（测试计量技术及仪器专业论文）新型汽车主动悬架系统及其鲁棒控制研究.pdf

摘要 悬架是汽车的重要组成部分，它位于车身和车轮之间，通常由弹性元件和阻 尼元件组成。一般应具有两个主要性能要求：乘坐舒适性和操纵稳定性。而这两 个主要性能要求其实存在着冲突和矛盾。 普遍使用的被动悬架因为具有固定的悬架刚度和阻尼系数，只能满足乘坐舒 适性和操纵稳定性之间矛盾的折衷。为此，自五六十年代起产生了主动悬架的概 念，利用它可以同时改善车辆乘坐舒适性和操纵稳定性之间的矛盾关系。但是因 为现有的主动悬架系统的结构复杂、技术性高、成本昂贵、功耗大等缺陷，限制 了这种高性能的减振系统在车辆上的广泛应用。 鉴于此，本文在一定理论研究的基础上，提出一种复合式主动悬架系统，试 图解决性能与成本之间的矛盾，以推进主动悬架系统的广泛应用。系统采用液压 气动组合结构，同时具有弹簧和阻尼的功能，分别利用液体和气体的压缩性构成 了液压弹簧和气弹簧，同时依靠液压缸内的阻尼小孔产生节流作用而形成被动的 阻尼力，又因为通过伺服阀控制器可以改变液压流体的质量，从而改变摔制力的 大小。所以，它同时还具备提供主动阻尼的作用。与传统的螺旋弹簧悬架相比， 新的主动悬架系统能确保行驶高度保持稳定而不管载荷如何变化。 本文首先针对两自由度四分之一车用状态方程建立了动力学模型，接着我们 开始鲁棒主动悬架系统的设计，首先给出了主动悬架2 d o f1 4 车系统控制问题及 性能要求的描迷。为协调相互冲突的各性能要求，同时为强调人体对4 8 h z 振动频 率的敏感性，采用加权输出作为系统控制输出，并以此构成主动悬架增广系统。 在此基础上，羞重的讨论了h 。主动悬架设计的理论问题，在基于线性矩阵不等式 的基础上，首先给出了基于干扰抑制问题的h 。控制器，接着给出了输出反馈h 。鲁 棒控制器构造方法。 本文应用m a t l a b 软件对上述的汽车主动悬架系统和相应的没有受控的悬架系 统进行了仿真研究。仿真结果表明，主动悬架系统有效地抑制了人体敏感频率范 围内的汽车振动，大大改善了汽车的行驶平顺性，且具有较强的鲁棒性，并且用 加权最坏r m s 增益法对所设计的主动悬架系统进行了鲁棒性分析。 广东工业大学工学硕士学位论文 关键词：主动悬架，鲁棒控制，线性矩阵不等式 1 1 a b s t r a c t s u s p e n s i o ni st h em a i np a r to ft h ev e h i c k ，i tl i e sb e t w e e nb o d ya n dw h e e l s u s u a l l y ，t h es u s p e n s i o ni sc o m p o s e do f t h es p r i n ga i l d d a m p e re l e m e n t s i th a st 、o m a i np e r f o 珊a l l c er e q l l i r e m e n t s ，r i d ec o m f o r ta n d h a i l d l i n gs t a b i l i t y b u tm e t w om a i n p e f f o r m a l l c er e q u i r e m e n t i sc o n n i c t e d ， t h e p a s s i v es u s p e n s i o nu s i n ga tl a r g eh a sf a s t n e s ss p r i n gs t i f h l e s sc o e m c i e n t a i l d d a m p e rc o e m c i e n t ，s oi t c a no n l ym e e tt l l ec o m p r o m i s eo ft h ec o 州1 i c t 锄o n gt h er i d e c o m f o na n d h a l l d l i n gs t a b i l 姆a t t h es n l 王c t u r ed e s i g n t h e r e f o r e ，也ea c t i v es u s p e n s i o n c a m ei m ob e i n g 丘o mf i v eo rs i xd e c a d e s i tc a ni m p r o v et h ec o n f l i c tr e l a t i o na m o n g t h er i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n gs t a b i l i t ) r b u tt h ea c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mh a ss o m e 1 i m i t a t i o ns u e ha sc o m p l e xs t r u c t 砒e 、 h i 幽t e c h n o l o g y 、v a l u a b l e c o s ta n d b i gp o w e r ， w h e r el i m i tt h eh i g h p e r f o n