主動懸架控制策略介紹

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1、 真誠為您提供優(yōu)質參考資料，若有不當之處，請指正。 主動懸架控制策略介紹 【摘要】 懸架是現(xiàn)代汽車最重要的組成之一,懸架結構的選用,不但在很大程度上決定了汽車平順性的優(yōu)劣,而且隨著汽車速度的提高,對于與行駛速度密切相關的操縱穩(wěn)定性的影響也越來越大。因此,設計優(yōu)良的懸架系統(tǒng),對提高汽車產品質量有著極其重要的意義。懸架系統(tǒng)的研究由來已久，懸架系統(tǒng)按照控制原理和控制功能可以分為被動、半主動、主動懸架,這些懸架在性能上有很大的差別。由于主動懸架不但能很好地隔離路面振動,而且能控制車身運動,比如啟動和制動時的俯仰、轉彎時的側傾等,另外還可以調節(jié)車身的高度,提高轎車在惡劣路面的通過性。因此對主動懸架

2、的研究吸引了一大批工程師對其投入研究，各種控制方法和作動器也被相繼研究出來，本文主要對這些方法進行一些簡介，以供同行參考研究并對其中的最優(yōu)控制算法的LQG控制器進行探討。 【關鍵詞】 主動懸架 LQG控制器 單輪模型 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 determi

3、nes 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 stu

4、died 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

5、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 method

6、s, 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 / 12 1.主動懸架的幾種控制策略 1.1天棚阻尼器控制方法(Skyhook Control) 天棚阻尼器控制理論是由Karnopp提出,在主動懸架的控制系統(tǒng)中被廣泛采用。天棚阻尼器控制設想將系統(tǒng)中的阻尼器移至車體與某固定的天棚之間。就主動

7、懸架而言,也就是要求有執(zhí)行機構產生一個與車體的上下振動絕對速度成比例的控制力來衰減車體的振動。傳統(tǒng)的被動懸架可以認為是帶阻尼器的雙質量振動系統(tǒng),當考慮到帶寬和系統(tǒng)的共振特性時,傳統(tǒng)被動懸架性能不能令人滿意。但帶天棚阻尼器的汽車懸架,只要合理選擇參數,可徹底消除系統(tǒng)共振現(xiàn)象。 1.2隨機最優(yōu)控制方法(Linear Quadratic Gaussian) 通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程式提出控制目標及加權系數,然后應用控制理論求解出所設目標下的最優(yōu)控制方案。較天棚阻尼器控制方法而言,它對系統(tǒng)中更多的變量的影響加以考慮,因而控制效果更好[14-17]。一方面由于在不平路面上行駛的汽車所處的振

8、動環(huán)境是隨機的，其路面速度的輸入可以看作是濾波高斯白噪聲；相互沖突的懸架系統(tǒng)諸性能要求也可以用二次型性能指標描述，其中的加權系數代表各性能要求重要性程度。另一方面是由于LQG理論為狀態(tài)反饋和輸出反饋控制系統(tǒng)的設計提供了非常完善的工具。 1.3預見控制方法(Forecast Control) 天棚阻尼器控制方法和最優(yōu)控制都是根據實時道路和車輛的狀態(tài)反饋而決定控制力,而預見控制方法卻對即將出現(xiàn)的情況加以考慮以進一步提高系統(tǒng)的控制性能。當遇到較大或突變干擾時,由于系統(tǒng)的能量供應峰值和元件響應速度的限制,很可能無法輸出所需的控制力而達不到希望的控制效果。而預見控制方法,由于通過某種方法提

9、前檢測到前方道路的狀態(tài)和變化,使系統(tǒng)有余的采取相應的措施,有可能降低系統(tǒng)的能量消耗且大幅度改善系統(tǒng)控制性能,取得一舉兩得的效果。 1.4自適應控制方法(Adaptive Control) 自適應懸架系統(tǒng)可看作一個可自動改變其控制律參數以適應于車輛當前的工作條件的控制系統(tǒng)。自適應的基本思想是根據系統(tǒng)當前輸入的相關信息,從預先計算并存儲的參數中選取當前最合適的控制參數。其設計的關鍵是選擇能準確、可靠地反映輸入變化的參考變量。只要變量選擇得當,控制器即可快速,方便地相應改變控制參數以適應當前輸入變化。 1.5神經網絡控制(Neural Networks Control) 近年

