论文分类号 U463.33
单位代码 10183 密 级 公 开 研究生学号 2006412071
吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文
6x6全液压工程车辆主动悬架控制方法研究 Research on Control Strategy of Project Vehicles Full Hydraulic Active Suspension System
作者姓名： 徐研 专 业：机械电子工程 导师姓名 及 职 称：刘昕晖 教授
学 位 类 别：工 学 硕 士 论文起止年月：2006年09月至2008年04月
6
X 6全液
压
工
程
车辆主
动
悬
架
系
统
研究
吉
林
大
学
徐
研
吉林大学硕士学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：
日期：年月日
《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明
研究生院：
本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。
论文级别：■硕士□博士
学科专业：机械电子工程
论文题目：6x6全液压工程车辆主动悬架控制方法的研究
作者签名：指导教师签名：
年月日
作者联系地址（邮编）：吉林大学机械科学与工程学院（130025）作者联系电话：138********
提要
本文是吉林大学“211工程”电液比例实验车辆项目，就6x6工程车辆主动悬架系统的控制方法进行深入地研究，主要解决工程车辆在高速行驶中车体平稳性问题。论文提出基于电液比例阀控液压缸的液压主动悬架系统，建立了单轮车体二自由度的简化分析模型，并对悬架系统进行了机械系统动力学分析和液压系统动力学分析。结合最优控制理论设计主动悬架最优控制器，应用多学科仿真平台Matlab仿真软件，分别被动悬架系统和最优控制液压主动悬架系统进行了仿真分析。仿真分析表明：基于最优控制的液压主动悬架系统在车辆乘坐舒适性和操纵稳定性方面的性能都有很大的提高，从而验证了所提出液压主动悬架系统方案的正确性。最后，根据所建立的液压系统模型，计算出比例阀阀芯工作位移在可控范围内，验证了采用最优控制方法的可行性。
关键词：工程车辆全液压主动悬架阀控液压缸最优控制MATLAB仿真
目录
目录
第1章绪论 (1)
1.1 悬架概述 (1)
1.1.1 悬架的作用 (1)
1.1.2 悬架的分类 (2)
1.2国内外工程车辆悬架研究现状 (3)
1.3 液压悬架的研究现状 (4)
1.4 主动悬架常用控制方法 (6)
1.5 本文的意义及目的 (8)
1.6 本文主要研究内容 (9)
第2章 6x6工程车辆主动悬架液压系统介绍 (11)
2.1 6x6工程车辆整车液压系统的工作原理 (11)
2.2主动悬架液压系统的工作原理 (13)
2.3 主动悬架液压系统元件工作原理及特性分析 (14)
2.2.1 蓄能器的工作原理及特性分析 (14)
2.2.2 阀控悬架液压缸特性分析 (20)
第3章 6x6工程车辆主动悬架系统数学模型的建立 (25)
3.1悬架系统性能指标 (25)
3.2 主动悬架动力学模型建立 (26)
3.2.1 车辆悬架系统模型的选取 (26)
3.2.2 路面输入模型 (27)
3.2.3 基于单轮车体的主动悬架力学模型的建立 (31)
3.3 主动悬架液压系统数学模型建立 (33)
第4章 6x6工程车辆主动悬架控制方法研究 (37)
4.1 线性二次型最优控制 (37)
4.1.1线性二次型高斯LQG最优控制 (39)
4.1.2完全状态信息的随机最优控制 (40)
4.2 系统可控可观性分析 (42)
I
吉林大学硕士论文
4.2.1 系统可控性 (42)
