（车辆工程专业论文）车辆半主动悬架鲁棒控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文摘要 摘要 为了提高汽车的乘坐舒适性，人们提出了主动、半主动悬架，其中半主 动悬架既克服了被动悬架的性能局限又克服了主动悬架的高成本、高能耗的 缺点，成为汽车界研究的热点。本文力图设计一种结构简单可行的半主动悬 架，而且要求这种悬架在参数移外界干扰发生变化时仍保持良好的性能即要 求悬架具有较高的鲁棒性能。 首先，建立了1 4 车辆被动悬架模型，分析了该模型下车身加速度、悬 架动挠度、轮胎相对动载荷的幅频特性和加权均方根值随模型参数变动的变 化规律，同时还分析了系统的无穷范数随参数变动的规律。 其次，建立了1 4 车辆半主动悬架模型，基于日。方法通过解r i c c a t i 方程 求出了鲁棒控制器。在m a t l a b 软件中进行了仿真，首先对比了被动悬架和带 有鲁棒控制器的半主动悬架的幅频特性、脉冲激励响应和白噪声激励响应； 然后对比了当悬架参数发生变化时被动悬架和半主动悬架的鲁棒性。通过仿 真证明了本文提出的半主动悬架不仅在提高汽车的乘坐舒适性和降低轮胎 的相对动载荷方面效果明显，而且鲁棒性能良好，即使参数发生较大变动， 仍能保证良好的性能。 再次，基于上述控制模型进行控制器的硬件和软件设计。所设计的控制 器是个单片机控制系统。传感器接收到的车身加速度信号，首先经过电荷 放大器放大，然后经过a d 转换器转换为数字信号送给单片机，单片机经过 运算发出指令，控制执行机构进行一定的动作，后向通道中所用的执行机构 为步进电机，通过步进电机的精确转动改变节流口可调式减振器的截流面 江苏大学硕士学位论文摘要 积，从而达到改变阻尼的目的。本文在d p 5 l + 开发平台的基础上，扩展了 其前向和后向通道的功能，实现了上述控制过程。单片机的控制软件是在 k e i lc 5 1 环境下开发的，控制算法的依据是上述通过求解r i c c a t i 方程得到的 鲁棒控制器。程序编写、调试好以后固化到单片机系统的f l a s h 存储器中， 进行硬件仿真，可以对发现的问题及时进行修改，最后顺利通过了软、硬件 的调试。 最后，用所设计的单片机控制系统进行了台架试验。分别采用脉冲激励、 正弦激励和白噪声激励模拟路面不平度进行试验。用s d 3 8 0 作为数据存储仪 器记录车身和车轮的加速度信号。试验数据的分析结臬表明，使用所设计的 单片机系统对汽车悬架系统进行控制，可以较好地改善汽车的车身振动和轮 胎动载荷，达到了预期的目的。 通过上述分析、仿真和试验，可以得到以下些结论：基于日。理论设计 的控制器在改善汽车行驶平顺性和降低轮胎动载荷方面均明显优于被动悬 架，而且鲁棒性能良好，易于硬件实现；所设计的控制器性能可靠，能够满 足设计和使用要求。 关键词：半主动悬架，鲁棒，控制策略，可调阻尼减振器，台架试验 江苏大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t i no r d e rt o i m p r o v er i d i n gc o m f o r t ，s p e c i a l i s t sd e v e l o p e d a c t i v ea n d s e m i a c t i v es u s p e n s i o n s t h es e m i a c t i v es u s p e n s i o nc a nn o to n l yi m p r o v et h e r i d i n gp e r f o r m a n c eg r e a t l yr e l a t i v e t ot h e p a s s i v es u s p e n s i o n b u ta l s oc a l l o v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fh i 曲c o s ti ne c o n o m i ca n df u e lc o n s u m p t i o n c o m i n gw i t ha c t i v es u s p e n s i o n ，w h i c hh a sb e e nv e r yh o ti nt h ea u t o m o t i v er & d f i e l d t h i sp a p e rt r i e st od e s i g nan e w 垴n do fs e m i a c t i v es u s p e n s i o nw h i c h s h o u l