车辆主动悬架最优控制.docx

车辆主动悬架的控制研究

悬架是汽车的重要装置之一，它对汽车的平顺性、操纵稳定性、通过性等多种使用性能有着很大的影响。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。目前，汽车上普遍采用的是弹性元件和减震器组成的常规悬架，从控制力学的角度，将这种悬架称为被动悬架。实践和研究结果都表明，常规悬架受到许多限制，即使采用优化方法来设计也只是将其性能改善到一定程度。为了克服常规悬架对其性能改善的限制，在汽车中采用和发展了新型的主动悬架。主动悬架能够根据路面情况及汽车运行的实际状态进行最优反馈控制，使汽车整体行驶性能达到最佳。主动悬架的主要特点是能够主动提供能量，与传统被动悬架相比，其最大的优点在于具有高度的自适应性。

一、 车辆主动悬架系统建模

?m

?m

?

?

2 2

..

x

?u

??mx..

1 1

??u?k(x?x)

t 1 0

(1)

状态变量、输出向量的选取同被动悬架，且为了

便于与被动悬架的比较分析，选取与被动悬架模

型相同的输入信号，路面激励仍为选白噪声

?(t)，

根据微分方程组（1），建立如下所示的状态方程和输出方程

?x??。?Ax?Bu?D?(t

?x

??y?Cx?Eu （2）

式中：

?0 1 0 ?1?

? 0 ?

?1?

?0 0 0 0?

? 1 ?

?0? ? ?

? ? B??m ?

?0?

?0 0 0 0?

?m2?

A??0 0 0

?1?

? 02 ?

D??? ?

? E??0?

000? k ?

0

0

0

? t ?

? ?

1?? ?

1

?1?

?0?

C??1 0 0 0?

1?0 0 1 0?

1

?0?

? ?

??1m ?；

?

?

1

? m??； ??； ?

?； ? ?

汽车悬架可认为是一种连续线性的随机最优控制系统，由最优线性滤波器串接确定性调节器的最优反馈增益系数矩阵组成。这两部分参数可分别加以确定。对于控制要求的性能指

标是二次函数积分型的调节器问题，外界干扰是高斯白噪声，综合性能指标为：

J(u)???[XT(t)Q(t)X(t)?uT(t)R(t)u(t)]dt

0 (3)

此处认为汽车主动悬架的最优控制器为一个终端时间无限的线性调节器，问题仍是寻找最优控制u(t)，使目标函数J取极小。线性调节器的主要问题之一是如何选择Q、R阵以获得比较满意的控制过程动态响应，计算机仿真可以解决这个问题。

在悬架设计中，为提高汽车的操纵稳定性和行驶平顺性，应使簧载质量垂直加速度、悬架动扰度及轮胎动变形较小。此外，从实现控制的角度来看，应使所需的控制能量较小。因

此式(3)可写为

J???[q(x ?x)2?q(x

x)2?Ru2]dt

0 1 1 0

2 2 1

(4)

或写为

J???[XTQX?Ru2]dt

0

(5)

?q 0 0 0?

? 2 ?

Q??0

0 0 0?

?0 0 q 0?

?

其中 ?

1 ?

000 0 ?

0

0

这里，q1——轮胎动变形加权系数q2——悬架动扰度加权系数

式(3.9)中第一、二项为误差指标，表示在0～∞整个时间系统实际状态与平衡之间的误差总

和。这一积分越小，说明控制误差越小，性能越好。积分式中第三项为能量指标，表示在0～

∞整个时间支付能量的总和。系统状态转移是考控制u(t)来进行的，为要使系统误差很小，则需要支付很大的能量代价。最优反馈增益系数矩阵式可写成

u(t)??kX??[k(x

1 2

x)?k

1 2

x。＋k(x

2 3 1

x)?k

0 4

x。]

1

(6)

式中，增益值k1~k4有明确的物理意义。k1可等效于一放置于簧载和非簧载质量间的弹簧，改变k1则影响簧载质量的固有频率；k2作用于簧载质量的绝对速度上，影响其悬挂阻尼；k3大小涉及轮胎变形，对车轮的垂直弹跳频率产生影响；k4作用于非簧载质量的速度上，影响其非悬挂阻尼。

二、 主动悬架系统的能控性，能观测性

能控性和能观测性是系统的一种特性，是现代控制理论中的两个基本概念。 状态完

? ?

o全能控的充分必要条件是能控矩阵C

o

?A?AB???An?1B

满秩；

? ?

b状态完全能观测的充分必要条件是能观测矩阵O

b

?CT?ATCT???(AT)n?1CT

满秩。

主动悬架系统