主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法

1.本公开涉及主动车辆悬架控制技术领域，特别涉及一种主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法。


背景技术：

2.本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。
3.根据不同的控制形式，悬架系统被出粗略的分为被动车辆悬架系统、半主动车辆悬架系统和主动车辆悬架系统。与被动悬架车辆系统和半主动车辆悬架系统相比，主动车辆悬架系统不仅具有弹性远见和可调节的阻尼元件，而且具有力执行器，这个力执行器不仅能够减少路面扰动对车辆影响并且能够保持车辆的稳定性。
4.有研究人员构造了一个障碍李雅普诺夫函数用于不确定的随机非线性系统，以确保输出轨迹被限制在预定范围内，但是上述方案中考虑的是固定值的约束范围，这在某些实际应用中是受限制的且不切实际的；同时，通信网络逐渐应用于主动车辆悬架系统，在传统的时间触发控制中，主动车辆悬架系统的控制信号需要实时传输，在这种控制方案下，无论是否需要发送数据都会连续发送，这导致通信资源的不必要发送。


技术实现要素：

5.为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法，控制策略与初始状态信息无关，实现了固定时间的收敛性能，节省了主动车辆悬架系统的有限通信资源；在主动车辆悬架系统中可以保证时变位移约束以增加乘客的驾驶舒适性。
6.为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
7.本公开第一方面提供了一种主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法。
8.一种主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法，包括以下步骤：
9.获取主动车辆悬架系统的状态数据；
10.将获取的状态数据输入到预设的基于事件的自适应模糊控制模型中，根据输出的控制量控制主动车辆悬架实时跟踪给定轨迹；
11.其中，在固定时间中，主动车辆悬架系统的所有信号均为半全局一致最终有界，且车身垂直位移限制在随时间变化的上下边界内。
12.本公开第二方面提供了一种主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制系统。
13.一种主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制系统，包括：
14.数据获取模块，被配置为；获取主动车辆悬架系统的状态数据；
15.模糊控制模块，被配置为：将获取的状态数据输入到预设的基于事件的自适应模糊控制模型中，根据输出的控制量控制主动车辆悬架实时跟踪给定轨迹；
16.其中，在固定时间中，主动车辆悬架系统的所有信号均为半全局一致最终有界，且车身垂直位移限制在随时间变化的上下边界内。
17.本公开第三方面提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法中的步骤。
18.本公开第四方面提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法中的步骤。
19.与现有技术相比，本公开的有益效果是：
20.1、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，控制策略与初始状态信息无关，实现了固定时间的收敛性能，节省了主动车辆悬架系统的有限通信资源；在主动车辆悬架系统中可以保证时变位移约束以增加乘客的驾驶舒适性，在实际应用中比恒定约束更为普遍。
21.2、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，建立了一种新的基于事件的自适应固定时间控制策略，模糊逻辑系统用于逼近含有未知车身质量的中间控制函数，采用时变障碍李雅普诺夫函数技术来满足预定义的时变约束边界，保证了主动车辆悬架系统的稳定性和安全性。
22.3、本公开所述的方法、系统、介质或电子设备，基于李雅普诺夫函数稳定性理论和固定时间理论，证明了所得闭环系统的所有信号都是有界的，并且跟踪误差在固定时间内保持在小紧集中，提高了车辆悬架系统的整体控制精度。
23.本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。
附图说明
24.构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
25.图1为本公开实施例1提供的四分之一汽车的主动车辆悬架系统模型示意图。
26.图2为本公开实施例1提供的系统输出的轨迹和给定的参考轨迹示意图。
27.图3为本公开实施例1提供的事件触发控制器和时间触发控制器的曲线示意图。
28.图4为本公开实施例1提供的事件触发的时间间隔示意图。
29.图5为本公开实施例1提供的固定时间方案示意图。
30.图6为本公开实施例1提供的无固定时间方案示意图。
31.图7为本公开实施例1提供的有界的自适应函数的轨迹示意图。
具体实施方式