n a l l c es y s t c mt o 印p l y a b r o a do n 也ev e h j c l es y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t san o v e la c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mt or e s o l v et h ec o n n i c to f t h c p e f f o r r n a n c ea 1 1 d 也ec o s tb a s eo nt h et h e o r ys t u d y a n dh o p e i tc a na d v a n c et h ea b r o a d a p p l i a i l c eo f t h ea c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m t h en o v e ls y s t e mw h i c hi sn e w l yd e s i g n e d u s e sg a ss p r i n g d a m p e ru n i t ，t h e nh a st h es p r i n ga n dd 啪p e ri nt h es a m eu n i t t h e c o m p r e s s i b i l i t yo f t h en u i da n dt h eg a sp r o v i d et h eh y d r a u l i cs p r i n ga n d t h e g a ss p r i n g ， a n dt h ec o n n e c t i n gd a m p e rh o l ep r o v i d e sp a s s i v cd 砌p e rf o r c e ，a i l dt h ef l u j dm a s sj n t h ec h a m b e r sc a nb ec h a n g e du s i n gas e r v ev a l v ec o n t r o l l e rt og e ts u i t a b l ec o n t r o lf o r c e t h u si th a st h ea c t i v e d a m p e rs i m u l t a n e i t y c o m p a r i n g w i t ht h ec o n v e 玳i o n a l c o i l s p r i n gs u s p e n s i o n ，t h en e w a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e me n s u r e sr i d eh e i 曲tr e m a i n s c o n s t a n tr e g a r d l e s so fl o a dc o n d “i o n s f i r s t l y ，t o wd e g r e e o f - 矗i e e d o md o f t h eq u a n e r - v e h i c l e sd y n a m i cm o d e lu s i n g t h es t a t ee q u a t i o nh a sb e e ns e tu p s e c o n d l y ，d os o m ew o r kt od e s i g nm b u s ta c t i v e s u s p e n s i o n f i r s to fa l l ，、v eg i v e t h ep r o b l e mo fa c t i v es u s p e n s i o n2 d o fq u a n e r v e h i c l es y s t e mc o n t r 0 1a n dd e s c r i p t i o no fp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s - i no r d e r t o h a r m o n i z ec o n n i c tp e r f o m a n c er e q u i r e m e n ta n de m p h a s i z es e n s i t i v i t y o fv e r t i c a l i i l j 东工业大学 学硕士学位论文 v i b r a t i o n sb e t w e e n4a n d8h zf o rh u m a n b e i n g ，w ea d o p tw e 蟾h t e do u t p u ta ss y s t e m c o n t r o lo u t p u t ，a n df o r mt h es u s p e n s i o na u g m e n ts y s t e m b a s e do n 也i ss y s t e m ，w e d i s c u s s e de m p h a t i c a l l yt h e o r yp r o b l e mo f h 。