db es i m p l et or e a l i z ea n dc a r l k e e pg o o dp e r f o r m a n c eh o w e v e rt h e p a r a m e t e r sa n dt h ed i s t u r bc h a n g e ，t h a ti s t os a y , t h en e ws u s p e n s i o nm u s tb e r o b u s t f i r s t l y , aq u a r t e rc a rm o d e lo fp a s s i v es u s p e n s i o ni sb u i l t t h ea n a l y s i so n b o d ya c c e l e r a t i o n ，s u s p e n s i o nd y n a m i cd i s p l a c e m e n ta n dt y r ed y n a m i cl o a do f t h em o d e li na m p l i t u d e f r e q u e n c yp r o p e r t i e s ，r o o t so fm e a ns q u a r ea n di n f i n i t e s e c o n d l ns e m i - a c t i v eq u a r t e rc a rm o d e li sb u i l t ，r o b u s tc o n t r o l l e ri ss o l v e d b a s e do nh 。c o n t r o l 。s i m u l a t i o n sa r ed o n ei nm a t l a bs o r w a r e 。f i r s t l yt h e a m p l i t u d e - f r e q u e n c yp r o p e r t i e s o fp a s s i v ea n ds e m i a c t i v e s u s p e n s i o n s a r e c o m p a r e d ，s e c o n d l yt h er e s p o n s e su n d e rt h es t e pe x c i t a t i o n a n dw h i t en o i s e e x c i t a t i o na r ec o m p a r e d ，t h e nt h er o b u s tp e r f o r m a n c ew h e nt h ep a r a m e t e r sa r e c h a n g e da r ec o m p a r e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h es e m i a c t i v es u s p e n s i o n d e v e l o p e dc a ni m p r o v et h er i d i n gc o m f o r ta n dt h et y r ed y n a m i cl o a dg r e a t l y , a n d t h er o b u s tp e r f o r m a n c ei sb e t t e rt h a nt h ep a s s i v es u s p e n s i o n 江苏大学硕士学位论文摘要 t h i r d l y ，b a s e do nt h ea b o v ec o n t r o l l e rd e v e l o p e d ，t h eh a r d w a r ea n dt h e s o f t w a r ea r ed e s i g n e d t h ew h o l es y s t e mi sb a s e do na s i n g l em i c r o c h i pp r o c e s s o r s y s t e m t h ea c c e l e r a t o rm e a s u r e st h eb o d ya c c e l e r a t i o n ，s e n d si tt ot h ea m p l i f i e r t ob ea m p l i f i e d 。