戴金躍　周海超

摘 要：汽車(chē)懸架性能是決定車(chē)輛行駛平順性、操作穩(wěn)定性和行駛速度優(yōu)劣的重要因素。依據(jù)汽車(chē)二自由度主動(dòng)懸架模型，聯(lián)合振動(dòng)控制的理論和技術(shù)，運(yùn)用最優(yōu)控制策略對(duì)其進(jìn)行了Matlab仿真，分析了不同路面特性參數(shù)對(duì)主動(dòng)懸架性能的影響。結(jié)果表明最優(yōu)控制策略能夠改善主動(dòng)懸架中低頻時(shí)車(chē)身加速度加速度，提高了汽車(chē)舒適性和操縱穩(wěn)定性，但在高頻時(shí)，該控制方法還有待進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)懸架 最優(yōu)控制策略 Matlab仿真 路面特性

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）11（c）-0048-04

懸架是汽車(chē)構(gòu)造的重要組成部分，其主要功能是承載作用，同時(shí)具有緩沖路面沖擊、衰減各類(lèi)動(dòng)載荷引起的車(chē)體振動(dòng)[1-2]。按懸架的工作原理不同[3]，可分為被動(dòng)懸架（Passive Suspension）、半主動(dòng)懸架（Semi-Active Suspension）及主動(dòng)懸架（Active Suspension）。主動(dòng)懸架因系統(tǒng)智能化攻克了傳統(tǒng)被動(dòng)懸架存在的舒適性和穩(wěn)定性不能兼顧的難關(guān)，并可適應(yīng)變化的行駛工況和隨機(jī)道路激勵(lì)，其成為懸架系統(tǒng)發(fā)展的主流方向[4]。

該文主要研究了車(chē)輛主動(dòng)懸架在不平路面行駛時(shí)動(dòng)態(tài)特性的最優(yōu)控制問(wèn)題。首先，建立了主動(dòng)懸架的分析模型，推導(dǎo)出路面激勵(lì)對(duì)懸架主動(dòng)響應(yīng)的傳遞函數(shù)；其次，依據(jù)線性最佳調(diào)節(jié)器理論建立了主動(dòng)懸架MATLAB仿真模型；最后，研究了路面不平、路面突變對(duì)懸架動(dòng)態(tài)響應(yīng)。結(jié)果表明最優(yōu)控制策略可以有效改善主動(dòng)懸架在低頻范圍內(nèi)車(chē)身加速度，增加了汽車(chē)舒適性和操縱穩(wěn)定性。

1 主動(dòng)懸架模型建立

當(dāng)懸掛質(zhì)量分配系數(shù)時(shí)，汽車(chē)前、后懸架振動(dòng)彼此沒(méi)有聯(lián)系，即可將整車(chē)系統(tǒng)的1/4簡(jiǎn)化為一個(gè)汽車(chē)振動(dòng)模型，即車(chē)身與車(chē)輪二自由度系統(tǒng)，如圖1所示。

以車(chē)體的靜平衡位置作為原點(diǎn)，由系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可寫(xiě)出圖1所示的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程為：

式中，表示車(chē)體（懸掛）質(zhì)量，表示車(chē)軸（非懸掛）質(zhì)量，ks表示懸架彈簧剛度（N/m），kt表示輪胎等效剛度，Ct則為固定阻尼減振器的阻尼系數(shù)（N s/m），x0為路面激勵(lì)，x1和x2分別是車(chē)輪軸和車(chē)體的位移。u為由控制器控制的力發(fā)生器產(chǎn)生的垂向作用力，它可根據(jù)汽車(chē)的行駛工況和路面激勵(lì)實(shí)時(shí)地做出主動(dòng)響應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的垂向力與其平衡，確保懸架處于最優(yōu)狀態(tài)，從而使汽車(chē)的平順性、動(dòng)撓度和車(chē)輪動(dòng)載荷同時(shí)達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

2 主動(dòng)懸架最優(yōu)控制策略實(shí)現(xiàn)

在主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)中，為使汽車(chē)具有較高的操控穩(wěn)定性和行駛平順性，簧載質(zhì)量的垂直加速度、懸架動(dòng)撓度及輪胎動(dòng)變形一般設(shè)置較小[5]。