，r e s t r a i nd i s t u r b a n c eh 。c o n t r o l l e ra n d o u t p u t f e e d b a c kh r o b u s tc o n t r o l l e ri s d e s i g n e d w h i c hb a s e do nl i n e a rm a 仃i x i n e q u a l i 够。 a 1 1 t h ea c t i v e s u s p e n s i o ns y s t c m s a b o v ea n d c o r r e s p o n d i n g u n c o n 打0 1 l e d s u s p e n s i o ns y s t e m a r e n u m e r i c a l l y s i m u l a t e di nm a t l a b t h er e s u l t so ft h e s i m m a t i o ns h o wt h a t c o m p a r e dt o 也eu n c o n 乜| o l l e ds u s p e n s i o ns y s t e m ，也e a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e m se f i 色c t i v e l ys u p p r e s s t h ev i b r a t i o no fv e h i c l ei nt h e r a n g e o f f r e q u e n c i e ss e n s i t i v eo f h u m a n b o d y ，g r c a t l yi m p r o v e t h er i d ec o m f o r ta n dh a v es t r o n g r o b u s t n e s s a l a s ta n a l y s et h er o b u s tp e r f o n a i 王c et ot h ed e s i g n e da c t i v es u s p e n s i o n s y s t e mw i t ht h e 、v c i g h t e dw o r s t c a s er m s m e m o d k e yw o r d s ：a c t i v es u s p e n s i o n ，r o b u s tc o n t r o l ，l m i i v 1 1 汽车悬架系统概述 第一章绪论 悬架是保证车轮与车辆承载系统之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、 衰减振动以及调节车辆行驶中的车身位置等有关装置的总称，是现代汽车上的重 要组成之一。悬架的设计对车辆的总体性能有着重大的影响。汽车行驶时，会由 于路面不平等因素激起汽车振动，影响驾驶员以及乘客的乘坐舒适性，影响车身 的姿态，还直接影响操纵稳定性和地面附着性能( 车轮动位移) ，甚至影响行驶 速度，损坏车辆的零部件和运载的货物。同时，对汽车的燃油经济性，使用寿命 和安全性能等都有重要影响，而且车辆振动也是车内噪声的主要来源。因此，悬 架的主要功用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓冲由不平路面传给车 架或车身的冲击力，并衰减由此引起的振动，以保证汽车能平顺行驶。所以，选 择特性好，设计性能优越的悬架，对提高汽车的性能至关重要。 为了满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式一直在不断 地更新和完善。普遍使用的被动悬架因为具有固定的悬架刚度和阻尼系数，在结 构设计上只能满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷，无法达到悬架控制的理 想境界。在某个特定的工况下按目标优化出的悬架系统，一旦载荷、车速和路况 发生变化，悬架在新的激励下便不再是最优，不可能达到设计师们的理想要求。 在使用上，为了使被动悬架能够对不同的路面具有一定的适应性，通常将悬架的 刚度和减振器的阻尼设计成具有一定程度的非线性，比如采用变节距螺旋弹簧和 三级阻力控制的液压减振器。由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和 操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的 基础上牺牲次要性能。所以尽管被动悬架在设计上以不断改进被动元件而实现了 低成本、高可靠性的目标，但始终无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相 矛盾的要求。事实上，被动悬架的潜力在目前已接近极限。 为此，自五六十年代起产生了主动悬架的概念，它能够根据车辆系统的运动 状态和外部输入的变化做出反应，主动地调整和产生所需的控制力，利用电控液 j 乐j t 业大学工学硕士学位论文 压部件主动地控制汽车的振动使悬架始终处于最佳的减振状态。