（控制科学与工程专业论文）车辆液压主动悬挂系统建模与控制.pdf

国防科学技术大学研究生院博士学位论文 摘要 主动悬挂凭借其巨大的技术优势、广阔的应用前景，从诞生之初就倍受青睐， 被称为代表未来车辆悬挂趋势的技术。特别是近些年来，它更是成为汽车工业领 域的研究热点。同时，主动悬挂技术本身面临着巨大的技术挑战，在动力学、控 制与应用方面有很多问题等待研究。 本文针对车辆液压主动悬挂的建模与控制的相关问题进行了较为系统和深入 的研究，包括液压主动悬挂的模型建立、最优控制与b 犹k s t e p p i n g 方法相结合的 级联控制、悬挂系统不确定性的自适应控制以及引入乘客座椅模块后的悬挂系统 分析。主要研究成果如下： 1 、车辆液压主动悬挂系统的非线性模型的建立。本文在深入研究液压作动器 动力学的基础上，为了全面分析主动悬挂性能，从简单到复杂依次建立了详尽的 二自由度1 4 车辆悬挂模型、四自由度半车( 1 2 车) 俯仰悬挂模型、七自由度全 车悬挂模型以及考虑了乘客座椅的六自由度半车俯仰悬挂模型。 2 、根据悬挂系统的结构特点，将系统分为外环和内环两个部分。在线性的外 环，利用最优控制来实现对车体垂直振动加速度、悬挂行程以及轮胎动载荷的多 目标控制需求：在内环则利用b a c k s 钯p p i n g 方法对液压作动器所带来的非线性项 进行补偿。从而提出了最优控制与b a c b t c p p i n g 方法相结合的级联控制策略，并 通过在所建立的主动悬挂模型上进行的仿真验证了其有效性。 3 、考虑到建模误差是不可避免的，对模型参数不确定性带来的影响进行了研 究。并以作动器时间常数作为未知参数，在系统的内环采用自适应b a c k s t e p p i n g 方法设计了新的控制律以及参数更新律，有效的解决了非线性和参数不确定同时 存在的问题，文中的理论证明和仿真结果都很好的验证了这一点。 4 、采用自适应增益调度控制策略设计了路面输入自适应控制器。该策略利用 系统加速度的变化来估计路面输入，从而选择预先离线计算的相应路面输入的控 制增益。仿真结果表明，它可以很好的满足变化的路面状况要求，进一步改善了 悬挂性能。 5 、分析了乘客座椅模块带来的影响，首先利用前面所提出的级联控制策略进 行了控制设计与仿真，并在其基础上对轴距预见控制进行了研究。结果表明：在 系统中引入乘客座椅动力学使得模型更贴近实际的车辆，在控制设计中可以直接 用乘客的运动响应来体现乘坐舒适性，性能评价指标更加明确；利用轴距预见控 制则可以进一步提升主动悬挂性能，特别是对后悬挂作用明显。 总之，本文以理论分析与仿真计算相结合的方式，对车辆液压主动悬挂的动 力学、模型建立与控制设计进行了有益的研究和探讨，提出了若干解决液压主动 第i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 悬挂控制与实际问题的方法，对于其它类型主动悬挂的相关研究也具有借鉴意义， 希望能为主动悬挂技术的理论研究和实际应用提供一定的技术参考。 主题词：主动悬挂，液压作动器，最优控制，b a c k s t e p p i n g 方法。增益调度，乘 客一座椅动力学。轴距预见控制 第i i 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 a b s t r a c t f 0 ri t sa d v a n _ t a g e si nt e c l l l l o l o g ) r 觚dv a s tf i e l do fa p p l i c a t i o 玛a c t i v e 眦s p e i l s i o n h 弱b e e nah o tp o i n ts i r l c ei ta p p e a r e d 锄di sc a l l e d 嬲al ( i l l do f t e c h n o l o g yr e p r e s e n t i n g m ed e v e l o p i i 培骶n do fv e l l i c l es u s 】婶1 1 s i o 璐a tm es 锄et i i n e ，m 哪a 愆a1 0 to f c h a l l e n g e si nd y m n l i c s ，c o n n - 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s e a td y l l 锄i c si se x 锄i n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sd e m o n s t r a t et l l a tn l e c o n n o ls 仃a t e g ) ，b a s e do nt h ec o l b i n a t i o no fm eo p t i m a lc o n 臼0 la n dn l eb a c k s t e p p i n g t e c q u e ，w h e ni n c l u d i n gp a s s e n g e ra c c e l e r a t i o ni i lt l l ep e r f o 咖a n c ei n d e x ，r e t a i n sb o m e x c e l l e n tr i d ec o m f o r t 锄dr o a dh 锄m i l l gc h a r a c t e r i s t i c s f u m l e m o r e ，m ep o t e n t i a l i m p r o v e 加_ e 】毗st 1 1 r o u g l lw h e e l b a s ep r e v i e wc o n 缸d l 孤ei i e s t i g a t e d i nc o n c l u s i o i l ，b y 锄a l y z i i l g 锄ds i m l a t i i l g ，i tm 础：l l ys t u d i e st l l e p m b l e m si i l d y n a m j c s ，珈l o d e l i n ga n dc o i l t r o lo f l ev e l l i c l eh y d r a l l 】i ca c t i v es u s p e n s i o ni nn l e d i s s e r t a t i o na n dp r o p o s e ss o m em 劬o d so n 也ec o m r 0 1d e s i g n 觚dt l l ep r a c t i c a l p r o b l e m s ，w h i c hc a i lp r o v i d ei d e a sf o rt h es t u d yo ft ：h ea c t i v es u s p e n s i o ni no t l l e rk i n d s ， a i l db eo fs o i n eh e l pt 0t 1 1 ed e v e l o p m e n to f t i v es u s p e n s i o n s k e yw o r d s ： a c t i v es u s p e n s i o n ， h y d 陷u i i ca c t u a t o r ，o p t - m a ic o n t r o i ， b a c k s t e p p i n g m e t h o d ， g a i n s c h e d u i i n g ，p a s s e n g e 卜s e a td y n a m i c s ， w h e e i b a s ep r e v i e wc o n t r o i 第i v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 表目录 表2 1 液压作动器的主要参数符号及描述。1 9 表3 11 4 车辆悬挂模型的相关车辆参数。3 9 表3 2 半车俯仰悬挂模型的相关车辆参数4 4 表3 3 全车悬挂模型的相关车辆参数。5 0 表5 1 引入乘客座椅的半车车辆悬挂模型参数。