主動懸架座椅系統(tǒng)的控制及仿真分析*

鄧維敏

(重慶交通大學(xué)機電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引言

車輛懸架系統(tǒng)性能的好壞對車輛的乘坐舒適性和行駛安全性等性能影響很大。但傳統(tǒng)被動懸架的參數(shù)固定，而主動懸架系統(tǒng)可在變載荷、變車速、不可預(yù)測路況下達到最優(yōu)，減少振動，保證車輛的乘坐舒適性［1］。

控制系統(tǒng)是主動懸架的核心，它的性能基本上決定了懸架系統(tǒng)的性能，因此國內(nèi)外學(xué)者們對此進行了大量的研究和探索，眾多控制方法和策略也都應(yīng)用到了車輛主動懸架這一領(lǐng)域。最有控制中的線性二次型LQG控制算法與一般的最優(yōu)控制相比的明顯特點是:它研究系統(tǒng)的性能指標(biāo)是綜合性的。因此，LQG控制更具有綜合性，靈活性和實用性。在車輛主動懸架設(shè)計中，可以由不同的性能需要來提出不同的目標(biāo)函數(shù)，確定相應(yīng)的加權(quán)矩陣，也就是說LQG方法可以通過綜合考慮車輛懸架系統(tǒng)中的各種因素來達到對車輛性能的改善。

1 LQG控制策略分析

1.1 控制原理

汽車主動懸架的實際動態(tài)系統(tǒng)具有一定的不確定性，主要來自路面激勵即隨機擾動輸入，傳感器的量測噪聲以及懸架模型參數(shù)的不確定性。因此，在懸架控制中，隨機線性最優(yōu)(LQG)控制方法被廣泛采用。首先建立懸架系統(tǒng)的狀態(tài)方程，進而提出最優(yōu)性能指標(biāo)和其中的加權(quán)系數(shù)，求解最優(yōu)性能指標(biāo)下的最優(yōu)控制律。其中，權(quán)系數(shù)的調(diào)整是控制的關(guān)鍵。所選權(quán)值系數(shù)決定了懸架系統(tǒng)所具有的性能［2］。圖1為LQG控制系統(tǒng)原理圖。

圖1 LQG控制系統(tǒng)原理圖

1.2 懸架系統(tǒng)的建立

為了反映主動懸架系統(tǒng)改善座椅處乘坐舒適性的效果，選取座椅加速度為評價指標(biāo)。因此，在已建立的1/4 2自由度主動懸架模型的基礎(chǔ)上，加入座椅系統(tǒng)構(gòu)成3自由度系統(tǒng)。

在Matlab/Simulink環(huán)境中，建立主動懸架仿真系統(tǒng)模型［3］，如圖2所示。

2 懸架系統(tǒng)的仿真

以座椅加速度為目標(biāo)對象，在C級路面、v=30 m/s車速下，對被動懸架、主動懸架A和主動懸架B進行仿真分析，從而確定LQG控制對系統(tǒng)的影響。三自由度懸架系統(tǒng)的仿真參數(shù)如表1所列。

圖2 3自由度主動懸架仿真模型

表1 3自由度懸架系統(tǒng)參數(shù)

該LQG控制器性能指標(biāo)J中，各加權(quán)系數(shù)分別為輪胎加速度加權(quán)系數(shù)a1;座椅加速度加權(quán)系數(shù)a2;座椅相對位移加權(quán)系數(shù)a3;懸架動行程加權(quán)系數(shù)a4;輪胎相對位移加權(quán)系數(shù)a5。

圖3是被動懸架的座椅加速度。圖4是各加權(quán)系數(shù)取為a1=1，a2=0.857 3，a3=1 000，a4=10 000，a5=80 000時(稱為主動懸架A)圖5是在上述主動懸架的基礎(chǔ)上(稱為主動懸架B)，對其中的座椅加速度加權(quán)系數(shù)取值為a2=1，其余加權(quán)系數(shù)保持不變的情況下得到的座椅加速度。

圖3 被動懸架座椅加速度

表2 仿真結(jié)果比較

圖4 主動懸架A座椅加速度

圖5 主動懸架B座椅加速度

3 仿真結(jié)果分析

從上述仿真圖表可以看出，當(dāng)主動懸架A車輛在C級路面以14 m/s的速度行駛時，座椅加速度的幅值基本控制在±1.2 m/s2范圍內(nèi)，相比于被動懸架的±2.0 m/s2，可見主動懸架在降低座椅加速度、提高乘坐舒適性和行駛平順性有明顯的效果。

圖5的主動懸架B是在主動懸架A的基礎(chǔ)上增大座椅加速度的權(quán)系數(shù)仿真得到的座椅加速度曲線。其加速度值控制在±1.0 m/s2范圍內(nèi)。可見，控制過程中選擇合適的加權(quán)系數(shù)對主動懸架的性能提升也有很好的效果。

以上結(jié)果說明采取的LQG控制是行之有效的，并且在控制過程選取合適的權(quán)系數(shù)對懸架的控制效果也有很大的影響。

4 結(jié)語

對3自由度懸架系統(tǒng)LQG控制器的仿真研究，表明具有控制器的主動懸架可以有效地降低座椅加速度，而且選擇合適的權(quán)系數(shù)能更好地降低座椅加速度，改善車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。

［1］ 喻 凡，林 逸.汽車系統(tǒng)動力學(xué)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

［2］ 張 森，張正亮.MATLAB仿真技術(shù)與實例應(yīng)用教程［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.

［3］ 董 波.主動懸架最優(yōu)控制整車模型的研究［J］.汽車工程，2002，24(5):422－425.