在这方面的研究， 各大汽车制造公司均不遗余力。典型的例子，早期有雪铁龙公司在1 9 5 5 年发展的 一种液压一空气悬架系统，可以佼汽车具有较好的行驶性能和舒适性，但是它的制 造工序太复杂，最终难以普及“1 。1 9 6 5 年，r o c k w e l l 等人探讨了伺服机械做主动 动力吸振器的原理，为车辆主动悬架控制系统的设计提供了理论指导。到9 0 年代， 尼桑公司在无限q 4 5 轿车上应用了新式主动悬架，进一步提高了轿车适应崎岖路面 的能力。 弹 图卜l 被动悬架和主动悬架结构图 f i g1 - lt h e s t n l c t u r eo ft h ep a s s i v ea n dt h ea c t i v es u s p e n s i o n 主动悬架由控制系统和执行机构组成，控制系统设计的好坏直接影响到悬架 的性能。因此可以说，控制技术是研究主动悬架的关键。国内外学者在车辆悬架 控制系统的研究方面作了大量的理论工作，尤其是近十几年来，随着主动悬架在 实际汽车上的应用成功，有关其系统控制方法的研究更加引起学术界和工程界相 当的关注。就已经报道的控制研究方法，l 乎涉及到控制理论的所有分支。电、 液控制、计算机的小断发展，传感器及液、电控元件制造技术的不断提高，必将 使可控悬架在车辆上应用越来越普遍。而且现代社会车辆性能及行驶速度的要求 不断提高，对悬架系统的设计及研究提到了一个更高的水平，因此对车辆悬架的 可控性的要求更为迫切。这样这为控制理论的应用研究提供了相应的领域。 主动悬架系统的提出成为车辆工程理论与实践中的重大革命，利用它可以同 时改善车辆行驶平顺性和操纵稳定性之间的矛盾关系。但是对于主动悬架系统的 执行机构往往需要高精度的伺服机构和复杂的仪器设备以及较大的外部动力源， 这就决定了主动悬架系统的结构复杂、技术性高、成本昂贵、功耗大等缺陷，限 制了这种高性能的减振系统在车辆上的广泛应用。 鉴于此，本文将在一定理论研究的基础上，提出一种复合式主动悬架系统， 试图解决性能与成本之间的矛盾，以推进主动悬架系统的广泛应用。 1 2 悬架控制的特点 衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性( 乘坐舒适性) 和操纵稳定 性，平顺性一般通过车体或车身某个部位( 车底板、驾驶员座椅处等) 的加速度响 应来评价，操纵稳定性则可以通过悬架的动行程和轮胎接地性来度量。但这两个 方面是相互排斥的性能要求，往往不能同时满足。例如，如果降低弹簧的刚度， 则车体加速度减少使平顺性变好，但同时会导致车体位移的增加。由此产生车体 重心的变动将引起轮胎负荷变化的增加，对操纵稳定性产生不良影响：另一方面增 加弹簧刚度会提高操纵稳定性，但是硬的弹簧将导致汽车对路面干扰很敏感，使 平顺性能降低。所以理想的悬架应该在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和 减震器阻尼，既能满足平顺性要求又能满足操纵稳定性要求。 另外，当汽车在不平路面上行驶时，由于工况变化( 如加速、制动和转向) ， 车辆本身参数变化( 如车身质量随乘坐人员和货物的多少会改变，而车速、温度、 胎质及充气程度会改变轮胎的刚度) ，外部干扰变化( 如车速和路面干扰的变化， 风向、风力的变化) 等，使汽车所处的振动环境是多变的、不确定的。所以悬架 系统的设计4 i 仅应考虑基本性能要求( 良好的乘坐舒适性与轮胎接地性、保持悬 架动行程在允许范围内以免撞击限位块) 而且还要保证车辆系统的鲁棒稳定性和 鲁棒性能”。 再有，国际标准i s 0 2 6 3 中指出：人体对4 8 h z 的垂直振动最敏感，最不能忍 受。这就是说，对于直接反映乘坐舒适性指标的车身加速度来说，不仅仅在时域 范围内要求幅值尽可能小，在频域范围内也要求在特定频段内的幅值越小越好”1 。 综上所述，悬架系统是一个复杂的不确定性系统，它的控制问题是一个抗干 扰问题，要求同时兼顾时域和频域响应，对其鲁棒稳定性和鲁棒性能进行优化。 由于它的各个性能要求之间相互冲突，因此在设计过程中，要对各种因素给予充 分的考虑，以实现尽可能好的折衷或综合。 耋：些查兰三茎至圭茎堡鎏兰 1 3 主动悬架技术的现状和发展趋势 车辆主动悬架的研究在国内外，尤其在国外，得到了广泛的开展，许多大学 和汽车大公司对主动悬架技术迸行了深入的理论与实践方面的研究，并取得了一 些成果。对主动悬架的研究主要有两个方面：一是控制律的设计，二是将主动悬 架及其控制规律的特性研究与被动悬架相比较。显然，采用不同的控制规律和数 学模型，所获得的悬架特性是不一样的，因此，采用什么样的模型和控制规律以 及与之对应的悬架特性是什么，是主动悬架研究的一个重要方面“1 。 1 3 1 常见控制方法 1 自适应与自校正控制5 “”1 自适应与自校正悬架系统可看作是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。自适应与自校正控制方法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。自适应一 般是对发生在车辆行驶过程中的，具有较慢统计特性变化的干扰，即路面输入干 扰，自校正是指对运行初始的静态干扰，如车身质量的变化。 