8 1 第v 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图1 1 图1 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图目录 三类主动悬挂系统的结构简图4 论文的组织结构1 4 1 4 车辆主动悬挂简化物理模型17 液压作动器结构示意图l8 半车俯仰主动悬挂模型2 0 全车主动悬挂模型2 4 系统的结构图3 2 反步设计原理示意图3 4 路面颠簸情况4 0 车身垂直加速度响应曲线4 1 悬挂行程响应曲线4 1 伺服阀位移响应曲线4 2 路面输入4 5 车体垂直运动响应曲线4 6 俯仰角及其角加速度响应曲线4 6 前、后悬挂行程响应曲线4 7 前、后作动器伺服阀位移响应曲线4 7 路面激励情形。5l 车身重心垂直运动响应曲线。5 2 车身俯仰运动响应曲线5 2 车身侧倾运动响应曲线5 3 各车轮处的车体垂直位移响应曲线5 3 各车轮处的车体垂直方向加速度响应曲线5 4 悬挂行程响应曲线5 4 伺服阀位移响应曲线5 5 级联系统结构示意图5 6 严格反馈非线性系统反推自适应控制设计过程示意图6 0 路面输入曲线6 3 车身加速度响应曲线6 4 悬挂行程响应。6 4 伺服阀位移响应曲线6 5 作动器时间常数估计曲线6 5 第页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 图4 7 误差变量响应曲线6 6 图4 8 自适应增益调度控制结构图6 7 图4 9 路面输入情形6 9 图4 1 0 控制器增益为墨时车体垂直加速度响应曲线6 9 图4 1 1控制器增益为k 时主动悬挂的悬挂行程响应曲线7 0 图4 1 2 控制器增益为丘时车体垂直加速度响应曲线7 0 图4 1 3 控制器增益为e 时主动悬挂的悬挂行程响应曲线7 1 图4 1 4自适应增益调度控制下车体的垂直加速度响应曲线7 l 图4 1 5自适应增益调度控制下主动悬挂的悬挂行程响应曲线7 2 图5 1六自由度半车主动悬挂模型7 6 图5 2 路面激励情形8 2 图5 3 车体重心垂直方向的运动响应曲线8 3 图5 4 俯仰运动响应曲线8 3 图5 5 前乘客的运动响应曲线8 4 图5 6 后乘客的运动响应曲线8 4 图5 7 前、后悬挂行程响应曲线8 5 图5 8 前、后伺服阀位移响应曲线8 5 图5 9 路面激励情形8 9 图5 1 0 前乘客的运动响应比较曲线8 9 图5 1 1后乘客的运动响应比较曲线9 0 图5 1 2 车体重心垂直方向的运动响应比较曲线9 0 图5 1 3 车身俯仰运动响应比较曲线9 1 图5 1 4 前、后悬挂行程响应比较曲线9 1 图5 1 5 前、后伺服阀位移响应比较曲线9 2 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意 学位论文题目：主麴速压圭邈墨挂丕缠建搓生撞剑 学位论文作者签名：丕3 整日期朋年月乃日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：主堑速匡圭边墨挂歪统建搓量控劐 学位论文作者鲐玉3 霾 作者指导撕签名：嘲i 妖! ： 日期：夕呷年j f 月衫日 日期：沙7 年f 月万日 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 第一章绪论 俗语说：“千里之行，始于足下。 随着社会的发展与人们生活质量的提高， 以车代步的浪潮席卷而来。同时，人们也对汽车产品提出了高速、舒适、安全以 及智能化等多方面的要求。 目前，汽车的悬挂( 悬架) 系统普遍采用由弹性元件和阻尼元件组成的被动 悬挂。它虽然能够在一定程度上满足车辆动力学性能的要求，但是有着明显的局 限性：只能被动地存储和吸收外界能量，不能主动适应车辆行驶状况和外界激励 的变化。为了克服被动悬挂的缺点，人们开发了能够同时提高舒适性和操纵稳定 性的主动悬挂，这成为了一条改善汽车悬挂性能的新途径。由于它在性能上远远 超出传统的被动悬挂，因而从诞生之初就获得了世界各汽车大国的青睐，被称为 代表未来汽车悬挂发展的方向，成为当今一大热点研究领域。论文对并联式液压 主动悬挂系统的动力学、建模以及控制策略进行了研究和探讨。 1 1 主动悬挂系统概况 1 1 1 主动悬挂系统的由来 悬挂系统是汽车的重要组成部分，它把车体与车轴弹性的连接起来，传递作 用在车轮和车身之间的力和力矩，缓和不平路面传递给车身的冲击，衰减各种动 载荷引起的车体振动。