主動(dòng)懸架控制策略介紹

主動(dòng)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(duì)于與行駛速度密切相關(guān)的操縱穩(wěn)定性的影響也越來(lái)越大。因此,設(shè)計(jì)優(yōu)良的懸架系統(tǒng),對(duì)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(lái)已久，懸架系統(tǒng)按照控制原理和控制功能可以分為被動(dòng)、半主動(dòng)、主動(dòng)懸架,這些懸架在性能上有很大的差別。由于主動(dòng)懸架不但能很好地隔離路面振動(dòng),而且能控制車身運(yùn)動(dòng),比如啟動(dòng)和制動(dòng)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(guò)性。因此對(duì)主動(dòng)懸架的研究吸引了一大批工程師對(duì)其投入研究，各種控制方法和作動(dòng)器也被相繼研究出來(lái)，本文主要對(duì)這些方法進(jìn)行一些簡(jiǎn)介，以供同行參考研究并對(duì)其中的最優(yōu)控制算法的控制器進(jìn)行探討?！娟P(guān)鍵詞】主動(dòng)懸架LQG控制器單輪模型IntroductionofactivesuspeAbstractSuspensionisoneofthemostimportantpartsinthemodernautomobile,thesuspensionstructure,notonlylargelydeterminesthequalityandridecomfortofthevehicle,withthevehiclespeed,closelyrelatedtothespeedofhandlingandstabilityandhavegreaterinfluence.Therefore,itisveryimportanttodesignagoodsuspensionsystemtoimprovethequalityofautomotiveproducts.Suspensionsystemhasbeenstudiedforalongtime.Thesuspensionsystemcanbedividedintopassive,semi-activeandactivesuspensionaccordingtothecontrolprincipleandcontrolfunction.Theactivesuspensioncannotonlywellisolatedvibration,butalsocancontrolthebodymotion,suchaspitchingandturningstartingandbrakingwhentheroll,alsocanadjustbodyheight,increasethecarinbadroadthroughsex.Sotheresearchofactivesuspensionhasattractedalargenumberofengineersforitsinvestmentinresearch,variouscontrolmethodsandactuatorshavebeenstudiedinthispaper,someofthesemethods,forreferenceandResearchonLQGcontrollerontheoptimalcontrolalgorithmisdiscussed.KeywordsActivesuspensionTheLQGcontrollerThesinglewheelmodel.主動(dòng)懸架的幾種控制策略天棚阻尼器控制方法6女丫卜。。卜Control)天棚阻尼器控制理論是由Karnopp提出,在主動(dòng)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(dòng)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(dòng)絕對(duì)速度成比例的控制力來(lái)衰減車體的振動(dòng)。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架可以認(rèn)為是帶阻尼器的雙質(zhì)量振動(dòng)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(dòng)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)控制方法化訪62「QuadraticGaussian)通過(guò)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(duì)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(dòng)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。預(yù)見(jiàn)控制方法(ForecastControl)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(jiàn)控制方法卻對(duì)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(wú)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(jiàn)控制方法,由于通過(guò)某種方法提前檢測(cè)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。自適應(yīng)控制方法(AdaptiveControl)自適應(yīng)懸架系統(tǒng)可看作一個(gè)可自動(dòng)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(chǔ)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。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(NeuralNetworksControl)近年來(lái),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(duì)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)子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其中一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于系統(tǒng)進(jìn)行在線辯識(shí)。在對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行在線辯識(shí)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(guò)對(duì)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(guò)學(xué)習(xí),對(duì)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。模糊控制(FuzzyControl)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(duì)象沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型，使用語(yǔ)言變量代替數(shù)字變量，在控制過(guò)程中包含有大量人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，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。魯棒控制(RobustControl)在可控懸架上應(yīng)用魯棒控制是為了針對(duì)系統(tǒng)的不確定性進(jìn)行懸架的分析和設(shè)計(jì)，也就是說(shuō)，在保證閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，對(duì)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(cè)量噪聲和外界擾動(dòng)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(wú)論針對(duì)簡(jiǎn)單的四分之一車模型，或是二分之一車模型，還是針對(duì)考慮了液壓做作動(dòng)器動(dòng)態(tài)特性的整車模型；無(wú)論是針對(duì)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(dòng)懸架設(shè)計(jì)方面的優(yōu)越性。.本文研究?jī)?nèi)容本文將主要對(duì)主動(dòng)懸架的控制策略進(jìn)行了研究，通過(guò)建立懸架系統(tǒng)單輪車輛動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)部分狀態(tài)反饋的最優(yōu)控制方法的應(yīng)用，進(jìn)行主動(dòng)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)并結(jié)合廣為使用的PID控制探討主動(dòng)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(guò)濾波高斯白噪聲輸入，給出幾種主動(dòng)懸架控制能力的對(duì)比分析。本文具體研究?jī)?nèi)容如下：1．分別建立基于被動(dòng)懸架和主動(dòng)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(dòng)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(dòng)懸架PID控制和模糊控，結(jié)合PID控制研究主動(dòng)懸架的PID控制策略。4．利用MATLAB-SIMULINK建立仿真模型，對(duì)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。.基于被動(dòng)懸架的1/4車輛二自由度模型分析懸架對(duì)行駛平順性的影響時(shí)，一般采用所示的兩自由度振動(dòng)模型，它既能反映車身部分的0.5-2HZ動(dòng)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(dòng)態(tài)特性，更接近于汽車懸架系統(tǒng)的實(shí)際情況。x=(x',x',x,x,x)g則可得到狀態(tài)空間方程：其中：A：X'=AX+BWY=CX+DWbwbwoK-t機(jī)doK_￡機(jī)拉o--K--￡機(jī)片，機(jī)。o

