【主动悬架车辆平顺性和稳定协调控制】协调合作稳定

主动悬架车辆平顺性和稳定协调控制

主动悬架车辆平顺性和稳定协调控制 前言 悬架系统将车身与车轮弹性地连接起来,具有传递车轮 和车身之间一切力和力矩的作用,同时缓和由不平路面传给 车身的振动。因此,悬架系统对汽车平顺性和操纵稳定性具 有非常重要的影响。现代轿车上常用的悬架系统多为被动悬 架,只能通过适当地优化弹簧刚度和减振器阻尼系数来协调 平顺性和操纵稳定性。与被动悬架相比,主动悬架具有刚度 或阻尼可调的特性,可根据不同行驶工况改变悬架的控制力, 有效地提高汽车行驶性能。目前,国内外各大汽车公司已开 始在高级轿车上使用主动悬架系统来提高汽车平顺性和操 纵稳定性,如文献[1]中的空气悬架控制系统,可控制车 身侧倾、车身最高和最低高度以及车辆恢复正常状态的速度。

在理论研究方面,文献[2]中通过多变量PI控制车身姿态 来提高汽车操纵稳定性;文献[3]中采用包括主动和阻尼可 调悬架的4自由度1/2车辆模型,通过可调阻尼悬架降低车辆 的垂向加权加速度均方根值,提高汽车行驶平顺性;文献[4] 中采用LQG控制与相平面分区控制的集成主动悬架控制策略 减小车身俯仰角,并进行了半车模型的仿真验证。但这些研 究都是通过主动悬架单一改善平顺性或操纵稳定性,而对于 复杂工况下汽车平顺性和操纵稳定性的协调控制和仿真分 析尚在发展中。本文中运用车辆行驶动力学和操纵动力学的 理论,建立了主动悬架系统整车模型,提出一种主动悬架平顺性和操纵稳定性协调控制策略,并利用Mat-lab/Simulink 软件,进行复杂工况下汽车平顺性和操纵稳定性协调控制的 联合仿真。

1整车动力学模型 1.1主动悬架系统整车模型本文中建立的整车动力学模 型同时考虑行驶动力学和操纵动力学的简化模型,包括9个 自由度,分别为:车辆簧载质量的俯仰运动、侧倾运动、垂 向运动、4个车轮质量的垂向运动和车体的横摆运动、侧向 运动,如图1所示。其中4个独立悬架系统均由一个弹簧、一 个阻尼器和一个力发生器组成,通过调节力发生器的控制力 达到提高平顺性和操纵稳定性的目的。图中Kf、Kr分别为前、 后悬架的刚度;Cf、Cr分别为前、后悬架的阻尼;Ktf、Ktr分 别为前、后轮胎等效刚度;Lf、Lr分别为质心到前轴和后轴 的水平距离;B为轮距;zs为车身质心处的垂向位移;θ为车 身俯仰角;φ为车身侧倾角;ω为车身横摆角;zu_fl、zu_fr、 zu_rl、zu_rr分别为前、后非簧载质量垂向位移;Fi(i=1,2, 3,4)分别为4个独立悬架的控制力输出;qi(i=1,2,3,4) 分别为4个车轮的路面激励;u为车辆纵向速度;v为车辆侧向 速度。

1.2转向操纵模型为充分了解驾驶员转向操作和汽车转 向特性之间的关系,有必要分析车辆的转向操纵模型,该模 型如图2所示。

2综合控制方法设计对于主动悬架控制系统来说,汽车平顺性的控制目标一 般是使车身垂向振动加速度和轮胎动载荷达到最小的同时, 保证悬架动挠度在允许范围之内。而汽车操纵稳定性的控制 目标一般包括减小转向、加速或制动时车身姿态的变化。本 文中研究的平顺性和操纵稳定性联合控制目标针对汽车转 向操作,通过主动悬架控制力来减小车身垂向加速度和车身 侧倾角。

2.1主动悬架LQG控制[6]LQG即线性二次型状态调节器, 是现代控制理论中以状态空间形式给出的线性系统,而目标 函数为对象状态和控制输入的二次型函数。对于线性系统, 一般采用如下的状态空间表达式表示。式中:X表示系统状态 变量;U表示系统输入变量,即悬架主动控制力;Y表示系统输 出变量;A、B、C分别为各变量的系数矩阵。

