第４０卷第１期 ２０１４年２月 兰州理工大学学报 Ｊ ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌａｎｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１ Ｆｅ１）．２０１４
文章编号：１６７３—５１９６（２０１４）０１—００３３—０４
基于ＬＱＧ控制器的主动悬架系统设计与仿真
刘／Ｊ、斌 ，文０／ｊ＼金。
（１．兰州工业学院汽车工程学院，甘肃兰州 ７３００５０；２．甘肃省电力公司庆阳公司，甘肃庆阳７４５０００）
摘要：研究主动悬架的线性二次型最优控制策略，建立两自由度１／４主动悬架的动力学模型，设计车辆主动悬架的
ＬＱＧ控制器．利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｉ ＱＧ工具求解各性能评价指标的加权系数，建立ＡＭＥＳｉｍ主动悬架仿真模型，利用
Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立ＬＱＧ控制器模型，通过ＡＭＥＳｉｍ数据接口联接Ｓ－Ｆｕｎｃｔｉｏｎ控制器模型，进行仿真试验．仿真
结果表明，主动悬架能够有效地减小垂直位移量，降低车身振动加速度，提高乘坐舒适性．
关键词：主动悬架；ＬＱＧ控制；ＡＭＥＳｉｍ模型；ＭＡＴＬＡＢ模型
中图分类号：ＴＨ１１２．５ 文献标识码：Ａ
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ
ＬＩＵ Ｘｉａｏ－ｂｉｎ ．ＬＩＵ Ｘｉａｏ－ｊ ｉｎ
（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１．．ａｎｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ ７３００５０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇａｎｓｕ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｑｉｎｇｙａｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｑｉｎｇｙａｎｇ ７４５０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｐｅｒｔａｉｎ ｔｏ ｌｉｎｅａｒ ｑｕａｄｒａｔｉｃ ｔｙｐｅ ｗａｓ
收稿日期:199810143国家机械工业局课题(98QK0033)和安徽省自然科学基金项目(97423001)陈无畏 合肥工业大学汽车学院 教授,230069 合肥市方锡邦 合肥工业大学汽车学院 副教授王启瑞 合肥工业大学汽车学院 副教授范迪彬 合肥工业大学汽车学院 副教授李智超 合肥工业大学汽车学院 讲师车辆半主动悬架系统的分析
设计及试验研究3
陈无畏 方锡邦 王启瑞 范迪彬 李智超
【摘要】 分析了车辆半主动悬架系统及可调阻尼减振器的性能,建立起数学模型,设计了可调阻尼减振器,并进行了不同道路条件下的实车行驶试验。通过试验结果的分析比较,表明半主动悬架在提高车辆乘座舒适性方面要优于被动悬架。叙词:悬架 道路试验 舒适性
前言
车辆振动是影响行驶平顺性的主要因素。合理地设计车辆悬架系统,可改善其行驶平顺
性。近年来,主动和半主动控制悬架系统的研究取得了较大进展。主动悬架是通过各种反馈信
息来实现悬架刚度和阻尼的调节,其执行机构选用高精度的液压伺服缸,用较多的外部动力来
控制执行机构,故结构复杂,成本高。半主动悬架系统包括一个普通弹簧和一个并联的阻尼可
调减振器,通过控制阀来调节阻尼,以改善与悬架刚度的匹配。由于它的结构较前者简单且成
本较低,具有较大的实用价值。
1 数学模型
111 4自由度车辆模型图1所示的带有阻尼可调的半主动悬架4自由度车辆模型,其运动微分方程为
mczβc+Fca+Fka+Fcb+Fkb=0
IcΗβ+la(Fca+Fka)-lb(Fcb+Fkb)=0
m2azβ2a-Fca-Fka+k2a(z2a-qa)=0
m2bzβ2b-Fcb-Fkb+k2b(z2b-qb)=0(1)
式中 Fca=ca(zα1a-zα2a)+ua Fcb=cb(zα1b-zα2b)+ub Fka=k1a(z1a-z2a)
Fkb=k1b(z1b-z2b)