其作用主要体现在驾驶员以及乘客的乘坐舒适性、车身的 姿态控制以及直接影响操纵稳定性和附着性能的轮胎动力负荷；同时悬挂系统对 汽车的燃油经济性，使用寿命和安全性能等也有重要影响。自从汽车发明以来， 如何将汽车的悬挂系统设计的更好就是工程师们一直在研究的课题。 长期以来，汽车上使用的是由弹簧和阻尼组成的传统常规悬挂，这种悬挂被 称为被动悬挂。它结构简单、性能可靠，成本低且不需额外能量，因而应用最为 广泛。但是被动悬挂的弹簧刚度和阻尼系数都是固定不可调的，只能保证在特定 的工况下达到最优减振效果，难以适应不同的道路和使用状况；而且对于不同的 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，难以同时获得良 好的乘坐舒适性和操纵稳定性，限制了悬挂性能的进一步改善。 为此，自五六十年代起产生了主动悬挂的概念。1 9 5 4 年通用汽车公司的 f e d e r s p i e l l a b r o s 在悬挂设计中提出主动悬挂的思想【1 1 ，采用有源的可控元件组 成闭环控制系统，根据车辆系统的运动状态和当前的激励大小主动调整悬挂装置 的悬挂参数来抑制车体的运动，使悬挂装置始终处于最佳减振状态。 在随后的几十年里，主动悬挂受到世界各国汽车行业的普遍关注，得到了广 第1 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 泛的研究，并被积极的推广到实际的车辆应用中【2 1 。其中比较典型的例子，早期有 雪铁龙公司在1 9 5 5 年发展的一种液压空气悬挂系统，可以使汽车具有较好的行驶 性能和舒适性，但是它的制造工序过于复杂，最终没有能够普及。到了9 0 年代， 日产公司在无限q 4 5 轿车上应用了油气弹簧式的主动悬挂，进一步提高了轿车适 应崎岖路面的能力。现时引人注意的是奔驰公司发展的a b c ( a c t i v eb o d yc o n 们1 ) 系统，可算是相对先进的主动悬挂系统代表。a b c 系统通过感应最轻微的车轮及 车身动作，在任何大的车身振动之前及时对悬挂系统作出调整，保持车身的平衡， 因此，该系统能够很好地适应各种路面情况，即使在异常崎岖不平的地方，轿车 也能保持优越的操纵性、舒适性及方向稳定性。目前，这种主动式车身控制系统 已经应用在奔驰最新的c 系列轿车上，被誉为是动力性能和乘坐舒适性改进的一 个里程碑。 1 1 - 2 主动悬挂系统的组成与分类 主动悬挂系统一般由测量单元、控制单元、作动器以及动力源四个部分组成。 测量单元包括各种传感器( 加速度传感器，速度传感器，位移传感器，力传感器 等) 。控制单元的作用是处理传感器采集的数据并发出各种控制指令。作动器通 常是力发生器或扭矩发生器( 油缸，汽缸，伺服电机，电磁铁等) ，作动器受控 制单元的支配按相应的控制指令，靠外部动力主动产生控制力。动力源负责提供 能量输入。上述各部分构成一个闭环控制系统：传感器检测出系统的工作状态， 将信号反馈给控制单元，经过数据处理后发出控制指令控制作动器的输出，平衡 车体的振动达到减振的目的。 按照构造的不同，主动悬挂大致可分为电动主动悬挂、磁流变主动悬挂和液 压主动悬挂三类【3 】。目前，在实际车上得到应用的还主要是液压主动悬挂。电动主 动悬挂和磁流变主动悬挂还处于理论研究阶段。近年来，在大型客车、大型货车 与某些轿车上采用的电子空气悬挂，在系统组成上类似于主动悬挂，但其控制方 式有很大不同。主动悬挂是基于车体和车轮的传感信号实时地调节悬挂的刚度和 阻尼力，是连续的动态调节过程，而某些电子空气悬挂是基于汽车的行驶状态( 尤 其是操作状态、制动、加速、转向等) 和装载质量调节阻尼力与刚度，是有级的 不连续的过程，其特点更接近被动悬挂【4 】。 按主动悬挂工作方式的不同，也可以分为三类【4 ，5 】；独立式主动悬挂、有限带 宽主动悬挂和并联式主动悬挂。 幻独立式主动悬挂，也称为全主动悬挂。作动器代替被动悬挂中的弹簧和阻 尼器，也就是说簧载质量和非簧载质量之间完全由作动器连接。它的特点 是作动器吸收和补充全部能量，适应性强，可很好地满足不同环境的要求。 第2 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 另外，因为该悬挂系统能控制车轮的频率范围( 1 0 1 5 h z ) ，其响应特性 必须很快，所以又称为快主动悬挂。