4.2.2 系统可观测性 (42)
4.3 LQG最优控制器的设计 (43)
第5章仿真建模及仿真结果分析 (45)
5.1 仿真环境介绍 (45)
5.2 仿真控制模型的建立 (45)
5.3 仿真结果分析 (50)
第6章论文总结 (55)
参考文献 (56)
摘要 ............................................................. I ABSTRACT ....................................................... I II 致谢 ............................................................ V I
II
第 1 章绪论
第1章绪论
工程机械、矿山机械、越野车辆在行驶时，路面或非路面的不平度会引起车辆的振动。这种振动达到一定程度时，由于车轮与路面之间的动载荷，会影响到它们的附着效果，进而影响工程车辆的操纵性、安全性、通过性。因此，研究工程车辆振动和受力，采取主动悬架将振动控制在最低水平，对改善车辆的操作稳定性、通过性及乘坐舒适性具有重要的意义[1]。
1.1 悬架概述
悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切合力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺性；保证车轮在路面不平和载荷变化是有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。
1.1.1 悬架的作用
悬架是车身与车轮之间传力装置的总称，其主要作用如下：
（1）悬架连接车身与车轴，承受路面作用到车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力，并把这些反力所造成的力矩都传递到车身上。
（2）缓和由不平路面传给车体的冲击载荷，衰减冲击载荷引起的承载系统的振动，以保证汽车的正常行驶。
（3）使非悬挂质量尽量跟随地面运动，以减小车轮与地面之间附着力的损失，保证良好的轮胎接地性，从而保证行驶安全。
（4）减小或抑制由空气动力、载荷、制动力及转向力的变化而引起的车身姿态的变化，如加速后仰、制动点头、转弯侧倾等。
1
吉林大学硕士论文
悬架对于车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和平均行驶速度有很大影响。传统的工程越野车辆悬架往往为越野行驶而设计有较大的刚度、阻尼和车身高度，但在普通道路上行驶时，其行驶平顺性、高速操纵稳定性和平均行驶速度都不理想，故可变且可控的悬架成为工程越野车辆的最佳选择。
1.1.2 悬架的分类
目前，汽车上安装的悬架种类很多。根据导向机构可分为独立悬架和非独立悬架两大类，根据悬架控制原理和控制功能可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。如图1-1，
（a）被动悬架（b）主动悬架（c）半主动悬架
图1-1三种悬架系统两自由度简化模型
（1）被动悬架
被动悬架即传统式的悬架，被动悬架概念是在1943年由Olley提出的。它通常是指结构上只包括弹簧和阻尼器（减振器）的系统。被动悬架系统的阻尼和刚度参数一旦确定，车辆在行驶过程中就无法随外部状态变化而改变。传统的被动悬架虽然结构简单、造价低廉且不消耗外部能源，但由于悬架参数固定，不能随路况改变，只能针对某种特定工况，进行参数优化设计，故
2
第 1 章 绪论
3 限制了悬架参数的取值范围，具有较大的局限性。
（2）半主动悬架