10、來,采用神經網絡的控制方法已日益引起人們的重視,神經網絡具有自適應學習,并行分布處理和較強的魯棒性、容錯性等特點,因此適合于對復雜系統(tǒng)進行建模和控制。可以建立一種神經網絡自適應控制結構,有兩個子神經網絡,其中一個神經網絡對于系統(tǒng)進行在線辯識。在對被控對象進行在線辯識的基礎上 ,應用另一個具有控制作用的神經網絡,通過對控制網絡的權系數進行在線調整,控制器經過學習,對懸架系統(tǒng)進行在線控制，使系統(tǒng)輸出逐漸向期望值逼近。 1.6模糊控制（Fuzzy Control） 模糊控制已被應用在車輛懸架系統(tǒng)中，其特點是允許控制對象沒有精確的數學模型，使用語言變量代替數字變量，在控制過程中包含有

11、大量人的控制經驗和知識，與人的智能行為相似。模糊控制的懸架系統(tǒng)在較強的路面激勵千擾下，仍能保持一定的控制效果，具有較強的魯棒性。 1.7魯棒控制（Robust Control） 在可控懸架上應用魯棒控制是為了針對系統(tǒng)的不確定性進行懸架的分析和設計，也就是說，在保證閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，對系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而使系統(tǒng)在存在參數變化、建模誤差、測量噪聲和外界擾動輸入的情況下，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并進一步實現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒性能。無論針對簡單的四分之一車模型，或是二分之一車模型，還是針對考慮了液壓做作動器動態(tài)特性的整車模型；無論是針對某個參數還是某些參數不確定性進行的理論分析，都充分表明了魯棒控制

12、理論在主動懸架設計方面的優(yōu)越性。 2.本文研究內容 本文將主要對主動懸架的控制策略進行了研究，通過建立懸架系統(tǒng)單輪車輛動力學模型，通過部分狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制方法的應用，進行主動懸架的最優(yōu)控制方面的研究。此外根據當前的研究熱點并結合廣為使用的 PID 控制探討主動懸架的 PID 控制。本文將利用 MATLAB-SIMULINK建立了系統(tǒng)的仿真模型，以懸架的三項性能指標的均方根為衡量標準，通過濾波高斯白噪聲輸入，給出幾種主動懸架控制能力的對比分析。 本文具體研究內容如下： 1．分別建立基于被動懸架和主動懸架車輛單輪模型，研究路面激勵的構造方法。 2．研究主動懸架的隨機線性最優(yōu)控制方法，

13、討論全狀態(tài)反饋和非全狀態(tài)反饋的控制器設計方法。 3．分析主動懸架 PID 控制和模糊控，結合PID控制研究主動懸架的 PID 控制策略。 4．利用 MATLAB-SIMULINK 建立仿真模型，對不同的控制策略進行仿真分析，得出懸架的性能指標實驗數值。 3. 基于被動懸架的 1/4 車輛二自由度模型 分析懸架對行駛平順性的影響時，一般采用所示的兩自由度振動模型，它既能反映車身部分的 0.5-2HZ 動態(tài)特性，也反映了車輪部分在 10-16HZ 范圍內產生高頻共振時的動態(tài)特性，更接近于汽車懸架系統(tǒng)的實際情況。 圖1單車被動懸架模型 由此建立一個具有主動懸架系統(tǒng)的車輛動

14、力學模型，如圖 1 所示。根據牛頓定律，得出系統(tǒng)的運動方程為： 路面輸入模型采用一個符合高斯（正態(tài)）布的濾波白噪聲，即： 式中： ——路面位移； ——路面不平度系數; ——車輛前進速度； ——均值為零的高斯白噪聲； ——下截至頻率。 選取 為狀態(tài)變量，則狀態(tài)向量x為： 則可得到狀態(tài)空間方程： 其中： ；；； 路面輸入模型采用高斯白噪聲輸入矩陣為 ，被動懸架系統(tǒng)的狀態(tài)變量圖如圖 2.3 所示。 圖3-2 仿真框圖 圖3-3車身加速度 圖3-4