车辆参数变化可显著影响系统的输出，这将会使控制器难以区别系统输出的 变化是来自于路面输入的变化或是来自于车辆参数的变化从而选择不到真正合 适的控制参数。考虑车辆参数变化较大的情况，可采用自适应于路面输入和车辆 参数的变化的自校正控制系统。 吉林工业大学的喻凡提出了悬架的最优自适应与自校正摔制策略”1 。考虑了 路面输入及车辆参数的变化，从而对反馈的参数作实时的调整。另外，还提出了 一种自校正控制算法，利用状态估计器、参数估计器，实时估计出系统的状态以 及重要的时变参数值，对控制器加以校正。 2 模糊控制”“ 汽车主动悬架系统是一个复杂的非线性系统，其数学模型相当复杂，采用已 有的常规的控制理论很难达到好的控制效果而模糊控制系统由于不需要建立系 4 第一苹绪论 统精确的数学模型，可以避免因系统建模误差带来的影响，从而取得较好的控制 效果。 模糊控制应用于车辆的主动悬架设计始于9 0 年代初，且正被投以越来越多的 关注。1 9 9 2 年y c h 和t s a o 首次应用模糊控制，使车辆在非常不平的路面上行驶 时，悬架质量仍基本保持水平，且执行器始终工作在允许的范围内。日本德岛大 学芳村敏夫教授把模糊理论应用于车辆悬架主动控制系统，采用模糊推理构成主 动控制规则，进行计算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动，结果验证 了模糊控制方法的有效性“。国内也进行了有关模糊控制的研究，文献 8 1 0 设 计了用模糊逻辑控制的主动悬架。应用模糊控制能减少控制器的存储空间，降低 成本；缩短主动悬架的延时，使控制更加及时，提高悬架系统的可靠性。但这些 研究主要局限于从系统的角度采用模糊控制策略研究执行器要产生的控制力的大 小。而没有涉及到具体执行器如何实现和控制的，研究的结果也仅局限于系统的 仿真阶段，很少有试验装置和实际结果。 模糊控制的输入输出变量本身就是模糊化的，它不依赖于系统精确的物理参 数。因此可以很好的适应系统的时变。这对实际车体控制很有意义，因为实际车 体的参数是随车成员的数量、燃油、载荷等外部因素而时变的。 3 神经刚络控制 近年来，采用神经网络的控制方法已日益引起人们的重视。人工神经网络作 为一种并行分布式处理系统，它具有自动知识获得、联想记忆、自适应性、良好 的容错性和推广能力。悬架系统的神经网络控制框图如图卜2 所示，应用具有控 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接近。 图1 2 神经网络控制框图 f i g1 2b l o c kd i a g r a m o f n e u r a ln e t w o r kc o n t f o u e r 日本农业大学的m o r a n 和n a g a i 利用所建的神经网络模型对实际的非线性悬 广东工业大学1 学硕士学位论文 架系统做了系统识别和控制“2 “”1 ，模拟计算表明神经网络控制与线性反馈控制相 比，系统性能提高了约1 0 。珏北工业大学的赵永强、何长安将神经网络控制应 用于主动悬架上“，在辨识出悬架的动力学特性的基础上，采用非线性最优控制 策略对悬架进行控制，减小汽车振动。 4 预见控制 预见控制就是在考虑了车轮处路面激励相关性基础上的控制“。它利用超声 波传感器将车辆前方路面谱信息预先传给悬架系统，使参数的调节与实际需要同 步。它的基本方法有两类：一是将前轮悬架的状态信息作为后轮悬架的反馈信息 ( 如高度) ；在这种控制方式中，两个前轮采用的仅为反馈控制，但通过前轮部 分各种传感器所获得的信息，都被作为预见信息送至控制器。在决定后轮的控制 指令时，控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息，而且也根据当时的车 速和前后轮间的跨距，并考虑前轮各个传感器所获得的信息。因此，在后轮的执 行机构上实行的是反馈再加前向反馈的双作用控制。这样一来无须增设特制的 预见传感器，只须对控制系统软件作些修改，便可对后轮实旋预见控制，从而提 高后轮的减振效果，同时就整车而言可以减小车体的摆动。因而控制效果得到改 善。二是测量车辆前轮前方道路的实时状态信息，用此信息来控制悬架执行机构 的动作。控制器根据这些信息计算出控制指令，并将相应信号传垒四个车轮中的 每一个悬架机构“。从理论上看，这种系统应取得较为理想的控制效果，但需要 设置特殊的传感器。目前未见有批量实用车上市。由于超前预测了路面输入，因 而系统性能有了较大幅度的提高“。一般预测的距离是一定的，因此预测提前时 间取决于车速，这样必然具有时变性。从目前文献来看，预见控制仍以线性时不 变系统为对象，而车辆参数的时变性和非线性对系统性能的影响，还未见文献加 以研究“”。 5 ，随机线性最优控制“”1 “2 ” 由于地面对车辆的激励是一个随机的过程，所以这类研究的理论基础是线性 二次高斯控制理论。该方法要求系统的性能指标要能表达为二次型的形式，在可 控悬架控制策略的设计中被广泛的采用。该方法通过建立系统的状态方程提出控 制目标和加权系数，求解所设计目标下的最优控制规律。其最大优点是不必根据 要求的性能指标确定系统闭环极点的位置，只需根据系统的响应曲线找出合适的 状态变量和控制变量的加权矩阵，著名的“天棚阻尼控制”就是l q g 控制的一个典 第一苹绪论 型应用。