基于LQG控制的8-DOF车辆系统平顺性分析

陈晨　苏蓉　王玲芝　于鹏　尹宗军　彭闪闪

摘 要：文章利用计算机模拟路面激励，用滤波白噪声法建立了与实际路面统计规律相符的四轮时域随机激励模型，设计基于线性二次型高斯（LQG，Linear Quadratic Gaussian）最优控制器的整车8-DOF人椅系统的控制器。通过Matlab仿真平台建立最优控制器的整车8-DOF人椅系统动力学模型，并进行仿真验证表明该最优控制器能够保证车辆的舒适度性能。关键词：8-DOF人椅系统;最优控制;振动分析中图分类号：U463.33  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）01-122-04

Abstract： In this paper， a four-wheel time-domain stochastic excitation model is established using the filtering white noise method， which is consistent with the statistical law of actual road excitation. A controller of 8-DOF human chair system is designed based on LQG （Linear Quadratic Gaussian） optimal controller. The dynamic model of the 8-DOF human chair system is established by using MATLAB simulation platform. The simulation results show that the optimal controller can ensure the comfort performance of the vehicle.Keywords： 8-DOF man-chair system; Optimal control; Vibration analysisCLC NO.： U463.33  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）01-122-04

前言

車辆悬架系统性能对车辆的乘坐舒适性及行驶安全性等性能影响很大。一般的悬架完全基于既定设计的弹簧和阻尼元件的自然特性起到吸振、减振作用，因而它的减振效能具有局限性。而主动悬架系统可在变载荷、变车速、不可预测路况下达到最优，减少振动，保证了车辆的乘坐舒适性，所以可以通过主动悬架的控制来保证汽车的舒适度。近年来，经过国内外学者们对此进行广大量的研究和探索，线性二次型最优控制是应用最为广泛的一种控制方式。本文在线性二次型最优控制的基础上，以最优控制器的整车8-DOF人椅系统为研究对象，用滤波白噪声法生成随四轮相干道路的时域模型进行振动分析。

1 滤波白噪声法生成随机路面

通常把路面对基准平面的高度q沿道路走向I的变化q（I）称为路面纵坡面曲线或不平度函数。对车辆振动系统的输入除了路面不平度外，还要考虑车速因素，根据车速u将空间频率功率谱密度换算为频域功率谱函数：

式中：w=2πn00u为截止频率，n00=0.01 m-1为路面不平度下截止空间频率。

滤波白噪声法认为将单位白噪声Sw=1通过一个线性系统产生的输出功率谱密度等同于路面的功率谱密度，设线性系统频域响应函数为：

本文采用滤波白噪声法生成四轮相干道路的时域模型。由于左、右轮间的相干关系导致右轮达到B级路面谱，而仿真采用的是C级路面谱。前后轮间的时域表示整体上比较类似，且表现为时间上的延迟。从表2分析得到：

（1）主动控制下的各加速度峰值均低于被动悬架，改善百分比均在45%以上（除了车身侧倾角加速度），且俯仰角加速度达到了76%。各加速度改善百分比保持了一致性，说明该最优控制器具有改善乘坐舒适性的控制效能。

（2）各轮胎在最优控制下动位移，且各动位移的峰值普遍高于被动悬架。说明最优控制器没有改善各轮轮胎动位移，而是为了改善跳振性能需要在一定程度上弱化各轮轮胎动位移。

（3）各悬架在最优控制下的动挠度，后轮悬架动挠度改善幅度达到了40%，而前轮悬架动挠度改善幅度为10%，各悬架动挠度改善幅度也保持了较好的一致性，可以认为当车速及路况等变化时，最优控制器能够满足各行驶状态下对悬架性能的要求。

4 结论

通过车辆数学模型的建立以及路面激励模型的仿真，最优控制器的整车8-DOF人椅系统主动悬架能够满足各行驶状态下对悬架性能要求，保证了汽车的舒适性。

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