主动悬架控制策略介绍

主动悬架控制策略介绍【摘要】悬架是现代汽车最重要的组成之一,悬架结构的选用,不但在很大程度上决定了汽车平顺性的优劣,而且随着汽车速度的提高,对于与行驶速度密切相关的操纵稳定性的影响也越来越大。

因此,设计优良的悬架系统,对提高汽车产品质量有着极其重要的意义。

悬架系统的研究由来已久，悬架系统按照控制原理和控制功能可以分为被动、半主动、主动悬架,这些悬架在性能上有很大的差别。

由于主动悬架不但能很好地隔离路面振动,而且能控制车身运动,比如启动和制动时的俯仰、转弯时的侧倾等,另外还可以调节车身的高度,提高轿车在恶劣路面的通过性。

因此对主动悬架的研究吸引了一大批工程师对其投入研究，各种控制方法和作动器也被相继研究出来，本文主要对这些方法进行一些简介，以供同行参考研究并对其中的最优控制算法的LQG控制器进行探讨。

【关键词】主动悬架LQG控制器单轮模型
Introduction of active suspension control strategy Abstract Suspension is one of the most important parts in the modern automobile, the suspension structure, not only largely determines the quality and ride comfort of the vehicle, with the vehicle speed, closely related to the speed of handling and stability and have greater influence. Therefore, it is very important to design a good suspension system to improve the quality of automotive products. Suspension system has been studied for a long time. The suspension system can be divided into passive, semi-active and active suspension according to the control principle and control function. The active suspension can not only well isolated vibration, but also can control the body motion, such as pitching and turning starting and braking when the roll, also can adjust body height, increase the car in bad road through sex. So the research of active suspension has attracted a large number of engineers for its investment in research, various control methods and actuators have been studied in this paper, some of these methods, for reference and Research on LQG controller on the optimal control algorithm is discussed.
Key words Active suspension The LQG controller The single wheel model
1.主动悬架的几种控制策略
1.1天棚阻尼器控制方法(Skyhook Control)
天棚阻尼器控制理论是由Karnopp提出,在主动悬架的控制系统中被广泛采用。

天棚阻尼器控制设想将系统中的阻尼器移至车体与某固定的天棚之间。

就主动悬架而言,也就是要求有执行机构产生一个与车体的上下振动绝对速度成比例的控制力来衰减车体的振动。

传统的被动悬架可以认为是带阻尼器的双质量振动系统,当考虑到带宽和系统的共振特性时,传统被动悬架性能不能令人满意。

但带天棚阻尼器的汽车悬架,只要合理选择参数,可彻底消除系统共振现象。

1.2随机最优控制方法(Linear Quadratic Gaussian)
通过建立系统的状态方程式提出控制目标及加权系数,然后应用控制理论求解出所设目标下的最优控制方案。

较天棚阻尼器控制方法而言,它对系统中更多的变量的影响加以考虑,因而控制效果更好[14-17]。

一方面由于在不平路面上行驶的汽车所处的振动环境是随机的，其路面速度的输入可以看作是滤波高斯白噪声；相互冲突的悬架系统诸性能要求也可以用二次型性能指标描述，其中的加权系数代表各性能要求重要性程度。

另一方面是由于LQG理论为状态反馈和输出反馈控制系统的设计提供了非常完善的工具。

1.3预见控制方法(Forecast Control)
天棚阻尼器控制方法和最优控制都是根据实时道路和车辆的状态反馈而决定控制力,而预见控制方法却对即将出现的情况加以考虑以进一步提高系统的控制性能。

当遇到较大或突变干扰时,由于系统的能量供应峰值和元件响应速度的限制,很可能无法输出所需的控制力而达不到希望的控制效果。

而预见控制方法,由于通过某种方法提前检测到前方道路的状态和变化,使系统有余的采取相应的措施,有可能降低系统的能量消耗且大幅度改善系统控制性能,取得一举两得的效果。

1.4自适应控制方法(Adaptive Control)
自适应悬架系统可看作一个可自动改变其控制律参数以适应于车辆当前的工作条件的控制系统。

自适应的基本思想是根据系统当前输入的相关信息,从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。

其设计的关键是选择能准确、可靠地反映输入变化的参考变量。

只要变量选择得当,控制器即可快速,方便地相应改变控制参数以适应当前输入变化。

1.5神经网络控制(Neural Networks Control)
近年来,采用神经网络的控制方法已日益引起人们的重视,神经网络具有自适应学习,并行分布处理和较强的鲁棒性、容错性等特点,因此适合于对复杂系统进行建模和控制。