“。t h o m p s o n 首先将全状态反馈l q g 理论应用于全主动悬架的研究中。 考虑到路面激励的难测性，他在1 9 8 4 年又利用部分状态反馈l q g 理论构造了次最优 反馈阵”。 6 鲁棒控制 在可控悬架上应用鲁棒控制是为了针对系统的爿i 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，都充分表明鲁棒控制理 论在主动悬架设计方面的优越性。在鲁棒控制中应用较多的是的日。控制。”“1 。 h 。是8 0 年代出现的新理论，是目前解决鲁棒问题比较成功且比较完善的理 论体系，国外在这方面的研究有小少，文献 2 9 基于e r 阻尼汽车悬架的二自由度 模型，设计了用于削减不必要的汽车振动的h 。控制器，并通过仿真和试验验证了 控制器的有效性。文献 3 0 建立了四分之一车模型，设计了基于线性矩阵不等式 和遗传算法的静态。输出反馈控制器，并通过仿真和试验验证了此控制器有利于 提高行驶平顺性和操纵性，并且具有鲁棒性能。丰田汽车公_ j j ：j 的工程师应用非线 性h 。控制理论对两自由度的半主动悬架系统进行了控制，控制器由 h a m i l t o n j a c o b i 不等式组成，并进行了仿真研究o “。国内在这方面的研究还较 少。“”1 ，浙江大学的韩波、王庆丰研究了基于干扰抑制的两自由度汽车电液主动 悬架的h 。控制”，给出了仿真和试验结果。但由于模型本身的限制，俯仰角加速 度无法体现。吉林大学的陈虹、赵桂军等就基于干扰抑制的f l 控制器的混合灵敏 度问题进行了研究，并采用结构奇异值法和加权最坏r m s 增益法对其鲁棒性能进 行了分析和比较”1 。 文献表明：指标的权重系数，状态测量方式，悬架质量和悬架刚度对系统的 鲁棒稳定性有重要影响，而执行机构和传感器的动态环节对其影响不大。鲁棒控 制器效果的好坏主要取决于设计思想是否偏于保守。这方面的研究工作目前还远 远不够。 除了以上介绍的控制方法外，还有一些其它方法如变结构控制，滑模控制。”3 等等。 三童三些奎茎三兰堡圭兰堡耋三 1 3 2 主动悬架的技术现状 世界各国的汽车行业目前都将主动、半主动悬架列为重要的研究目标之一。 早在1 9 8 2 年，l o t u s 公司就研制出了有源主动悬架系统，并被安装在瑞典v o l v o 公 司的实验住汽车上。丰田汽车公司1 9 8 6 年的s o a r e r 车型采用了能分别对阻尼和刚 度进行三级调节的空气悬架。1 9 8 9 年丰田c e l i c a 车型上装置了真正意义上的主 动油气悬架系统。尼桑公司在9 0 年的i n f i n i t eq 4 5 轿车上也装备了液压主动悬 架“。此外，保时捷，福特，奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各自开发的主 动悬架系统。 目前，世界上许多大公司正在加紧研制并推广应用主动悬架技术，对装有主 动悬架的许多车辆的使用结果表明，主动悬架有着被动悬架不可比拟的优越性。 可以预见其有着巨大的应用场合与前景。 1 3 3 主动悬架的发展趋势 虽然主动悬架系统已应用于实车，但其市场普及依然存存很大困难，这主要 有两个方面的原因：一是成本太高：二是能量消耗过大。因此目前仅限于装载在排 量较大的一些高档车型上。为解决上述问题，应着重进行两方面的研究： 1 ) 对主动悬架转向、驱动等系统进行联合控制。联合控制涉及到车辆动力学的各 个方面和环节，需要对车辆的全部状态和控制目标作总体考虑和最优的权衡策略。 而大规模联合控制系统的实现，不仅使系统对传感器、油压源、控制器共同利用， 以降低成本和车身质量，还可防止各种控制间的干扰，将使车辆的动态性能得到 更大的改善。 2 ) 由于主动悬架需要消耗发动机的一部分功率，因此如何减少系统的功率消耗， 电是个值得研究的问题。有文献从理论和实验两个方面研究了可吸收、存储振 动能量，并用于悬架控制的新型系统。该系统主要有能量转换器、能量管理设备、 能量储存单元以及控制和测量设备构成。在需要消耗悬架振动能量的时候，将能 量储存起来：在需要向系统输入能量时再将其释放到系统中。考虑到车辆节能的重 大意义，对悬架系统能量转换以及再利用的原殍和机构的研究，也将成为今后主 动悬架技术的一个重要发展方向。 第一章绪论 1 4 课题的研究目的与意义 随着汽车工程技术的进步，决定乘坐舒适性和操纵稳定性的汽车悬架技术得 到了广泛重视和深入研究，传统的被动悬架一经设计，系统参数不能改变，限制 了汽车性能的进一步提高。而主动悬架可以根据路面作用力的大小和汽车的运动 状态，自适应改变悬架参数，使其性能达到最优，从而能很好地满足汽车的舒适 性的要求。所以主动悬架技术已成为悬架技术发展的重要趋势。利用电子技术改 进汽车工业及其产品已成为当今世界各汽车厂家面临的重大课题。国外在主动悬 架方面的研究已很深入，特别是近几年，国外的一些大的汽车公司和高等院校的 研究机构已经或正在进行主动悬架的性能试验或装车试验，而且己应用到一些高 档轿车中，丰田、尼桑、保时捷、福特、奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各 自开发的主动悬架系统。而国内在这方面的起步较晚，基本上还处于理论分析和 原理性实验的初级阶段，实际应用很少，而且仅限于半主动悬架，主动悬架的应 用未见报道。 