NONLINEAR CONTROL FOR VEHICLE
ACTIVE SUSPENSION SYSTEMS
Abstract
Driving safety and ride comfort problems of an automobile have become the main concern of modern society and the automobile manufacturers since millions of people suffer injuries from road accidents per year. Ride comfort and maneuver abilities of a vehicle are closely related to its suspension system since a well-designed suspension can not only enable the driver to keep authority over the vehicle in critical situations, but also provide a high level of ride comfort to prevent physical fatigue of the driver. Traditional passive suspensions or semi-active ones are inadequate in improving ride comfort or road holding, especially under those extreme poor road conditions. In contrast, active suspension systems possess a significant potential to enhance substantial performance improvements of the ride comfort and vehicle maneuverability. Based on the full understanding of the state of the art in vehicle suspension systems, the presented dissertation focuses on the key issues in nonlinear control design for vehicle active suspensions, particularly in handing actuator-related challenges and suspension model parameter uncertainties, to improve ride comfort and driving safety. The Thesis proposes five novel nonlinear vehicles active suspension control approaches, which significantly enhance the performances of suspension systems by adjusting the controller design parameters. Thus, ride comfort is improved while the suspension deflection and the dynamic wheel load remain uncritical. The main researches are summarized as follows. The first concept is the finite-time controller structure, which significantly suppresses the unknown disturbance effect while guarantees the transient property and steady-state accuracy of the closed-loop system. The required disturbance compensator of the unknown external disturbances is provided by a finite-time estimator concept based on sliding-mode algorithms. Moreover, the overall controller with the compensator for the closed-loop system is continuous, which provides some distinct advantages for practical applications. The performance of the control concept is successfully validated in experiments on a quarter-car test setup for an active suspension. To overcome the high power demand drawback of an active suspension system, the second control