32.下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
33.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
34.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
35.在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
36.实施例1：
37.本公开实施例1提供了一种主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法，包括以下步骤：
38.获取主动车辆悬架系统的状态数据；
39.将获取的状态数据输入到预设的基于事件的自适应模糊控制模型中，根据输出的控制量控制主动车辆悬架实时跟踪给定轨迹；
40.其中，在固定时间中，主动车辆悬架系统的所有信号均为半全局一致最终有界，且车身垂直位移限制在随时间变化的上下边界内。
41.具体的，包括以下内容：
42.s1：系统描述及问题阐述
43.s1.1：问题表述和预备
44.基于力学分析，四分之一汽车的主动车辆悬架系统模型的动力学方程，如图1所示，可以描述为：
[0045][0046]
其中m
b
和m
us
分别表示车身质量和簧下质量，(1)中的力是由一些物理结构的刚度和阻尼产生的，它们可以表示为：
[0047][0048][0049]
其中d
s
和d
w
分别是指车身质量和非弹簧质量的位移。d
r
表示道路干扰输入。k
a
和k
t
代表刚度系数，c
a
和c
t
代表阻尼系数。u是主动车辆悬架系统的动态输入。x1＝d
s
代表车身的位移，代表车身的速度，x3＝d
w
代表簧下的位移，代表簧下的速度。
[0050]
可以将运动方程式(1)定义为以下方程式：
[0051][0052][0053]
在本实施例中，将垂直位移d
s
限制在|d
s
|≤k1(t)，其中k1(t)是已知的时变函数。
[0054]
本实施例的主要目的是为主动车辆悬架系统提出一种基于事件的自适应固定时
间控制策略，并实现以下控制性能：
[0055]
1)就乘客的舒适度而言，簧载质量的位移被约束在一个指定的时变的紧集内。
[0056]
2)在行驶安全方面，应将轮胎的动态负载限制为|f
w
+f
r
|≤(m
b
+m
us
)g，其中g表示重力加速度。
[0057]
3)为了实现整个系统的稳定性，悬架跨距不能超过悬架动态位移的极限，即|d
s
‑
d
w
|≤d
max
。
[0058]
4)设计一个基于事件触发机制的控制器，以便输出跟踪上期望的参考轨迹，并且，闭环系统中的所有信号在固定时间内都是半全局一致最终有界的。
[0059]
为了实现控制目标，提供了以下假设和引理。
[0060]
假设1：由于车辆结构和实际物理性能的限制，m
b
受m
bmin
<m
b
<m
bmax
的限制，其中m
bmin
和m
bmax
是正常数。
[0061]
假设2：存在正常数和使得和成立。
[0062]
假设3：存在正常数和使得不等式成立，其中y
d
是参考轨迹，同时，定义其中并且α1是稍后要设计的虚拟控制器。
[0063]
引理1：对于任何实数x1,x2,
…
,x
n
和0≤b≤1，有(|x1|+
…
+|x
n
|)
b
≤|x1|
b
+
…
+|x
n
|
b
。
[0064]
引理2：如果r∈(0,1)，则以下不等式成立：
[0065][0066]
引理3：给定具有x(0)＝x0，x∈r
n
且f:r
n
×
r
n
→
r
n
的系统假设原点为平衡点，v(x)表示v(x)＞0的光滑函数。
[0067]
如果以下不等式成立：
[0068][0069]
其中α，β，p和q是正实数，其中p∈(1,+∞)和q∈(0,1)。然后，可以说(1)的原点是固定时间稳定的，并且可以得出收敛时间：
[0070][0071]
其中t
fd
是相应系统的收敛时间。
[0072]
引理4：h(x)是定义在紧集ω上的任何连续函数，对于任意常数δ＞0，存在一个模糊逻辑系统φ
t
p(x)满足：
[0073][0074]
s1.2：模糊逻辑系统
[0075]
模糊逻辑系统的知识库由r
r
规则构成：如果x1为f
1r
并且x2为...，x
n
为则y为b
r
(r＝1,2,
…
,m)，其中x＝[x1,
…
,x
n
]
t
∈r
n
和y∈r分别是模糊系统的输入和输出。
和相对于f
ir
和b
r
。
[0076]
通过使用单点模糊化，中心平均去模糊化和乘积推断的策略，可以将模糊系统的输出公式表示为其中
[0077]
模糊基函数可定义为：
[0078][0079]
模糊逻辑系统可以重新写为：
[0080]
y(x)＝φ
t
p(x)。
[0081]
s2：控制器设计与稳定性分析
[0082]
s2.1：基于事件的自适应固定时间模糊控制器设计
[0083]
将为主动车辆悬架系统建立一种自适应的模糊固定时间控制方案。在反推控制设计中，含有未知车身体重的中间函数h(x)将由模糊逻辑系统来逼近。为了实现这一目标，将未知常数定义为η＝||φ
m
||2。设为η的估计值。然后，对于任何给定的有界初始条件η(t0)≥0，有η(t)≥0且
[0084]
根据坐标变换：z1＝x1‑
y
d
(t)，得出：
[0085]
构造以下李雅普诺夫函数为：
[0086][0087]
其中，ω