可以建立一种神经网络自适应控制结构,有两个子神经网络,其中一个神经网络对于系统进行在线辩识。

在对被控对象进行在线辩识的基础上,应用另一个具有控制作用的神经
网络,通过对控制网络的权系数进行在线调整,控制器经过学习,对悬架系统进行在线控制，使系统输出逐渐向期望值逼近。

1.6模糊控制（Fuzzy Control）
模糊控制已被应用在车辆悬架系统中，其特点是允许控制对象没有精确的数学模型，使用语言变量代替数字变量，在控制过程中包含有大量人的控制经验和知识，与人的智能行为相似。

模糊控制的悬架系统在较强的路面激励千扰下，仍能保持一定的控制效果，具有较强的鲁棒性。

1.7鲁棒控制（Robust Control）
在可控悬架上应用鲁棒控制是为了针对系统的不确定性进行悬架的分析和设计，也就是说，在保证闭环系统各回路稳定的条件下，对系统进行优化，从而使系统在存在参数变化、建模误差、测量噪声和外界扰动输入的情况下，保证闭环系统的稳定性，并进一步实现系统的鲁棒性能。

无论针对简单的四分之一车模型，或是二分之一车模型，还是针对考虑了液压做作动器动态特性的整车模型；无论是针对某个参数还是某些参数不确定性进行的理论分析，都充分表明了鲁棒控制理论在主动悬架设计方面的优越性。

2.本文研究内容
本文将主要对主动悬架的控制策略进行了研究，通过建立悬架系统单轮车辆动力学模型，通过部分状态反馈的最优控制方法的应用，进行主动悬架的最优控制方面的研究。

此外根据当前的研究热点并结合广为使用的PID 控制探讨主动悬架的PID 控制。

本文将利用MATLAB-SIMULINK建立了系统的仿真模型，以悬架的三项性能指标的均方根为衡量标准，通过滤波高斯白噪声输入，给出几种主动悬架控制能力的对比分析。

本文具体研究内容如下：
1．分别建立基于被动悬架和主动悬架车辆单轮模型，研究路面激励的构造方法。

2．研究主动悬架的随机线性最优控制方法，讨论全状态反馈和非全状态反馈的控制器设计方法。

3．分析主动悬架PID 控制和模糊控，结合PID控制研究主动悬架的PID 控制策略。

4．利用MATLAB-SIMULINK 建立仿真模型，对不同的控制策略进行仿真分析，得出悬架的性能指标实验数值。

3. 基于被动悬架的1/4 车辆二自由度模型
分析悬架对行驶平顺性的影响时，一般采用所示的两自由度振动模型，它既能反映车身部分的0.5-2HZ 动态特性，也反映了车轮部分在10-16HZ 范围内产生高频共振时的动态特性，更接近于汽车悬架系统的实际情况。

图1单车被动悬架模型
由此建立一个具有主动悬架系统的车辆动力学模型，如图 1 所示。

根据牛顿定律，得出系统的运动方程为：
)
((K -()
)(Mx t ''''
'
'w b s g w w b s w w
b s w b s x x K x x x x K m x x x C x x K -+--=-+--=））（路面输入模型采用一个符合高斯（正态）布的滤波白噪声，即：
w U G x f x g g 000'22ππ+-=
式中：
g x ——路面位移；
0G ——路面不平度系数; 0U ——车辆前进速度；
w ——均值为零的高斯白噪声； 0f ——下截至频率。

选取g w
b
w b x x x x x ,,,,''
为状态变量，
则状态向量x 为：
),,,,('
'g w b w b x x x x x x =
则可得到状态空间方程：
DW
CX Y BW AX +=+='X 其中：
⎥⎥⎥⎥⎥
⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
⎡-+-=020
0001000001-C C 0-
C C -
A f m K m K K m K m m m K m K m m w t w t s w s w s w s b s b s b s b s π ⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤
⎢⎢⎢⎢
⎢⎢⎣
⎡=V G B 0200
00
π；
⎥⎥⎥⎥⎥
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢
⎢⎢⎢⎣
⎡---=00
000011000011000K -K -C C -C t t b s b s
b s
b s K K m m m m ；⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡=00000D ；
路面输入模型采用高斯白噪声输入矩阵为))((t w w =，被动悬架系统的状态变量
图如图 2.3 所示。