method presents a novel suspension concept called bio-inspired dynamics-based suspension system. It fully exploits and reveals the advantage of beneficial nonlinear stiffness and damping characteristics inspired by the limb motion dynamics of biological systems to realize advantageous nonlinear suspension properties with potentially less energy consumption. The stability of the desired bio-inspired nonlinear dynamics is analyzed employing a common Lyapunov function approach. The potential of the proposed bio-inspired nonlinear dynamics-based reference model adaptive control method in the energy-efficiency design is illustrated by theoretical analysis and numerical verification, which show that the presented controller achieves performance improvements that are similar to the classical adaptive control method for the active suspension, however, with a lower power demand. Another issue that deserves careful attention is the control method addressing the problems of the parametric uncertainties and non-ideal actuators (dead-zone and hysteresis inputs) in practical active suspension systems, which generally deteriorate the control performance of the suspensions. To remove their effects, an adaptive control algorithm is proposed by constructing a unified framework of non-ideal actuators, and its transient and steady-state performances are guaranteed by a Lyapunov function approach. Moreover, the assumptions on the measurable actuator outputs, the prior knowledge of the actuator parameters and model uncertain parameters are not required in the controller design procedure, which promotes flexibility of the control approach. This adaptive control concept is implemented on a quarter-car setup for employing the suspension performance. As an addition to the actuator nonlinearities mentioned above, the fourth control strategy carries on independently research in the problem of merit attention in actuator saturation nonlinearity with regard to its special properties. When the actuator saturation occurs, extra control force has failed to realize its expected effect, which will also lead to the performance degradation. Thus, considering the influence of the actuator saturation, a disturbance observer based adaptive control is presented together with addressing the parametric uncertainty and bounded external disturbance for a class of nonlinear