车辆主动悬架LQG控制器的设计与仿真分析

引言
车辆悬架系统性能的好坏对车辆的乘坐舒适性 和行驶稳定性有着重要的影响 = 传统的被动悬架系 统 在其刚度和阻 尼 确 定 后 就 不 能 再 改 变 而车辆系 统 本 身会由于承 载 质 量 < 行驶速度以及路面条件等 因 素的改变而发 生 变 化 因而被动悬架已经不能很 好满足车辆性能改善的需要 = 主动悬架具有外部能 它能 够 根 据 车 辆 的 行 驶 状 态 和 路 面 状 况 源 的输入 做 出主动的响应 产生相应的作动力与外部的激励 相平衡 从而能够使车辆处于良好的工作状态 提高 车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性 = 作为主动力发生器的车辆主动悬架的设计也就 是 其控制算法的 设 计 国内外专家在这方面做了很 多 的研究 众多 控 制 方 法 和 策 略 也 都 应 用 到 了 车 辆 主动悬架控制这一领域 = 最优控制中的线性二次型
a a 为 作 动 器 控 制 力X > ‘6 = b!X b#> 为 输 入 白 噪 @ # 声X \为 系 统 矩 阵 X ]为 控 制 矩 阵 X _为 路 面 输 入 矩
阵 Z 其中 W W W W A! W W W W W W W W
a a
W " F4 AB @ W " I L B @ J W = B 7B > " FC @ N @ @ W W W W
TS 63 A3 S 63 TS 63 S 6 X Y 63 R 3 M C @ R O 4 5 C 5 R P C 5 R V 5 @ R ! W 5 5 R ! 作为状态变量 Z把系统的运动学方程写为状态方 R ! W T 程 形式 [ 其 中 [6 = 6\ 7_ X X X X [7] ^ ‘X R R R R ! # D E a X X X X X > 为 系 统 状 态 变 量X X R R R R R R ^6 = @ H M O P V ! W !
AB " FC W N @ @
" FC W A8 B " FC AB N 5 5 N 5 5
hW !" F
W ! " F4 W AL " I W A! " FC W J @
4
W A! " FC W W 5
i
d f W W W W W W W W # cl j k W W W 6 _ eW W W W W W W W g W # cl j k W W ! i 输出 矩 阵为 m 取矩 阵 n为 ! 的方法是让白噪声通过一成形滤波器 h 所以前 S 后 6n X W p! W的 单 X [7o ^ 位阵 X 也即是 m 车轮受到的路面激励为 6[Z o 为零矩阵 X q r s 路面模型的建立 在 分 析 悬 架 系 统 的 动 态 特 性 时X 路面模型的建 万方数据 立是一个重要部分 Z 这里 X 生成随机路面不平度轮廓 T 6A# 7# j k R c @ R cl b! V W V W W T6A# 7# j k R c @ R cl b# ! W W ! W W W
K J
= # > = D > = E > = H >
QQ 后轴受到的路面垂向激励 3 5 5 QQ 车辆质心处的垂向位移 3 U T 令 R6 3 S S S S R6 3 R6 ; R6 ; R6 3 A 3 S
! # D E H 4 @ C @
6L = A3 > A8 = A3 > AL 78 M > I; B 3 B 3 @ @ @ 4 @ C @ 5 4 5 C 5 ! # = G 6AB 7L 7= 7B > A3 > A 3 3 B ; B 3 FC @ C @ N @ N @ @ N @ = 4 @ C @ 7B @ 3 ! N @ 5 @ G6AB A8 7= 7B> A3 > A FC 3 3 B ; B 3 5 C 5 N 5 N 5 5 N 5 = 4 5 C 5 式中 7B @ 3 # N 5 5 5 QQ ! " #车身质量 F4 d W W W W 6 \ W W W e 6 ] W ! W W W ! ! W W W W W W W W L B " FC N @ @ W W W 8 " I J W W W ! W AL W 8 W W W W = O > = P >