半主动悬架系统的概念于1937年被D.A.Crosby 和D.C.Kamopp 首次提出。半主动悬架是指悬架弹性元性刚度和减振器阻尼力之一可根据需要进行调节的悬架，其目的在于以接近被动悬架的造价和复杂程度来提供接近主动悬架的性能。一般地，由于汽车悬架弹性元件需承载车身的静载荷，因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难，所以对半主动悬架的研究目前大多数都只限于阻尼控制问题，利用合适的控制规律，它可提供介于主动悬架和被动悬架之间的性能。
（3）主动悬架
主动悬架的概念是1954年通用汽车公司在悬架设计中提出的。主动悬架能够根据悬挂质量的振动加速度，利用电控部件主动地控制汽车的振动。主动悬架一般是由隔振弹簧、控制器和作动器组成。主动悬架不但能很好地隔离路面振动，而且能控制车身运动，比如启动和制动时的俯仰、转弯时的侧倾等，另外还可以调节车身的高度，提高轿车在恶劣路面的通过性。
1.2国内外工程车辆悬架研究现状
传统的工程车辆一般应用被动悬架，传统的被动悬架一般由具有固定参数的弹性元件和阻尼元件组成，参数不能根据系统状态和路面输入的变化进行调整，所以不能满足各种使用工况的变化，限制了车辆性能的进一步提高。
自20世纪60年代后期，由Karnopp 发明油气减振器以来，工程车辆油气悬架的优良特性即被广大工程技术及研究人员所关注。油气悬架的结构最先应用在德国和日本的重型车辆上，以后逐步推广应用到军用特种车辆、工程机械等车辆上[3]。
油气悬架指的是以油液传递压力，通常用氮气（2N ）作为弹性介质，由蓄能器（相当于气体弹簧）和具有减振器功能的悬架缸组成。悬架缸内部的节流孔、单向阀等，代替了通常的减振器元件，构成的油气悬架集弹性元件（通过液体支承）和减振器功能于一体，形成了一种独特的悬架系统。
目前，各国在工程机械车辆底盘上应用油气悬架的研究主要有以下几方
吉林大学硕士论文
面：
（1）军用轮式特种工程车辆，如意大利“半人马座”轮式装甲车、法国AMX—10RC轮式输送车及瑞士Piranha轮式坦克等。
（2）全路面汽车起重机，如德国利勃海尔（Liebherr）公司的LTM系列汽车起重机、日本神户（KOBELCO）钢铁株式会社生产的RK系列越野轮胎起重机。
（3）铲运机械，如美国卡特彼勒（Caterpillar）公司生产的TS-24B自行式铲运机。
（4）自卸车，如美国卡特彼勒（Caterpillar）公司的Cat789型大型矿用自卸车和瑞典沃尔沃（Volvo）公司的VME R90型大型矿用自卸车。
（5）轮式挖掘机，如日本日立建筑机械有限公司生产的轮式挖掘机。
由于国内油气悬架还处于研究阶段，其产品性能与国外同类型产品相比还存在较大差距。20世纪90年我国一些企业引进了具有油气悬架系统的工程车辆，此后形成了油气悬架技术的研究高潮，国内一些高校亦开始研究油气悬架技术，同时，徐重、中联浦沅、上海重汽集团等国内工程机械企业也正在对油气悬架系统进行不同方面的理论分析和试验研究设计。
1.3 液压悬架的研究现状
在工程控制系统中，电液控制系统由于使用了液压元件而具有以下优点：
1.液压执行元件的功率—重量比和转矩—惯性矩比大，具有很大的功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单元。
2.液压控制系统的负载刚性大，精度高。
3.液压控制系统可以安全，可靠并快速地实现频繁的带负载起动和制动，进行正、反向直线或回转运动和动力控制，而且具有很大的调速范围。
液压主动悬架使用不可压缩的油液，故其响应的灵敏度较高。由于采用高精度和高灵敏度的比例阀与伺服阀，以及由载荷、非簧载质量加速度和悬架行程的反馈控制来减小车身姿态变化。因此这种控制系统能保证汽车具有良好的操纵稳定性和舒适性，被广泛应用于工程越野车辆[5]，下面介绍几种国内外正在或已经完成的几种可在任意路面行驶的“车辆机器人”。
4
第 1 章 绪论
5
1．美国HMMWV 高机动性多用途越野车
