整车高维非线性振动状态观测算法研究

Semi-active/active suspension system has been a feasible solution of the contradiction between vehicle ride comfort ability and road holding ability. But most of the control strategies require the full vehicle vibration states to be known, while it's unable to get all the states relying only on the sensors. This has become the key obstacle of improving and popularizing the suspension control systems..Aiming at the strong nonlinearity and states observing for multidimensional nonlinear vibration system, this research will mainly focus on the deep study of the states observing algorithm for full vehicle multidimensional nonlinear vibration system..Firstly, through the experiment and theoretic analysis of nonlinearity of the suspension system, a full vehicle multidimensional nonlinear vibration model will be established for the observing algorithm research. Then, according to the work characteristic of the vibration state observing algorithm, the feedback linearization output function and coordinate transfer frame will be designed based on the differential geometry theory, in order that the multidimensional nonlinear vibration model can be accurately linearized. Then, in the linear space the observing algorithm feedback function can be designed utilizing the linear system theory, the designed feedback function will be transferred back to the nonlinear space in the further step. Finally, combining the theoretic study and experiment data, a sprung-mass parameter estimation method will be prompted. So that the observing model can realize the online self-turning to improve the observing accuracy. This research work will provide the theoretic and technical foundation for the development of the domestic high-performance semi-active/active suspension system.

半主动/主动悬架系统是解决车辆行驶平顺性和操纵稳定性矛盾的可行方案，但大多的控制策略需要整车振动状态已知，单纯依赖传感器难以完全获得，已经成为制约悬架控制系统性能与推广应用的关键问题。.针对整车悬架系统强非线性以及高维非线性振动系统的状态观测等核心问题，本项目将着重研究高维非线性振动状态观测算法。.首先，通过悬架系统非线性特性的试验与理论分析，建立面向观测算法的整车高维非线性振动模型；进而，根据振动状态观测算法的工作特性，基于微分几何理论，设计反馈线性化输出函数及坐标变换系，实现高维非线性振动模型的精确线性化；然后，在线性空间中利用线性系统理论设计观测算法反馈函数，并将反馈函数逆变换至非线性空间中；最后，结合理论研究与试验数据，提出簧载质量分布参数在线估计方法，基于此提出观测模型的在线校正方法，提高观测精确。研究将为自主开发性能优良的半主动/主动悬架系统提供理论与技术基础。

悬架系统主动控制是解决车辆平顺性和操稳性矛盾的有效方案，大多的控制策略需要已知整车振动状态，但部分振动状态难以测量得到，成为制约悬架控制系统性能的关键问题，有必要针对整车悬架系统强非线性以及高维非线性振动系统的状态观测算法理论进行深入的研究。.项目的主要研究内容及取得的重要结果如下：.（1）建立整车高维非线性振动系统模型，模型中充分考虑弹性元件、阻尼元件等主要部件的非线性特性，利用数值仿真方式，分析整车高维非线性振动系统的振动特性，对振动特性影响较小的非线性元件从模型中简化，建立了7个自由度14个状态变量的整车高维非线性振动模型，并与商业软件整车动力学模型进行了对比，在随机路面输入和脉冲激励输入下，整车振动响应非常吻合，验证了模型了正确性和精确性，为后续观测算法的推导奠定了基础；.（2）基于微分几何理论，针对整车非线性振动系统，构造恰当的输出函数和可观指数，通过李导数和李代数运算，推导坐标变换函数式，实现了整车非线性振动模型变换为线性空间坐标系下的整车线性振动模型，并推导证明了线性化系统在不同测量变量选取情况下的可观测性和观测器线性化问题的可解性，进而，针对线性空间下的整车线性振动模型，设计状态观测算法，并经坐标逆变换，推导得到了原坐标系下的非线性状态观测算法，仿真验证了所设计的基于反馈线性化的整车高维非线性振动状态观测算法的有效性；.（3）基于线性卡尔曼滤波算法，设计了车身簧载质量参数估计算法，能够观测得到当前的簧载质量参数，并反馈给整车高维非线性振动状态观测算法，增强观测算法的鲁棒性，提高观测精度；.（4）基于Dspace搭建了整车试验平台进行了随机路面道路试验，通过实车试验，进一步验证了所提出的整车高维非线性振动状态观测算法的有效性，观测算法能够准确观测得到车身的质心垂向速度、俯仰角速度、侧倾角速度、车轮垂向速度等关键振动状态信息，为半主动/主动悬架控制算法的实施提供了可靠的状态信息。.项目执行期间撰写SCI论文6篇，其中已发表4篇，已录用2篇。撰写EI论文并发表4篇。.项目研究实现了具有非线性悬架系统的整车振动状态观测，并进行了实车试验验证，为我国自主研发半主动/主动悬架控制系统提供了坚实的理论与技术基础。