基于鲁棒控制的电磁主动悬架整车平顺性分析.pdf

针对传统被动悬架系统无法在复杂工况时保持较好行驶平顺性的问题，为电磁主动悬架设计了鲁棒控制器 建立整车七自由度电磁悬架动力学模型，利用鲁棒控制理论对被控输出和控制输入量进行加权处理，设计了 鲁棒控制器 在车速为 和 的随机路面、和 的正弦冲击路面时，对电磁主动悬架系统进行仿真分析 结果表明，鲁棒控制的电磁主动悬架与被动悬架相比，主要性能指标均有所改善，在随机路面下车身垂向加速度改善 ，说明所设计的鲁棒控制器比较合理，采用鲁棒控制的电磁主动悬架可以有效改善汽车行驶的平顺性关键词：汽车平顺性；鲁棒控制；电磁主动悬架；整车模型；加权函数；随机路面；正弦冲击；仿真分析中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；汽车悬架系统是影响汽车行驶平顺性的最重要因素之一，行驶平顺性作为汽车的重要性能指标，一直是汽车行业研究的重点 占据汽车市场主导地位的被动悬架，由于悬架参数不可调节，无法满足汽车越来越高的性能需求 而电磁主动悬架能够通过对悬架系统的主动控制，大大改善汽车的行驶平顺性，因其拥有寿命长、响应快和无摩擦损耗的特点，成为国内外学者的研究热点 樊俊尧等 采用 控制策略，根据悬架控制目标给出了主动悬架系统性能评价指标，改善了车辆的乘坐舒适性与行驶平顺性；张望等 采用鲁棒控制策略对电磁主动悬架进行控制，通过仿真与试验证明了鲁棒控制策略具有良好的控制效果，能够显著提高悬架系统的稳定性，改善车辆行驶的平顺性；秦武等 通过建立 车辆二自由度悬架动力学模型，以车身垂向加速度为性能优化指标，分析悬架参数对悬架传递特性的影响；李亦超等 通过建立 车辆四自由度悬架动力学模型，在 悬架模型的基础上，引入悬架俯仰角加速度这一性能评价指标，通过降低俯仰角加速度，改善了车辆的乘坐舒适性与行驶平顺性本文在上述研究的基础上，考虑到 车悬架模型与 车悬架模型的局限性，针对圆筒式直线电机电磁主动悬架，建立了整车七自由度动力学模型，运用鲁棒控制策略在不同车速条件下进行了随机路面、正弦脉冲路面的模拟仿真，得到了整车的悬架性能指标，并通过所选用动力学指标的均方根值对整车平顺性进行分析 电磁主动悬架动力学模型的建立以被动悬架模型为基础，在整车 个减震器处分别引入电磁主动悬架作动器，产生主动力 、和 ，建立整车电磁主动悬架的七自由度动力学模型 ，如图 所示图 整车电磁主动悬架七自由度模型 车身质心的垂向运动方程为 （）（）（）（）（）（）（）（）（）车身俯仰运动方程为 （）（）（）（）（）（）（）（）（）车身侧倾运动方程为 （）（）（）（）（）（）（）（）（）个车轮质量的垂向运动方程为 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）其中，第 期孙凤，等：基于鲁棒控制的电磁主动悬架整车平顺性分析 （）（）设 个悬架动挠度分别为 （）设 个轮胎动变形分别为 （）鲁棒控制策略 鲁棒控制基本原理由于汽车系统结构复杂，一般的线性动力学模型难以对汽车悬架系统实现稳定控制 采用鲁棒控制策略，当系统模型不够精确且外部因素时常变化时，仍然能够使系统保持预期的控制效果 标准设计问题如图 所示图 标准设计问题 图 中，被控输入变量为 ，反馈扰动输入变量即路面不平度为 ，系统输出变量为 ，被控输出变量为 系统的增广矩阵为输入变量 和 到输出变量 和 构成的传递函数（），（）为反馈控制器增广状态方程表达式为 ，（）式中，为状态变量 增广矩阵表达式为（）（）（）（）（）（）可得由 到 的闭环传递函数为（）（）（）（）（）（）（）（）将此结构称为线性分式变换，对于一个给定的增广被控对象 （），标准设计问题就是为其设计一个反馈控制器 （），进而使其闭环系统实现内部稳定 鲁棒控制器设计基于建立的电磁主动悬架整车模型，以及鲁棒输出反馈控制器通用性的设计需要，建立电磁主动悬架系统的空间表达式，即 （）在电磁主动悬架整车模型中，控制信号的输入为作动器的输入力和被控输出变量，其表达式分别为（，）（）（，）（）式中：为车身质心处垂向加速度；为车身俯仰角加速度；为车身侧倾角加速度；、和 分别为右前悬架动挠度、左前悬架动挠度、右后悬架动挠度和左后悬架动挠度；、和 分别为右前轮轮胎动载荷、左前轮轮胎动载荷、右后轮轮胎动载荷和左后轮轮胎动载荷为使悬架性能最优，需要对被控输出变量 和被控输入变量 进行加权处理 国际标准指出，人体对车身加速度最敏感的频率范围为 ，故车身垂向加速度的加权采用频率加权，根据标准给出的人体所承受的“疲劳 降低工效界限”曲线选取，因此选取车身垂向加速度的加权函数为 （）其他加权系数主要取决于归一化和各控制输出的相对权重值，路面激励的加权系数取为 俯仰角加速度加权系数为沈阳工业大学学报第 卷（）（）侧倾角加速度加权系数为（）（）前后悬架动挠度加权系数为 （）仿真分析 随机路面车速 条件下对比分析为验证控制器效果，对整车电磁主动悬架系统进行仿真分析 仿真条件为：车速 ，模拟随机路面直线行驶工况 仿真结果如图 所示图 随机路面车身垂向加速度 图 随机路面俯仰角加速度 由图 可以看出，在车速为 的随机路面行驶时，鲁棒控制的电磁主动悬架相比被动悬架，车身垂向加速度、侧倾角加速度以及车轮动载荷等指标均有改善 由图 可以看出 个车轮处电磁作动器的出力情况 为了更加客观分析性能改善效果，对图 的曲线取 值，结果如表 所示图 随机路面侧倾角加速度 图 随机路面悬架动挠度 计算主、被动悬架车身垂向加速度的均方根值，前者均方根值相比于后者减少了 ，基于鲁棒控制的电磁主动悬架分别对各自车轮所传递的振动进行衰减和抑制有一定改善 计算主、被动悬架的俯仰角加速度、侧倾角加速度的均方根值，前者均方根值相比于后者分别减小了 、，可以看出所设计的鲁棒控制器能够有效改善侧倾角加速度，更好地控制车身姿态主、被动悬架前后 个悬架动挠度结果如图 所示 前者的动挠度峰值相比于后者略低，由此可以看出，所设计的鲁棒控制器能够降低悬架撞击限位块的概率，但控制力较弱主、被动悬架前后 轮动载荷结果如图 所示 可以看出，前者的动载荷比后者仿真结果分别第 期孙凤，等：基于鲁棒控制的电磁主动悬架整车平顺性分析图 随机路面车轮动载荷 图 随机路面作动器控制力 表 随机路面性能指标均方根值 性能评价指标被动悬架主动悬架车身垂向加速度（）俯仰角加速度（）侧倾角加速度（）右前轮动挠度 左前轮动挠度 右后轮动挠度 左后轮动挠度 右前轮动载荷 左前轮动载荷 右后轮动载荷 左后轮动载荷 减小了 、，在动载荷方面控制力较弱 随机路面车速 条件下对比分析仿真条件为：车速 ，模拟随机路面直线行驶工况 仿真结果如图 所示图 随机路面车身垂向加速度 图 随机路面俯仰角加速度 图 随机路面侧倾角加速度 由图 可以看出，在车速为 随机路面行驶时，鲁棒控制的电磁主动悬架相比被动悬架，车身垂向加速度、侧倾角加速度与悬架动挠度等评价指标均有改善 图 反映了 个车轮沈阳工业大学学报第 卷图 随机路面悬架动挠度 