system. For improving the precision of control, the modeling inaccuracy and external disturbance are integrated as a lumped disturbance to be estimated by a finite-time disturbance observer to achieve the real-time compensation. Based on tracking error state, the control law is divided into three regions to reduce the effect of the actuator saturation. The effectiveness of the presented approach is illustrated by the application to control a quarter-car active suspension system. The last area of concern is the issue of fault-tolerant control for nonlinear systems. Differing from the existing results, in most of which the effect of actuator failure is neglected in the design and analysis of control systems for simplicity, the thesis considers the generally pure-feedback nonlinear system with multiple actuators for actuation redundancy. In response to prepare for possible actuator failures, the model of actuator failures considered here includes different situations related to a multi-Markovian variable since the modes of the actuator failures are generally random in essence and impossible to anticipate in advance. Furthermore, the no smooth dead-zone characteristics in practical actuators are also considered in the ac
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车辆非线性控制主动悬架系统
摘要
由于每年有数百万人遭受交通事故的伤害，汽车的驾驶安全和乘坐舒适性问题已成为现代社会和汽车制造商关注的主要问题。车辆的乘坐舒适性和操纵能力与其悬架系统密切相关，因为设计良好的悬架不仅能使驾驶员在危急情况下保持对车辆的权威性，还能提供高水平的乘坐舒适性，防止驾驶员身体疲劳。传统的被动悬架或半主动悬架在改善乘坐舒适性或道路保持性方面存在不足，特别是在极端恶劣的道路条件下。相比之下，主动悬架系统在提高行驶舒适性和车辆操纵性方面具有显著的潜力。
本文在充分了解汽车悬架系统研究现状的基础上，重点研究了汽车主动悬架非线性控制设计中的关键问题，特别是如何处理与执行器相关的挑战和悬架模型参数的不确定性，以提高汽车的乘坐舒适性和驾驶安全性。本文提出了五种新的非线性车辆主动悬架控制方法，通过调整控制器的设计参数，显著提高了悬架系统的性能。这样，在悬架挠度和车轮动态载荷不受影响的情况下，乘坐舒适性得到改善。主要研究内容如下。第一个概念是有限时间控制器结构，它在保证闭环系统暂态特性和稳态精度的同时，有效地抑制了未知扰动的影响。利用滑模算法的有限时间估计器概念，给出了未知外部干扰所需的干扰补偿器。此外，闭环系统的带补偿器的整体控制器是连续的，这为实际应用提供了一些明显的优点。在四分之一的轿车主动悬架试验台上，成功地验证了该控制方案的性能。为了克服主动悬架系统高功率需求的缺点，第二种控制方法提出了一种新的悬架概念，称为基于生物激励动力学的悬架系统。它充分利用和揭示了生物系统肢体运动动力学所激发的有益非线性刚度和阻尼特性的优点，以实现潜在的低能耗的有益非线性悬架特性。采用一种常用的Lyapunov函数方法分析了期望的生物激励非线性动力学的稳定性。通过理论分析和数值验证，说明了基于生物激励非线性动力学的参考模型自适应控制方法在节能设计中的潜力，结果表明，所设计的控制器在功率需求较低的情况下，取得了与经典主动悬架自适应控制方法相似的性能改善。另一个值得注意的问题是针对实际主动悬架系统中参数不确定性和非理想执行器（死区和滞后输入）问题的控制方法，这通常会降低悬架的控制性能。为了消除它们的影响，通过构造非理想执行器的统一框架，提出了一种自适应控制算法，并用Lyapunov函数方法保证其暂态和稳态性能。此外，在控制器设计过程中不需要对可测执行器输出、执行器参数先验知识和模型不确定参数进行假设，从而提高了控制方法的灵活性。这种自适应控制的概念是在一个四分之一的车的设置，以采用悬架性能。第四种控制策略是对上述执行器非线性特性的补充，针对执行器饱和非线性特性值得注意的问题进行了独立研究。