美国的HMMWV 是高机动性车辆的代表，平均越野速度是普通吉普车的2倍。在该车上验证可控悬架的工作也较多。1993年，英国莲花工程公司最早对HMMWV 越野车悬架进行了试验性改装。该主动悬架系统采用的是液压作动器，如图1-2所示。
图1-2采用液压作动器的HMMWV 试验车
2．T3六轮电动车
图1-3 T3六轮电动车 图1-4 ROKTOY 如图1-3所示，T3是一款由TRL 实验室为UGV 开发的动态概念型六轮电动车，重约100lbs 。它能自动或利用操纵杆驾驶，每个车轮都是独立驱动的，并且六个车轮都可以任意控制悬架的高度。这种可以360度任意方向旋转的独立驱动的车辆能越过任何障碍物，是普通只能前后行驶的汽车所不能
完成的。这大大的提高了车辆的通过能力，可以使汽车行驶在任意复杂的路
吉林大学硕士论文
6
面，并且若改变其重心的高度，也可以使其以一定的速度爬坡。
3. ROKTOY 越野车
如图1-4所示，ROKTOY 是Jay Kopycinski 通过一辆小型货车改装而来的，直到2003年4月才基本完成对车操纵系统、仪表板等结构细节部分的改造。ROKTOY 仍然采用传统车辆的机械式驱动，但在在前后轮的悬架上安装有可调整车身位置的液压油缸，它可使车辆在任意复杂的路况下保持车体的平衡，并能在一定范围内提高车与地面的离地间隙。
4. 160t 全路面汽车起重机
如图1-5、1-6所示，徐工集团研制的160t 全路面汽车起重机为六桥车辆，该车采用了一种先进的油汽悬架系统，保证车辆在各种不同的路面上均能正常平稳地工作。每根车轿左右两侧各有一个悬架液压缸与车架相连，桥的两侧分别装有纵向和横向推力杆，保证液压缸在伸长或缩短时，车轿与车架之间只有竖直方向位移，而无前后和左右方向位移。
图1-5 六桥车辆正面示意图 图1-6 六桥车辆侧面示意图 1.4 主动悬架常用控制方法
目前，汽车主动悬架己进入到利用微处理器进行控制的时代。控制方法先进、减振效果好、能耗低，是主动悬架发展的主要方向。近年来，针对实际悬架系统的非线性、系统建模的不精确性以及参数的时变性等问题，提出了非线性控制、自适应控制方法，对系统的鲁棒性、主动作动器的方案设计和动态特性等也作了一些分析研究。现今主动悬架常见的控制方法主要有以下几种：
1．自适应控制
自适应一般发生在车辆行驶过程中，具有较慢统计特性变化的干扰，即
第 1 章 绪论
7
路面输入干扰。自适应控制方法的基本思想是根据系统当前输入的相关信息，从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。其设计关键的选择能准确、可靠地反映输入变化的参考变量。自适应控制方法考虑了车辆系统参数的时变性，具有参数辨识功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持性能指标最优。
2．神经网络控制
近年来，采用神经网络的控制方法已日益引起人们的重视，神经网络具有自适应学习，并行分布处理和较强的鲁棒性、容错性等特点，因此适合于对复杂系统进行建模和控制。可以建立一种神经网络自适应控制结构，有两个子神经网络，其中一个神经网络对于系统进行在线辩识。在对被控对象进行在线辩识的基础上，应用另一个具有控制作用的神经网络，通过对控制网络的权系数进行在线调整，控制器经过学习，对悬架系统进行在线控制，使系统输出逐渐向期望值接近。具有神经网络自适应控制的主动悬架能很好地减小车辆振动，提高行驶平顺性和稳定性。
3．最优控制
