[发明专利]一种主动悬架与主动转向集成系统及其鲁棒控制方法

权利要求书

1.一种主动悬架与主动转向集成系统，其特征在于，包含传感器模块、主动悬架模块、主动前轮转向模块、主控制器、主动转向子控制器；

所述传感器模块包括车速传感器、方向盘转角传感器、车身侧倾角传感器、横摆角速度传感器和垂直加速度传感器，分别用于测量车辆的车速、驾驶员输入的方向盘转角、车身侧倾角、横摆角速度以及车身垂直加速度，并将其传递给所述主控制器；

所述主控制器分别和传感器模块、主动悬架模块、主动转向子控制器相连，用于根据接收到的传感器信号求解得到车辆的各悬架作动力信号、理想横摆角速度信号与理想前轮转角信号，并将车辆的各悬架作动力信号传递给主动悬架模块、将理想横摆角速度信号与理想前轮转角信号传递给主动转向子控制器；

所述主动悬架模块与主控制器相连，用于根据接收到的车辆的各悬架作动力信号控制车辆四个车轮处的悬架作动力；

所述主动转向子控制器一端与主控制器相连、另一端与主动前轮转向模块相连，用于根据主控制器传递的理想横摆角速度信号与理想转角信号计算出目标前轮附加转角，并将目标前轮附加转角传递给所述主动前轮转向模块；

所述主动前轮转向模块，包括转向输入轴、双排行星齿轮机构、转向电机、减速机构、转向输出轴与齿轮齿条式转向器，用于根据接收到的目标前轮附加转角控制车辆的前轮转角；

所述双排行星齿轮机构包含两个输入端和一个输出端，其中，一个输入端通过所述方向盘转角传感器和所述转向输入轴的一端相连，另一个输入端和所述转向电机的输出端相连，输出端和所述减速机构的输入端相连；

所述转向电机和所述主动转向子控制器电气相连，用于根据接收到的目标前轮附加转角输出扭矩至所述双排行星齿轮机构；

所述转向输入轴的另一端和方向盘相连；

所述转向输出轴的一端和所述减速机构的输出端相连，另一端和所述齿轮齿条式转向器的输入端相连；

所述齿轮齿条转向器的两侧输出端分别通过连杆机构和两个前轮相连；

所述双排行星齿轮机构中设有用于测量其下排行星齿轮齿圈转速的转速传感器。

2.基于权利要求1所述的主动悬架与主动转向集成系统的鲁棒控制方法，其特征在于，包含如下步骤：

步骤1)，驾驶员通过转动方向盘将转角传递到转向机械结构进行转向操作；

步骤2)，车速传感器、方向盘转角传感器、车身侧倾角传感器、横摆角速度传感器和垂直加速度传感器分别测量车辆的车速、驾驶员输入的方向盘转角、车身侧倾角、横摆角速度以及车身垂直加速度，并将其传递给主控制器；

步骤3)，主控制器建立整车集成系统模型作为主控制器的控制对象，其具体步骤如下：

步骤3.1)，基于主动悬架系统的垂向动力学方程和主动转向系统的横向动力学方程，并考虑路面随机干扰，建立整车集成状态空间方程：

其中，x为系统的状态变量，u为控制输入变量，w为干扰输入变量，z为被控输入变量，y为量测输出变量，A为系统状态矩阵，B₁为系统干扰输入矩阵，B₂为系统控制输入矩阵，C₁为被控状态矩阵，D₁₁为被控干扰输入矩阵，D₁₂为被控控制输入矩阵，C₂为量测状态矩阵，D₂₁为量测干扰输入矩阵，D₂₂为量测输入控制矩阵；

步骤3.2)，基于集成系统控制模型确定系统的状态变量x、控制输入变量u、干扰输入变量w、被控输出变量z和量测输出变量y；

步骤3.3)，结合主动悬架的垂向动力学方程和主动转向系统的横向动力学方程，根据确定的系统的状态变量x、控制输入变量u、干扰输入变量w、被控输出变量z和量测输出变量y，计算出各输出变量与各输入变量之间的关系，将各分量前的系数提取出来，按照对应的变量顺序排列，得到状态空间方程的系数矩阵A、B₁、B₂、C₁、D₁₁、D₁₂、C₂、D₂₁、D₂₂；

