【正文】 作動(dòng)器通常是一個(gè)氣動(dòng)或液動(dòng)油缸，它具有較寬的響應(yīng)頻帶，對車輪的高頻共振也可以進(jìn)行控制。從減少能量消耗的角度考慮，一般情況下也保留1個(gè)與作動(dòng)器并聯(lián)的傳統(tǒng)彈簧，用來支持車身的靜載質(zhì)量。半主動(dòng)懸架由可變剛度的懸架彈簧和可變阻尼系數(shù)的減振器組成。半主動(dòng)懸架在產(chǎn)生力的方面近似于被動(dòng)懸架，但是半主動(dòng)懸架的阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)是可變的。1984 年日產(chǎn)公司研制出一種聲納式半主動(dòng)懸架，它能通過聲納裝置預(yù)測前方路面信息，及時(shí)調(diào)整懸架減振器的三種狀態(tài)[4]。 課題研究背景汽車懸架性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重要因素。 在某個(gè)特定工況下按目標(biāo)優(yōu)化出的懸架系統(tǒng)，一旦載荷、車速和路況等發(fā)生變化，懸架在新的工況下便不再是最優(yōu)[6]。特別是現(xiàn)代控制理論中對最優(yōu)控制、 自適應(yīng)控制、 模糊控制、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的研究[7], 不僅在理論上取得令人矚目的成績, 同時(shí)已開始應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制, 使懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)得以快速發(fā)展。早在1982年，Lotus公司就研制出有源主動(dòng)懸架系統(tǒng)[8]，瑞典Volvo公司在旗下車上安裝了其實(shí)驗(yàn)性的Lotus主動(dòng)懸架系統(tǒng)。1989年豐田Celica車型上裝置了真正意義上的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)[10]。此外，保時(shí)捷，福特，奔馳等公司均在其高級(jí)轎車上裝備有各自、 開發(fā)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)。 在軍用車輛方面，由于越野和高速行駛的需要，所以使用主動(dòng)懸架的愿望更為迫切。2005年底美國L3公司牽頭研發(fā)生產(chǎn)的電控主動(dòng)式懸架系統(tǒng)（ECASS）開始在“悍馬”上進(jìn)行試驗(yàn)。在過去的幾十年中．國內(nèi)外許多學(xué)者在主動(dòng)懸架控制理論方面進(jìn)行了大量的研究。研究的控制理論內(nèi)容涉及天棚阻尼控制理論，隨機(jī)最優(yōu)控制理論，變結(jié)構(gòu)控制理論等。在國內(nèi)，丁科等人對主動(dòng)懸架的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)行了研究[13]。最優(yōu)控制理論是通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程，提出控制目標(biāo)和加權(quán)系數(shù)，再應(yīng)用控制理論求解所設(shè)目標(biāo)下的最優(yōu)控制規(guī)律。線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想模型基礎(chǔ)上，采用受控對象的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標(biāo)，同時(shí)保證受控結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。H∞控制是設(shè)計(jì)控制器在保證閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，使相對于噪聲干擾的輸出取極小的一種最優(yōu)控制法，利用該理論設(shè)計(jì)的控制器具有很強(qiáng)的魯棒性[17]，因此對于汽車懸架這樣一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)來說具有很大的優(yōu)勢，但是利用該方法設(shè)計(jì)控制器具有一定的保守性[18]。Palmeri P S等人[19] 用譜范數(shù)方法對全主動(dòng)懸架進(jìn)行了研究，控制器已安裝于實(shí)車，并取得了有效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，指出使用H∞控制器可以大大算段控制時(shí)間和降低能量消耗[20]。它利用超聲波傳感器將車輛前方路面譜特性信忠預(yù)先傳給懸架系統(tǒng)，使參數(shù)的調(diào)節(jié)與實(shí)際需要同步。目前預(yù)見控制仍以線性時(shí)不變系統(tǒng)為對象，而車輛參數(shù)的時(shí)變性和非線性對系統(tǒng)性能的影響，還未見文獻(xiàn)加以研究[21]。一種是模型參考自適系統(tǒng)，另一種是自校正系統(tǒng)。后者主要由兩部分組成： 一個(gè)是參數(shù)估計(jì)器，另一個(gè)是控制器。 應(yīng)用于車輛懸架振動(dòng)控制的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策略。模型參考自適應(yīng)控制的原理是當(dāng)外界激勵(lì)條件和車輛自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，被控車輛的振動(dòng)輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ汀?