最优控制的车辆主动悬架仿真分析【字数：10130】
随着汽车产业的发展，出现了各种不同类型的汽车。悬架作为汽车构造中非常重要的部分，汽车类型的多样化就要求悬架的多样化。主动悬架相比于被动悬架具有更好的减振性能，因此主动悬架有广阔的发展前景。本文就是在被动悬架的基础上加入了作动器，设计了最优控制主动悬架。本文首先建立了路面输入模型、二自由度1/4整车主动悬架系统模型和被动悬架系统模型，然后应用最优控制理论，设计LQG控制器。最后利用MATLAB中的Simulink模块对主、被动悬架系统进行动态仿真，根据车身加速度、悬架动行程、轮胎动位移等性能指标进行对比分析。分析结果表明，所设计的主动悬架相对比于传统被动悬架具有更好的减振效果，从而改善汽车的行驶平顺性。
目录
1．绪论 1
1.1悬架系统概述 1
1.1.1悬架系统简介 1
1.1.2悬架系统分类 1
1.2主动悬架的控制方法 3
1.3研究背景及国内外研究现状 4
1.4悬架系统性能的评价指标 5
2.建立悬架系统动力学模型 7
2.1建立路面输入模型 7
2.1.1路面不平度功率谱密度 7
2.1.2空间频率功率谱密度转化时间频率功率谱密度 8
2.1.3模拟路面输入在simulink中的仿真 9
2.2建立悬架系统动力学模型 10
2.2.1建立被动悬架动力学模型 10
2.2.2建立主动悬架系统动力学模型 11
3.LQG控制器设计 13
3.1最优控制概述 13
3.2最优控制模型 13
4.仿真模型的建立与对比分析 15
4.1仿真环境介绍 15
4.2建立悬架系统对比仿真模型 15
4.3仿真结果对比分析 16
5.结论 19
参考文献 20
致谢 21
1．绪论
1.1悬架系统概述
1.1.1悬架系统简介
汽车悬架是车辆车身与轮胎之间所有传力缓冲部件的总称。它的作用主要有以下两点：一是支撑车身和载物的质量，并使其跟随车轮一起运动；二是减少、缓 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
冲车轮产生的振动，并把路面作用于车轮上的反作用力，以及这些反力所造成的力矩都传递到车架上，进而改善汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，从而确保车辆正常行驶，驾乘人员有良好的驾乘体验。现在的汽车悬架有各种不同的结构形式，但基本都是由弹性元件、减振器和导向机构三个部分构成，分别起缓冲，减振和导向作用，大致结构如图11所示。
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图11 汽车悬架模型图
1.1.2悬架系统分类
随着汽车行业的不断发展，各种不同功用的汽车相继涌现。悬架作为汽车不可缺少的部分，汽车用途的不同也就决定了汽车悬架种类的多样化。悬架系统有很多种分类方法。总而言之，按导向装置的基本形式不同，可以将悬架系统分为独立悬架和非独立悬架；按控制形式不同又可分为被动悬架，半主动悬架和主动悬架。
(1)被动悬架
被动悬架主要由弹簧和阻尼器构成，它没有能量输入，结构简单，易于生产。并且经过一百多年的发展，被动悬架被各国研究人员广泛的研究，积累的丰富的经验，目前被广泛的运用在各类汽车上。被动悬架的阻尼系数Cs和刚度系数Ks是不变的,一般只能通过研究和测试选定一种阻尼系数和刚度系数，在某种特定的载荷和路况下可能取得较好的减振效果，但是无法兼顾各个方面的需求。因此，被动悬架存在一定的局限性，减振效果受到限制，发展前景也不如半主动悬架和主动悬架。
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图12被动悬架模型
(2)半主动悬架
半主动悬架不同于被动悬架，它是一种可以控制阻尼大小的悬架系统。它设有传感器来感应前方路面情况，调节悬架系统的阻尼系数，从而改善汽车行驶稳定性和平顺性。正常情况下，悬架系统的弹簧需要承载来自车身的压力，所以很难通过控制弹簧刚度来调节半主动悬架系统，所以可以用调节悬架系统的阻尼的方法来实现对悬架系统的控制。由于半主动悬架结构简单，成本低，并且有较好的减振效果，目前仍有广阔发展前景。
(3)主动悬架
主动悬架主要由控制系统和执行机构组成。与被动悬架相比，主动悬架能够实时的根据车辆运行状况和路面输入状况改变作用于悬架系统的控制力，使悬架系统的运行状况保持在最佳状态。
主动悬架系统可以分为并联式主动悬架系统和独立式主动悬架系统。并联式主动悬架有一个作动器和被动悬架相并联，如下图所示。作动器的控制力Ua是根据路面的情况而不断改变的，从而使悬架系统可以保持最佳的减振性能。当作动器失效时，并联式主动会变为被动悬架，悬架系统并不会因此瘫痪。独立式主动悬架没有传统悬架的弹簧和阻尼，只有一个作动器来调节悬架系统的工作。当作动器发生故障时，整个悬架系统将失去作用。本文主要研究并联式主动悬架系统的主动控制过程。
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图13 并联式主动悬架模型