所以将主动悬架的设计和主动控制作为研究生期间的研究课题有着十分重要 的理论价值和实际应用的前景。相信随着主动悬架的进一步研究与发展，成本将 进一步降低，具有很好的应用前景。 1 5 课题的研究内容和方法 主动悬架的安装一般是在每个车轮上都有一个作动器，在车辆行驶时，对于 每个作动器而言，都是一个1 4 主动悬架减振系统，直接对l 4 车主动悬架进行 研究，有助于更好的把握悬架控制特性，重点突出。因此本文选择对1 4 车主动 悬架进行研究。 本文侧重于对l 4 车主动悬架的控制策略进行研究，在熟悉悬架系统原理与 结构，总结前人控制策略的基础上，得出新的结论并提出改进的控制算法，可为 以后建立1 4 车辆悬架的试验提供理论基础，同时，本文得出的一些结论也县有 较好的参考价值。 研究内容： 1 对新型汽车主动悬架系统进行动力学分析并建立两自由度的基于状态空间的数 g ! 童：! ：兰查兰三兰竺圭兰堡篓圣 学模型。 2 基于干扰抑制指标，将干扰抑制问题转化成为h 。标准控制问题，对两自由度汽 车主动悬架系统设计h 。控制器，用m a t l a b 进行仿真，并与没有受控的悬架系统 进行比较。 3 考虑悬架系统的不确定性和人体对振动的敏感性，设计m 鲁棒控制器，使得汽 车主动悬架系统能很好地抑制来自路面的干扰，而且具有一定的鲁棒稳定性，并 利用最坏r m s 增益法分析系统的鲁棒稳定性：对主动悬架系统进行仿真且与没有 受控的悬架系统的仿真结果进行比较。 1 6 课题的创新之处 1 对瓤型汽车主动悬架系统建立了两自由度l 4 车的数学模型。 2 将数学模型与鲁棒控制理论综合集成用于主动悬架鲁棒控制器的设计。 第二章汽车悬架系统数学模型的建立 第二章汽车悬架系统数学模型的建立 2 1 悬架结构及简化模型 这一章研究由美洲虎汽车公司新设计的一种主动悬架系统如图2 - 1 所示，该 系统采用液压气动组合结构，同时具有弹簧和阻尼的功能，分别利用液体和气体 的压缩性构成了液压弹簧和气弹簧，同时依靠液压缸内的阻尼小孔产生节流作用 而形成被动的阻尼力，又因为通过伺服阀控制器可以改变液压流体的质量，从而 改变控制力的大小。所以，它同时还具备提供主动阻尼的作用。作为被动系统使 用时，在高频运动部分，可以利用它的被动阻尼特性，从而不需要消耗能量。而 作为主动系统使用时，通过和合适的控制器相组合，它可以不管车辆载荷如何变 化在整个悬架行程范围内同时维持和改善汽车的乘坐舒适性和稳定性能。与传统 的螺旋弹簧悬架相比，新的主动悬架系统能确保行驶高度保持稳定而不管载荷如 何变化。 当路面有干扰输入时，装在主动悬架系统中的传感器将检测到车体位移，控 制器发送信号给四向伺服阀，使其达到要求的开合位置从而得到适当的流体从充 液卸液口处流进或流出。如图2 4 ，当流体从充液卸液口处流入流出时流液分 为两部分：( 1 ) 流液q 3 从阻尼阀到气弹簧；( 2 ) 流液q 1 到主动结构室腔1 。气 弹簧的压力将随着流液q 3 从阻尼阀中流入流出而增加减少。实际上，主动装置 基本上是一个水压结构。把在室腔l 和室腔2 中的流液定为q 2 。当室腔l 和室腔 2 中的流体从阻尼阀中流入流出时，汽缸能担任主动阻尼的功能，这能吸收汽车 由路面不平和根据不同的路面情况而调整自己引起的震动。 另外我们还必需考虑另外一个因素即杠杆比。汽车悬架装置并不像以前的模 型研究那样简单：实际情况有许多的复杂结构。悬架不仅从汽缸的上面，还用控 制臂从汽缸的下面装到车体上。存这个新型主动悬架模型分析中考虑杠杆比是为 了获得更真实的模型分析。 新的主动悬架系统是由通常的液压主动结构结合了气弹簧结构的。这是完全 新的主动悬架的应用。下面是本项目中最困难的工作：新主动悬架数学模型建立a 三至三些奎兰三兰堡圭兰堡篓圣 图2 一l 新型主动悬架结构图 f 蟾2 一ls t r u c t u r eo f t 1 1 en e wa c t i v es u s p e n s i o n 对建立悬架的数学模型来说是一项全新的工作。简化的数学模型如下图所示， l 4 结构代表一辆车的单个车轮和车轴与车体的l 4 部分通过主动的液压缸连接， 忽略轮胎的阻尼特性和侧向弹性特性，轮胎被简化为一个弹簧，没有阻尼。 黼 量 簿 鞴u n ”。 图2 2 主动悬架系统的l 4 车模型图 f i g2 2q u a n e r m o d e io ft h ea c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m l2 篁三塞垒兰量矍童堡塞兰堡型竺塞塞 如 图2 3 控制臂尺寸与各作用点位移的关系 f i g 2 3r e l a t i o n 锄o n gt 1 1 ec o n t r o ja r n ls i z ea n dl h ed j s p l a c 锄e n t 表2 1 主动悬架装置参数及符号表示( 后悬架，处理值) t a b l e2 1p a r a m e t e ro f t h ea c t i v es u s p e n s i o na n dt h es y m b o ld e n o 诅t i o n 名称单位符号大小名称单位符号大小 悬挂质量k g m h4 1 8 绝热指数 k1 4 非悬挂质量k g 4 1 阻尼杆面积 a r7 0 6 9 控制臂系数 0 6 6液压缸面积a =1 2 5 6 6 寄生弹簧系数 n c mk p5 6静态车轮载荷n4 0 9 9 轮胎刚度 n c mk 1 9 5 0动力源压力m p ap ；1 2 8 螺旋弹簧系数 n c mk 。