步骤3.4)，根据状态空间系数矩阵得到系统的开环传递函数矩阵G₀(s)：

G₀(s)＝C(sI-A)^-1B+D

其中，A＝A，B＝[B₁ B₂]，s为传递函数拉普拉斯变换中的算子，I为单位矩阵；

步骤4)，主控制器根据接收到的传感器信号，求解得到车辆的各悬架作动力信号、理想横摆角速度信号与理想前轮转角信号，并将车辆各悬架作动力信号传递给主动悬架模块、将理想横摆角速度信号与理想前轮转角信号传递给主动转向子控制器；

步骤4.1)，主控制器根据接收到的传感器信号，求解得到车辆的各悬架作动力信号，其具体步骤如下：

步骤4.1.1)，主控制器采用H_∞鲁棒控制结构，引入预先设定的为提高系统干扰抑制鲁棒性的加权系数阵W_w、为改善系统评价指标的加权系数阵W_z和为改善系统评价指标的加权函数阵W_P；

步骤4.1.2)，通过对集成系统进行频率加权增广描述,得到的集成系统广义受控对象为：

步骤4.1.3)，根据广义受控对象的状态空间方程与H_∞鲁棒控制结构得到从扰动输入到被控输出的闭环传递函数为：

式中，K是电子控制器的传递函数；

步骤4.1.4)，基于以下限定条件，利用MATLAB/LMI工具箱求解出H_∞控制器的矩阵K：

即闭环传递函数的H_∞范数小于1；

步骤4.1.5)，将H_∞控制器K加入到控制系统中，形成闭环控制系统，并得到各悬架作动力信号；

步骤4.2)，主控制器根据接收到的传感器信号，求解理想横摆角速度信号与理想前轮转角信号；

步骤4.2.1)，通过对理想传动比进行修正，得到主动前轮转向系统的变传动比规律；

步骤4.2.2)，根据传感器检测到的车速信号和方向盘转角信号，通过变传动比规律得到此时的最佳传动比，由此来求得理想的前轮转角；

步骤4.2.3)，根据经典线性二自由度车辆动力学模型，得到理想的车辆运动参考模型，综合考虑车轮的侧向路径跟踪能力、路面附着条件的限制及车辆不足转向特性，得到车辆的理想横摆角速度；

步骤5)，主动转向子控制器对主动前轮转向模块实施闭环控制，具体步骤如下：

步骤5.1)，由横摆角速度传感器测得当前实际横摆角速度；

步骤5.2)，由前轮转角与方向盘转角、双排行星齿轮机构之间的关系式求得当前实际前轮转角，其具体关系式为其中δ_f为实际前轮转角、θ_sw为由方向盘转角传感器测得的方向盘转角、θ_r2为双行星齿轮机构中下排行星齿轮齿圈转角，α为双行星齿轮机构中行星齿轮齿圈与太阳轮的齿数比，G为齿轮齿条式转向器传动比；

步骤5.3)，根据主控制器传递的理想横摆角速度信号与理想转角信号与传感器检测到的当前实际横摆角速度和当前实际前轮转角进行比较；

步骤5.4)，采用PID控制器对主动前轮转向模块实施闭环控制，采用模糊控制器对PID控制器的参数进行在线实时自整定；

步骤5.4.1)，将理想值与实际值的差值e与差值变化率de/dt同时传递给模糊控制器与PID控制器；

步骤5.4.2)，模糊控制器通过差值e、差值变化率de/dt与PID控制器中的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd之间的模糊规则，对这三个参数进行实时整定，并将整定完的参数传递给PID控制器；

步骤5.4.3)，PID控制器通过对差值e和差值变化率de/dt的比例、积分和微分作用控制系统误差，通过关系式计算得到需要的目标前轮附加转角，并将目标前轮附加转角信息传递给主动前轮转向模块；

步骤6)，主动悬架模块控制四个车轮处的悬架作动力，主动转向模块控制车辆的前轮转角。