z1
＝{z1:|z1|<k
a
(t)}，而
[0088]
通过计算v1的导数，有：
[0089][0090]
虚拟控制器被设计为：
[0091][0092]
其中k
i
>0(i＝1,2)是要设计的参数，令时变增益λ(t)为：
[0093][0094]
(β＞0)
[0095]
[0096]
借助不等式其中并且∈1＞0，等式(5)可以重写为：
[0097][0098]
情况(7)可以进一步发展为：
[0099][0100]
基于坐标变换z2＝x2‑
α1，有：
[0101][0102]
其中，
[0103]
选择以下李雅普诺夫函数：
[0104][0105]
通过合并(8)，得到v2的导数为：
[0106][0107]
其中h(x)包含未知项m
b
，这意味着它不能用于设计实际
控制器。因此，根据引理4，存在一个模糊逻辑系统φ
t
p(x)，使得：
[0108]
h(x)＝φ
t
p(x)+ε
[0109]
其中，ε是有界近似误差，并且存在一个正常数满足
[0110]
利用杨氏不平等，可以得到：
[0111][0112]
其中，a表示一个正常数。
[0113]
将(11)代入到(10)中，获得：
[0114][0115]
设计自适应事件触发控制器为：
[0116][0117]
并且，自适应固定时间控制器u被设计为：
[0118][0119]
其中，k
j
＞0(j＝3,4)是要设计的参数。
[0120]
自适应参数给定为：
[0121][0122]
其中，σ1和是正常数。
[0123]
事件触发机制定义为：
[0124][0125]
其中，0<δ
u
<1，d和是正参数，使用和不使用事件触发方法的控制策略之间的测量误差为：
[0126][0127]
在时间间隔[t
k
,t
k+1
)中，控制信号保持为直到满足下一个触发条件(14)，并且控制输入u(t)将再次更新到
[0128]
根据触发条件(14)，有其中k
u1
(t)和k
u2
(t)是两个时变参数，满足|k
u1
(t)|≤1和|k
u2
(t)|≤1。
[0129]
因此，得到：
[0130][0131]
然后，可以将v2的导数计算为：
[0132][0133]
由于|k
u1
(t)|<1，|k
u2
(t)|<1，0<δ
u
(t)<1和∈3＞0有z2w/(1+k
u1
(t)δ
u
)≤z2w/(1+δ
u
)和|k
u2
(t)d/(1+k
u1
(t)δ
u
)|≤d/(1
‑
δ
u
)，然后，得到：
[0134][0135]
通过将(13)代入(16)，得出：
[0136][0137]
其中，
[0138]
定理1：基于假设1
‑
3的非线性主动车辆悬架系统(2)并设计自适应事件触发控制器(12)和参数自适应定律(13)，跟踪误差z1可以收敛到零点附近的小邻域在固定时间t
fd
中，主动车辆悬架系统的所有信号(即u,)均为半全局一致最终有界，并且垂直位移x1可以限制在随时间变化的上下边界内，即k1(t)和
‑
k1(t)。
[0139]
证明：对于(17)中的项，基于杨氏不等式，得到：
[0140][0141]
此外，通过选择σ
a
＞0，建立以下不等式：
[0142][0143]
然后获得：
[0144][0145][0146][0147]
因此，可以得到：
[0148][0149]
其中，基于(18)，情况(17)可以重新写为：
[0150][0151]
其中，c＝c1+c2。
[0152]
根据引理2，表达式(19)可以进一步写为：
[0153][0154]
定义：
[0155]
μ1＝min{k1,k2,k3,k4,σ
a
}，
[0156][0157]
通过使用引理1
‑
3，可以进一步获得：
[0158]
[0159]
因此，由于不等式且成立，因此能够获得v2的有界度。此外，可以认识到所有信号都是有界的。注意，当对于时，有
[0160]
根据(21)，得到：
[0161][0162]
根据引理3，v2可以在固定时间内收敛到集合并且收敛时间可以估算为：
[0163][0164]
根据(9)得到：
[0165][0166][0167]
根据(22)和(23)的定义，有|z
i
|<u(i＝1,2)，其中，
[0168]
因此，可以按照以下形式获得误差信号z
i
。
[0169]
υ＝{z
i
∈r||z
i
|<u},i＝1,2。
[0170]
在紧集υ中，由于x1＝z1+y
d
(t)，且可以得出然后，可以得出结论，状态x1满足预定的时变约束边界
‑
k1(t)和k1(t)。
[0171]
s2.2：零动态分析
[0172]
如前所述，证明了具有四阶误差动态特性的四分之一汽车主动车辆悬架系统的原始系统(1)的前两阶动态特性的稳定性。接下来，将根据定理1设计其余的二阶零动力学状态。
[0173]
将(15)代入(3)，可以得到动力学：
[0174][0175]
其中：
[0176]
[0177][0178][0179]
具有：
[0180][0181]
由于v是有界的，假设
[0182]
选择v＝x
t
bx作为李雅普诺夫函数，其中b是一个对称矩阵，且b＞0。接下来，得到：
[0183][0184]
容易证明a的特征值的实部为负，因此，a
t
b+ba＝
‑
q，其中q为对称矩阵，q＞0，注意到：
[0185]
2x
t
bυ≤τυ
t
υ+x
t
(a
t
b+ba)x/τ
[0186]