2 l o气弹簧静态体积v 。1 1 9 螺旋弹簧静态载荷 n2 1 0 3 气弹簧静态压力 m p ar5 8 2 2 悬架系统的数学模型 2 2 1 悬架的动力学方程 对车体应用牛顿第二定律可得：一只一日c 一栌一肌溜= 卅，z ， 而 。k ，( 2 t 一乞) 疋= k 。( 2 ，一= ，) 7 将式( 2 2 ) 代入式( 2 1 ) 得： 一k 。( ：，一z 。) 一口k 。( z 。一z ，) 一f 一埘，g = 埘，三， 由图2 3 控制臂尺寸与各作用点的关系可得： z ，= ( 1 口) z ，+ 船。 将式( 2 4 ) 代入式( 2 2 ) 可得： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 一。 三童兰查耋三兰堡圭耋堡丝塞 c 2 疋 z 。一( 1 一日) z 。一船。】= n k 。( z ，一：。) ( 2 5 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 3 ) 得： 一定，拓，一z 。) 一稃2 k 。( z ，一z 。) 一一珑。g = 掰，t ( 2 6 ) 设f = 届+ 舻和f 分别是静态气弹簧作用力和主动作用力，根据汽 车模型的数据，r 大约是4 1 2 8 n ，矾正好与埘，g 相平衡。由此可得： 一必p ( z 。一z 。) 球2 x 。( z ，一z 。) 一露厶f = 辨，艺， ( 2 7 ) 类似的，对车轮应用牛顿第二定律可得：兀+ 峨+ 印一只一m 。g = 帆乞 而只= k ，( z 。一z ，) 所以：量p ( z ，z 。) + a 2 k 。( z ，一z 。) + d f 一定；( ：。一：，) 一掰。g = 垅。兰。 即：臣，( z 。一2 。) + 口2 t ( z ，2 。) + 日f 一墨( z 。一2 ，) = 埘。l 。 ( 2 8 ) 设置状态变量 x i = z j ，苫2 = 主，x 3 = z s z “，x 4 = 三”，豁= 心，w = ：， ( 2 9 ) 则由式( 2 7 ) 、式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可得如下状态方程： l 【k 。x 3 + 口2 k 。b + 口“】 聊 岛= ：，一2 “= x 2 一x 4 ( 2 1 0 ) 毛：l _ 1 ，烈t 一2 。) + 球：k ( 矗一：。) 倒一墨( z 。，) 】 帆 2 去【k 而+ a 2 疋玛+ 一一k ( 一一_ 一w ) 2 2 2 主动力装置及其动力学方程 主动力装置的简化模型见图2 4 。它利用液体和气体的可压缩性以及在装置 中设计的阻尼小孔从而可同时具备弹簧和阻尼的功能，并且在整个行程范围内可调 节弹簧和阻尼系数的大小以适应车辆载荷的变化。主动控制是通过改变液压缸内流 体的质量来实现的。可以通过由伺服阀改变从储能器向液压缸内提供液体的质量以 及从缸体内向储能器卸液的多少来改变由液体弹簧和气体弹簧产生的主动力的大 小。 l4 = i 口+ )毛 一 j口 c k 2 + ) 气 一 j 如 p k 【 一 岛 一 l | 1 1 f j z z | i = i ， x x 。，。 茎三兰塞三量矍至篁鍪耋塞型墼塞塞 p 2 由 ：! ! ：! - _ = = 二二云魏气弹簧 匾亡卤 本文中所用的主动液压缸采用特有的压缩流体悬架系统。和其它技术相比， 这种系统在弹簧和阻尼性能、结构紧凑上和系统设计功能灵活性方面都具有更多 小芦半2 卢号篝器= 骘舞群 1 。 k 1 + 爿。( z 。一z ，) 圪1 + 4 甜( z 。一三。) 而z ，= ( 1 4 ) 2 ，+ 拉z 。 同理可得： 驴等筹嬲 q 2 ，q 3 与压差之间的关系见表2 2 和表2 3 。 表2 2 液压缸阻尼小孔流量特性( q ：与a p ：) f i 9 2 - 2 h y d r a u l i c c y l i n d e r d a m p c r h o l e f l u xc h a r a c t e r ( q 2 a n d 鼠一p 2 ) ( 2 1 2 ) b u m dr e b o u n d 流量( l i n )压差( b a r )流量( l i n )压差流量( l ，珥i n )压差( b a r )流量( l m i n )坼差( b a r ) o02 3 3 5 5 3 9 1 2o2 6 0 0 7 3008 4 2 1 0 5 2 6 3 20 0 6 7 3 2 86 8 8 0 9 7 3 0 7 00 6 0 8 3 5 52 51 3 6 1 5 4 1 702 8 9 7 7 39 9 3 8 7 1 1 2 8o 0 8 3 4 0 7 51 l6 6 7 4 7 6 9 l0l o l 9 7 l o1 6 9 d 9 1 5 3o 0 7 3 2 1 0 52 6 1 5 5 1 8 7