但是这种悬挂虽然机械结构简单，但 消耗的能量多，传感器的需用量也多，特别是出现故障就无法正常工作。 b ) 有限带宽主动悬挂，也称为慢主动悬挂。它由一响应速度较慢的作动器和 弹性元件串联而成。弹性元件用以支承静载荷，以便系统无效时起到作用。 慢主动悬挂在其控制频率范围( 肚6 h z ) 内性能类似于全主动悬挂，但是 其作动器响应相对来说“慢 。 c ) 并联式主动悬挂。它是在被动悬挂的基础上，并联添加一个作动器。这种 悬挂只需要在被动悬挂的基础上补充部分能量，因而消耗的能量小，尤其 当主动装置出现故障时仍然能够按被动悬挂方式工作。 三类主动悬挂的结构示意简图如图1 1 所示。图中，坛车身质量，m 。车轮质 量，e 是阻尼系数，疋主弹簧刚度( 在车身与车轮中间) ，k 是轮胎弹性系数。 另外，有不少文献在对悬挂进行分类时，将半主动悬挂归于主动悬挂。半主 动悬挂采用的是可调式减振器，其控制并不消耗外部能量。这与我们研究的依赖 于动力源的主动悬挂有所不同，因此，文中不深入讨论半主动悬挂。 1 1 3 主动悬挂系统的优缺点 主动悬挂系统是在控制环节安装了能够产生抽动的装置。执行元件针对外力 的作用，产生一个力来主动控制车身移动和车身受到的载荷。相比传统的被动悬 挂，主动悬挂的优点主要有3 个方面【2 】： 有效的隔离路面振动，提高乘坐舒适性。传统悬挂系统需要在性能与舒适 性之间折衷协调。而主动悬挂能够在任何时候，在任何车轮上产生符合要 求的悬挂运动。 能控制车身的运动。在汽车摇摆、制动以及转弯时，主动悬挂能产生与惯 性力相对抗的力，减小车身位置的变化，从而使汽车在行驶过程中保持车 身平稳，无倾斜，并能实现负侧倾转弯。 调节车身的高度。当汽车高速行驶时，车身可以调节的较低一些；而在通 过比较颠簸的路面时车身可以调节的较高一些，增强车辆在恶劣路面的通 过性。 由于主动悬挂能够同时改善车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，它的出现可以 称为车辆工程理论和实践中的重大革命。但是，主动悬挂的执行机构需要选用高 精度的伺服机构( 如液压伺服缸、电磁伺服阀等) ，需要复杂的传感器和仪器设 备，需要较多的外部动力来控制机构。这也造成了主动悬挂系统其自身的缺点： 系统结构复杂、技术性高、能耗大、成本昂贵。 第3 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 传感器传感器 传感器 c ) 图1 1 三类主动悬挂系统的结构简图 1 2 主动悬挂的研究现状及发展趋势 b ) 随着当今汽车速度的提高以及人们对汽车产品的乘坐舒适性、操纵稳定性等 综合性能的高要求，人们越来越关注先进悬挂的设计，性能优越的主动悬挂更是 得到了广泛关注和研究。在过去的二三十年间，学者们对车辆主动悬挂控制系统 第4 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 作了许多理论研究工作，通常隔不多久，该领域就会发表比较系统的综述【6 - 1 7 1 ，介 绍主动悬挂的研究进展和最新技术，这从某种程度上也可以看出人们对主动悬挂 研究的重视。 1 2 1 主动悬挂控制技术的进展 主动悬挂的控制技术是保证悬挂系统为车辆提供良好性能的关键，成为汽车 工业领域中的重要研究课题之一。已发表的有关主动悬挂控制的研究成果几乎涉 及到现代控制理论的所有分支，以下对几种典型的控制方法进行评述。 1 2 1 1 天棚阻尼器控制方法 天棚阻尼器控制理论是由美国的k 锄0 p p 教授等【碍】提出。天棚阻尼器控制设 想将系统中的阻尼器移至车体与某固定的天棚之间。就主动悬挂而言，也就是要 求执行机构产生一个与车体上下振动的绝对速度成正比的控制力来衰减车体的振 动。在天棚阻尼器控制方式中，不需要很多的传感器，也不需要复杂的数学模型， 易于实现且比较可靠。因此，这种控制方法至今仍被实际车辆的主动悬挂系统所 采用【1 9 1 。 然而，问题是为了消除共振现象，将要求较大的阻尼系数，这意味着系统需 要较大的反馈增益，在能量消耗方面是不利的因素。 1 2 1 2 最优控制方法 相比天棚阻尼器控制方法而言，最优控制通过对系统中更多变量的影响加以 考虑，因而控制效果更好。有关主动悬挂的最优控制问题的研究较多，早期的方 法是对系统中的某些性能指标处以惩罚，得到的悬挂控制力，可以在保证操纵稳 定性和悬挂行程限制的条件下获得最优的乘坐舒适性【2 7 】。