B C D E F GH G IJ E KL M H N E O GP G H M Q D E D O R ’ ( )S O G N T O M M C TO R P U N E V CJ L D W C G D E O G
. 2 :X Y p9q 2 : Z [ \ ] ^ _ ‘ a b \cb ^ d ]e\ f b gb h i j k l b g m ] ^ n o Z r a ] ^ _ a ] i s i ] b f b ^ _t ^ i u k v w i f n o P x D N T H U N , !y A$ 2 z 8Y { | 4 2 : {2z Y 2 {7 : } 9 3 8Y { | 4 ~| z | | ! 3 2 5 4 7 ! " | {5 2 ! | {Y :3 " | Y } 3 7 82 4 y Y : 3 z Y 4 3 " | Y z # ’A ! ~" 7 y "~2 !9 ! | {3 Y{ | ! 7 $ :2. /0 y Y : 3 z Y 4 4 | z Y % 2 9 3 Y 8Y 5 7 4 |2 y 3 7 & |! 9 ! } | : ! 7 Y : # ! 3 | 8! 7 89 4 2 3 7 Y : , ’q 8Y { | 45 2 ! | {Y : 12 3 4 2 5 6 7 89 4 7 : ;| : & 7 z Y : 8| : 3 ~2 !5 9 7 4 32 : {9 ! | {% Y z! 7 89 4 2 3 7 Y : Y 9 z -5 -} -! } | z % Y z 82 : y |7 : { | ( | ! Y { #2 y y | 4 | z 2 3 7 Y : 7 3 y "2 : $ 4 |2 y y | 4 | z 2 3 7 Y : 9 ! } | : ! 7 Y :{ # : 2 87 y3 z 2 & | 4 2 : { ’) -~| 3 7 z |{ " # : 2 87 y{ | % 4 | y 3 7 Y : z |y Y 8} 2 z | { |! 7 89 4 2 3 7 Y :z | ! 9 4 3 !{ | 8Y : ! 3 z 2 3 | {3 " 2 33 " |2 y 3 7 & | ! 9 ! } | : ! 7 Y : ~7 3 " 2. /0 y Y : 3 z Y 4 4 | zy Y 9 4 {7 8} z Y & |2 9 3 Y 8Y 5 7 4 |z 7 { 7 : $y Y 8% Y z 3} | z % Y z 82 : y | ’ | : Y z 8Y 9 ! 4 # -Ay -. -6 Q+ O T I D ,| " 7 y 4 | 3 7 & |! 9 ! } | : ! 7 Y : /0 y Y : 3 z Y 4 4 | z 7 89 4 2 3 7 Y : *C
K
后轴悬挂质量垂向位移 63 78 <3 78 3 9 % : ; ; 4 5 作用在前轴悬挂质量处的垂向合力 6AB = A3 > 7@ ? 3 @ @ 4 @ C @ ! 作用在后轴悬挂质量处的垂向合力 6AB = A3 > 7@ ? 3 5 5 4 5 C 5 # 系统的运动方程为 G = A3 > AB = A3 > 7@ 7@ 6AB 3 3 F4 3 @ 4 @ C @ 5 4 5 C 5 ! #
对于 & 后轮受到的路面激励可以 ’ (车 辆 模 型 ) 延迟时间 * 认为是前轮激励的时间延迟 ) ,’ . + % "
图! ! " #车辆模型示意图 ’ ! ! " #( $ % & ) * % + , )-. / ) , 0 % & 1 2 )