图 随机路面车轮动载荷 处电磁作动器的出力情况 为了更加客观分析性能改善效果，对图 的曲线取 值，结果如表 所示计算主、被动悬架车身垂向加速度的均方根值，前者相比于后者减小了 ，说明基于鲁棒控制的电磁主动悬架分别对各自车轮所传递的振动进行衰减和抑制有一定改善，且随着车速增大，对车身垂向加速度的改善效果逐渐明显图 随机路面作动器控制力 表 随机路面性能指标均方根值 性能评价指标被动悬架主动悬架车身垂向加速度（）俯仰角加速度（）侧倾角加速度（）右前轮动挠度 左前轮动挠度 右后轮动挠度 左后轮动挠度 右前轮动载荷 左前轮动载荷 右后轮动载荷 左后轮动载荷 计算主、被动悬架的俯仰角加速度、侧倾角加速度的均方根值，前者均方根值相比于后者分别增大了 、减小了 ，所设计的鲁棒控制器能够在一定程度上改善侧倾角加速度这一性能评价指标，但俯仰角加速度有所恶化主、被动悬架前后 个悬架动挠度结果如图 所示 前者比各自对应的被动悬架的动行程均方根值略微减小，由此可以看出，所设计的鲁棒控制器能够在一定程度上改善悬架动挠度这一性能评价指标主、被动悬架前后 轮动载荷结果如图 所示 可以看出，前者的动载荷比后者仿真结果分别减小了 、，所设计的鲁棒控制器受车速影响不大，且在动载荷方面控制力较弱 正弦路面车速 条件下对比分析仿真条件为：振幅 、频率 、车速 ，模拟正弦脉冲路面行驶工况 仿真结果第 期孙凤，等：基于鲁棒控制的电磁主动悬架整车平顺性分析如图 所示图 正弦路面车身垂向加速度 图 正弦路面俯仰角加速度 图 正弦路面侧倾角加速度 由图 可以看出，在车速为 的正弦脉冲路面行驶时，鲁棒控制的电磁主动悬架相比被动悬架，车身垂向加速度、侧倾角加速度以及车轮动载荷等性能指标均有所改善 由图 可以看出 个车轮处电磁作动器的出力情况 为了更加客观分析性能改善效果，对图 的曲线取 值，结果如表 所示图 正弦路面悬架动挠度 图 正弦路面车轮动载荷 计算主、被动悬架车身垂向加速度的均方根值，前者均方根值相比于后者减小了 所设计的鲁棒控制器能够较好地衰减和抑制车轮给车身带来的振动，改善车辆乘坐舒适性与行驶平顺性计算主、被动悬架的俯仰角加速度、侧倾角加速度的均方根值，前者均方根值相比于后者分别减小了 、可以看出，所设计的鲁棒控制器对俯仰角加速度的改善效果一般，但能较好地改善侧倾角加速度，能够有效抑制车身侧倾波动沈阳工业大学学报第 卷图 正弦路面作动器控制力 表 正弦路面性能指标均方根值 性能评价指标被动悬架主动悬架车身垂向加速度（）俯仰角加速度（）侧倾角加速度（）右前轮动挠度 左前轮动挠度 右后轮动挠度 左后轮动挠度 右前轮动载荷 左前轮动载荷 右后轮动载荷 左后轮动载荷 主、被动悬架动挠度仿真结果如图 所示前者均方根值相比于后者略微减小，可以看出，所设计的鲁棒控制器对悬架动挠度的改善效果一般主动悬架和被动悬架的动载荷仿真结果如图 所示 前者均方根值相比于后者分别减小了 、所设计的鲁棒控制器能够有效改善车轮动载荷，且曲线峰值均在被动悬架以下，改善了道路友好性 正弦路面车速 条件下对比分析仿真条件为：振幅 、频率 、车速 ，模拟正弦脉冲路面行驶工况 仿真结果如图 所示由图 可以看出，在车速 的正弦脉冲路面行驶时，鲁棒控制的电磁主动悬架相比被动悬架，车身垂向加速度、侧倾角加速度以及车轮动载荷等性能指标均有所改善 由图 可以看出 个车轮处电磁作动器的出力情况 为了更图 正弦路面车身垂向加速度 图 正弦路面俯仰角加速度 图 正弦路面侧倾角加速度 加客观分析性能改善效果，对图 