自传感磁流变半主动悬架滑模观测和控制

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1、自传感磁流变半主动悬架滑模观测和控制摘要：针对自传感磁流变半主动悬架系统控制问题，建立了1/4悬架系统动力学模型，采用滑模变结构方法设计了基于相对位移自传感的半主动悬架状态观测器与控制器。首先对系统状态方程进行重构，设计了状态观测器，通过簧上、下质量相对位移自传感信息,对系统状态变量进行准确估计，然后以二阶天棚阻尼系统为参考模型，对磁流变半主动悬架进行了滑模控制。仿真结果表明，状态观测器具有很好的估计精度，能有效跟踪系统状态，基于状态估计的滑模控制器能显著改善汽车舒适性，对系统参数变化具有高度的鲁棒特性。关键词

2、：半主动悬架；自传感；磁流变减振器；状态观测；滑模控制中图分类号:U463.33文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.05.05汽车磁流变半主动悬架系统是近年来汽车悬架系统出现的重要变革，它能适应变路面、变工况的需要，显著改善汽车的舒适性和操纵稳定性，代表了汽车未来悬架系统的发展方向。汽车磁流变半主动悬架系统的反馈控制依赖于汽车振动状态的准确测量如位移、速度或加速度，这势必会增加系统的硬件成本，使线缆增多，系统可靠性下降。因此，研究具有自传感功能的磁流变减

3、振器及其汽车半主动悬架控制系统，具有重要的理论意义和工程应用价值。自传感磁流变减振器将振动测量装置集成于磁流变减振器内部，提高了测量的可靠性并降低了控制系统成本。Wang［1-2］等人研究了磁电式相对位移自传感磁流变减振器，实现了相对位移传感器与磁流变减振器的结构集成和功能复用°Lam等人［3］将压电力传感器和线性差动变压器集成在磁流变减振器中，实现了磁流变减振器力与相对位移的自传感。Liao等人［4］采用磁电式原理，研究了具有相对速度自传感与自供电功能于一体的磁流变减振器。从控制的角度看，基于相对位移自传感的

4、磁流变减振器比基于相对速度自传感的磁流变减振器，具有更好的控制精度。由于自传感磁流变减振器能直接获取的状态信息非常有限，基于全状态反馈的很多控制方法难以应用，因此必须寻求其它的解决方案。滑模控制最先由苏联学者Utkin［5］提出。Chou等人［6］提出了积分滑模面并推导了滑模自适应控制律。Dan［7］将滑模控制应用到了电磁悬架上，并进行了试验验证。Zhang等人［8］提出了主动悬架最优滑模控制。Cheng等人［9］对模糊滑模控制在主动悬架控制中的应用进行了研究°Lin等人［10］提出了能够抗外界干扰的积分滑模控

5、制°Xin等人［11］对主动悬架自适应滑模控制进行了研究，仿真结果表明：在有模型不确定性和外界干扰的情况下，自适应滑模控制的性能优于常规滑模控制oAkbari等人［12］设计了主动悬架滑模控制器和滑模观测器，并进行了Simulink仿真计算。本文针对基于相对位移自传感的磁流变减振器及其半主动悬架控制系统，通过对系统状态方程的重构，设计状态观测器，根据相对位移自传感信号，对系统的其它状态变量进行准确估计。在此基础上，采用不需要测量路面输入的二阶天棚阻尼系统作为参考模型，设计滑模控制器，对基于相对位移自传感的磁流变

6、半主动悬架进行滑模控制。1汽车悬架系统动力学模型1.1磁流变减振器力学模型建立磁流变减振器力学模型是磁流变悬架半主动控制的重要环节。目前，描述磁流变减振器力学特性的模型有很多种，为了便于实际控制应用，本文选择形式简单、物理概念明确、易于逆推求解电流的Bingham模型［13］。O式中，fc为摩擦力；CO为阻尼系数；fO为偏置力。根据自制磁流变减振器试验结果拟合得到相关参数与电流的关系为由式(1)和式(2)可以逆推求出磁流变减振器的控制电流Io自制磁流变减振器如图1所示，试验结果拟合得到磁流变减振器阻尼力-速度曲

7、线如图2所示。1.21/4汽车悬架动力学模型针对自传感磁流变减振器的控制，建立1/4汽车悬架系统动力学模型，如图3所示。其动力学方程为O式中，ms、mu分别为簧上质量和簧下质量；xs、xu分别为簧上质量与簧下质量的位移；ks、kt和cs分别为悬架弹簧刚度、轮胎刚度和磁流变减振器基础阻尼系数；fd为磁流变减振器的可控阻尼力；xO为路面位移输入。选取系统状态变量，则系统的状态方程为O式中，；■,O1.3参考模型四阶天棚阻尼悬架系统模型如图4所示，它是大多数模型参考控制系统所采用的参考模型。四阶天棚阻尼参考模型需要获

8、取路面输入信号，而对于一辆实际汽车而言，提前获知路面输入是非常困难的。因此，将四阶天棚阻尼参考模型进行必要的修改，建立二阶天棚阻尼参考模型，如图5所不o二阶天棚阻尼参考模型的动力学方程为O选取状态变量，则二阶天棚阻尼参考模型的状态方程为2滑模控制器及观测器2.1滑模控制器设计滑模控制器(SlidingModeControl,SMC)设计包括两个问题，即确定具有良好品质的滑模切换函数以及