图3-2 仿真框图
图3-3车身加速度
图3-4 悬架动行程
图3-5 轮胎动位移
4.主动悬架的单轮模型
基于主动悬架的1/4 车辆的二自由度模型采用用一个作动器U 取代了阻尼器，如图2所示。

图2 主动控制悬架系统
由此建立一个具有主动悬架系统的车辆动力学模型，如图 1 所示。

根据牛顿定律，得出系统的运动方程为：
）
）
g
w
w
b
s
a
w
w
b
s
a
x
x
x
x
K
U
m x
x
x
K
U
-
-
+
-
=
-
-
=
(
K
-
(
)
(
Mx
t
''
''
路面输入模型采用一个符合高斯（正态）分布的滤波白噪声，即：
w
U
G
x
f
x
g
g0
'2
2π
π+
-
=
式中：
g
x——路面位移；
G——路面不平度系数;
U——车辆前进速度；
w——均值为零的高斯白噪声；
f——下截至频率。

选取g
w
b
w
b
x
x
x
x
x,
,
,
,'
'
为状态变量，则状态向量x为：
)
,
,
,
,
('
'
g
w
b
w
b
x
x
x
x
x
x=
则可得到状态空间方程：
FW
BU
AX+
+
='X
其中：
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎥
⎦
⎤
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
⎡
-
+
=
2
1
1
-
-
A
f
m
K
m
K
K
m
K
m
K
m
K
w
t
w
t
s
w
s
b
s
b
s
π
⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣⎡-=00011w b m m B ；
⎥⎥⎥⎥
⎥⎥⎦
⎤⎢⎢⎢⎢⎢⎢⎣
⎡
=U G F 020000
π； 路面输入模型采用高斯白噪声输入矩阵为))((t w w =，输入矩阵为))(U U t a （=。

车辆主动悬架设计的关键任务之一，就是寻找能替车辆提供良好性能的控制规律。

LQG 控制器就是寻求控制向量 U 使目标函数 J 达到极小，从而实现最优控制。

LQG 控制是建立在系统理想模型基础上的，对系统要求如下：
1.系统传递特性是线性的（Linear ）； 2．系统的性能指标参数（系统状态响应和控制输入）以加权二次标准型（Quadratic ）的形式表示；
3．系统输入是符合高斯分布（Gaussian distributed ）的白噪声；
4．系统各种状态均可测。

上述主动悬架系统中，LQG 控制器目标函数 J 为轮胎动位移、悬架动行程和车身加速度的加权平方和的积分值，即：
dt x q x x q x x q T J b T w b g w T ])(()([1lim
2
''0
3221⎰+-+-=∞→）其中3,21,q q q , 分别为轮胎动位移、悬架动行程和车身加速度的加权系数。

选择加权系数时，若轮胎动位移加权系数取值较大，则悬架系统主要是考虑提高操纵稳定性，若取
值较大，则是出于提高乘坐舒适性考虑。

将（2-1）式改写为标准二次型形式：
dt
NU X RU U QX X J T
T T T T ⎰++=∞→0
]2[lim 式中：
2
1
b
m R =；⎥⎥⎥
⎥
⎥⎥
⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎢
⎢⎣⎡-=0001N 2s s b K K m
最优控制板反馈矩阵K 由车辆参数和加权系数决定可以由黎卡提方程求出。

根据任意时刻的反馈状态量X ，就可得出t 时刻的最优控制力a U ，即KX t U a -=)(
下面我们将状态空间方程化为如下的标准形式：
⎩⎨
⎧+=+=U
D X C Y U B X A X 1111 因为KX U -=，所以有
故：
;;);(1111=-==-=D DK C C F B BK A A
结合matlab 仿真模型图如下图所示
图4-2 系统仿真框图
仿真结果如下图所示：
FW
X BK -A FW BKX -AX X +=+=∙
）（
图4-3车身加速度
图4-4 悬架动行程
图4-5 轮胎动位移
结论：
由仿真结果可知，在轮胎动位移基本相同的情况下，所设计的最优主动悬架显著的降低了车身的垂向振动加速度，与被动悬架相比，主动悬架系统的仿真结果还表明，其悬架动行程同时也被很好地控制在设计要求范围内，意味着许用的悬架工作空间的道理更充分的利用
参考文献:
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