Η=z1a-z1bla+lbzc=laz1b+lbz1ala+lb根据可调阻尼减振器的特点,可将其看作由常规阻尼器(阻尼力为ca(zα1a-zα2a))和变阻力阻尼器(阻尼力为可控力ua)两部分组成(或者是cb(zα1b-zα2b)+ub)。通过控制前、后减振器的阻1999年11月农业机械学报第30卷第6期
悬架是汽车的重要总成之一,其功能是缓和路面不平引起的冲击和振动、保持轮胎与路面的附着力,从而改善平顺性和操纵稳定性。被动悬架振动系统的主要参数是弹簧刚度和减振器阻尼系数,它们在设计时是按某种特定工况下其平顺性和操纵稳定性综合性能最优来选取的,一旦选定后通常不能改变。由于其特性参数不能根据使用工况和路面输入的变化来进行控制调整,因而难以满足汽车平顺性和操纵稳定性的更高要求,其性能的进一步提高受到限制。随着电子控制技术的发展,为了克服被动悬架的缺陷,改善汽车悬架的性能,近年来国内外学者深入开展了汽车主动悬架系统及其控制技术的研究。 目前,汽车主动悬架的研究大多基于悬架系统的简化模型,此简化模型虽然能够表达真实悬架的一些基本特性,但未考虑悬架结构的非线性因素的影响,使得用名义参数(即真实系统各零部件的特性参数)表征的简化模型不能很好地等效于真实的悬架系统。同时,由于汽车悬架系统是一个复杂、时变、不确定的非线性系统,很难获得其精确的数学模型,且汽车受到的路面激励也具有随机性。采用基于模型的传统控制(包括经典控制理论和现代控制理论),无论是线性控制还是非线性控制均难以很好地控制汽车主动悬架系统。因此,不需要精确数学模型,决策方式灵活机动,具有较强鲁棒性的智能控制显示出明显的优势,它能实现对复杂不确定系统的控制,非常适用于具有随机扰动和复杂数学模型的汽车悬架系统。目前实现智能控制常用的技术有;模糊逻辑、专家系统、神经网络、遗传算法以及它们的混合技术等,其中神经网络和遗传算法是从人体信息处理系统的脑神经系统和遗传系统发展起来的,其研究及其应用已取得了一定的成效。但其仍有许多不足,如神经网络的连接权值难以确定且易陷入局部最优;遗传算法虽然具有全局搜索能力,但局部搜索能力不是很有效,且在处理复杂、混淆和多任务问题时不够灵活,进化后期收敛速度缓慢,从而影响到控制效果。 免疫系统作为人体信息处理系统的四个子系统之一,具有对抗原的多样性识别能力;具有自我调节功能,能根据抗体间的亲和度调节抗体浓度,避免陷入局部最优解;具有记忆功能,能够在动态环境中维持自身的稳定,是一个非常鲁棒的自适应系统,可以处理各种扰动和不确定性。免疫系统的这些性质为其在汽车主动悬架控制系统中的应用提供了基础。为了进一步提高汽车主动悬架系统的性能,本文基于生物免疫系统的基本特性,将免疫系统与控制系统相结合用于汽车主动悬架控制系统。首先,将免疫算法用做辅助用途,用于汽车悬架系统辅助建模与辅助学习模糊控制器,以获得能较真实反映实际系统的汽车悬架简化模型,解决模糊控制器设计过分依赖专家经验知识,导致设计困难的问题;其次,基于控制的训练和学习,模仿控制器,提出了汽车主动悬架的免疫控制策略;最后,基于ADAMS/View和Hydraulic,建立了汽车主动悬架的液压伺服系统的虚拟实验仿真平台,并利用ADAMS/Control模块的接口实现与Matlab/Simulink的联合仿真,实现了免疫控制策略的虚拟实验验证。 论文主要研究工作和创新点如下; 1.根据汽车主动悬架的研究模型大多基于简化模型,且简化模型的参数是名义参数,未考虑悬架结构型式的非线性特性的情形,提出了汽车悬架系统参数的免疫辨识方法。研究结果表明,免疫辨识方法的辨识精度好于递推最小二乘法,当输入输出信号存在一定能量的干扰时,递推最小二乘法失去了辨识能力,而免疫辨识仍然能得到较好的结果,说明其具有较好的抗干扰能力。 2.提出了汽车主动悬架的免疫控制策略,并分别就三种不同编码(二进制、十进制和DNA编码)方式的免疫控制策略做了对比研究。仿真研究表明,基于十进制编码的汽车主动悬架的免疫控制策略效果最优,但其速度较慢。基于二进制和DNA编码的免疫控制策略其控制速度相差不大,但后者的控制效果明显好于前者。基于DNA编码的免疫控制策略,其控制效果和速度综合指标优于十进制和二进制两种编码的免疫控制策略,为最佳选择。 3.提出了汽车主动悬架的混沌免疫控制策略。结果表明,混沌免疫控制策略的控制平稳性要优于免疫进化控制,即基于十进制的免疫控制策略。 4.针对模糊控制器的设计过分依赖专家经验,导致其设计困难的问题,提出了基于免疫算法的汽车主动悬架模糊控制器的设计方法。仿真研究表明,采用免疫算法优化得到的模糊控制器其控制效果与手动调试的效果相当;抽取多余模糊规则后得到的模糊控制器,其控制效果要优于全规则模糊控制器。