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具有预设跟踪性能的主动悬架系统鲁棒解耦滑模控制

2025-4-25 16:18

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具有预设跟踪性能的主动悬架系统鲁棒解耦滑模控制

编辑荐语

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主动悬架系统在提升乘坐舒适性和道路抓地力方面具有重要意义，但由于系统欠驱动特性，难以同时优化两者间的性能权衡。此外，现有方法中最优控制和全状态约束设计通常需要复杂的参数选择，滑模控制则易引发抖振等问题。针对上述挑战，本文将围绕时变切换增益鲁棒解耦滑模控制方法（TVSG-RDSMC）展开研究，通过将系统解耦为两个子系统，并引入预设时间扩展扰动观测器（PT-EDO）以实现高精度扰动估计和抖振减小。

Robust decoupled sliding mode control for active suspension systems with prescribed tracking performance具有预设跟踪性能的主动悬架系统鲁棒解耦滑模控制

Jiawei Peng1 · Xiaodong Shi2 · Yinlong Hu1

机构：1 河海大学人工智能与自动化学院；2 南京电子技术研究所

引用：Peng, J., Shi, X. & Hu, Y. Robust decoupled sliding mode control for active suspension systems with prescribed tracking performance. Control Theory Technol. (2025). https‍://doi.org/10.1007/s11768-025-00248-8

全文链接：https://rd‍cu.be/egC3W

团队介绍：河海大学胡银龙教授团队长期从事惯容(inerter)系统分析与控制、智能控制理论及在漂浮式风电、智慧能源系统中的应用研究工作。发表高水平论文60余篇，其中第一作者/通讯作者SCI论文40余篇。出版学术专著3部。以授权发明专利20余项。承担国家自然科学基金项目（面上、青年）、江苏省自然科学基金项目、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金-智能电网联合基金重点项目、国网公司科技项目等科研项目20余项。胡银龙教授论文总被引2400余次（Google Scholar），个人H指数18。获2024年江苏省自动化学会青年科技奖，担任江苏省自动化学会理事、中国自动化学会终身会员、中国人工智能学会终身会员和江苏省自动化学会控制理论及应用专委会委员、期刊Franklin Open编委等。

摘要

本文针对主动悬架系统（ASS）提出了一种鲁棒解耦滑模控制（RDSMC）方法，以平衡乘坐舒适性与道路抓地力之间的权衡。ASS 被解耦为两个子系统：一个是与乘坐舒适性相关的簧载质量子系统，另一个是与道路抓地力相关的非簧载质量子系统，这对应于两个预设性能的跟踪问题。随后，通过将非簧载质量滑模面引入簧载质量的控制中，设计了一种集成控制律。为减少抖振并稳定子系统，设计了一种预设时间扩展扰动观测器（PT-EDO），从而实现了具有时变切换增益的 RDSMC（TVSG-RDSMC）。数值仿真表明，所提出的 TVSG-RDSMC 能够有效提升乘坐舒适性和道路抓地力，同时显著降低抖振现象。

引言

主动悬架系统（Active Suspension Systems, ASSs）因其在解决系统不确定性和约束方面的卓越性能而受到广泛关注。

为了通过有效隔离路面不平整性来提高乘客的舒适性，跟踪控制技术已被广泛应用于主动悬架系统。在相关研究中，一些工作采用了预设性能函数来改善主动悬架系统的乘坐舒适性。例如，一项研究提出了一个预设性能跟踪控制器，另一项研究实现了在任意初始条件下的有限时间预设性能跟踪控制。然而，仅考虑车身的预设性能是不够的。

由于主动悬架系统属于欠驱动系统，某些性能难以同时改善，需在不同性能之间进行平衡。主动悬架系统设计中的一大挑战在于平衡乘坐舒适性与道路抓地力性能。典型的主动悬架系统控制方法通过调节车身状态来确保乘坐舒适性，同时对其他状态进行零动态分析以实现整体系统的稳定性。最优控制通过多目标优化来平衡主动悬架系统中的权衡问题。然而需要注意的是，优化问题中的权重分配是一项复杂的决策过程。有研究引入了一个加权设计因子来反映乘坐舒适性与安全性之间的平衡，并提出了一种基于自适应扰动观测器的实用终端滑模控制（ADO-TSMC）算法。此外，另一项研究探讨了一类电磁主动悬架系统的全状态约束问题。虽然通过建立全状态约束可以解决权衡问题，但在一个控制器中引入这些约束需要对参数进行精心选择。与上述研究不同，本文将主动悬架系统的权衡问题直观地转化为簧载质量位移（影响乘坐舒适性）和非簧载质量位移（影响道路抓地力）的预设性能跟踪控制，从而避免了最优控制和全状态约束控制中复杂的参数设计和计算过程。

