第1章 绪论

第一节 研究背景及意义

现代汽车应用的广泛性与普及性的大幅提高，使人们对汽车安全性、舒适性、易于操纵性以及智能化程度提出了更高的要求，人-车关系发生了本质的转变。研究者提出了“人-车-路”大闭环主动控制的概念，这一概念是现代车辆研究设计的新型理念，它的实现需要车辆动力学与控制理论的紧密结合。长期以来，人们一直习惯按纵向、垂向和横向分别独立研究车辆动力学问题，而实际中的车辆同时受到三个方向的输入，各方向所表现的运动响应特性必然是相互作用、相互耦合的。随着计算机技术和动力学分析软件的发展，人们已经有能力将三个方向的动力学问题结合起来进行研究，能够研究更复杂的工况以及具有非线性、不确定等多种因素影响的高维、复杂的系统。目前对于车辆动力学的研究可分为纵向动力学、行驶动力学及操纵动力学三个方面，而考虑悬架特性的车辆动力学模型是属于行驶动力学范畴，与之有关的主要性能和参数是悬架工作行程、人的乘坐舒适性、车体的姿态控制，因而悬架系统减振控制设计的目标就是为驾驶员和乘客提供良好的乘坐舒适性、车身姿态以及行驶安全性^[1-8]。

20世纪90年代以后，随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的控制单元（Electronic Control Unit，ECU）日益增多^[9,10]，虽然控制单元的增加提高了汽车的动力性、经济性和舒适性，但是由此带来的信号传输线束根数和线径的急剧增加势必会导致控制单元端子数增加、线路复杂、故障率增多、汽车工作的可靠性降低、电磁兼容性变差等一系列的问题，因此，汽车制造商考虑了一种全新的组织车载控制单元、传输和共享车载信号的方式——车载网络技术^[11-15]。车载网络技术是多处理器之间相互连接、协调工作并共享信息的一种“协同工作”方式，它将控制单元的功能更加集成化，并且通过使用多路传输技术使得信号以总线的形式传输来达到信息资源共享的目的，不仅简化了线路、提高了各控制单元之间的通信速度，而且降低了汽车故障发生的频率，因而各大汽车生产商先后都采用了车载网络技术。1986—1989年，德国Robert Bosch公司提出了汽车车载局域网基本协议，即现在众所周知的控制器局域网（Control Area Network，CAN）协议，CAN网络是目前世界范围内最成功的车用网络，虽然此后日本也提出了各种网络方案，并且丰田、日产、三菱、本田及马自达公司都已经处于批量生产阶段，但事实上其他国家，特别是欧洲的厂家则采用CAN。在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等车型都将CAN作为电子控制单元联网的手段，由于我国中高级轿车主要以欧洲车型为主，所以欧洲车型应用最广泛的CAN技术也是国产轿车引进的主要技术项目。全车CAN网络主要分为三个部分：用于系统动力总成的高速CAN网络（速率达500kbit/s）、用于车身系统和用于舒适系统的低速CAN网络（速率为100kbit/s），其中动力总成CAN网络是用于连接所有动力系统的控制单元，主要包括：发动机控制单元，自动变速器控制单元，ESP/ABS控制单元，EPS控制单元，悬架系统控制单元，胎压报警控制单元，整车控制单元。悬架系统为高速CAN车载网络系统，其具有较高的传输速率、突出的可靠性和优良的扩展性等优点，图1.1为CAN总线空气悬架控制系统的组成及其布置图，如图所示，悬架ECU为主节点，其他节点为子节点，即高度传感器节点、弹簧压力测试节点、电磁阀控制节点、车速采集节点、ABS节点，CAN总线系统采用广播模式实现悬架系统与整车的通信。由于通信网络的介入，CAN网络也不可避免地遇到一些问题，如建模问题、控制器设计问题等。

建模问题。在车载网络控制系统中，由于微处理器只能处理数字信号，而将信号传输给微处理器的传感器多数产生的是模拟信号，对于微处理器将控制命令传达到的执行器，既有需要用数字信号驱动的，又有需要用模拟信号驱动的，所以在这种情况下就要采用采样系统的方式建模。以往对于采样系统设计控制器时，是使用直接将控制器和系统离散化的方法^[16-18]，但是这种方法对于具有较高传输速度和采样频率的数字网络控制系统其缺点也逐渐显现：即随着采样频率的增高，离散化系统会出现极限环振荡和不稳定状态，出现这种情况的原因是，对于连续系统的系统矩阵，当采样周期很小时其离散化系统矩阵趋向于单位矩阵，显然离散化系统不趋向于原连续系统了，相反还导致采样系统所有极点位于稳定的边界上，致使系统稳定性变差。对此，20世纪80年代，Goodwin等提出采用delta算子方法来离散化连续系统，由此得到的delta域系统矩阵在采样时间很小时趋向于连续系统矩阵，也即在快速采样情形下其离散模型趋于原连续模型，可见，delta算子不仅避免了离散化引起的数值不稳定问题，又使得连续域的各类设计方法可拓展于delta域，统一了连续时间模型和采样时间模型的描述^[19-21]。但是这种优越性仅对于线性系统表现明显，对于非线性系统，非线性（尤其是强非线性）因素对系统稳定性的影响相比较于线性部分占主导地位，因而上述两种采样系统建模方式都不理想，尤其是对于高传输速率和高采样率的CAN网络。

网络时滞问题。网络时滞是极为普遍的^[22-24]，构成网络诱导时滞的主要因素有：数据包排队等待时滞、信息产生时滞、传输时滞和数据处理、计算时滞等。时滞会减低系统的性能，使系统的稳定范围变小，甚至使系统不稳定。网络诱导时滞的形式主要取决于网络系统所采用的媒体访问控制方式。例如，在CAN总线网络中采用带有信息优先级仲裁的载波监听多路访问协议，每个节点要发送的数据信息都规定有优先级，当多个节点同时访问网络时，具有较高优先级的节点可以不中断地连续发送，具有较低优先级的节点数据被终止发送，当网络空闲时再发送，因此CAN网络不会出现节点冲突，也不会发生网络拥塞；并且节点传输数据的时滞是随机、有界的，当网络传输周期和发送时刻已知时，两节点之间的时滞是确定的常值^[24]（因此，本书采用已知常量时滞进行研究）。时滞系统的分析与综合一直是国内外专家学者的研究焦点之一^[25-37]，其原因一是由于时滞系统属于泛函微分方程，其解空间是无限维的，求解过程复杂、困难；其二，时滞的介入会使原来稳定的系统变为不稳定系统，对悬架系统而言则是引起轮跳、混沌、不合拍等现象。振动控制系统中的时滞问题非常普遍，不容忽视，在此背景下，一系列解决方法踊跃发表，例如应用于车辆悬架系统的时滞控制、自适应控制、鲁棒控制^[29-37]等。

由此可见，CAN高速网络环境下悬架系统减振控制的研究是一个具有理论价值和现实意义的课题。本书以基于车载CAN网络环境下的汽车悬架系统为背景，研究了具有时滞、非线性特性、不确定性等多因素影响的悬架系统动力学建模、状态空间表达式建模、主动和半主动减振控制器的设计和仿真验证。本书的研究成果对于时滞非线性系统非线性控制器的设计和汽车悬架减振控制的研究在理论和应用方面具有一定参考价值。