǒng)的極點在復(fù)平面內(nèi)進行合理配置，獲取理想的開環(huán)頻率特性，實現(xiàn)系統(tǒng)的大范圍線性化，解耦和降階；針對非線性解耦后得到的3個單輸入單輸出線性子系統(tǒng)，引入內(nèi)?？刂萍夹g(shù)，設(shè)計汽車底盤集成系統(tǒng)的魯棒控制器。內(nèi)模控制具有設(shè)計簡單、參數(shù)整定直觀明了、控制性能優(yōu)良等特點，使汽車底盤集成系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制性能。


圖1是本發(fā)明汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)模控制器的原理框圖；圖2是本發(fā)明由廣義逆系統(tǒng)與汽車底盤集成系統(tǒng)復(fù)合構(gòu)成的廣義偽線性系統(tǒng)的不意圖及其等效圖；圖3是本發(fā)明由主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)和主動懸架子系統(tǒng)組成的汽車底盤集成系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式以下將結(jié)合附圖所示的各實施方式對本發(fā)明進行詳細描述。但這些實施方式并不限制本發(fā)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員根據(jù)這些實施方式所做出的結(jié)構(gòu)、方法、或功能上的變換均包含在本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。參圖1所示，本發(fā)明一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)模控制器，該控制器由內(nèi)?？刂破?和廣義逆系統(tǒng)2構(gòu)成，其中內(nèi)?？刂破?由質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)?？刂破?1、橫擺角速度內(nèi)模控制器42和車身側(cè)傾角內(nèi)?？刂破?3并聯(lián)組成，質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)?？刂破?1由質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)部模型411和調(diào)節(jié)器412構(gòu)成，橫擺角速度內(nèi)?？刂破?2由橫擺角速度內(nèi)部模型421和調(diào)節(jié)器422構(gòu)成，車身側(cè)傾角內(nèi)?？刂破?3由車身側(cè)傾角內(nèi)部模型431和調(diào)節(jié)器432構(gòu)成；廣義偽線性系統(tǒng)3由廣義逆系統(tǒng)2與汽車底盤集成系統(tǒng)I串聯(lián)組成，廣義逆系統(tǒng)2由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射21構(gòu)成，參圖2所示，廣義偽線性系統(tǒng)3等效為質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)31、橫擺角速度線性子系統(tǒng)32和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)33 ;參圖3所示，汽車底盤集成系統(tǒng)I由主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)11、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)12和主動懸架子系統(tǒng)13構(gòu)成。相應(yīng)地，本發(fā)明的一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破鞯臉?gòu)造方法，包括以下步驟S1、將主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)11、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)12和主動懸架子系統(tǒng)13作為一個整體構(gòu)成汽車底盤 集成系統(tǒng)；S2、采用廣義逆系統(tǒng)理論來構(gòu)造汽車底盤集成系統(tǒng)I的廣義逆系統(tǒng)2，由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射21構(gòu)成廣義逆系統(tǒng)2 ;廣義逆系統(tǒng)2與汽車底盤集成系統(tǒng)I組成廣義偽線性系統(tǒng)3，并將廣義逆系統(tǒng)3串聯(lián)于汽車底盤集成系統(tǒng)I，其中，廣義偽線性系統(tǒng)3包括質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)31、橫擺角速度線性子系統(tǒng)32和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)33 ；S3、對質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)31、橫擺角速度線性子系統(tǒng)32和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)33分別引入質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)?？刂破?1，橫擺角速度內(nèi)模控制器42和車身側(cè)傾角內(nèi)?？刂破?3構(gòu)造內(nèi)模控制器4，將內(nèi)模控制器4與廣義逆系統(tǒng)2相結(jié)合組成廣義逆內(nèi)?？刂破?，控制汽車底盤集成系統(tǒng)。本發(fā)明的一具體實施方式
中，構(gòu)造方法具體包括S1、構(gòu)成汽車底盤集成系統(tǒng)I。由汽車底盤的主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)11、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)12和主動懸架子系統(tǒng)13作為一個整體組成圖3所示的汽車底盤集成系統(tǒng)I ;S2、通過分析、等效與推導(dǎo)，為廣義逆系統(tǒng)2的構(gòu)造提供方法上的根據(jù)。首先建立汽車底盤集成系統(tǒng)I的數(shù)學模型，即4階微分方程，其向量相對階為{1，1，2，}。經(jīng)推導(dǎo)可以證明該4階微分方程可逆，即廣義逆系統(tǒng)存在。進而推導(dǎo)出汽車底盤集成系統(tǒng)I的狀態(tài)方程，然后針對汽車底盤集成系統(tǒng)I的期望輸出Y= [yi y2 y3] = [^ Y4>]；將P、Y離線分別求其一階導(dǎo)數(shù)，進而求出廣義逆系統(tǒng)的第一個輸入
權(quán)利要求