矩陣Q的大小受輪胎動(dòng)位移加權(quán)系數(shù)q1和懸架動(dòng)撓度加權(quán)系數(shù)q2的影響，q1和q2取值不同就意味著允許對(duì)不同的分量加不同的權(quán)系數(shù)。選擇q1和q2的原則為：在確保車(chē)身加速度最小的同時(shí)能夠維持懸架的工作空間和輪胎變形在其工作范圍內(nèi)；對(duì)懸架工作空間而言，此范圍是指合理地設(shè)計(jì)極限值；對(duì)輪胎而言，此范圍是指保證車(chē)輪與地面具有接觸良好的取值。

式中，增益值k1～k4有確定的物理意義。增益k1可等效認(rèn)為放置于簧載質(zhì)量和簧下質(zhì)量間的線性彈簧，k1的改變則會(huì)影響簧載質(zhì)量的固有頻率；增益k2影響著簧載質(zhì)量的絕對(duì)速度，尤其是影響其阻尼，換句話說(shuō)，增益k2主要相當(dāng)于確定的懸架阻尼系數(shù)；增益k3則影響輪胎變形，主要體現(xiàn)在影響車(chē)輪的剛度和固有頻率；增益k4不僅對(duì)簧下質(zhì)量的速度起作用，而且也影響車(chē)輪跳動(dòng)的阻尼。

3 仿真結(jié)果

3.1 路面不變

由圖4可知，采用最優(yōu)控制的主動(dòng)懸架最優(yōu)控制，在路面不平度不變時(shí)，隨著路面激勵(lì)頻率的增加，車(chē)身加速度幅值變化呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，但車(chē)身的對(duì)懸架的響應(yīng)變的更為明顯。對(duì)于同一激勵(lì)下，增加路面不平度同樣會(huì)增加車(chē)身的加速度響應(yīng)，此外會(huì)降低懸架的主動(dòng)控制效果。無(wú)論路面不平度和頻率如何變化，車(chē)身加速度都有一定的改善，且在中低頻段時(shí)其改善較為明顯，但在高頻段處改善效果不明顯，在不同路面不平度處改善效果相近。

3.2 路面突變

由圖5可知，在路面500秒發(fā)生突變時(shí)，在同頻率變不平度時(shí)，車(chē)身加速度改善明顯，不平度由低到高時(shí)，改善效果相似。在路面不平度不變，頻率由低頻到中頻變化時(shí)，車(chē)身加速度加速度均有顯著改善，而在高頻段其改善效果不理想。在不同道路不平度時(shí)，車(chē)身加速度處于低頻高時(shí)改善效果最為明顯，當(dāng)激勵(lì)頻率處在懸架的共振頻率附近時(shí)，控制效果并未得到明顯改善。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)采用最優(yōu)控制策略探究了不同路面特性下主動(dòng)懸架的性能變化，可知采用最優(yōu)控制策略優(yōu)化路面參數(shù)對(duì)主動(dòng)懸架影響分析時(shí)，在路面中低頻頻段內(nèi)，車(chē)身加速度改善明顯，這有利于提高汽車(chē)舒適性和操縱穩(wěn)定性；但在高頻頻段內(nèi)時(shí)，車(chē)身加速度并未得到明顯的改善，性能提高不顯著，故在未來(lái)的研究中需要對(duì)最優(yōu)控制策略進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化修改。但從總體上看，基于最優(yōu)控制策略的主動(dòng)懸架可以改善不同路面特性作用下的車(chē)身變化，提高整車(chē)的舒適性。

參考文獻(xiàn)

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[3] 陳家瑞.車(chē)輛懸架系統(tǒng)減振控制的研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，21（1）：87-90.

[4] 應(yīng)艷杰，方敏，陳無(wú)畏，等.現(xiàn)代控制理論在汽車(chē)懸架控制中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007（10）：224-227.

[5] 藍(lán)會(huì)立，高遠(yuǎn)，范健文，等.基于遺傳算法的車(chē)輛4自由度主動(dòng)懸架最優(yōu)控制研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2014，37（11）：1304-1310.