t h e nt h es i g n a li ss e n tt ot h ea f dc o n v e n e rt ob ec h a n g e di n t o d i g i t a ld a t a a tl a s tt h ep r o c e s s o rr e c e i v e dt h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l ，t h e na n a l y s i si t ， g i v eo r d e r st oc o n t r o lt h ea c t u a t o rw h i c h i sm a d eu po fas t e pm o t o ra n d a d j u s t a b l ed a m p e r i no r d e rt or e a l i z et h ea b o v ec o n t r o lp r o c e s s ，f u n c t i o n so f d p - 51 + s y s t e ma r ed e v e l o p e d t h es o f t w a r ef o rt h es y s t e mi sd e v e l o p e di nk e i l c 51c i r c u m s t a n c e s w h e nt h ep r o g r a mi sf i n i s h e d ，i ti s b ew r i t t e nt ot h ef l a s h m e m o r yf o rh a r d w a r es i m u l a t i o n a f t e rb e i n ge d i t e ds e v e r a lt i m e s ，t h es y s t e mc a n w o r ki ng o o dp e r f o r m a n c e a tl a s t ，t h ep l a t f o r me x p e r i m e n ti sc a r r i e do u t ，t h ee x c i t a t i o n s i g n a la r e r e s p e c t i v e l ys t e p ，s i n ew a v ea n dt h ew h i t en o i s e t h es d 3 8 0i su s e dt or e c o r dt h e d a t a t h ed a t aa n a l y s i sr e s u l t ss h o w ：t h ed e s i g n e dc o n t r o l l e rc a l ld e g r a d et h eb o d y v i b r a t i o na n dt h el y r ed y n a m i cl o a d ，t h ed e s i g n i n ga i mi sr e a c h e d s ow ec a nr e a c ht h ec o n c l u s i o n sa s t h ec o n t r o l l e rb a s e do nh 。t h e o r y d e v e l o p e d h e r eh a s g o o dr i d i n g c o m f o r t p e r f o r m a n c e a n dr o b u s t p e r f o r m a n c e ，a n di se a s yt od e s i g n t h ec o u n t e r p a r th a r d w a r e ；t h ec o n t r o l l e r d e s i g n e dr e a c h e dt h ed e s i g n i n ga n dr e a lr e q u e s t k e yw o r d s ：s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ，r o b u s t ，c o n t r o ls t r a t e g y , a d j u s t a b l ed a m p e d a i se x p e r i m e n t 江苏大学硕士学位论文图表目录 图表、目录 图1 1 汽车被动、主动和半主动悬架1 4 模型 图1 2 三类主动悬架的特征 图1 3 不确定系统的胙结构 图1 4 加权函数w 。( ，) 图形 圉2 1 上下线性分式变换 图2 2 标准何。