近年来应用的较多的 是基于线性二次型问题的最优调节器控制，通过寻找一个最优控制信号，使得评 价函数取极小值。从控制理论来看，最优控制意味着，当受到外界干扰时，系统 将力图在某种性能指标最优的前提下尽快地恢复到稳定状态。 通常的最优控制器是建立在系统的所有状态可测或可估计的基础上的。但对 于实际的车辆来说，全状态最优控制往往难以达到实用。即便所有的状态变量都 可以通过各种处理方法( 如添加状态观测器) 得到，这些变量反馈到控制器后也 会使得控制算法更加复杂，同时带来的各种量测机构，不利于降低成本。黄英【2 8 】 和韩波【2 9 】在各自的工作中对主动悬挂状态不完全可测的情况利用线性二次型输出 反馈最优控制进行了设计，研究表明，在忽略观测噪声的情形下可以得到与状态 反馈基本相同的控制效果。m m p s o n 【3 0 】、冯志鹏【3 1 1 、张玉春【3 2 ，3 3 1 等人对次优控制 进行了研究，发现只要能选择合理的状态变量，所设计的次优控制器也能够取得 第5 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 接近全状态反馈最优控制的效果。 最优控制方法的不足主要有两点： 对于加权矩阵的选取，没有明确的理论来指导。众所周知，加权系数是对 所选取被控输出的归一化处理，并在此基础上反映诸控制输出的重要性与 不重要性。因此，利用最优控制设计的控制器的最终性能与权系数的选取 密切相关。由于各被控输出量之间的耦合，调整加权系数以获得期望的控 制性能并不是一件容易的事，大多是靠经验在仿真中反复的试凑调试。 根据最优控制理论设计出的主动悬挂，往往只能对数学模型保证预期的性 能。为了方便设计，建模时往往忽略系统的高阶动态环节，如车架，轮胎 的高阶模态，传感器，作动器的动态特性等；且对于实际的车辆系统，存 在着很多不满足理想条件的不确定因素。这些都容易导致实际系统偏离理 论模型，从而使实际系统达不到预期的控制效果。因此有必要对其作鲁棒 性分析。d o y l e 【3 4 】和黄兴斛”】等用鲁棒最优控制理论设计控制器，在系统 性能略有降低的情况下，大大提高了系统的稳定性。 1 2 1 3 自适应控制方法 考虑到实际的汽车会以不同速度行驶在不同的路面上，作为系统干扰的路面 输入变化范围也会很大，而且车辆系统还存在众多的不确定性因素，人们把目光 投向了自适应控制，即要求控制系统能自动地调整参数以适应车速、路面情况及 车辆参数的变化。 应用于汽车悬挂振动控制的自适应控制方法主要有模型参考自适应控制和自 校正控制两种方法。模型参考自适应控制的原理是：当外界激励条件和自身参数 状态发生变化时，被控汽车的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。s 咖。 等提出了一种以理想天棚阻尼控制为参考模型的自适应控制策略。模拟结果表明， 这种自适应控制在悬挂行程大范围变化时，系统依然具有良好的性能【3 6 】。而自校 正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整定相结合的控制方法。李 霆【3 7 1 、刘新亮3 舯、丁科【3 9 】等将最小方差自校正控制方法应用于车辆悬挂系统的主 动控制。与随机最优控制方法相比，减少了所需反馈变量，且避免了求解砒c c a t i 方程的麻烦。马宝山、孙建民等则采用l m s 自适应滤波算法对主动悬挂系统进行 振动控制，计算机仿真以及在二自由度的悬挂系统试验台架上的试验都取得了较 好的结果【4 0 4 1 。 另外，喻凡等利用离线的自适应增益调度方法对主动悬挂进行了算法研究， 通过选择能准确可靠地反映输入变化的参考变量，控制器可以快速、方便地改变 控制参数以适应输入的变化【4 2 喇】。c h a n t r a n u w a 缅锄等通过对自适应鲁棒控制 ( 剐 配) 策略进行适当修改，消除了未建模动态特性带来的不利影响，而很好的 第6 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 实现了悬挂控制力的自适应鲁棒跟踪【4 5 1 ；b u 等在此基础上，进一步提出一种理想 补偿自适应鲁棒控制( d c 设c ) 策略。