c_￡機(jī)c-機(jī)or1

co可?！孤桑贸鱿到y(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：可?！孤?，得出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：B：圖1單車被動(dòng)懸架模型由此建立一個(gè)具有主動(dòng)懸架系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。根據(jù)牛頓定Mx''：—K(x—x)+C(x'—x')sbwsbwmx''：K(x—x)-K(x—x)+K(x—xwsbwtwgsb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：x,:—2時(shí)x+2兀GUwC：0g00式中：x——路面位移；gG0一路面不平度系數(shù);D：U0一車輛前進(jìn)速度;w——均值為零的高斯白噪聲；Csm0b0000Csm0bKsm1bKsm—1b—Kt0f0——下截至頻率。路面輸入模型采用高斯白噪聲輸入矩陣為w=(w(t)),被動(dòng)懸架系統(tǒng)的狀態(tài)變量圖如圖2.3所示。選取x,xw,,x'b,x'w,x圖如圖2.3所示。則狀態(tài)向量x為:圖3-2仿真框圖圖3-3車身加速度圖3-4圖3-2仿真框圖圖3-3車身加速度圖3-4懸架動(dòng)行程圖3-5輪胎動(dòng)位移律，得出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程為：Mx''=U—K(x—x)asbwmx--U+K(x—x)-K(x—x)wasbwtwg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：x'=—2對(duì)x+2兀GUw

g0g00式中：x——路面位移；gG——路面不平度系數(shù);0U——車輛前進(jìn)速度；0w——均值為零的高斯白噪聲；f——下截至頻率。0.主動(dòng)懸架的單輪模型基于主動(dòng)懸架的1/4車輛的二自由度模型采用用一個(gè)作動(dòng)器U取代了阻尼器，如圖2所示。

選取xb,xw,xb,xw,xg為狀態(tài)變量，則狀態(tài)向量x為：x-(x',x',x,x,x)

bwbwg則可得到狀態(tài)空間方程：圖2主動(dòng)控制懸架系統(tǒng)其中：X’-AX+BU+FW0000A100100KK--s—smmKKbK-s-stmm0w0w00000-f0由此建立一個(gè)具有主動(dòng)懸架系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)模型，如圖1所示。根據(jù)牛頓定值較大，則是出于提高乘坐舒適性考慮。將m1b(2-1m1b(2-1)式改寫(xiě)為標(biāo)準(zhǔn)二次型形式：m0wJ=lim』T[XtQX+UtRU+2XtNU]dt式中：加GU0路面輸入模型采用高斯白噪聲輸入矩m路面輸入模型采用高斯白噪聲輸入矩m2b陣為攻=(攻(t))，輸入矩陣為U=(U(t))。a車輛主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)之一，就是尋

最優(yōu)控制板反饋矩陣K由車輛參數(shù)和找能替車輛提供良好性能的控制規(guī)律。LQG

加權(quán)系數(shù)決定可以由黎卡提方程求出。根據(jù)控制器就是尋求控制向量U使目標(biāo)函數(shù)J

任意時(shí)刻的反饋狀態(tài)量X,就可得出t時(shí)刻達(dá)到極小，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。LQG控制是

的最優(yōu)控制力U，即U(t)=—KX建立在系統(tǒng)理想模型基礎(chǔ)上的,對(duì)系統(tǒng)要求

下面我們將狀態(tài)空間方程化為如下的如下：如下：標(biāo)準(zhǔn)形式：1.系統(tǒng)傳遞特性是線性的(Linear)；X=AX+BU2．系統(tǒng)的性能指標(biāo)參數(shù)(系統(tǒng)狀Y=CX+DU態(tài)響應(yīng)和控制輸入)以加權(quán)二次標(biāo)準(zhǔn)型

因?yàn)閁=-KX，所以有33．系統(tǒng)輸入是符合高斯分布(Quadratic)的形式表示;

X=AX-BKX+FW二(A-BK)X+FW故：故：(Gaussiandistributed)的白噪聲;4．系統(tǒng)各種狀態(tài)均可測(cè)。

A=(A—BK);B=F;上述主動(dòng)懸架系統(tǒng)中，LQG控制器目標(biāo)C=C—DK;D=0加速度的加權(quán)平方和的積分值,即：其中q1，加速度的加權(quán)平方和的積分值,即：其中q1，q2q3，分別為輪胎動(dòng)位移、懸架動(dòng)結(jié)合matlab仿真模型圖如下圖所示圖4-2系統(tǒng)仿真框圖函數(shù)J為輪胎動(dòng)位移、懸架動(dòng)行程和車身J=lim1JT[q(%—%)2+q(%—%)+q(%-)2]dt

T-8T01wg2bw3b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(dòng)位移加權(quán)系數(shù)取值較大,則

仿真結(jié)果如下圖所示：懸架系統(tǒng)主要是考慮提高操縱穩(wěn)定性,若取圖4-3車身加速度圖4-4懸架動(dòng)行程圖4-5輪胎動(dòng)位移結(jié)論：由仿真結(jié)果可知，在輪胎動(dòng)位移基本相同的情況下，所設(shè)計(jì)的最優(yōu)主動(dòng)懸架顯著