控制 2 3 7 8 1 6 1 7 图2 3 包括加权传递函数的控制图1 7 图2 4 反馈控制系统2 0 图2 5 带摄动的反馈系统2 0 图3 1 双质量1 4 车辆模型2 2 图3 2 参数变动时的幅频特性对比：2 5 图3 3 加速度加权传递函数幅频特性：2 6 图3 4 轮胎刚度对均方根值的影响2 8 图3 5 轮胎刚度对系统范数的影响2 9 图3 6 车身质量对均方根值的影响2 9 图3 7 车身质量对系统范数的影响2 9 图3 8 悬架刚度对均方根值的影响一3 0 图3 9 悬架刚度对系统范数的影响3 0 图3 1 0 悬架阻尼系数对均方根值的影响3 0 图3 u 悬架阻尼系数对无穷范数的影响3 0 图3 1 2 半主动悬架模型3 1 图3 13 进一步简化的半主动悬架模型3 2 图3 14 路面位移沿水平方向的变化3 4 图3 15 路面分级图3 4 图4 1 增广系统框图3 7 图4 2 圩。控制器的传递函数波特图3 8 图4 3 车身加速度的幅频特性3 9 图4 4 悬架动挠度幅频特性3 9 图4 5 轮胎相对动裁荷幅颠特性4 0 图4 。6 车身加速度脉冲响应对比4 1 图4 7 悬架动挠度脉冲响应对比4 1 图4 8 轮胎相对动载荷脉冲响应对比4 l 图4 9 仿真框图4 2 图4 1 0 仿真输入4 2 图4 u 车身加速度对比4 2 图4 1 2 悬架动挠度对比4 3 图4 13 轮胎相对动栽荷对比4 3 图4 1 4 输入信号4 3 工苏大学硕士学位论文图表耳录 图4 1 5 被动悬架对质量变化的敏感程度对比 囤4 1 6 半主动悬架对质量变化的敏感程度对比 图4 17 被动悬架对轮胎刚度变化的敏感程度对比 图4 t 8 半主动恙架对轮胎剐度变化的敏感程度醇比 图5 1 半主动悬架控制系统的构成 图5 2 控制单元及其外围器件示意图 因5 3m c l 4 4 3 3 引脚图 图5 4 单片机与a d 转换器的连接 图5 5 驱动器与其它设备的连接 图5 6 单片机与步进电机的信号隔离方法一 图5 7 共阳接法驱动器所要求的电平方式 囤5 8 换向信号起作用的时刻 图5 9 三字节浮点数格式 图5 10 主程序流程图 图5 1 l 数据采集流程图 圈6 1 试验现场。 因6 2 试验用车辆二自由度模型 图6 3 数据采集系统图 图6 4 脉冲输入下仿真结果与试验结果的对比 囤6 5 阶跃输入下车轮加速度对比 图6 6 阶跃输入下车身加速度对比 图6 73 h z 正弦激励时车身加速度对比 圈6 83 h z 正弦激励时车轮加速度对比 图6 9l i h z 正弦激励时车轮加速度对比：， 图6 1 0l i h z 正弦激励时车身加速度对比， 图6 1 14 0 k m h 、b 级路面白噪声激励下的车身、车轮功率谱密度对比 图6 125o k m h 、b 级路面白噪声激励下的车身、车轮功率谱密度对比 图6 136 0 k m h ，b 级路面白噪声激励下的车身、车轮功率谱密度对比 图6 1 44 0 k m h 、c 级路面白噪声激励下的车身、车轮功率谱密度对比 图6 1 55o k m b , 、c 级路面白噪声激励下的车身、车轮功率谱密度对比一 圈6 1 66 0 k m i h 、c 级路面白噪声激励下的车身、车轮功率谱密度对比 图6 1 7 轮胎动载荷功率谱密度对比 表3 1 标称悬架模型参数一 表3 2 悬架的四个参数的变动范围 表3 3 路面不平度分级 ：7 2 2 4 2 5 表4 i 均方根值对比4 0 袁5 i 步进电机参数5 2 表5 2 内存单元分配表。，。，。5 9 表6 1 所有用到的设备清单6 3 表6 2 半主动悬架的参数6 5 表6 3 车身性能对比7 1 表6 4 车轮性能对比7 2 表6 5 轮胎动栽荷性能对比，7 3 “帖 m m如皲州“甜“肿韶郦m m朋朋棚m m一|；|一一；|；|一；|一一|；|；|z 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学位保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 学位论文作者签名：茯办谗 y 四年口月日 獬弓结抛 扣厂年斗月厂日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：诫鹕 日期：，年厶月，日 江苏大学硕士学位论文第一章，绪论 1 ，1 悬架的作用及其分类 第一章绪论 悬架是连接车身和车轮之间全部零部件的总称，主要由弹性元件( 如钢板弹簧、螺旋 弹簧、扭杆等) 、减振器和导向机构组成 1 1 。其主要作用如下： l 、衰减振动；悬架可以把路面作用于车轮的垂直反力、纵向反力( 驱动力、制动力 等) 和侧向反力以及由这些力产生的力矩传递到车架上，缓和由路面不平传给车身的冲击 载荷、衰减冲击载荷弓l 起的承载系统的振动，悬架系统可以有效的抑制车体和车轮垂直振 动，从而可以保证汽车驾驶的舒适性。 