模糊控制 自90年代以來，模糊控制方法被應(yīng)用在車輛懸架系統(tǒng)中。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量處理單元 ( 神經(jīng)元) 所組成的高度并行的非線性動(dòng)力系統(tǒng)， 其特點(diǎn)是可學(xué)習(xí)性和巨量并行性． 故在車輛懸架振動(dòng)控制中有廣泛的應(yīng)用前景。研究表明用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的非線性懸架系統(tǒng)，和用傳統(tǒng)的LQ調(diào)節(jié)器控制的懸架相比具有更好的性能。雖然主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)已在國外應(yīng)用于實(shí)車，但其市場普及依然存在很大困難，這主要有兩個(gè)方面的原因：一是成本太高；二是能量消耗過大。為解決上述問題，應(yīng)進(jìn)行以下的研究：（1）對主動(dòng)懸架、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)和防抱死等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合控制。本次題目主要對主動(dòng)懸架的幾種控制策略進(jìn)行研究,通過建立主動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)模型，研究主動(dòng)懸架的最優(yōu)控制策略，利用MATLAB/SIMULINK軟件對所建立的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),并對比分析此種控制策略的控制效果。同時(shí)考慮到路面擾動(dòng)輸入對懸架控制的重要影響，可以通過建立數(shù)學(xué)模型，并將其在時(shí)域內(nèi)仿真。 3)利用軟件Mat1ab/Simulink構(gòu)建出懸架系統(tǒng)控制仿真模型。通過該仿真環(huán)境可方便的調(diào)試控制系統(tǒng)，實(shí)時(shí)察看系統(tǒng)控制特性，從而確定其控制參數(shù)。本章對懸架的分類進(jìn)行了闡述，對比分析了被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架之間的性能。對比分析了主動(dòng)懸架常見的幾種控制理論，提出了本文的研究目的、意義和內(nèi)容。懸架系統(tǒng)作為一個(gè)復(fù)雜的多自由度“質(zhì)量一剛度一阻尼”振動(dòng)系統(tǒng)，對其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行精確的描述和分析是非常困難的。常用的基本車輛模型包括一維四分之一車體模型、二維二分之一車體模型和三維整車模型。通常，進(jìn)行懸架的概念設(shè)計(jì)和控制理論研究時(shí)，采用一維四分之一車體模型，它能較好的體現(xiàn)垂直振動(dòng)的問題。在需要從總體上較全面地把握汽車運(yùn)動(dòng)響應(yīng)或控制的綜合質(zhì)量時(shí)，采用三維整車模型，它完整的體現(xiàn)了垂直跳動(dòng)、俯仰變化以及側(cè)傾的問題。所以，在研究用于隔振和減振的懸架模型時(shí)大都采用線性懸架模型。輪胎及車軸之間剛性連為一體，稱作非懸置質(zhì)量。3)假定懸架行程足以大，工作時(shí)不會(huì)碰到限位裝置。5)輪胎通常簡化為線性彈簧(有的情況下也包括阻尼元件)，并始終隨動(dòng)于地面。此外，一些由外部原因引起的振動(dòng)也可以歸類為低頻振動(dòng)，如車輛加速和制動(dòng)、風(fēng)致振動(dòng)以及由車載設(shè)備等產(chǎn)生的變化力所引起的沖擊和振動(dòng)?？紤]到人體對振動(dòng)的反應(yīng)，對于車輛行駛平順性的研究一般限于3OHz以下的低頻帶。三種典型的且常見的懸架力學(xué)線性模型是:二自由度的四分之一車體模型。七自由度整車模型[27]。路面輸入大致可以劃分為沖擊作用和連續(xù)振動(dòng)兩類。連續(xù)振動(dòng)則是指道路長度方向的連續(xù)激勵(lì)，例如瀝青路面、搓板路面等。路面不平度是一個(gè)復(fù)雜的隨機(jī)過程，通常把路面相對于基準(zhǔn)平面的高度q，沿道路走向長度L的變化q(L)，稱為路面縱斷面曲線或不平度函數(shù)，： 路面縱斷面曲線或不平度函數(shù)在測量不平度時(shí)，用水準(zhǔn)儀測得路面縱斷面的不平度值，將測得的大量路面隨機(jī)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)處理，得到路面不平度的功率密度或者方差等統(tǒng)計(jì)特性參數(shù)[29]。根據(jù)路面功率譜密度把路面按不平度分為A到H等8級(jí)。用譜函數(shù)描述路面的統(tǒng)計(jì)特性，僅與路面距離和表面粗造度有關(guān)，而與車速和時(shí)間無關(guān)，故空間譜函數(shù)描述路面特性具有唯一性。通常把空間譜函數(shù)轉(zhuǎn)化為時(shí)間頻譜函數(shù)。濾波高斯白噪聲的隨機(jī)路面的輸入可以用下式來表示： 式中為路面不平度系數(shù)；V 為車輛前進(jìn)速度；W為高斯分布白噪聲；是濾波器的下限截止頻率，若 取值為0，則濾波器為一積分環(huán)節(jié)，路面輸入為積分白噪聲；路面輸入的時(shí)間頻率是車速與空間頻率的乘積，本文中取= ，模型更接近真實(shí)路面。