相对灿而言，d c 刖妃能大幅度简化控 制器的设计；另外由于这种自适应控制算法的回归量并不直接依靠所测量的状态， 从而减少了量测噪声对控制系统性能的影响，比较适合工程使用m 】。 目前，采用自适应控制的汽车悬挂减振器在德国大众汽车公司的汽车底盘上 得到了应用。 1 2 1 4 鲁棒控制方法 八十年代发展起来的鲁棒控制为系统地解决不确定系统的鲁棒性分析与设计 问题提供了较完美的理论框架。有些学者开始将其应用于汽车主动悬挂控制系统 的分析与设计中。目前，应用于车辆主动悬挂的鲁棒控制方法主要有回路传输恢 复技术、鲁棒l q g 方法、h 。控制方法、结构奇异值方法等。 美国c l e m s o n 大学r 坷考虑了参数摄动及作动器和传感器的动态特性等系统 不确定性因素对系统稳定性的影响，应用回路传输恢复( 1 0 0 pt r a _ l l s f 打r e c o v e 巧，简 称l t r ) 控制方法来提高l q g 方法控制主动悬挂的鲁棒性和稳定性。结果表明系 统参数摄动特别是簧上质量的变化对系统鲁棒性影响比较大，甚至会破坏系统鲁 棒稳定性【4 7 】。 匈牙利布达佩斯科技大学的m i c h e l b e r g e r 等人应用h 。控制鲁棒l q g 方法来 解决主动悬挂系统参数摄动及线路干扰不确定性的鲁棒性问题【4 8 】。 日本的很多学者对h 。控制理论在汽车和铁道车辆主动悬挂控制中的应用进 行了很深入的研究。日本东京农业与技术大学的m o 啪等应用h 。最优鲁捧控制理 论对一前后车轮独立主动悬挂的4 自由度半车模型进行了分析【4 9 】。日本丰田汽车 公司的吼嬲l l i t a 等学者对整车主动悬挂模型进行了h 。鲁棒性能的研究【50 5 1 j 。日 本住友金属有限公司的t o s l l i a 虹等人研究了铁道车辆主动悬挂的h 。最优控制，并 进行了实车试验【5 2 1 。日本东京大学的t a k e l l i l 【0 等人对超导磁悬浮列车主动悬挂采 用h 。控制进行仿真【5 引。 国内西南交通大学的戴焕云、张汉全、沈志云将h 。最优控制理论应用于铁道 车辆主动迫导向转向架控制器设计，研究结果表明采用h 。控制理论设计的控制器 的主动导向装置可大大改善车辆曲线通过性能及提高车辆运动稳定性【巩”】。 考虑到h 。控制所处理的不确定性是有限的，对于含有深刻结构化不确定性的 系统，设计结果往往带有保守性。美国密执安科技大学的i 沁1 1 a l l i 、l ；c z i 等人应 用结构奇异值方法对具有参数摄动及高阶不确定性的主动悬挂l q g 控制进行鲁 棒稳定性分析，结果表明用系统最大奇异值作为系统稳定程度的标准是很保守的， 第7 页 国防科学技术大学研究生院博士学位论文 而用系统结构奇异值大小来衡量系统鲁棒稳定程度是没有保守性的【5 6 57 1 。西南交 通大学的戴焕云、张汉全等用方法对铁道车辆主动悬挂进行了鲁棒控制研究， 并利用滚动振动试验台进行了主动悬挂客车实验【5 8 侧。吉林大学的陈虹、赵桂军 等以1 4 车辆模型为基础，采用综合方法的d k 迭代法设计了控制器，并利用 结构奇异值分析了其方法的有效性。他们在研究中还利用鲁棒控制理论分别设计 了h ：和h 。控制器，并对这两个系统针对相应的不确定性和不同路面、车速的情况 下就其性能进行了比较【6 l 彤】。 总的来说，将鲁棒控制应用于汽车主动悬挂有如下两个主要优点： 可以降低系统数学模型的不确定性( 如建模的误差、乘员的变化等) 带来 的影响，保证系统的稳定性。 可以根据人对不同频率的振动的反应敏感程度不同，在人对振动的反应敏 感区( 4 8 h z ) 蝉l 内实行较大的反馈增益，从而产生较大的控制输出，提 高乘坐舒适性。 但由于鲁棒控制的设计往往比较复杂，而且所得控制器阶数较高等原因，在 实车上实施还有待进一步的研究。 1 2 1 5 非线性控制方法 实际的主动悬挂系统通常很难由线性控制理论直接实现，这是因为，一方面 主动悬挂模型本身，特别是作动器部分存在很强的非线性；另一方面，在主动悬 挂的控制设计中，相互矛盾的性能指标要求同时存在也是需要解决的关键问题。 随着非线性控制理论的发展，人们开始将非线性控制方法应用到主动悬挂的控制 设计中来。 1 9 9 2 年，a l l e y n e 和h e “c k 考虑到液压作动器的非线性动态特性，尝试