轴距预瞄的车辆主动悬架多目标控制与仿真
王 琦1,何 仁2 (1.镇江高等专科学校 汽车工程学院,江苏 镇江 212003; 2.江苏大学 汽车与交通工程学院,江苏 镇江 212013)
【摘 要】摘要： 当前,车辆行驶过程中容易受到障碍物干扰,产生振动较大,从而影响乘坐的舒适性.对此,采取轴距预瞄系统控制车辆行驶产生的波动幅度.构造了4自由度1/2车辆模型简图,采用静态输出反馈设计轴距预瞄控制器,定义了H∞范数和广义H2范数,引用了迭代线性矩阵不等式和锥补线性化算法，说明闭环控制系统的稳定性.设置车辆轴距预瞄系统多目标控制的仿真参数,在Matlab/Simulink环境下进行仿真,与无轴距预瞄控制系统的仿真结果进行对比.仿真结果显示,与无轴距预瞄系统相比,有轴距预瞄控制系统的加速度和角加速度峰值分别降低了48.6%和59.3%,而且车辆整体振动幅度明显降低.采用轴距预瞄控制汽车主动悬架系统,可以提高车辆乘坐的舒适性. 【期刊名称】中国工程机械学报 【年(卷),期】2017(015)003 【总页数】5
【关键词】 轴距预瞄; 车辆主动悬架; 多目标控制; 仿真
车辆悬架系统类型分为被动悬架、半主动悬架及主动悬架[1].汽车悬架系统主要用于提供车辆行驶的稳定性,并且支撑汽车在路面的重量.为了提高行驶的稳定性,许多研究人员对车辆的被动、半主动及主动悬架进行了研究.被动悬架结构简单,刚度和阻尼系数不能进行调整,主要用于低档车辆,在行驶过程中,稳定性较差.半主动悬架虽然优于被动悬架,但也无法满足驾驶员高舒适度的要求.面对道路的不平整,如何提高驾驶员及乘客舒适度受到了广泛的关注.
汽车行驶过程中,车辆悬架系统会产生振动现象.如何提高车辆行驶的稳定性,许多研究者对车辆悬架系统进行了研究.例如:文献[2-3]建立了车辆被动悬架简图,构造了汽车被动悬架系统的优化模型,采用区间优化方法对目标函数进行优化,将被动悬架优化后的参数进行仿真,车辆经过路面凸起物体垂直方向的振动加速度值降低,提高了车辆行驶的稳定性.文献[4-5]研究了车辆半主动悬架系统,采用遗传算法优化模糊PID控制模型,在ADAMS/View中构造了机械动力学模型,通过Matlab/Simulink模块完成模糊PID控制器的仿真,仿真结果显示,优化后的PID控制系统车身加速度、悬架动扰度和轮胎动载荷明显降低,提高了车辆行驶的平稳性和操作稳定性.文献[6-7]研究了2自由度1/4车辆主动悬架模型,建立了车辆运动微分方程,采用遗传算法优化线性二次型调节器,后通过仿真进行验证,有效地降低车辆垂直方向的加速度,提高了车辆行驶的平稳性.但是,车辆在遇到路面干扰情况下,车辆悬架垂直方向产生的加速度及车身俯仰加速度较大,很难保证车辆快速行驶的稳定性.对此,本文创建4自由度1/2车辆主动悬架振动模型,推导了车辆垂直方向和俯仰的控制方程式.设计了轴距预瞄控制器,引用了迭代线性矩阵不等式和锥补线性化算法说明闭环控制系统的稳定性,在外界干扰条件下进行仿真验证,并且与无轴距预瞄控制器仿真结果进行对比和分析,为车辆主动悬架的控制提供了参考依据.
1 车辆悬架1/2模型
本文研究的是4自由度半车模型,如图1所示.其中:a和b分别为质心到前轮、后轮的水平距离；M和J分别为簧载质量和转动惯量；mf和mr分别为前部非簧载质量、后部非簧载质量；λf和λr为控制力；参数kf1和bf分别指前总成被动悬架元件的刚度和阻尼系数；kr1和br分别为后总成被动悬架元件的刚度
和阻尼系数；kf2和kr2分别为前轮和后轮的刚度.
假设车辆悬架模型俯仰角很小,而悬架元件特征呈线性,则运动方程式[8]为 (1)
式中轮胎阻尼远小于悬架阻尼,因此,本模型对其忽略不计.状态向量则选择为 X=T (2) 式中
控制输入、路面输入[9]为 (3)
式中:wr为wf的时滞,即wr(t)=wf(t-τ),τ=(a+b)/v,v为汽车前进的速度(m/s). 因此,形成下列状态空间形式的控制方程为 (4)
式中:y为测量输出；A，B，C和D为车辆参数常数矩阵. 设计汽车主动悬架时,主要考虑以下几个方面.
(1) 行驶平顺性.设计精良的汽车悬架可通过减少车轴传往车身的力来实现隔离状态.因此,控制目标应尽可能减少和干扰作用下的
(2) 悬架挠度限制.汽车悬架应支撑汽车静态重量.必须考虑悬架挠度来避免过度悬架托底,过度悬架托底可能导致结构损坏.悬架压缩行程应限制在指定范围,即 |zf-ηf|≤zfmax |zr-ηr|≤zrmax (5)
轴距预瞄的车辆主动悬架多目标控制与仿真