2 、导向作用：悬架系统可以对车身和车轮的相对运动起导向作用，控制车身的倒倾 和俯仰姿态，对汽车的操纵稳定性和安全性有很大影响。 3 、支撑车身或车体同时保证轮胎接地性良好，从而保证行驶安全性，充分利用轮胎 与地面之间的附着力。 悬架设计时主要考虑悬架刚度和阻尼的选择口1 ( 3 1 。为了更有效地减缓路面不平以及发 动机、传动系和车轮等旋转部件弓 起的车体振动，希望悬架参数( 刚度和阻尼) 较“软”； 而在汽车转弯、加速或制动、车体的侧倾、俯仰较严重时，则又要求悬架参数( 刚度和阻 尼) 较“硬”。因此悬架系统的参数设计存在着相互制约的矛盾，近年来很多研究工作都 是围绕着解决这矛盾展开的【4 1 5 1 。按悬架的工作原理不同可以将悬架分为被动悬架 ( p a s s i v es u s p e n s i o n ) 、半主动悬架( s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ) 和主动悬架( a c t i v e s u s p e n s i o n ) 三种 6 1 1 7 】【8 l 。本章将简单介绍这三种悬架的发展历程、工作原理及其局限性， 最后介绍一下本论文研究的主要内容、目的和意义。 1 1 1 被动悬架 被动悬架是目前汽车主要采用的悬架形式，由固定的刚度和阻尼组成。设计时根据一 定的路面输入，针对平顺性指标仃；，( 车身垂直振动如速度均方根值) 和行驶安全性指标 仃五，g ( 轮胎相对动载荷均方根值) 的综合要求，把弹簧动挠度指标盯 ( 悬架动挠度均方 根值) 作为约束条件，对悬架参数进行优化选择。对于这种悬架，一旦参数选定以后无法 l 江苏大学硬士学位论文第一章：绪论 更改，称为被动悬架。根据其结构的不同又可分为独立悬架和菲独立悬架。圈1 1 ( a ) 所 示为由车身与车轮双质量系统组成的两自由度振动系统的被动悬架模型( 具体情况参见本 文第三章) 。 ( a )( b )( c ) 图1 i 汽车被动、主动和半主动悬架l 4 模型 f i g i ap a s s i v e ，a c t i v ea n ds e m i - a c t i v es u s p e n s i o n m o d e l o f q u a r t e r v e h i c l e 棚i 非簧栽质量州2 簧裁质量毛轮胎刚度如悬朱刚度c 2 悬寨阻尼 e c u 电子控制单元c 。可调阻尼减振器的阻尼力 被动悬架的设计理论t 匕较成熟，已经积累了相当丰富的经验。其优点是结构简单，价 格低廉，可靠性好，无需外部提供能量。然而，被动悬架是种时不变系统，其被动元件 仅能在一定程度上协调悬架系统各种性能之间的要求，因此，被动悬架的缺点是不能满足 使用工况的变化，如汽车满载、空载时，悬挂质量( 车身质量) 用：会有较大变化：另外 车速和路况在使用过程中也有较大差异，路面输入不同对平顺性和行驶安全性要求的侧重 点也相应不同。被动悬架的特性参数不能根据系统参数和路面输入的变化来进行控制调 整，因此在使用工况变化时，无法满足汽车综合性能的较高要求。随着汽车车速的不断提 高，人们对汽车行驶平顺性的要求也越来越高，传统的被动悬架已很难满足人们的要求。 1 ，1 。2 主动悬架 近年来，随着电控技术在汽车上广泛应用和隧动液压技术的发展，主动悬架技术得到 了发展和应用，以适应进一步改善汽车行驶平顺性和安全性的要求。图1 1 ( b ) 为车身与 车轮组成的双质量系统两自由度主动悬架模型。 2 江苏大学硕士学位论文第一章：绪论 主动悬架是通过输入外部能量施加一定的控制力的悬架，大多采用液压缸作为其主动 力发生器，代替悬架的弹簧和减振器，由外部高压液体提供能源，用传感器测量系统运动 的状态信号，反馈到电控单元( e c u ) ，然后由电控单元发出指令控制力发生器( a c t u a t o r ) ， 产生主动控制力作用于振动系统，构成闭环控制。主动控制的研究首先始于轨道车辆的悬 架振动控制【9 】。用于汽车的主动控制悬架的最初装置是由a p ( a u t o m o t i v ep r o d u c t s ) 公司基 于气液悬架发展的一种机械系统【i o j 。日产( n i s s a n ) 和丰田( t o y o t a ) 公司在轿车上成功的 采用了液力主动悬架【l l 】。 至今已经开发了三类典型的液力主动控制系统如图1 2 所示。a 类是由l o m s 公司开 发，它由双作用油缸和高速响应液力控制阀直接祸合，这个系统的控制能力较强，但耗能 较大，尤其是在租糙路面上行驶时，非悬挂质量共振时这一问题尤为突出1 1 2 】。