[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

权利要求书

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。