当执行器饱和时，额外的控制力无法达到预期的效果，也会导致性能下降。因此，考虑到执行器饱和的影响，针对一类非线性系统的参数不确定性和有界外部扰动，提出了一种基于扰动观测器的自适应控制方法。为了提高控制精度，将建模误差和外部扰动作为一个集总扰动，用有限时间扰动观测器进行估计，实现实时补偿。基于跟踪误差状态，将控制律分为三个区域，以减小执行器饱和的影响。以四分之一的轿车主动悬架系统为例，说明了该方法的有效性。最后一个值得关注的领域是非线性系统的容错控制问题。与现有的研究结果不同，为了简单起见，在控制系统的设计和分析中，大多忽略了执行器失效的影响，本文考虑的是具有多个执行器的一般纯反馈非线性系统。为了应对可能的执行器故障，这里考虑的执行器故障模型包括与多马尔可夫变量相关的不同情况，因为执行器故障的模式本质上是随机的，不可能预先预测。此外，在执行器模型中还考虑了实际执行器的非光滑死区特性，使得所建立的执行器模型更具一般性。因此，本文采用自适应控制方法研究了纯反馈非线性系统的容错控制问题，其目的是保证闭环系统的解是唯一的、概率有界的。此外，在非线性执行器随机失效的情况下，该控制器可以实现任意小的跟踪误差。最后，将所提出的控制算法应用于四分之一的轿车主动悬架，并通过数值仿真验证了其实用性和有效性。
1简介
1.1背景与意义
近年来，由于道路交通事故每年夺去125万人的生命，并经常造成约5000万人遭受非致命性伤害，因此，道路车辆安全问题和性能一直被视为研究热点。各种车辆系统的研究都得到了几乎相同的结论，车辆悬架系统，它传递车身和不规则路面之间的振动，主要决定汽车的行驶安全性和操纵性。此外，悬架系统还应为乘客提供高水平的乘坐舒适性，以防止身体疲劳，同时使驾驶员能够在危急情况下保持对车辆的权威。由于悬架系统对车辆的主观感受有着显著的影响，客户对现代汽车提出了越来越高的要求，以实现驾驶安全性和乘坐舒适性的实质性性能提升。因此，汽车悬架系统的设计还需要进一步的研究，这对汽车工业的科学和工程都是一个挑战。
一般来说，悬架系统是指车身和车轮之间连接的通用名称，它充当车辆乘员和行驶道路之间的桥梁。车身和轮胎之间的各种力和力矩，如支撑力、制动力和驱动力，通过悬架系统传递到车身，以保证车辆处于正常状态。因此，在行驶过程中，路面产生的振动是不可避免的现象。因此，为了有效地减轻不规则路面所产生的冲击载荷，衰减振动，保证乘客的乘坐舒适性和车辆的道路承载能力，要求悬架对车辆的整体性能有着重要的影响。
传统的汽车悬架系统（被动）基本上由弹簧和减振器元件、带轮胎的车轮及其承载系统组成。弹簧的主要功能是支撑车身并将车身与路面扰动隔离，从而提高乘坐舒适性。减震器可以提高乘坐舒适性和驾驶安全性。
它的任务是抑制车身和车轮的振动，避免车轮振动直接关系到行车安全，因为无弹跳车轮是传递道路接触力的条件。为了提高乘坐品质，将车身（也称簧载质量）与路面扰动隔离开来，并将簧载质量的共振峰降低到接近1hz（被视为对人体敏感的频率）是至关重要的。为了提高行车安全性，保持轮胎与路面接触，从而降低接近10hz的共振峰，即车轮的共振频率（也称为非簧载质量）是至关重要的。这些悬架性能受弹簧和减振器设置的影响。例如，对于给定的传统悬架系统，通过软弹簧和减振器设置，通过允许较大的悬架挠度，将底盘与道路诱导振动隔离，悬架可以提供出色的乘坐舒适性。但是，驾驶员应控制车辆以确保行驶安全，这需要车辆和道路之间的刚性、阻尼良好的耦合，以防止不必要的悬架偏转，特别是对于非平稳驾驶操作，例如在崎岖道路或转弯处驾驶。因此，有关行驶质量和驾驶安全的要求是两个相互冲突的标准。为了解决或至少减少这种冲突，提出了不同的悬架系统。因此，以下各节详细介绍了汽车悬架技术的研究现状、存在的问题和研究趋势。
1.2悬挂系统的分类
一般来说，悬架系统可分为三类：被动悬架、半主动悬架和主动悬架。被动悬架主要由安装在车身（簧载质量）和轮轴总成（簧载质量）之间的传统弹簧和减振器组成，通常安装在传统车辆上。由于这两个标准对弹簧和减振器性能的要求不同，且相互冲突，被动减振器在同时提高乘坐舒适性和道路保持性方面存在不足。因此，被动悬架需要权衡，以解决行驶舒适性和道路保持性的矛盾要求。半主动悬架利用可变减振器或其他可变耗散部件，与被动系统相比，可提供相当大的改进，但它们在提高乘坐舒适性方面仍受到限制。电流变阻尼器和磁流变阻尼器是半主动悬架中常用的两种阻尼器，尤其是后者在近十年来越来越普遍。调制半主动悬架的另一种可能性是使用半主动减震器，在这种减震器中，阻尼通过一个连续打开或关闭旁路的电磁阀来控制。主动悬架提供与悬架元件平行放置在车身和轮轴之间的受控执行器（如直线电机、液压缸），这些执行器能够为系统增加和耗散能量创造所需的力，以实现某些性能目标。执行器利用悬架空间向下或向上拉动车身，以抑制因路面不平而产生的振动。因此，在进行主动悬架控制设计时，必须考虑到这一局限性，即在提高乘坐舒适性的同时，必须保留悬架的工作空间。与被动悬架和半主动悬架相比，主动悬架在实现性能显著改善方面更为有效。
1.2.1被动悬架
被动悬架系统一般采用钢板弹簧或弹簧圈、扭杆和粘滞阻尼器等被动元件。最近，使用橡胶、气体或液体或这些介质的组合的弹簧也被用作悬挂元件。然而，由于影响车辆平顺性和操纵性的主要动力模式应具有不同的振动固有频率，即使是由附加部件（如防侧倾杆）交叉耦合，为了获得最佳的悬架性能，很难达到相互冲突的要求。在被动悬架中，一个基本的限制是静态挠度随频率的平方反比而变化，它将较低的固有频率限制在约1hz，相应的静态挠度为250 mm，并且当施加相同频率的外部荷载时，会导致较大的动态挠度。此外，静载荷的变化也会引起动态特性和离地间隙特性的变化。设计了一些尝试性的方法来克服这些缺点，如非线性弹簧和自调平元件（如空气弹簧）。尽管如此，即使车辆在使用非线性弹簧的轻载情况下运行，悬架也可能在非线性范围内运行，这是由于粗糙的路面与高速相结合，从而导致悬架充当更硬的系统。这一因素导致隔振器的悬挂性能下降。
