基于最优控制策略的路面参数变化对车辆主动悬架影响分析

戴金跃　周海超

摘 要：汽车悬架性能是决定车辆行驶平顺性、操作稳定性和行驶速度优劣的重要因素。依据汽车二自由度主动悬架模型，联合振动控制的理论和技术，运用最优控制策略对其进行了Matlab仿真，分析了不同路面特性参数对主动悬架性能的影响。结果表明最优控制策略能够改善主动悬架中低频时车身加速度加速度，提高了汽车舒适性和操纵稳定性，但在高频时，该控制方法还有待进一步的优化和改进。

关键词：主动悬架 最优控制策略 Matlab仿真 路面特性

中图分类号：U463 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）11（c）-0048-04

悬架是汽车构造的重要组成部分，其主要功能是承载作用，同时具有缓冲路面冲击、衰减各类动载荷引起的车体振动[1-2]。按悬架的工作原理不同[3]，可分为被动悬架（Passive Suspension）、半主动悬架（Semi-Active Suspension）及主动悬架（Active Suspension）。主动悬架因系统智能化攻克了传统被动悬架存在的舒适性和稳定性不能兼顾的难关，并可适应变化的行驶工况和随机道路激励，其成为悬架系统发展的主流方向[4]。

该文主要研究了车辆主动悬架在不平路面行驶时动态特性的最优控制问题。首先，建立了主动悬架的分析模型，推导出路面激励对悬架主动响应的传递函数；其次，依据线性最佳调节器理论建立了主动悬架MATLAB仿真模型；最后，研究了路面不平、路面突变对悬架动态响应。结果表明最优控制策略可以有效改善主动悬架在低频范围内车身加速度，增加了汽车舒适性和操纵稳定性。

1 主动悬架模型建立

当悬挂质量分配系数时，汽车前、后悬架振动彼此没有联系，即可将整车系统的1/4简化为一个汽车振动模型，即车身与车轮二自由度系统，如图1所示。

以车体的静平衡位置作为原点，由系统动力学可写出图1所示的系统运动微分方程为：

式中，表示车体（悬挂）质量，表示车轴（非悬挂）质量，ks表示悬架弹簧刚度（N/m），kt表示轮胎等效刚度，Ct则为固定阻尼减振器的阻尼系数（N s/m），x0为路面激励，x1和x2分别是车轮轴和车体的位移。u为由控制器控制的力发生器产生的垂向作用力，它可根据汽车的行驶工况和路面激励实时地做出主动响应，产生相应的垂向力与其平衡，确保悬架处于最优状态，从而使汽车的平顺性、动挠度和车轮动载荷同时达到最佳工作状态。

2 主动悬架最优控制策略实现

在主动悬架设计中，为使汽车具有较高的操控稳定性和行驶平顺性，簧载质量的垂直加速度、悬架动挠度及轮胎动变形一般设置较小[5]。

矩阵Q的大小受轮胎动位移加权系数q1和悬架动挠度加权系数q2的影响，q1和q2取值不同就意味着允许对不同的分量加不同的权系数。选择q1和q2的原则为：在确保车身加速度最小的同时能够维持悬架的工作空间和轮胎变形在其工作范围内；对悬架工作空间而言，此范围是指合理地设计极限值；对轮胎而言，此范围是指保证车轮与地面具有接触良好的取值。

式中，增益值k1～k4有确定的物理意义。增益k1可等效认为放置于簧载质量和簧下质量间的线性弹簧，k1的改变则会影响簧载质量的固有频率；增益k2影响着簧载质量的绝对速度，尤其是影响其阻尼，换句话说，增益k2主要相当于确定的悬架阻尼系数；增益k3则影响轮胎变形，主要体现在影响车轮的刚度和固有频率；增益k4不仅对簧下质量的速度起作用，而且也影响车轮跳动的阻尼。

3 仿真结果

3.1 路面不变

由图4可知，采用最优控制的主动悬架最优控制，在路面不平度不变时，随着路面激励频率的增加，车身加速度幅值变化呈现增大趋势，但车身的对悬架的响应变的更为明显。对于同一激励下，增加路面不平度同样会增加车身的加速度响应，此外会降低悬架的主动控制效果。无论路面不平度和频率如何变化，车身加速度都有一定的改善，且在中低频段时其改善较为明显，但在高频段处改善效果不明显，在不同路面不平度处改善效果相近。

3.2 路面突变

由图5可知，在路面500秒发生突变时，在同频率变不平度时，车身加速度改善明顯，不平度由低到高时，改善效果相似。在路面不平度不变，频率由低频到中频变化时，车身加速度加速度均有显著改善，而在高频段其改善效果不理想。在不同道路不平度时，车身加速度处于低频高时改善效果最为明显，当激励频率处在悬架的共振频率附近时，控制效果并未得到明显改善。

4 结语

该文通过采用最优控制策略探究了不同路面特性下主动悬架的性能变化，可知采用最优控制策略优化路面参数对主动悬架影响分析时，在路面中低频频段内，车身加速度改善明显，这有利于提高汽车舒适性和操纵稳定性；但在高频频段内时，车身加速度并未得到明显的改善，性能提高不显著，故在未来的研究中需要对最优控制策略进行适当的优化修改。但从总体上看，基于最优控制策略的主动悬架可以改善不同路面特性作用下的车身变化，提高整车的舒适性。

参考文献

[1] SMITH M C.Performance benefits in passive vehicle suspension employing inerters[J].Vehicle System Dynamics，2004，42（4）：235-257.

[2] 徐瑞良，李三妞，郭志军，等.拖拉机座椅悬架对动态舒适性影响的研究[J].农机化研究，2016（2）：240-243.

[3] 陈家瑞.车辆悬架系统减振控制的研究[J].华东交通大学学报，2004，21（1）：87-90.

[4] 应艳杰，方敏，陈无畏，等.现代控制理论在汽车悬架控制中的应用[J].农机化研究，2007（10）：224-227.

[5] 蓝会立，高远，范健文，等.基于遗传算法的车辆4自由度主动悬架最优控制研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2014，37（11）：1304-1310.