该设计方法避免了手动试错调试的繁琐,提高了设计效率,特别是对高维模糊控制器的设计具有一定的实用价值。 5.考虑到免疫控制的实时性和模糊控制输入的单一性,将两者结合,提出了免疫模糊控制策略。研究发现,该控制方法兼有免疫控制和模糊控制的优点,其控制效果优于两者单独控制作用的效果。 6.由于汽车主动悬架的实验研究(无论是简单的模型实验还是复杂的实车试验)都很复杂且需要投入大量资金。同时,在研究过程中,往往需要研究机构、大专院校和一些公司等多家单位的通力合作才能进行。针对这一情况,设计了基于ADAMS/view和Matlab/Simulink的汽车主动悬架的虚拟实验仿真平台,并进行了如下两方面的研究; (1)为了验证设计的汽车主动悬架的虚拟实验仿真平台的有效性,基于ADAMS/Control模块,采用PID控制,假设主动悬架上作用一理想的控制力和液压伺服系统产生的作动力,对汽车主动悬架进行了控制研究。结果表明,两种情形下的汽车主动悬架控制结果具有良好的一致性,说明所设计的含液压伺服系统的汽车主动悬架虚拟实验台是可行的。该虚拟实验方法可以缩短实验周期,减少实验费用,为汽车主动悬架控制算法的研究提供了一种有效的分析手段,能为下一步在真实的主动悬架实验台上实施起到理论指导作用。 (2)利用上述验证了的虚拟实验台,通过其与Matlab的接口实现了免疫进化控制策略的虚拟实验研究。虚拟实验结果表明,采用免疫进化控制控制汽车主动悬架系统,其效果较好。
第２２卷第１期
ｖ０１．２２ Ｎｏ．１ 重庆工学院学报（自然科学）
Ｊｏｕｍａｌ ｏｆ Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） ２００８年１月
Ｊａｎ．２００８
电控液压助力转 向系 统与主动悬架的集成控制
高翔，缪丰隆
（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江２１２０１３）
． ５． ： 币 ： 带 ． 带 彳 祭出
摘要：建立了整车主动悬架和电控液压助力转向系统的动力学模型，分析了接受ＰＩＤ控制的双闭 环电控液压助力转向系统输出的转向助力矩，通过车身姿态参数动态调整悬架作动器作用力的 大小，实现悬架和转向的集成控制．相对于传统的悬架和转向系统，引入预测控制理论，并建立了 预测控制器，既保证了车辆操纵轻便性，又显著提高了整车操纵稳定型、安全性和行驶平顺行等
整车综合性能． 关键词：ＥＨＰＳ；预测控制；主动悬架；集成控制 中图分类号：Ｕ４６３．６ 文献标识码 Ａ 文章编号：１６７１一ｔｍ４（２ｏｏ８ Ｊ０１—００１０—０５
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏ－Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｓｔｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ
ａｎｄ Ｖｅｈｉｄｅ Ａｃｔｉｖｅ Ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ
ＧＡＯ Ｘｉａｎｇ，ＭＩＡＯ Ｆｅｎｇ－ｌｏｎｇ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ａｕ￣ｍｏｂｆｌｅ ａｎｄ Ｔｒａｔｉｌｃ Ｅｎｇｉｎ￣ｅｒｉｎｓ，Ｊｉａｎｇｓｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ ２１２０１３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｕｌｌ—ｅｒｒ ａｃｔｉｖｅ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ａｎｄ ｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｍｏｄｅｌ ａｒｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．ｗｈｉｃｈ
ａｃｃｅｐｔｓ ｄｏｕｂｌｅ－ｃｌｏｓｅｄ—ｌｏｏｐ ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ ｗｉｔｈ ＰＩＤ ｃｏｎｔｒｏ１．Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂｏｄｙ ｐａｒａｍ—