15、懸架動行程 圖3-5 輪胎動位移 4.主動懸架的單輪模型 基于主動懸架的 1/4 車輛的二自由度模型采用用一個作動器U 取代了阻尼器，如圖2所示。 圖2 主動控制懸架系統(tǒng) 由此建立一個具有主動懸架系統(tǒng)的車輛動力學模型，如圖 1 所示。根據牛頓定律，得出系統(tǒng)的運動方程為： 路面輸入模型采用一個符合高斯（正態(tài)）分布的濾波白噪聲，即： 式中： ——路面位移； ——路面不平度系數; ——車輛前進速度； ——均值為零的高斯白噪聲； ——下截至頻率。 選取 為狀態(tài)變量，則狀態(tài)向量x

16、為： 則可得到狀態(tài)空間方程： 其中： ；； 路面輸入模型采用高斯白噪聲輸入矩陣為，輸入矩陣為。車輛主動懸架設計的關鍵任務之一，就是尋找能替車輛提供良好性能的控制規(guī)律。LQG 控制器就是尋求控制向量 U使目標函數 J 達到極小，從而實現(xiàn)最優(yōu)控制。LQG 控制是建立在系統(tǒng)理想模型基礎上的，對系統(tǒng)要求如下： 1.系統(tǒng)傳遞特性是線性的（Linear）； 2．系統(tǒng)的性能指標參數（系統(tǒng)狀態(tài)響應和控制輸入）以加權二次標準型（Quadratic）的形式表示； 3．系統(tǒng)輸入是符合高斯分布（Gaussian distributed）的白噪聲； 4

17、．系統(tǒng)各種狀態(tài)均可測。 上述主動懸架系統(tǒng)中，LQG 控制器目標函數 J 為輪胎動位移、懸架動行程和車身加速度的加權平方和的積分值，即： 其中 , 分別為輪胎動位移、懸架動行程和車身加速度的加權系數。選擇加權系數時，若輪胎動位移加權系數 取值較大，則懸架系統(tǒng)主要是考慮提高操縱穩(wěn)定性，若 取值較大，則是出于提高乘坐舒適性考慮。將（2-1）式改寫為標準二次型形式： 式中： ； 最優(yōu)控制板反饋矩陣K由車輛參數和加權系數決定可以由黎卡提方程求出。根據任意時刻的反饋狀態(tài)量X，就可得出t時刻的最優(yōu)控制力，即 下面我們將狀態(tài)空間方程化為如下的標準形式： 因為，所以有 故：

18、 結合matlab仿真模型圖如下圖所示 圖4-2 系統(tǒng)仿真框圖 仿真結果如下圖所示： 圖4-3車身加速度 圖4-4 懸架動行程 圖4-5 輪胎動位移 結論： 由仿真結果可知，在輪胎動位移基本相同的情況下，所設計的最優(yōu)主動懸架顯著的降低了車身的垂向振動加速度，與被動懸架相比，主動懸架系統(tǒng)的仿真結果還表明，其懸架動行程同時也被很好地控制在設計要求范圍內，意味著許用的懸架工作空間的道理更充分的利用 參考文獻: [1]楊永柏. 汽車主動懸架控制策略與仿真研究[D].中南林學院,2003. [2]邵瑛. 車輛主動懸架控制策略的仿真研究[D].南京農業(yè)大學,2003. [3]王磊. 汽車主動懸架控制策略的研究[D].浙江工業(yè)大學,2003. [4]張衍成. 基于Matlab/Simulink的車輛主動懸架模糊控制仿真研究[D].遼寧工業(yè)大學,2014. [5]孫夏娜. 主動懸架控制策略研究與仿真分析[D].湖南大學,2008. [6]張正. 汽車主動懸架控制策略及仿真研究[D].青島理工大學,2012. 溫馨提示：最好仔細閱讀后才下載使用，萬分感謝！