最优控制是通过经验确定一个能提高平顺性和操纵稳定性的目标函数，然后以一定的数学方法算出使该函数取得极值的控制输入。在智能悬架中应用最优控制的方法主要有线性最优控制、H ∞最优控制和最优预见控制等。其中线性最优是建立在系统模型较为理想的基础上，采用受控对象的动态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构动态稳定性条件下实现最优控制。H ∞控制是设计控制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下，是相对于噪声干扰的输出取极小的一种最优控制方法，应用H ∞控制方法可实现汽车悬架振动控制具有较强的鲁棒性。最优预见控制是利用车轮的扰动信息预估路面的干扰输入，预见控制的策略就是把所测量的状态变量反馈给前、后控制器实施最优控制[6]。
4．模糊控制
1965年，美国控制论专家Zadeh 创立了模糊集合论。基于模糊集合论的模糊控制理论不同于传统的数学与控制理论，可以对太复杂而无法精确建立数学模型的系统或过程进行有效控制。模糊控制采用了“IF -THEN”式的语言分析型控制规则，容易被人理解，并可转化成计算机能接受的控制算法。由
吉林大学硕士论文
于悬架是复杂、时变、非线性系统，故在悬架控制上应用模糊控制理论有一定的优势。
5．预测控制
预测控制是希望提前获取前方道路的信息，作为控制系统的状态变量之一。预测控制能够降低能量消耗并使系统的控制性能大大改善。根据获取及利用预测信息的方法的不同，预测控制有两类：一是全轮预测控制，即利用超声波或激光传感器实时测量前轮前方道路的信息，作为前馈输入控制系统，二是后轮预测控制，即对前悬架的状态变化进行分析，推测路面信息，仅作为控制后悬架的前馈信息。
1.5 本文的意义及目的
由于工程车辆工作性质的要求，多工作在路况变化差异较大的场合，特别是工地和矿山用车，道路条件和装载条件更加恶劣，因此在行驶过程中，车辆的车身将不可避免地受到来自路面铅垂方向的位移激励而产生上下振动。另外，由于工程车辆的负载在每次行驶中各不相同，而且负载在车上的水平分布也不尽相同，从而使车身的高度、水平度发生变化，这些都对工程车辆的行驶平顺性、操作稳定性和乘员的舒适性的发挥和车辆的寿命产生了影响。
基于最优控制理论的主动悬架可以根据路面作用力的大小和汽车的运动状态，自适应改变悬架参数，使其性能达到最优。因此，工程车辆采用这种主动悬架可较好地缓和因路面而缠身的冲击振动，从而能很好地提高工程车辆的通过性、安全性和舒适性的要求。
目前，主动悬架的研究在工程车辆领域受到日益广泛的重视，己成为悬架发展的重要趋势。国外一些工业发达国家虽然已在某些车型上应用了主动悬架产品，但在控制算法的改进，系统稳定性的增强，性能价格比的提高等方面仍有大量工作要做。目前国内的研究尚处于悬架系统控制算法的优化设计、理论分析及计算机仿真研究阶段。各种现代控制方法在工程车辆悬架控制中的应用也只是处于初级理论探索和仿真阶段。
所以，将主动悬架的控制作为研究生期间的研究课题有十分重要的理论
8
第 1 章绪论
价值和实际应用的前景。
1.6 本文主要研究内容
本文采用最优控制理论，对主动悬架的控制进行深入研究，通过应用Matlab软件中simulink模块进行仿真实验。本论文的主要研究内容如下：1．建立车辆液压主动悬架数学模型
对车辆进行直线行驶的运动学和动力学分析，对悬架系统进行简化，在单轮车体模型的基础上，考虑前后轮的路面不平度输入关系，建立两自由度车辆液压主动悬架系统的数学模型。
2．建立随机路面输入模型
路面扰动输入对悬架控制有着重要影响，通过建立积分白噪声形式的路面不平度的数学模型。作为随机路面输入的仿真模型。同时，为分析悬架系统对不同路面的响应情况，建立多种不同路面等级和不同车速的随机路面输入，全面评析控制策略所能取得的控制效果。
3．建立电液比例阀控悬架液压缸的数学模型
根据阀控缸理论，建立了阀控悬架液压缸的数学模型，并通过拉氏变化推倒出阀芯位移与液压缸活塞杆行程的数学关系式，寻找到阀芯位移的控制量。
4．设计主动悬架控制器
结合经典控制理论和现代控制理论，运用最优控制的原理研究主动悬架的控制策略，设计出主动悬架的控制器。
