汽车悬架系统控制器的优化设计

【摘要】悬架是汽车上的重要组成部分之一，是车架与车桥之间一切传力连接装置的总称。本文从提高汽车底盘性能出发，重点针对汽车悬架系统的控制器进行优化设计，以提高汽车的舒适性、安全性、可靠性。

【关键词】汽车悬架;控制器;性能优化

1.引言

随着汽车工业的发展，人们越来越关注汽车的舒适性、安全性、可靠性，传统的被动悬架已经很难满足这些要求。于是就有了关于主动悬架的设想和研究。主动悬架是由采用有源或无源可控制元件所组成的一个闭环可控制系统，根据车辆的运动状态和当前的路面状况做出反应，以抑制车身的运动，它最大的优点是根据外界输入或车身状态的变化进行动态的自适应调节，使悬架处于最优的减振状态。主动悬架的提出成为车辆工程理论与实践中的重大革命，利用它可以同时提高汽车行驶平顺性和操纵稳定性，为从根本上改善汽车悬架系统的性能提供了一条崭新的途径。

2.主动悬架系统结构及工作原理

主动悬架系统是典型的机-电-液一体化系统，由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器;测量系统主要由各种传感器组成，用于检测悬架系统的各种工作状态，为控制系统做出决断提供服务;控制系统的作用是根据控制律处理数据并发出控制指令;能源系统则为以上机构、系统提供能量。主动悬架按工作方式的不同可分为慢主动（图1-a）、半主动（图1-b）、全主动（图1-c）三大类型。其中半主动悬架又可分为阻尼有级可调和阻尼连续可调两种类型。

图1 主动悬架的类型

在主动悬架中是用一个有自身能源的力发生器来代替被动悬架中的弹簧和减振器。根据动作器的响应带宽可分为有限带宽主动悬架和无限带宽主动悬架两种，两种悬架又分别称为慢主动悬架和全主动悬架。有限带宽主动悬架一般由动作器与一个普通弹簧串联后再和一个被动阻尼器并联而成（如图1-a）。该系统在低频时采用主动控制，它的主动控制覆盖了主要的车身震动，涵盖了纵向、俯仰、侧倾及转向控制等要求的范围，改善了车身共振频率附近的行驶性能，提高了对车身姿态的控制，性能可达到与全主动悬架系统十分接近的程度。（图1-c）全主动悬架系统，采用的动作器是带有较宽的响应频带，以便对车轮的高频共振也可以加以控制。动作器多采用电压或液压伺服系统，控制带宽一般在0-15HZ，有的动作器响应带宽甚至达到100HZ。从减少能量消耗的角度考虑，可只保留一个与动作器并联的弹簧，以用来支撑车身的静载，以降低能耗。

3.悬架系统控制器设计

在主动悬架控制设计过程中，主要性能指标有代表乘坐舒适性车身垂直加速度、代表轮胎接地性的轮胎动载荷以及影响车身姿态且与结构设计和布局有关的悬架动行程。LQG对存在多个性能指标多输入多输出的系统具有非常好的控制效果。因此，本文运用线性二次型最优控制理论，设计了LQG控制器，并在Matlab/Simulink里对控制系统进行仿真。

3.1 LQG控制器的设置

取状态变量为：

取输出变量为：

则状态方程和输出方程可写成如下形式：

其中：

―控制输入 ―路面输入

考虑到整车系统的平顺性、安全性，取主要性能指标如下：

悬架动行程、;悬架垂直加速度，俯仰角速度，主动悬架作用力、。则目标性能指标可表示为：

式中q1，…，q4，r1，r2为各自的权系数。将上式改写为矩阵形式，即：

式中Q、R、N为加权矩阵。当加权系数值和车辆参数值确定后，Kalman滤波器增益矩阵和最优控制反馈增益矩阵可分别由函数Kalman及lqr求出。

3.2 仿真结果及分析

在Matlab6.5/simulink环境下建立悬架系统模型，进行主动悬架和被动悬架仿真对比试验，仿真时LQG控制器性能指标加权指标见表1，仿真过程中假设以20m/s的初始速度经过不平度系数为5×10-6m3/cycle的路面，仿真算法采用ode45，仿真步长采用自动步长。假定行驶时前后车轮处的路面干扰输入互不相关且白噪声功率相等，仿真结果如表2所示。表中给出了悬架垂直加速度、俯仰角及俯仰角速度的对比结果，从中可知，采用LQG方法设计的主动悬架三个性能指标和被动悬架相比降低是非常显著的。

同时表2给出了采用LQC控制方法所设计的主动悬架与被动悬架各性能指标仿真结果均方根的对比，可见采用LQC控制方法设计的主动悬架系统，其悬架垂直加速度、俯仰角及俯仰角速度均方根值比被动悬架分别降低了18.23%、15.58%和36.21%;前、后悬架动行程均方根值分别降低了28.98%和27.17%;前、后轮胎动载荷均方根值分别降低了10.94%和3.81%。由此可以看出，采用LQC控制后的主动悬架，在行驶平顺性、乘坐舒适性方面有明显的提高。

表1 LQG控制的性能指标加权系数

性能指标加权系数 符号 单位 数值

悬架垂直加速度（m/S2） q1 ― 5000

前悬架动行程（m） q2 ― 1000

后悬架动行程（m） q3 ― 1000

俯仰角速度（rad/s） q4 ― 500

前悬架作动力（N） r1 ― 1

后悬架作动力（N） r2 ― 1

表2 悬架系统仿真结果均方根对比

性能参数 主动悬架（LQC） 被动悬架

悬架垂直加速度（m/s2） 0.4839 0.5918

俯仰角（rad） 0.0065 0.0077

俯仰角速度（rad/s） 0.0222 0.0348

前悬架动行程（m） 0.0201 0.0276

后悬架动行程（m） 0.0208 0.0283

前轮胎动载荷（N） 296.3632 332.7574

后轮胎动载荷（N） 242.5736 252.1636

4.结论

采用LQC控制方法对悬架系统进行主动控制。在Matlab6.5/Simulink环境下建立悬架系统仿真模型，并与被动悬架系统进行主要性能指标的对比。仿真结果表明：采用LQC控制器之后的主动悬架系统的各项性能指标都有明显的改善，证明了所设计的LQC主动悬架控制器的有效性。

参考文献

[1]刘立强.基于输出反馈的汽车电动助力转向与主动悬架系统集成控制研究[M].合肥：合肥工业大学，2005.

[2]陈励志.先进的底盘控制系统的发展趋势[J].汽车工程，2002（VoL.24）No.5.