QQ 车辆仰俯角的角加速度 ; B @QQ 前悬架弹簧刚度 QQ 后悬架弹簧刚度 B 5 QQ 后轮弹簧刚度 B B N @QQ 前轮弹簧刚度 N 5 3 C @QQ 前轴非悬挂质量的垂向位移 QQ 后轴非悬挂质量的垂向位移 3 C 5 3 5 @QQ 前轴受到的路面垂向激励
Z $ o
收稿日期 >! " " ! " - " 兰 波 广州本田汽车公司研发中心 硕士 -& 万 方数据 $ " . " " 广州市 喻 凡 上海交通大学汽车工程研究所 教授 博士生导师 -! " " " % " 上海市
! E
农
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#WWE年
FC @QQ 前轴非悬挂质量 QQ 后轴非悬挂质量 FC 5 I JQQ 车辆绕 J轴的转动惯量 QQ 前轴到车辆质心处的距离 L QQ 后轴到车辆质心处的距离 8 QQ 前轴主动悬架控制力 @ ! QQ 后轴主动悬架控制力 @ # QQ Hale Waihona Puke Baidu辆仰俯角 ;
= V >
= ! W >
第 &期
兰波 等 g车辆主动悬架 5 67 控制器的设计与仿真分析
& L
式中
## 下截止频率 ! " ## 车速 % "
## 路面不平度系数 $ "
## 后轴悬挂质量垂向加速度加权系数 @ ( ## 前轮轮胎动位移加权系数 @ F ## 后轮轮胎动位移加权系数 @ K ## 前轴悬架动挠度加权系数 @ L ## 后轴悬架动挠度加权系数 @ M 因为大部分车辆的悬挂质量 分配系 数在 " P Q R 之 间 接 近 于 所 以 可 以 近 似 认 为 前 后 轴 上 方 & P ( ) & ) 的 悬 挂 质 量 SC 和 垂向方向的运动相互影响很 SC ! E
/ 主动悬架系统和控制系统的建立
/ 0 / 悬架系统的建立 车 辆 悬 架 系 统 是 一 个 多 输 入 多 输 出 系 统为了
研究 的方便 以及 更 好 地 与 车 辆 行 驶 的 情 况 相 吻 合 -
本文 以具 有 #自 由 度 的 $ , !车 辆 模 型 为 研 究 对 象 车辆模型如图 $所示 = 前轴悬挂质量垂向位移 2‘ 3] 5‘ 3] ‘ ! 7 : 4 4 w 1
控制算法能够通 o . /0Z . 7 : | 2 z/9 2 { z 2 3 7 y0 2 9 ! ! 7 2 : 过 给出 所需的 最 优 控 制 指 标 确定系统状态变量和 控制变 量的 加权 矩 阵 以使得该控制指标取得最小 值= 在车辆主动悬架设计中 可以由不同的性能需要 来提出不同的目标函数 确定相应的加权矩阵 也即 . /0 方 法 可 以 通 过 综 合 考 虑 车 辆 悬 架 系 统 中 的 各 种因素来达到对车辆性能的改善 =
车辆主动悬架 ’ ( ) 控制器的设计与仿真分析
兰 波 喻 凡
摘要+ 通过建立 $ 应用最优控制理论进行了车辆主动悬架的 . * , !车 辆 模 型 和 路 面 输 入 模 型 /0 控 制 器 的 设计并 在 12 将主< 被动悬架的车身加速度< 仰俯角加速度< , 3 4 2 5 6 7 89 4 7 : ;环 境 中 建 立 系 统 模 型 并 进 行 仿 真 模 拟 悬 架动挠度及车轮动位移 #项指标进行了对比分析 =仿真结果表明 具有 . /0 控制器的主动悬架对车辆行驶平顺 性和乘坐舒适性的改善有良好的效果 = 关键词 >车辆 主动悬架 中图分类号 >?# @ % . /0 控制器 仿真 文献标识码 >A
W AB " F4 5 W A8 B " I 5 J W W W = B 7B > " FC 5 N 5 5 W W
W W W W W W A! W W W
W W W W W B " FC N @ @ W W A# c @ W W
W f W W W W W W B " FC N 5 5 W g A# c @ W
!""#年 $月
农 业 机 械 学 报
第 % &卷 第 $期
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