其中τ是一个正参数。此外，v的时间导数可以写成：
[0187][0188]
而且，存在λ
*
和ξ，使得：
[0189]
λ
*
≤
‑
λ
min
(b
‑
1/2
qb
‑
1/2
)+τ
‑1λ
min
(b),ξ≥τγ
t
γ。
[0190]
v的导数可以进一步写成：
[0191][0192]
因此，得到：
[0193][0194]
其中，可以得到和以下性能约束：
[0195][0196]
接下来，如果适当地调整参数τ和p，则可以保证控制目标(25)和(26)。
[0197]
为了实现车辆安全，需要将力限制在以下约束范围内：
[0198]
|f
w
+f
r
|≤|f
w
|+|f
r
|≤(m
b
+m
us
)g
ꢀꢀꢀ
(25)
[0199]
为了保持车辆的稳定性，应通过选择初始值来满足以下悬架空间条件：
[0200][0201]
根据以上分析，可以得出通过适当调整参数可以实现本文所有的控制目标。
[0202]
最后，为了避免芝诺现象，需要证明存在一个t
*
＞0满足根据测量误差有：
[0203][0204]
基于(12)，自适应事件触发控制器能够被再次写为：
[0205][0206]
由于中的所有信号有界，知道是一个连续函数。因此，存在一个常数ζ＞0满足由于e(t
k
)＝0且可以得出执行间隔t
*
的下界满足t
*
≥(|u(t)|+d)/ζ，因此，成功地排除了芝诺现象。
[0207]
s3：仿真实例
[0208]
为了验证针对主动车辆悬架系统提出的控制方法的有效性，选择以下参数：k
a
＝18000n/m，c
a
＝2400％ns/m，k
t
＝150000n/m，c
t
＝1000ns/m，m
b
＝320kg，m
bmin
＝300kg，m
bmax
＝1000kg和m
us
＝50kg。可以将路面的周期性扰动信号定义为d
r
＝0.02sin(10πt)。参考轨迹选择为y
d
(t)＝sin(0.5t)+0.5sin(t)。时变位移约束为k1(t)＝0.05sin(1.5t)+1.5。初始条件为x1(0)＝0.11，x2(0)＝x3(0)＝x4(0)＝0和
[0209]
仿真结果示于图2
‑
6中。系统输出y的轨迹和给定的参考轨迹y
d
(t)示于图2，这表
明可以保证良好的跟踪性能，并且车身x1的位移不违反预定义的约束
‑
k1(t)和k1(t)。
[0210]
图3分别显示了事件触发控制器和时间触发控制器u(t)的曲线。在图4中绘制了事件触发的时间间隔。为了显示提出的方案的有效性，在图5和图6中对固定时间方案和无固定时间方案进行了比较。从图5和6中可以看出，所提出的固定时间控制策略具有更好的跟踪性能。图7示出了有界的自适应函数的轨迹。根据图2
‑
图7，可以确认所设计的控制方法的有效性。
[0211]
实施例2：
[0212]
本公开实施例2提供了一种主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制系统，包括：
[0213]
数据获取模块，被配置为；获取主动车辆悬架系统的状态数据；
[0214]
模糊控制模块，被配置为：将获取的状态数据输入到预设的基于事件的自适应模糊控制模型中，根据输出的控制量控制主动车辆悬架实时跟踪给定轨迹；
[0215]
其中，在固定时间中，主动车辆悬架系统的所有信号均为半全局一致最终有界，且车身垂直位移限制在随时间变化的上下边界内。
[0216]
所述系统的工作方法与实施例1提供的主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法相同，这里不再赘述。
[0217]
实施例3：
[0218]
本公开实施例3提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例1所述的主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法中的步骤。
[0219]
实施例4：
[0220]
本公开实施例4提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例1所述的主动车辆悬架系统自适应固定时间事件触发模糊控制方法中的步骤。
[0221]
本领域内的技术人员应明白，本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本公开可采用硬件实施例、软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0222]
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0223]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0224]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0225]
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(read
‑
only memory，rom)或随机存储记忆体(random accessmemory，ram)等。
[0226]
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。