此外，根据被动悬架的定义，可以得出以下两个更基本的限制：
1．被动悬架不需要外部电源，它只能存储（如弹簧）或耗散（如阻尼器）能量。
2．被动悬架产生的力受到局部相对运动（即相邻物体的附着点之间）的限制。
1.2.2半主动悬架
半主动悬架通过可变减振器或其他可变耗散部件，可以快速调节减振器的特性，其工作的物理原理总结为：
bull;液压减振器通过在减振器内的两个或多个腔室之间节流液压油来耗散能量。为了实现半主动液压阻尼器，通过阀门改变腔室之间开口的横截面来实现不同程度的耗散。文献提出了基于液压阻尼器的半主动悬架系统的一些典型应用。
bull;磁流变阻尼器是一种半主动控制装置，它使用不同的磁流变流体来产生可控的阻尼器，这种阻尼器是通过将细颗粒混合到低粘度流体中制成的。
粒子在磁场的作用下会形成链状的纤维结构。文献中给出了磁流变阻尼系统MagneRide。
bull;电流变阻尼器基于所含电流变流体的不同流动特性运行，但电场用于在流体中形成颗粒链。与磁流变阻尼器相比，电流变阻尼器的一个优点是流体中的颗粒不具有研磨性，因此密封的耐久性就不那么关键。
如上所述，半主动减振器是被动元件，不能向悬架系统提供能量，半主动减振器可通过被动性约束来表示速度相关的减振器力。阻尼器的展开是半主动悬架实现性能的重要指标，其阻尼系数是可以改变的，阻尼器的动力特性由其电气和流体动力元件决定。
1.2.3主动悬架
主动悬架技术应用于汽车工业中，通过在悬架轴上放置一个主动控制的执行器来连续控制车轮的垂直运动。特别是，主动悬架包括作为力或转矩发生器的执行器（例如机电、液压、气动或磁力）、测量和传感装置（例如加速计、力传感器、电位计）和反馈控制器，以向执行器提供控制命令。此外，它们还需要外部电源。这些元素以这样的方式相互连接，以至于车辆的某些运动模式被感知。然后通过反馈控制器调节这些感测信号，并生成执行器的命令信号，从而形成闭环控制系统。近年来，这项技术的应用使汽车制造商获得了所有期望的悬架性能，其潜在优势如下：
1．低固有频率，可提高乘客的乘坐质量，同时保持较小的静态挠度；
2．低动态挠度，特别是在瞬态激励条件下；
3．不管荷载大小，保持悬浮特性；
四。对任何外部输入的高速动态响应；
5个。配置动态响应的高度灵活性，特别是针对不同的车辆模式。
以下两个基本特性使主动悬架具有上述优点：
1．主动悬架能够持续供应和耗散系统中的能量。因此，执行器提供的主动力可以独立之前由悬架储存的能量。
2．主动系统可以根据可测系统状态变量的函数提供控制力。
由于主动悬架在柔韧性方面的突出优势，与被动悬架和半主动悬架相比，主动悬架在抑制因路面不平顺引起的车身振动方面具有很好的性能，特别是，它们可以同时出现“软”和“硬”两种悬架性能，以应对不同程度的路面不平顺和外力。因此，主动悬架具有显著提高乘客乘坐舒适性的潜力。因此，本文主要研究非线性主动控制算法及其在主动悬架系统中的应用。
1.3论文范围
为了提高汽车悬架系统的性能，同时考虑到实际工程的需要，本文提出了几种非线性控制方法。在这种情况下，非线性控制指的是在驾驶安全性和悬架挠度等驾驶状态不重要的情况下，为提高乘坐舒适性而采用的非线性控制策略。这些好处来自执行器组件提供的灵活性。因此，基于所采用的非线性控制律，悬架可以产生很好的效果。重要的是，系统的全部性能潜力可以在各种道路纵断面的控制器设计中发挥出来。基于此，本文发展了非线性控制技术。
1.3.1控制目标
车轮悬架为车轮提供了一个主要的垂直对准运动的可能性。因此，车轮在一定程度上沿着路面不平的路线行驶。汽车悬架的基本功能是将车身与车轮连接起来。因此，可以沿着驱动路径携带物体并在水平面上传递力。使用弹簧和减震元件，减少了由此产生的车身运动，并通过悬架确保驾驶安全性和舒适性。
此外，车辆悬架通过其几何结构、弹簧刚度和阻尼来影响车轮相对于道路的位置。这允许系统地影响车辆的动态驾驶特性。这些特性的调整需要折衷，因为良好驾驶行为和高舒适性的要求在大多数情况下是不一致的。因此，为了设计悬架系统的控制律，通常需要考虑以下几个方面：
bull;乘坐舒适性：众所周知，乘坐舒适性是车辆设计的一个重要性能，通常通过车身在垂直方向上的加速度来评估。因此，在控制器的设计中，我们的主要目标之一是使垂直加速度最小化。
bull;道路保持能力：为了确保车轮与道路牢固、不间断地接触，动态轮胎负荷不应超过静态轮胎负荷。
bull;最大悬挂挠度：由于机械结构的限制，必须考虑最大允许悬挂行程，以防止过度的悬挂打底，这可能导致乘坐舒适性下降，甚至结构损坏。
bull;执行器的非线性效应：考虑到执行器的实际因素，悬架系统的主动力可能会受到非线性效应的影响，如饱和、死区和滞后。因此，在控制器设计中也应考虑这种非线性效应。
不难看出，后三个需求实际上是约束条件，而只需要将前一个需求最小化。换言之，设计悬架系统控制律的策略是在满足其它三个要求的前提下，使车身垂直加速度最小。
1.3.2控制问题
本文的控制问题概括如下：
有限时间控制问题 剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
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