解耦滑模控制（Decoupled Sliding Mode Control，DSMC）是滑模控制（Sliding Mode Control，SMC）的一种特殊形式，在平衡乘坐舒适性与道路抓地力之间的权衡方面具有潜力。DSMC 的主要思想是将整个系统解耦为两个子系统，每个子系统都有一个由滑模面表示的单独控制目标。通过将次要目标的信息引入主要目标中，可以通过控制主要目标的滑模面实现整个系统的控制目标。在相关研究中，有学者分别提出了时变 DSMC 和基于模糊的 DSMC。此外，还有研究结合DSMC与自适应反馈线性化，提出了一种混合最优控制器。另有研究提出了一种基于扰动观测器的DSMC，用以解决输入饱和和控制奇异性的问题。需要注意的是，DSMC 尚未被充分应用于主动悬架系统设计。此外，SMC 中遇到的抖振问题为主动悬架系统设计带来了进一步的困难。一种常见的做法是向 SMC 中引入扰动观测器以降低切换增益。在此基础上，本文利用文献 [24] 中的预设时间扩展扰动观测器（Prescribed-Time Extended Disturbance Observer，PT-EDO），设计了一种新颖的时变切换增益以减少抖振。

本文提出了一种具有簧载质量和非簧载质量运动预设跟踪性能的时变切换增益鲁棒解耦滑模控制（Time-Varying Switching Gain Robust Decoupled Sliding Mode Control，TVSG-RDSMC）。通过将主动悬架系统分解为两个子系统，提出了一种解耦策略，并设计了一种不对称变量变换，将整个主动悬架系统设计问题转化为两个解耦的跟踪问题。针对这些跟踪问题分别设计了两个滑模面，同时将非簧载质量的滑模变量引入簧载质量的动力学中以确保稳定性。此外，为估计扰动设计了 PT-EDO，其设定时间可以在不受初始条件影响的情况下预先指定。本文提出的 TVSG-RDSMC 的主要贡献如下：

与现有结果不同，本文同时考虑了两个子系统的预设跟踪性能。通过对主动悬架系统的两个子系统实施预设跟踪性能，实现了乘坐舒适性与道路抓地力之间的权衡。
为解决欠驱动问题并对两个子系统施加约束，本文提出了一种用于主动悬架系统的 DSMC 方法。该方法无需进行零动态分析，即可同时考虑乘坐舒适性与道路抓地力。
首次将 PT-EDO 与 DSMC 结合用于扰动补偿。基于其预设时间收敛和对扰动的高精度估计性能，设计了时变切换增益以减少系统抖振。

[24] Hu, Y., Cai, X., Peng, J., & Shi, S. (2023). Prescribed-time output stabilization for mismatched uncertain systems using statefeedback control based on extended disturbance observer. Automatica, 157, 111244.

（原文Fig.1） 四分之一车辆主动悬挂系统

结论

本文提出了一种基于预设时间扩展扰动观测器（PT-EDO）的时变切换增益鲁棒解耦滑模控制（TVSG-RDSMC）用于四分之一车辆（quarter-car）主动悬架系统，并实现了预设跟踪性能。主动悬架系统被分解为两个子系统，即簧载质量子系统和非簧载质量子系统。通过两个性能函数和不对称变量变换实现了预设跟踪性能。针对解耦的子系统分别设计了两个滑模面，并基于簧载质量滑模面的等效控制设计了控制律，其中将非簧载质量滑模面引入控制律以实现间接控制。同时，建立了一个 PT-EDO 用于估计未知扰动，从而减少抖振并稳定子系统。最后，通过数值仿真验证了所提方法的有效性。

作者介绍

彭佳薇

2022年获得河海大学自动化专业学士学位，目前正在攻读控制理论与控制工程专业硕士学位。她的研究方向包括非线性控制理论及其在欠驱动机械系统中的应用。

施晓东

1998年获得东南大学应用数学学士学位，2007年获得南京理工大学软件工程硕士学位。目前，他是南京电子技术研究所的高级工程师。他的研究方向包括信息系统总体技术和信息融合处理技术。

胡银龙

分别于2010年和2016年在南京理工大学自动化学院获得电气工程及其自动化学士学位和控制科学与工程博士学位。他目前是河海大学人工智能与自动化学院的教授、博士生导师、副院长。他的研究方向包括振动控制、非线性控制理论及其在机电系统中的应用。

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Control Theory and Technology (CTT), 中文名《控制理论与技术》, 创刊于2003年，原刊名为Journal of Control Theory and Applications，2014年刊名更改为Control Theory and Technology。由华南理工大学与中国科学院数学与系统科学研究院联合主办，主要报道系统控制科学中具有新观念、新思想的理论研究成果及其在各个领域中的应用。目前被 ESCI (JIF 1.7)、EI、Scopus (CiteScore 3.1，更新于2025年4月5日)、CSCD、INSPEC、ACM 等众多数据库收录, 并于2013–2018年获得两期中国科技期刊国际影响力提升计划项目资助。2017–2021年连续获得“中国最具国际影响力学术期刊”和“中国国际影响力优秀学术期刊”称号，获得广东省高水平科技期刊建设项目(2021-2024年)，2022-2024年进入中国科协自动化学科领域高质量科技期刊目录。

官网：https://link.springer.com/journal/11768 (即http://www.springer.com/11768)

https://jcta.ijournals.cn/cta_en/ch/index.aspx

投稿：https://mc03.manuscriptcentral.com/ctt

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