[发明专利]一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法。使用本发明的方法，能够在主动悬挂系统受自抗扰控制器的控制下，使坦克各负重轮上方车体垂直加速度和车体质心加速度等性能指标都符合指标要求。进而提高了驾驶员对坦克车辆的动力性、高度发挥车辆的机动性和灵活性，使主战坦克在战场上起到更大的作用。

主权项

1.一种基于自抗扰控制的坦克底盘主动悬挂系统的控制方法，其特征在于，包括：步骤一、建立路面随机不平度时域模型：其中，Z_r(t)为随机路面不平度幅值；f₀为下限截止空间频率，取f₀＝0.1Hz；v为坦克行驶速度；G₀为路面不平度系数，单位为m²/m^‑1，不同等级的路面，不平度系数各不相同，这里选取D级路面，G₀＝1024×10^‑6m²/m^‑1；w(t)为均值为零的高斯白噪声；步骤二、根据力学平衡原理，建立坦克底盘振动模型：其中，m_b为二分之一车体悬置质量；z为车身质心位移；I为车体转动惯量；为车身角位移；m_wi为负重轮质量，i＝1，…，6；z_wi为负重轮位移；c_si为悬挂阻尼系数；k_si为悬挂弹簧刚度；k_ti为轮胎等效刚度；l_i为第i个负重轮中心到车体中心的横向距离，u_i为控制量；步骤三、选取状态变量，并基于步骤一和步骤二建立的模型，建立坦克底盘主动悬挂系统的状态方程；并且，根据坦克悬挂系统的性能指标要求，选定状态方程的输出变量；在所述坦克底盘振动模型中选取以下参数作为状态变量：并令状态变量[x₁ x₂ x₃ x₄ x₅ x₆ x₇ x₈ x₉ x₁₀ x₁₁ x₁₂ x₁₃ x₁₄ x₁₅ x₁₆]^T分别对应上述选取的各参数；即：x₁＝z，x₅＝z_w1，x₇＝z_w2，x₉＝z_w3，x₁₁＝z_w4，x₁₃＝z_w5，x₁₅＝z_w6，根据上述选取的状态变量，基于公式(1)和公式(2)，建立状态方程：其中k_s＝k_si为悬挂弹簧刚度，c_s＝c_si为悬挂阻尼系数，m_w为负重轮质量，x_r1～x_r6分别对应为z_r1～z_r6；并且，根据坦克悬挂系统的性能指标要求，选定状态方程的输出变量：步骤四、以坦克上的每个负重轮上方车体垂直振动位移作为控制输出，其中，所述每个负重轮上方车体垂直振动位移为：其中，z为车身质心位移；为车身角位移，l_i为第i个负重轮中心到车体中心的横向距离，ρ_i表示第i个负重轮上方车体的垂直振动位移；根据步骤三中获取的状态变量以及选定的状态方程的输出变量，代入中，获得x₁‑l_ix₃，且令ζ_2i‑1＝x₁‑l_ix₃；其中，x₁、x₃分别为z和对应的状态变量；ζ_2i‑1均表示第i个负重轮上方车体的垂直振动位移；将x₁‑l_ix₃＝ζ_2i‑1代入步骤三中建立的状态方程进行变形，并令获得积分串联型模型；所述的积分串联型模型的形式为和其中，D为步骤三中选取的状态变量的个数；d为坦克负重轮个数；ζ_2i为第i+1个负重轮上方车体的垂直振动位移，ζ_2i‑1为第i个负重轮上方车体的垂直振动位移，表达式P(x₁,x₂...x_D)代表系统内部扰动和外部扰动的总和，称为总和扰动；表达式T(u₁,u₂...u_d)代表虚拟控制量，x₁,x₂,...,x_D分别代表各状态变量；u₁,u₂...u_d分别代表对应的负重轮上方的实际控制量；步骤四包括如下具体步骤：由于步骤三中令x₁＝z，所以令根据公式(3)，进行变换，获得积分串联型模型：其中，ζ₁、ζ₃、ζ₅、ζ₇、ζ₉和ζ₁₁分别代表六个负重轮上方车体的垂直振动位移；表达式P(x₁,x₂...x₁₆)代表系统内部扰动和外部扰动的总和，称为总和扰动；表达式T(u₁,u₂...u₆)代表虚拟控制量；式中，P₁～P₆及T₁～T₆均为线性组合：需要指出的是：之所以将公式转换成其原因在于：由于公式(3)是一个多输入多输出的系统，故：设一典型多输入‑多输出系统如公式(6)所示：该系统是v输入‑v输出系统，控制量的放大系数b_ij是状态变量和时间的函数假定矩阵可逆，系统控制量之外的模型部分记为“动态耦合”部分，而部分记为“静态耦合”部分；记η＝[η₁ η₂…η_v]^T,f＝[f₁ f₂…f_v],u＝[u₁ u₂…u_v]^T，并引入“虚拟控制量”则系统方程变为：则在这个系统中的任意通道I的输入输出关系为即第i通道上的输入为U_I，而其输出为y_I＝η_I，形成一个单输入单输出系统；这样每一个通道的虚拟控制量U_I与被控输出y_I之间是单输入‑单输出的关系，即第I通道的被控输出y_I和虚拟控制量U_I之间已被完全解耦了，而则是作用于第I通道上“总和扰动”，因此只要有被控量y_I的目标值且y_I能被测量，那么在U_I和y_I之间嵌入一个自抗扰控制器就能够对y_I进行控制；综上：对于任意的v输入‑v输出的系统，在控制向量U和输出向量y之间并行地嵌入v个自抗扰控制器就能实现多变量系统的解耦控制；实际的控制量u＝[u₁ u₂…u_v]就能由虚拟控制量U＝[U₁ U₂…U_v]通过公式决定；步骤五、利用自抗扰控制器进行仿真，对步骤四中获得的积分串联型模型进行自抗扰控制；在调节自抗扰控制器的观测器带宽和控制器带宽过程中，比较扰动估计值对各负重轮上方的总和扰动的跟踪情况，当达到理想的振动效果状态时，获取该状态下的虚拟控制量的实际值；步骤六、根据步骤四中获得的表达式T(u₁,u₂...u_d)以及仿真结果获得的虚拟控制量的实际值，反解算得到控制量u₁,u₂,…,u_d的值；并在实际控制过程中，采用控制量u₁,u₂,…,u_d，对主动悬挂系统进行控制。