c 类是a p 公司开发的气液悬架，它通过一个流量控制阎把油液输送到单作用油缸和填充储能器执行 主动控制，这种控制同样要消耗相当大的能量。b 类液力主动控制系统由n i s s m 公司开发， 它的主要特征之一是压力控制阀同小型储能器和液压缸相结合，在不平路面上的振动输入 被储能器吸收，从而减少整个系统所需要的能量，悬挂质量的振动控制通过液力系统的主 动阻尼调节完成，同a 、c 类相比，该类主动控制的耗能较少【6 j 。 目前开发主动液力悬架的研究方向之一是采用复合减振方法减少外部能量的消耗。国 内张庙康发明了一种液力阻尼车用减振器。 j ( a ) ( b ) 图1 2 三类主动悬架的特征 f i g l 2 t h r e e t 3 f p 姆o f a c t i v es u s p e t x s i o n s 主动悬架的控制策略主要有：渐进稳定自适应控制、最优控制、约束预测控制等。阻 碍主动悬架推广的主要原因有：制造成本高，耗能多、结构复杂等。 江苏丈举硕士学位论文第一章：绪论 1 1 3 半主动悬架 半主动悬架的原理是用可调刚度的弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架系统，并根据预 测的激励和簧载质量的加速度响应等信号，按照一定的控制规律调节可调弹簧或阻尼器的 参数【l “。半主动悬架系统通常只依赖簧载质量的加速度信号来调节弹簧刚度或阻尼器的参 数。它消耗的全部能量只用来驱动控制阀，故能耗低。图1 k c ) 所示为阻尼可调的车身一 车轮双质量半主动悬架i 4 车辆模型。 半主动悬架的概念是由c r o s b y 和k a m o p p 】等人于7 0 年代提出来的。其大规模生产 应用始于8 0 年代初期，当时引入了第一代变阻尼减振器，但是对悬架的改善性能是有限 的。随后，欧美日等国，在半主动减振器的研究方面作了多项有效韵工作。有的投入了生 产。以下是一些具有代表性的研究成果： m a r g o l i s 等人于1 9 7 5 年演示了“开关”控制的半主动悬架1 1 6 1 ，它能产生较大的阻尼 力这种悬架经改进后已于近年在汽车上得到了应用。 日产公司研制了一种“声纳”式的半主动悬架”】，它可以预测前方道路的信息，悬架 的减振器有“柔和”、“适中”和“稳定”三种选择状态。使可调减振器可以根据道路信息 和车身传感器的信息进行调节。日本丰田的l e x u sl s 4 0 0 g t 轿车的减振器也采用了三级可 调的形式。 m a r u l c s f f l a n n 公司的t h o m a sk u t s c h e 和m a t t h i a sr a u l f 以及w a b c 0 公司的h a n s o t t o b e c h e r 为重型车辆研制了具有模拟比例液压阀的连续可调阻尼减振籍w ，通过调节比例阀 的输入流量，达到控制阻尼力的目的。 k a m o p p 和c r o s b y 提出了阻尼连续可变的半主动悬架，p r i n k o s 等人于1 9 9 4 年使用 了电流变液和磁流变液作为减振嚣的工作介质，取得了一定的成效i l 。 h u b b a r d 和m a r g o l i s 等提出了采用刚度可调的弹性元件的半主动悬架，国外在8 0 年 代，就已经将空气弹簧悬榘广泛的应用到拖拉机和牵引车辆上m j 。 目前半主动悬架的研究主要集中在阻尼可调减振器以及控制筇略上。半主动悬架从其 控毒4 方式可分为以下三种：阻尼实时可调，阻尼根据路况无级可调及阻尼根据路况有级可 调。对阻尼实时可调的系统，因为要求阻尼的变化响应很高，一般要求2 0 h z 以上，较难 实现实际应用不多。除了阻尼实时可调的系统，还有一种是根据路面随机激励的统计特 性来调节悬架的阻尼的系统，这种调节方式又分为有级可调和无级可调两种。该方法不考 虑每个瞬时的阻尼调节，仅关心在有限时段里使悬架阻尼摄优，即统计意义上的最优。这 虑每个瞬时的阻尼调节，仅关心在有限时段里使悬架阻尼摄优，即统计意义上的最优。这 江苏大学硕士学位论文第一章：鳍论 种方法对执行元件要求较低，易于实现。 目前，各种控制策略广泛被应用到半主动悬架的设计中来，但是大都停留在理论分析 和试验验证上1 2 0 】【2 “，如最优控制、最优预见控制、自适应控制、模糊控制神经网络控制 等等。 半主动悬架控制理论的研究现状： ( 1 ) 最优控制：由于地面对车轮的激励是一个随机的过程，所以这类研究的理论基 础是线性最优控制理论，它通过建立系统的状态方程提出控制目标和加权系数，再应用控 制理论所设目标下的最优控制规律来实现最优控翩吲。