2.2平顺性和操纵稳定性协调控制策略基于LQG控制理 论,将主动悬架系统微分方程整理成带有干扰信号的状态空 间形式。为充分体现转向行驶对整车侧倾特性的影响,此处 除将路面不平度作为影响汽车行驶性能的干扰外,将Msteer 也作为汽车转向操作对汽车性能的干扰信号。主动悬架系统 最优控制主要是性能指标和加权系数的选取,对于汽车平顺 性和操纵稳定性的联合控制,选取的LQG控制器性能指标J是 使车身垂向加速度、侧倾角加速度和轮胎动行程达到最小的 同时,保证悬架动挠度在允许范围之内以及悬架控制力的最 小。将性能指标J表示为。由于车辆前后轴垂直方向运动相互影响较小,因此取前后轴的悬架动挠度加权系数相同,前 后轴的轮胎动行程加权系数相同。因此,只要求出最优反馈 增益矩阵,根据任意时刻的状态变量X(t),就可以得到t时 刻主动悬架的最优控制力。由于汽车转弯时,车身侧倾角的 大小与汽车平顺性和操纵稳定性直接相关。因此通过适当增 大车身侧倾角加速度加权系数来减小车身侧倾运动,选取各 个变量的加权系数分别为ρ1=1、ρ2=2、ρ3=50、ρ4=5000、 ρ5=10-6,通过Matlab函数[K,S,E]=LQR(A,B,Q,R, N)即可求出4个主动悬架的最优状态反馈矩阵。

3路面输入模型 汽车行驶时,由于路面不平引起的振动直接影响汽车平 顺性和操纵稳定性,因此在分析悬架系统的动态特性时,路 面模型的建立是一个重要部分。这里采用滤波白噪声的方法 生成单轮路面不平度的微分方程。

4控制原理仿真分析 利用Matlab/Simulink软件,进行主动悬架平顺性和操 纵稳定性协调控制仿真,模型参数见表1。输入工况包含车 辆的瞬态响应特性和稳态响应特性,而单周正弦输入则包含 相对严重的瞬态响应特性。在A级路面上对上述两种工况下 进行主动悬架平顺性和操纵稳定性仿真,结果如图6~图11 所示。图6为车身垂向加速度的时域响应曲线和频域响应曲 线。从图6(a)时域响应可以看出,实施主动悬架控制的车身 垂向加速度响应显著减小,最大值只有0.15m/s2,而被动悬架的车身垂向加速度最大值是控制模式下的2倍。从图6(b) 频域响应可知,有主动悬架控制的车身垂向加速度功率谱密 度在人体敏感频率4~8Hz范围内,最大峰值明显降低,只有 0.03(m/s2)2/Hz,而被动悬架的最大振动峰值达到 0.12(m/s2)2/Hz。图7和图8分别为转向盘单周正弦输入和阶 跃输入工况下车身侧倾运动响应曲线。由图可见,与被动悬 架相比,主动悬架控制的车身侧倾角明显减小;且车身侧倾 角加速度功率谱密度在小于3Hz范围内显著降低,这将有利 于改善汽车的操纵稳定性。图9为阶跃输入工况下悬架动挠 度的时域和频域响应曲线。由图可见,通过主动悬架控制, 悬架动挠度被控制在尽可能小的范围之内,特别是低频区域。

图10为车辆侧向加速度时域响应曲线,可以看出,采用主动 悬架控制对车辆侧向加速度的影响不大。图11为主动悬架的 控制力值。从图中可以看出,本文中采用的主动悬架控制所 需的最大主动力不超过3000N,显然这个控制力值符合主动 执行器的实际应用要求。另外,从图中曲线可知,在汽车转 弯时,左侧悬架的主动控制力和右侧悬架的主动控制力方向 相反,这有利于减小车身的侧倾角。若在C级路面上,汽车 行驶车速30m/s,路面不平度系数为Sq(n0)=256×10-6m2/m -1时,通过主动悬架控制车辆平顺性和操纵稳定性都可得 到一定程度的改善,受篇幅所限,这里仅列出车身垂向加速 度和车身侧倾角的响应曲线,如图12和图13所示。为了更好 地说明主动悬架的控制效果,表2中还列出了LQG主动悬架与被动悬架在两种工况下的各种性能指标对比情况。从对比结 果可知,主动悬架车辆的各性能指标均方根值几乎都优于被 动悬架,只有转向盘单周正弦输入下主动悬架控制的轮胎动 行程均方根值比被动悬架稍有增加,但这并不影响主动悬架 控制对车辆整体性能的提高。

5结论 建立了主动悬架的整车模型,基于最优控制理论,提出 了一种针对汽车转向的主动悬架平顺性和操纵稳定性协调 控制策略,并利用Matlab/Simulink软件进行了车辆模型的 联合仿真。结果表明,与被动悬架相比,本文中提出的主动 悬架平顺性和操纵稳定性协调控制策略能有效减小车身垂 向加速度、车身侧倾角和轮胎动行程,并将悬架动挠度控制 在尽可能小的范围内,在提高操纵稳定性的同时不影响汽车 的行驶平顺性。