本次課題不做討論。從查找的文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn)一般有1/4車體的2自由度模型，包括簧載（懸置）質(zhì)量和非簧載（非懸置）質(zhì)量的垂直運(yùn)動(dòng)；1/2車體的4自由度模型，包括簧載質(zhì)量的垂直運(yùn)動(dòng)、前后軸的2個(gè)非簧載質(zhì)量的垂直運(yùn)動(dòng)以及俯仰運(yùn)動(dòng)；整車7自由度模型，包括簧載質(zhì)量的垂直、俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)和前后軸的4個(gè)非簧載質(zhì)量的垂直運(yùn)動(dòng)；在整車7自由度模型基礎(chǔ)上增加一個(gè)座椅的垂直運(yùn)動(dòng)就構(gòu)成了整車8自由度模型；其中包括懸掛上系統(tǒng)(車架和發(fā)動(dòng)機(jī))的六個(gè)自由度、前后橋的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)共四個(gè)自由度以及座椅和人體共三個(gè)自由度的整車13自由度模型[30]。1/4車輛模型由于結(jié)構(gòu)簡單，且能夠反映車輛的主要性能，從而得到了廣泛的應(yīng)用。懸架的性能指標(biāo)主要有三個(gè)：車身加速度、懸架動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷。分析懸架對行駛平順性的影響時(shí)，接近于汽車懸架系統(tǒng)的實(shí)際情況。利用simulink進(jìn)行仿真建模，設(shè)置參數(shù)，即可得到被動(dòng)懸架各個(gè)輸出量的的響應(yīng)曲線。： 主動(dòng)懸架的1/4車體二自由度模型根據(jù)牛頓定律和力矩平衡，得出如下的運(yùn)動(dòng)方程： 主動(dòng)懸架系統(tǒng)的狀態(tài)空間的描述為： 其中，為系統(tǒng)向量，U為控制向量，W為擾動(dòng)向量，y為輸出向量；A為系統(tǒng)矩陣，B為控制矩陣，F(xiàn)為擾動(dòng)矩陣，C為輸出矩陣，D為傳遞矩陣。系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)一階微分方程組為： 矩陣A,B,F均為已知矩陣，可由之前的動(dòng)力學(xué)方程得到。利用simulink進(jìn)行仿真建模，設(shè)置參數(shù)，設(shè)計(jì)控制器，即可得到主動(dòng)懸架各個(gè)輸出量的的響應(yīng)曲線。本次建模依舊采取利用作動(dòng)器代替阻尼器的做法，簡化模型的復(fù)雜程度和計(jì)算的難度。： 空間計(jì)算示意圖選取狀態(tài)向量：系統(tǒng)一階微分方程組式()為：根據(jù)空間幾何知識(shí)，可知式()：將帶入到微分方程組，即可求得狀態(tài)空間的系統(tǒng)矩陣為： 定義懸架動(dòng)撓度為： 定義輪胎動(dòng)變形為： 定義輪胎動(dòng)載荷為： 選擇輸出向量為： 本次課題采用路面位移作為輸入，介紹了路面不平度及其功率譜密度，并且采用濾波高斯白噪聲作為連續(xù)的路面激勵(lì)輸入。第3章 隨機(jī)線性二次型最優(yōu)控制器主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵任務(wù)之一，就是尋找一個(gè)能夠?yàn)檐囕v提供良好的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的控制規(guī)律。以線性二次型性能指標(biāo)為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制問題是20 世50 年代末期發(fā)展起來的一種設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的方法,這種方法具計(jì)算簡單,便于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn),因線性二次型問題解出的控制規(guī)律可以通過狀態(tài)反饋實(shí)現(xiàn)閉環(huán)最優(yōu)控制,而成為當(dāng)今控制工程領(lǐng)域里較為重要的設(shè)計(jì)方法之一[33]。以狀態(tài)空間理論為基礎(chǔ)的最優(yōu)控制算法是當(dāng)前控制中采用最為普遍的控制器設(shè)計(jì)方法。假設(shè)線性時(shí)變系統(tǒng)的狀態(tài)方程模型為： 在一個(gè)控制系統(tǒng)中，應(yīng)使系統(tǒng)的實(shí)際輸出盡量接近理想輸出，但由于系統(tǒng)時(shí)變、外界干擾等因素，實(shí)際輸出與理想輸出之間有一定的誤差，為此定義誤差向量，即： 因此最優(yōu)控制的目的通常是設(shè)法尋找一個(gè)控制向量使誤差向量最小。引入一個(gè)最優(yōu)控制的性能指標(biāo)，即設(shè)計(jì)一個(gè)輸入量u,使得： 其中Q和R分別為對狀態(tài)變量和輸入變量的加權(quán)矩陣。矩陣S對控制系統(tǒng)的終值也給出某種約束，這樣的控制問題稱為線性二次型（Linear Quadratic，簡稱LQ）最優(yōu)控制問題。此時(shí)，稱為狀態(tài)調(diào)節(jié)器問題。、可觀性分析在現(xiàn)代控制理論中，可控性和可觀性是兩個(gè)重要的概念，是由Kalman在1960年提出來的。采用LQG理論的前提條件是懸架系統(tǒng)狀態(tài)空間描述(A，B)是可觀的，在選定測量輸出后 (C,A) 應(yīng)該是可控的。在線性定常系統(tǒng)中