著名的天棚阻尼控制就是最优控制 的一个特例。 ( 2 ) 预测控制：车辆悬架系统的预测控制是通过传感器将前方的路面信息预先传给 悬架装置，使参数的调节与实际需求同步2 4 】【25 1 。基本方法有两种：一种是利用前悬架的 状态信息作为后悬架的前馈信息；另一类是利用专门的传感器测量前方路面的信息作为前 馈信息，来控制悬架的执行机构，例如日产公司的“声纳式”悬架，就是利用声纳传感器 将前方路面的信息提供给电子控带4 单元e c u ，e c u 再根据路面信息作出控制决策。 ( 3 ) 自适应控制：考虑到系统的对变性，自动检测系统的参数变化来调节控制策略， 从而使系统逼近最优性能，该方法主要包括自校正控制和模型参考自适应控制【2 6 】【2 7 】【2 舯。 自校正控制需要根据输入输出的信息，在线递推悬架的有关参数，再由对象参数根据稳定 性理论，修改半主动悬架控制器的参数，因而计算量较大，实时性较差。模型参考控制悬 架将路面信息同时输出给实际悬架和参考悬架模型中，根据两者的广义误差，由李雅普诺 夫理论，综合自适应律，并通过数字控制器的输出来控制悬架的执行机构，进而调节悬架 装置的阻尼【z 9 】f 3 0 1 。 ( 4 ) 渭模控制：是一种非线性控制方法。刘新亮等人采用1 4 车辆模型对天棚阻尼 器和主动悬槊的动力学性能进行了分析【3 l 】。系统控制中采用了离散滑模法，仿真结果表明， 采用滑模控制策略的主动悬架能够有效地改善主动悬架的隔振性能，悬置质量的加速度和 速度响应的幅值比被动悬架降低较多。在国外，i s o b e 等人针对商用车辆的半主动悬架采 用了滑模控制器，取得了预期的效果。滑模控制理论本身在发展之中，在悬架控制中应用 尚不成熟。 ( 5 ) 模糊控制与神经网络：近年来。模糊控制和神经网络理论提供了行之有效的方 法来解决在特定环境以及采用特定描述方式的多目标设计中的各类问题【2 j 【3 2 】。很多汽车厂 5 江苏大学硬士学位论文第一章；绪论 家已看到了它的发展潜力，不断开发出有竞争力的产品。尼桑( n i s s a n ) 已经为自动变速 器和防抱死系统开发了模糊控制器。福特( f o r dc o m p a n y ) 、本田( h o n d a ) 、菲亚特( f i a t ) 和三菱( m i t s u b i s h i ) 等公司近年来都有此类产品问世p w 。 模糊控制是建立在人类思维具有模糊逻辑特性的基础上的一种智能控制方法。与传统 的控制方法相比较。它不需要精确的传递函数，其控制规则往往由对被控过程十分熟悉的 专门人员给出的，在本质上是种专家控制。 神经网络是一个由大量处理单元( 神经元) 所组成的高度并行的非线性动力系统，其 特点是可学习性和巨量并行性，故在车辆悬架控制中有广泛的应用前景；m o r a n a 等人把 神经网络控制方法应用于非线性悬架动力系统的识别和实施最优控制上。研究表明用神经 网络控制的非线性悬架系统和传统的l q 调节器控制悬架相比，具有更好的性能1 3 4 】【3 卯。 自9 0 年代以来，模糊控制和神经网络控制在半主动悬架上的应用的研究论文越来越 多，仿真可以得到满意的结果，但是，在目前只有采用性能更高的c p u 才能提高其实时 性，这必然加大了成本。 国内半主动悬架的研究始于8 0 年代中期，目前仍然停留在仿真计算和模拟试验阶段。 进入9 0 年代以来，国内对半主动悬架的研究越来越多，理论上取得了一定的成果。各种 控制理论纷纷被用到半主动悬架控制中来。 1 2 鲁棒控制简介 传统的控制理论和方法如经典控制理论、现代控制理论和自适应控制理论等，都要求 控制对象有精确模型或要求对象模型的不确定性和外界干扰满是特殊假设，然而在实际控 制系统中，要获得控制对象的精确模型是困难的，甚至是不可能的，对象的不确定性和外 界干扰往往也不满足特殊性假设。因而传统控制理论与实际控制工程应用之间出现了较大 差距，而且控制器本身也存在动态性能的变化。例如l q g 设计方法，该方法是以k a l m a n 滤波器和最优二调节理论为基础的反馈设计方法，但是l q g 设计要求获得对象的精确模 型，且假定外界干扰信号的统计特征已知【3 6 】。上述条件在实际应用中往往难以实现。 “鲁棒控制”是指在建立数学模型和设计控制器的过程中，考虑到不确定性的影响， 并且基于不确定性的不完整信息，设计出不依赖不确定性的控镱4 器，使得实际系统满足期 望的性能指标。鲁棒控制理论非常适合处理具有不确定性，以及有外界干扰的系统a 般 来讲如梁一个系统的品质，诸如稳定性、干扰抑制性能或最优性能指标等，对于系统中 6 江苏大学顼士学位论文第一章：绪论 存在的不确定性不敏感，就称该系统具有鲁棒性，或者具体的称为鲁棒稳定性、鲁棒干扰 抑制或鲁棒最优等。