的曲线取 值，结果如表 所示计算主、被动悬架车身垂向加速度的均方根值，前者均方根值相比于后者减小了 可以看出，基于鲁棒控制的电磁主动悬架能够较好地衰减和抑制车轮给车身带来的振动，且改善效果不受由于车速增大而导致相位变化的影响计算主、被动悬架的俯仰角加速度、侧倾角加速度的均方根值，前者均方根值相比于后者分别第 期孙凤，等：基于鲁棒控制的电磁主动悬架整车平顺性分析图 正弦路面悬架动挠度 图 正弦路面车轮动载荷 减小了 、可以看出，所设计的鲁棒控制器对俯仰角加速度的改善效果一般，但对侧倾角加速度的改善较为明显，能够有效抑制车身侧倾波动主动悬架前后 个悬架动挠度的均方根值相比各自对应的被动悬架，均方根值略微减小 可以看出，所设计的鲁棒控制器对悬架动挠度的改善效果一般主动悬架前后 轮动载荷的均方根值相比各自对应的被动悬架，均方根值分别减小了 、图 正弦路面作动器控制力 表 正弦路面性能指标均方根值 性能评价指标被动悬架主动悬架车身垂向加速度（）俯仰角加速度（）侧倾角加速度（）右前轮动挠度 左前轮动挠度 右后轮动挠度 左后轮动挠度 右前轮动载荷 左前轮动载荷 右后轮动载荷 左后轮动载荷 、可以看出，所设计的鲁棒控制器对车轮动载荷的改善较为明显，改善效果与激励的相位有一定的关联 结论基于建立的整车七自由度悬架模型，针对电磁主动悬架设计了鲁棒控制策略，在车速分别为 和 的随机路面以及车速分别为 与 的正弦脉冲路面的条件下，对控制策略进行了仿真，得到了如下结论：）建立的整车七自由度电磁主动悬架模型，能够较好地反映在不同路面输入条件下，整车各项性能指标的变化情况）在随机路面输入下，所设计的鲁棒控制策略能够有效降低车身垂向加速度，在一定程度上改善了汽车的行驶平顺性，能够较好地控制车身姿态沈阳工业大学学报第 卷）在正弦激励路面输入下，所设计的鲁棒控制策略对车身垂向加速度、俯仰角加速度以及车轮动载荷的改善效果较为明显，且改善效果基本不受相位变化的影响参考文献（）：刘志强 基于主动悬架控制的电动汽车平顺性仿真研究 秦皇岛：燕山大学，（：，）陈克，姜少玮，张晓冬 基于工况传递路径分析方法的车内噪声源贡献量分析 沈阳工业大学学报，（）：（，（）：），（）：温欣 电磁主动悬架作动器设计及控制研究 重庆：重庆大学，（：，），（）：胡一明，李以农，郑玲 基于作动器非线性特性的电磁主动悬架混合控制 中国机械工程，（）：（，（）：）樊俊尧 基于智能优化算法的车辆主动悬架控制策略研究 镇江：江苏大学，（：，）李洁，黄艳宾，杨静，等 汽车悬架的 控制仿真研究 系统科学学报，（）：（，（）：）张望，喻凡 基于混合鲁棒控制的电磁主动悬架动力学分析 机械设计与研究，（）：（，（）：）谷成，殷臖，陈辛波 摇臂推杆式电磁主动悬架的鲁棒控制与优化 汽车工程，（）：（，（）：）韦伟 电磁主动悬架设计与控制策略研究 沈阳：沈阳工业大学，（：，）秦武，朱钢，上官文斌，等 具有扰动观测器的汽车主动悬架滑模控制 振动工程学报，（）：（，（）：）寇发荣，武江浩，景强强，等 车辆电磁混合主动悬架容错控制 振动测试与诊断，（）：（，（）：）李亦超 汽车主动悬架系统的抗干扰控制方法研究 北京：北京化工大学，（：，）江治东，郑敏毅，张农 半主动抗俯仰液压互联悬架俯仰动力学的研究 振动与冲击，（）：（，（）：）汪思卓 电磁主动悬架的汽车平顺性模拟分析 沈阳：沈阳工业大学，（：，）（责任编辑：钟媛英文审校：尹淑英）第 期孙凤，等：基于鲁棒控制的电磁主动悬架整车平顺性分析