主動懸架控制策略介紹

1、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(jié)構(gòu)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(guān)的操縱穩(wěn)定性的影響也越來越大。因此,設(shè)計(jì)優(yōu)良的懸架系統(tǒng),對提高汽車產(chǎn)品質(zhì)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(yùn)動,比如啟動和制動時(shí)的俯仰、轉(zhuǎn)彎時(shí)的側(cè)傾等,另外還可以調(diào)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

2、被相繼研究出來，本文主要對這些方法進(jìn)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(jìn)行探討?！娟P(guān)鍵詞】 主動懸架 LQG控制器 單輪模型Introduction of active suspension control strategyAbstract 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 ve

3、hicle, 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 syste

4、m 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

5、 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 contr

6、oller on the optimal control algorithm is discussed.Key words Active suspension The LQG controller The single wheel model 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(shè)想將系統(tǒng)中的阻尼器移至車體與某固定的天棚之間。就主動懸架而言,也就是要求有執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)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(rèn)為是帶阻尼器

7、的雙質(zhì)量振動系統(tǒng),當(dāng)考慮到帶寬和系統(tǒng)的共振特性時(shí),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(shù),可徹底消除系統(tǒng)共振現(xiàn)象。1.2隨機(jī)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(biāo)及加權(quán)系數(shù),然后應(yīng)用控制理論求解出所設(shè)目標(biāo)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動環(huán)境是隨機(jī)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(biāo)描述，其中的加權(quán)系數(shù)代表各性能要求重要性

8、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(shè)計(jì)提供了非常完善的工具。1.3預(yù)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(jù)實(shí)時(shí)道路和車輛的狀態(tài)反饋而決定控制力,而預(yù)見控制方法卻對即將出現(xiàn)的情況加以考慮以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的控制性能。當(dāng)遇到較大或突變干擾時(shí),由于系統(tǒng)的能量供應(yīng)峰值和元件響應(yīng)速度的限制,很可能無法輸出所需的控制力而達(dá)不到希望的控制效果。而預(yù)見控制方法,由于通過某種方法提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(yīng)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(yīng)控制方法(Adaptiv

9、e Control) 自適應(yīng)懸架系統(tǒng)可看作一個(gè)可自動改變其控制律參數(shù)以適應(yīng)于車輛當(dāng)前的工作條件的控制系統(tǒng)。自適應(yīng)的基本思想是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前輸入的相關(guān)信息,從預(yù)先計(jì)算并存儲的參數(shù)中選取當(dāng)前最合適的控制參數(shù)。其設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是選擇能準(zhǔn)確、可靠地反映輸入變化的參考變量。只要變量選擇得當(dāng),控制器即可快速,方便地相應(yīng)改變控制參數(shù)以適應(yīng)當(dāng)前輸入變化。1.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(Neural Networks Control) 近年來,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方法已日益引起人們的重視,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)學(xué)習(xí),并行分布處理和較強(qiáng)的魯棒性、容錯(cuò)性等特點(diǎn),因此適合于對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行建模和控制。可以建立一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu),有兩個(gè)

10、子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其中一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于系統(tǒng)進(jìn)行在線辯識。在對被控對象進(jìn)行在線辯識的基礎(chǔ)上,應(yīng)用另一個(gè)具有控制作用的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),通過對控制網(wǎng)絡(luò)的權(quán)系數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整,控制器經(jīng)過學(xué)習(xí),對懸架系統(tǒng)進(jìn)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(yīng)用在車輛懸架系統(tǒng)中，其特點(diǎn)是允許控制對象沒有精確的數(shù)學(xué)模型，使用語言變量代替數(shù)字變量，在控制過程中包含有大量人的控制經(jīng)驗(yàn)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(qiáng)的路面激勵(lì)千擾下，仍能保持一定的控制效果，具有較強(qiáng)的魯棒性。1.7魯棒控制（Robust Control）在可控懸架上應(yīng)用魯棒控制是為了針對系統(tǒng)的

11、不確定性進(jìn)行懸架的分析和設(shè)計(jì)，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(jìn)行優(yōu)化，從而使系統(tǒng)在存在參數(shù)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(jìn)一步實(shí)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(gè)參數(shù)還是某些參數(shù)不確定性進(jìn)行的理論分析，都充分表明了魯棒控制理論在主動懸架設(shè)計(jì)方面的優(yōu)越性。2.本文研究內(nèi)容本文將主要對主動懸架的控制策略進(jìn)行了研究，通過建立懸架系統(tǒng)單輪車輛動力學(xué)模型，通過部分狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制方法的應(yīng)用，進(jìn)行主動懸架的最優(yōu)控制方面的研究。此外根據(jù)當(dāng)前的研究熱點(diǎn)并

12、結(jié)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(xiàng)性能指標(biāo)的均方根為衡量標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)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(lì)的構(gòu)造方法。2研究主動懸架的隨機(jī)線性最優(yōu)控制方法，討論全狀態(tài)反饋和非全狀態(tài)反饋的控制器設(shè)計(jì)方法。3分析主動懸架 PID 控制和模糊控，結(jié)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(jìn)行仿真分析，得出懸架的性能指標(biāo)實(shí)驗(yàn)數(shù)值。

13、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(shí)，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(nèi)產(chǎn)生高頻共振時(shí)的動態(tài)特性，更接近于汽車懸架系統(tǒng)的實(shí)際情況。圖1單車被動懸架模型 由此建立一個(gè)具有主動懸架系統(tǒng)的車輛動力學(xué)模型，如圖 1 所示。根據(jù)牛頓定律，得出系統(tǒng)的運(yùn)動方程為：路面輸入模型采用一個(gè)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(shù); 車輛前進(jìn)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

14、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 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(gè)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(gè)具有主動懸架系統(tǒng)的車輛動力學(xué)模型，如圖 1 所示。根據(jù)牛頓定律，得出系統(tǒng)的運(yùn)動方程為：路面輸入模型采用一個(gè)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(shù); 車輛前進(jìn)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： ；

15、 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(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)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(biāo)函數(shù) J 達(dá)到極小，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。LQG 控制是建立在系統(tǒng)理想模型基礎(chǔ)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(biāo)參數(shù)（系統(tǒng)狀態(tài)響應(yīng)和控制輸入）以加權(quán)二次標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)函數(shù) J 為輪胎動位移、懸架動行程和車身加速度的加權(quán)平方

16、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(quán)系數(shù)。選擇加權(quán)系數(shù)時(shí)，若輪胎動位移加權(quán)系數(shù) 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(biāo)準(zhǔn)二次型形式：式中：；最優(yōu)控制板反饋矩陣K由車輛參數(shù)和加權(quán)系數(shù)決定可以由黎卡提方程求出。根據(jù)任意時(shí)刻的反饋狀態(tài)量X，就可得出t時(shí)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(biāo)準(zhǔn)形式：因?yàn)?，所以有故：結(jié)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(jié)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(jié)論：由仿真結(jié)果可知，在輪胎動位移基本相同的情況下，所設(shè)計(jì)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(jié)果還表明，其懸架動行程同時(shí)也被很好地