5．对悬架进行仿真
在Matlab/simulink仿真环境中构建液压主动悬架的仿真模型，并以积分白噪声形式的路面不平度的数学模型作为随机路面输入，并为主动悬架模型加入控制器模块，进行仿真，并观察仿真结果。
6．仿真结果分析
评价该主动悬架的车身加速度、悬架动位移和车轮变形（对应车轮动载荷）这三个主要评价指标，与被动悬架进行了比较，并根据路况时域输出进行分析，归纳总结出利用最优控制策略设计的主动悬架控制器的优缺点以及
9
吉林大学硕士论文所能达到的性能改善的程度。
10
第 2 章6x6工程车辆主动悬架液压系统介绍
第2章6x6工程车辆主动悬架液压系统介绍2.1 6x6工程车辆整车液压系统的工作原理
具有自适应主动悬架多轮独立驱动工程车辆主要由图2-1所示两个子系统组成：A.多轮主动驱动子系统；B.自适应主动悬架子系统。图2-2是6x6工程车辆试验用车的液压装置。目前，本课题已经完成了试验车辆的机械部
1.悬架液压缸
2.直动式比例换向阀
3.蓄能器
4.齿轮泵
5.卸荷溢流阀
图2-1 整车液压系统图
11
吉林大学硕士论文
12
(A) 实验整车(B) 发动机和齿轮泵
(C)主动悬架油缸(D)蓄能器
图2-2 6x6工程车辆试验整车液压装置
6x6工程车辆整车液压系统由六个液压马达分别独立驱动（六个马达分为两组，左、右两侧三个马达各为一组），分别由两个电液比例控制的恒功率变量柱塞泵提供动力，利用分流器进行分流，液压油经电磁换向阀，将动力分别传递给液压马达，进而驱动车轮。为保证车辆在直线行驶时的稳定性，车辆提前采集路面信号，通过应用线性二次型最优控制理论控制的主动悬架系统的调整使两侧驱动轮能自动适应路况，保证车轮与地面保持时时接触。
第 2 章 6x6工程车辆主动悬架液压系统介绍
13 并且每个驱动马达的运行状态（包括马达转速、进出油口压力等参数）也需要时时监测，驱动控制系统根据这些参数对车轮的转速进行相应的调整。由于六个车轮驱动力相互独立，在任意情况下都具有可靠的独立驱动能力，因此附着通过能力强，越野能力和牵引能力也得到提高。
2.2主动悬架液压系统的工作原理
6×6工程车辆在坎坷不平的地面上行驶时，常会产生某驱动车轮的垂直载荷大幅度减小，乃至离开地面而悬空的现象，使驱动车轮失去与地面的附着而影响通过性。本文所研究的主动悬架允许车轮与车架间有较大的相对位移，使驱动车轮与地面经常保持接触，以保证有较好的附着性能。同时独立悬架可显著地提高车辆的最小离地间隙，从而提高车辆的通过性。
本课题采用六个车轮分别由六个液压缸实现主动悬挂，每个液压缸上安装有位移传感器与压力传感器，控制系统随时监测各个液压缸的状态，以保证车辆在不同的路面条件下都具有很好的通过性。当车辆在平坦路面上行驶时，六个液压缸全部缩回，由液压系统实现被动悬挂，使车辆的离地间隙最小，降低车辆的重心以提高车辆高速行驶时的安全性。
悬架系统采用导向轮采集路面信息，应用最优控制设计控制器计算出主动悬架液压缸应该伸出或收缩的行程，并反馈给悬架控制系统，控制系统通过电液比例技术控制阀芯产生相应的液压缸行程，使悬架系统达到最优的控制状态。当路面采集产生误差时，液压缸的伸长可能较短，发生车轮未能与地面可靠接触的情况，我们在控制系统中安装了压力传感器，时时检测油缸内油液压力，来判断车轮是否与路面可靠接触。当油缸内油液压力0 P 时，说明车轮已经脱离地面，并将此状态反馈给控制系统，控制系统控制液压缸继续伸长直至与路面接触。当车辆因前面有凸起的台阶或障碍物而无法正常通过时，则手动控制油缸缩回，以保证此过程中车轮与地面的可靠接触。
位移传感器安装在液压缸上用于检测液压缸行程。本液压系统中选用的液压缸最大行程为500mm 。如果某一个车轮由于坑太深而超过油缸的调节范围时，控制系统将其动力切断并分配到其他驱动轮。
车辆液压系统由齿轮泵给液压缸提供动力，由六个电液比例换向阀控制