图1 3 所示为一个标准鲁棒控制的示意图，其为标称模型，一为不 确定模型，w 为外界干扰输入，p 为被控输出。 图t 3 不确定系统的肘4 结构 f i g i 3m - z s t r u c t u r eo fs y s t e mw i t hu n c e r t a i n t y 目前比较成熟的鲁棒控制理论有h 。控制理论和控制理论。乙理论是8 0 年代提出 来的，它是在多变量系统频域法与鲁棒稳定性奇异值分析法的基础上建立起来的最优控制 理论。它给出了控制系统的一种崭新的方法，即基于上乙最优指标的系统设计方法p 7 】。 厶乙方法的主要优点是：( i ) 可以将各种典型控制问题( 如干扰抑制、鲁棒镇定、跟 踪和模型匹配等问题) 都归结为日。问题，从而给出了一种系统化的设计方法。( 2 ) 日。方 法利用了输入输出模型，又利用了状态空间法的计算机辅助设计手段。而且，像经典方法 那样，设计者可根据所得频率响应曲线的形状寻求理想的控制器。( 3 ) 更重要的是，它既 便于处理对象具有不确定性时的鲁棒控制问题，又能在干扰频率谱不确定情况下得到满 意的控制性能。 方法是基于日。方法中的保守性以及干扰抑制和鲁棒性不可兼得提出来的。因此理 论上讲方法具有保守性小、抗干扰能力强以及鲁棒性好的特点。 1 3 鲁棒控制在半主动悬架中的应用现状及前景 汽车悬架系统实际上是一个含有诸多不确定因索的系统。例如，簧载质量、悬架刚度、 减振器的阻尼以及轮胎的刚度等等，都存在不确定性。用不变的参数设计出来的半主动悬 架系统，能不能稳定，鲁棒性能( 包括稳定性、干扰抑制能力和最优品质等) 如何，将直 接影响到控制器的性能。国外在这方面研究的较多，m h a y a k a w a 等人研究了l 4 车辆模 型的h 。控制方法3 8 1 ，o l i v e rs e n a m e 和l u cd u g a r d 等对比了天棚阻尼和日。控制半主动悬 7 江苏大学硕士学位论文第一章：绪论 架的性能印l ，结果表明，后者不但可以得到较好的性能品质。而且鲁棒稳定性也得到了提 高。日本的s a t o r uo h s a k u 等用非线性理论分析了半主动悬架中采用鲁棒控制的问题【加j 。 国内这方面的研究相对较少。上海交通大学的傅志方、张志谊和华宏星等人研究了半 主动悬架控制的以方法f 鸵1 ，提出了将半主动悬架控制( 双线性系统的控制) 转化为线 性系统的抗干扰控制问题，设计出了点乙控制器，并且进行了计算机模拟，分析结果表明日。 方法能够给出较好的控制。浙江大学的韩波、王庆丰研究了由流爨伺服阀构成的电液主动 悬架，设计出了基于干扰摊制的日。控制器【4 3 1 ，仿真和试验结果表明，设计出的控割器具 有良好的控制效果。但是。国内的这些研究大都集中在控制策略的研究上，而且所建立的 车辆模型均较简单，也没有考虑系统的非线性问题和鲁棒性能分析问题。 1 ，4 悬架系统的评价方法 汽车乘坐舒适性主要根据乘员的主观感觉来评价，而机械振动对入体的影响取决于 振动的频率、强度、作用方向和持续时间【州。i s 0 2 6 3 1 1 ：t 9 9 7 ( e ) 标准中给出了人体对不 同频段的振动敏感程度的加权方法，我国在修订的相应标准g b t 4 9 7 0 - 1 9 9 6 汽车平顺性 随机输入行驶试验方法中规定，评价平顺性就考虑椅面上。、y ，、z ；这三个轴向a 椅面 垂直轴向z ，的频率加权函数坼( 厂) ( 渐近线) 的表达式为( 1 1 ) ，图1 4 给出了式( 1 1 ) 的图 形表达。w 。( ，) = 0 5 ( 0 5 f 2 ) f 4 ( 2 4 ) ( 1 。1 ) 1 4 f ( 1 2 5 1 2 5 f1 2 5 f 0 则存在酉矩阵u c “粒p c ，使得 a = u d v ( 2 1 ) 其中d 是如下定义的m n 维矩阵： 肛酬 = d i a g t 7 l ，口2 ，盯，) 式( 2 。1 ) 称为矩阵4 的奇异值分解，其中a 的最大奇异值定义为盯。( 4 ) = 仃：；如果 矩阵a 为h h 阶方阵，则它的第”个奇异值为其最小奇异值即仃晌( 爿) = 仃 奇异值通常具有如下性质： 叫舻一，二皆。 ( 2 ) 嘣舻峨。寄。 性质( 1 ) 在鲁棒控制系统的分析和设计中很重要。因为该性质反映了矩阵a 的最大 江苏大学硕士学位论文第二章：鲁棒控制理论基础 特征值与输入向量x 在所有可能韵方向上的矩阵增益的最大值之阃的关系。对于稳定的 l a p l a c e 变换矩阵g ( s ) c ，p = m i n ( m ，打) 。定义g 扩叫的与频率相关的日。范数如下： r o l l 。= s u p t r 。( g u 彩) ) (