1.一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)模控制器，其特征在于，所述控制器由內(nèi)?？刂破骱蛷V義逆系統(tǒng)構(gòu)成，其中 所述內(nèi)模控制器由質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)?？刂破?、橫擺角速度內(nèi)?？刂破骱蛙嚿韨?cè)傾角內(nèi)?？刂破鞑⒙?lián)組成，質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)模控制器由質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)部模型和調(diào)節(jié)器構(gòu)成，橫擺角速度內(nèi)?？刂破饔蓹M擺角速度內(nèi)部模型和調(diào)節(jié)器構(gòu)成，車身側(cè)傾角內(nèi)?？刂破饔绍嚿韨?cè)傾角內(nèi)部模型和調(diào)節(jié)器構(gòu)成； 所述廣義逆系統(tǒng)與汽車底盤集成系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成廣義偽線性系統(tǒng)，所述廣義逆系統(tǒng)由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射構(gòu)成，廣義偽線性系統(tǒng)包括質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)；所述汽車底盤集成系統(tǒng)由主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)和主動懸架子系統(tǒng)構(gòu)成。
2.一種如權(quán)利要求1所述的汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破鞯臉?gòu)造方法，其特征在于，所述方法包括 51、將主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)和主動懸架子系統(tǒng)作為一個整體構(gòu)成汽車底盤集成系統(tǒng)； 52、采用廣義逆系統(tǒng)理論來構(gòu)造汽車底盤集成系統(tǒng)的廣義逆系統(tǒng)，由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射構(gòu)成廣義逆系統(tǒng)；廣義逆系統(tǒng)與汽車底盤集成系統(tǒng)組成廣義偽線性系統(tǒng)，并將廣義逆系統(tǒng)串聯(lián)于汽車底盤集成系統(tǒng)，其中，廣義偽線性系統(tǒng)包括質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)； 53、對質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)分別引入質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)?？刂破?，橫擺角速度內(nèi)模控制器和車身側(cè)傾角內(nèi)?？刂破鳂?gòu)造內(nèi)?？刂破鳎瑢?nèi)?？刂破髋c廣義逆系統(tǒng)相結(jié)合組成廣義逆內(nèi)?？刂破鳎刂破嚨妆P集成系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要2所述的汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破鞯臉?gòu)造方法，其特征在于，所述步驟S2中廣義逆系統(tǒng)中非線性映射的構(gòu)造方法為 建立汽車底盤集成系統(tǒng)的數(shù)學模型，進而推導(dǎo)出汽車底盤集成系統(tǒng)的狀態(tài)方程，然后針對汽車底盤集成系統(tǒng)的期望輸出Y=[yi y2 y3] = [P y ￠1 ； 將Y離線分別求其一階導(dǎo)數(shù)，進而求出廣義逆系統(tǒng)的第一個輸入可+ 和廣義逆系統(tǒng)的第二個輸入+ 將小求其一階、二階導(dǎo)數(shù)，進而求出廣義逆系統(tǒng)的第三個輸入i7, =a3J+an^>+arJ , 3個輸出分別為汽車底盤集成系統(tǒng)的3個輸入前輪轉(zhuǎn)向補償角S。、橫擺控制力矩Tz和懸架側(cè)傾力矩T41 ； 確定非線性映射的輸入為# = ^ V2 ^ V3 ^ #]，而非線性映射的輸出，也即廣義逆系統(tǒng)的輸出為用來控制汽車底盤集成系統(tǒng)產(chǎn)生期望輸出的控制量u=[Ul U2 U3] = [S。Tz TJ ； 通過計算得到廣義逆系統(tǒng)中非線性映射的表達式《 = 其中，P為質(zhì)心側(cè)偏角、Y為橫擺角速度、小為車身側(cè)傾角，^、&11、&2(|、&21、&3(|、&31和a32為廣義逆系統(tǒng)的參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要3所述的汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)?？刂破鞯臉?gòu)造方法，其特征在于，所述步驟S2中“由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射構(gòu)成廣義逆系統(tǒng)”具體為廣義逆系統(tǒng)的第一個輸入0乍為非線性映射的第一個輸入，其經(jīng)一階系統(tǒng)
5.根據(jù)權(quán)利要2所述的汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)模控制器的構(gòu)造方法，其特征在于，所述步驟S3還包括 確定參數(shù)h。、an> a20> a21、a30> a31和a32，使得質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)的質(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)部模型、橫擺角速度內(nèi)部模型和車身側(cè)傾角內(nèi)部模型分別為Glm=I/(a10s+an)=l/(s+1)、G2m=I/(a20s+a21)=l/(s+l)、 G3m=I/ (a3Cls2+a31s+a32)=l/(s2+l. 414s+l), 得到相應(yīng)調(diào)節(jié)器分別為
全文摘要
本發(fā)明提供了一種汽車底盤集成系統(tǒng)廣義逆內(nèi)模控制器及構(gòu)造方法，控制器由內(nèi)?？刂破骱蛷V義逆系統(tǒng)構(gòu)成，其中內(nèi)?？刂破饔少|(zhì)心側(cè)偏角內(nèi)?？刂破?、橫擺角速度內(nèi)?？刂破骱蛙嚿韨?cè)傾角內(nèi)?？刂破鞑⒙?lián)組成；廣義逆系統(tǒng)與汽車底盤集成系統(tǒng)串聯(lián)構(gòu)成廣義偽線性系統(tǒng)，廣義逆系統(tǒng)由4個線性環(huán)節(jié)和非線性映射構(gòu)成，廣義偽線性系統(tǒng)包括質(zhì)心側(cè)偏角線性子系統(tǒng)、橫擺角速度線性子系統(tǒng)和車身側(cè)傾角線性子系統(tǒng)；汽車底盤集成系統(tǒng)由主動前輪轉(zhuǎn)向子系統(tǒng)、直接橫擺力矩控制子系統(tǒng)和主動懸架子系統(tǒng)構(gòu)成。本發(fā)明克服傳統(tǒng)汽車底盤集成系統(tǒng)控制方法的缺陷，可以實現(xiàn)汽車底盤集成系統(tǒng)的側(cè)向、縱向以及垂向之間非線性動態(tài)解耦控制，使控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制品質(zhì)。
文檔編號G05B13/04GK103034124SQ201210544558
公開日2013年4月10日 申請日期2012年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月15日
發(fā)明者陳龍, 孫曉東, 江浩斌, 汪若塵, 徐興, 李可 申請人:江蘇大學