1.2主动悬架的控制方法
(1)天棚阻尼器控制
天棚阻尼器控制法是早期由美国研究人员提出的一种主动控制方法，其原理是通过主动控制机构产生一个与车身振动的速度相关的主动控制力来减小车身的抖动。这种控制方法容易实现，造价低，因此在实际中被广泛应用。从某种角度来说，天棚阻尼器控制开创了主动控制的先河，为以后主动控制的发展提供了新的思路。
(2)最优控制
最优控制首先要建立悬架系统动力学方程，然后设立控制目标的数学模型，选取加权系数，并应用控制理论求出目标下的最优控制方案。最优控制的关键在于模型的搭建，一个字符的错误将会影响整个控制效果，在计算和输入过程中要非常仔细。相比于其他控制方法，最优控制考虑到了系统中更多的变量，因此控制效果较好。最优控制对于传感器的要求较高，并且计算量大，在实际运用过程中成本相对较高，但因控制效果更好，所以有广阔的发展前景。
目录
1．绪论 1
1.1悬架系统概述 1
1.1.1悬架系统简介 1
1.1.2悬架系统分类 1
1.2主动悬架的控制方法 3
1.3研究背景及国内外研究现状 4
1.4悬架系统性能的评价指标 5
2.建立悬架系统动力学模型 7
2.1建立路面输入模型 7
2.1.1路面不平度功率谱密度 7
2.1.2空间频率功率谱密度转化时间频率功率谱密度 8
2.1.3模拟路面输入在simulink中的仿真 9
2.2建立悬架系统动力学模型 10
2.2.1建立被动悬架动力学模型 10
2.2.2建立主动悬架系统动力学模型 11
3.LQG控制器设计 13
3.1最优控制概述 13
3.2最优控制模型 13
4.仿真模型的建立与对比分析 15
4.1仿真环境介绍 15
4.2建立悬架系统对比仿真模型 15
4.3仿真结果对比分析 16
5.结论 19
参考文献 20
致谢 21
1．绪论
1.1悬架系统概述
1.1.1悬架系统简介
汽车悬架是车辆车身与轮胎之间所有传力缓冲部件的总称。它的作用主要有以下两点：一是支撑车身和载物的质量，并使其跟随车轮一起运动；二是减少、缓 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
冲车轮产生的振动，并把路面作用于车轮上的反作用力，以及这些反力所造成的力矩都传递到车架上，进而改善汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，从而确保车辆正常行驶，驾乘人员有良好的驾乘体验。现在的汽车悬架有各种不同的结构形式，但基本都是由弹性元件、减振器和导向机构三个部分构成，分别起缓冲，减振和导向作用，大致结构如图11所示。
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图11 汽车悬架模型图
1.1.2悬架系统分类
随着汽车行业的不断发展，各种不同功用的汽车相继涌现。悬架作为汽车不可缺少的部分，汽车用途的不同也就决定了汽车悬架种类的多样化。悬架系统有很多种分类方法。总而言之，按导向装置的基本形式不同，可以将悬架系统分为独立悬架和非独立悬架；按控制形式不同又可分为被动悬架，半主动悬架和主动悬架。
(1)被动悬架
被动悬架主要由弹簧和阻尼器构成，它没有能量输入，结构简单，易于生产。并且经过一百多年的发展，被动悬架被各国研究人员广泛的研究，积累的丰富的经验，目前被广泛的运用在各类汽车上。被动悬架的阻尼系数Cs和刚度系数Ks是不变的,一般只能通过研究和测试选定一种阻尼系数和刚度系数，在某种特定的载荷和路况下可能取得较好的减振效果，但是无法兼顾各个方面的需求。因此，被动悬架存在一定的局限性，减振效果受到限制，发展前景也不如半主动悬架和主动悬架。
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图12被动悬架模型
(2)半主动悬架
半主动悬架不同于被动悬架，它是一种可以控制阻尼大小的悬架系统。它设有传感器来感应前方路面情况，调节悬架系统的阻尼系数，从而改善汽车行驶稳定性和平顺性。正常情况下，悬架系统的弹簧需要承载来自车身的压力，所以很难通过控制弹簧刚度来调节半主动悬架系统，所以可以用调节悬架系统的阻尼的方法来实现对悬架系统的控制。由于半主动悬架结构简单，成本低，并且有较好的减振效果，目前仍有广阔发展前景。
(3)主动悬架
主动悬架主要由控制系统和执行机构组成。与被动悬架相比，主动悬架能够实时的根据车辆运行状况和路面输入状况改变作用于悬架系统的控制力，使悬架系统的运行状况保持在最佳状态。
主动悬架系统可以分为并联式主动悬架系统和独立式主动悬架系统。并联式主动悬架有一个作动器和被动悬架相并联，如下图所示。作动器的控制力Ua是根据路面的情况而不断改变的，从而使悬架系统可以保持最佳的减振性能。当作动器失效时，并联式主动会变为被动悬架，悬架系统并不会因此瘫痪。独立式主动悬架没有传统悬架的弹簧和阻尼，只有一个作动器来调节悬架系统的工作。当作动器发生故障时，整个悬架系统将失去作用。本文主要研究并联式主动悬架系统的主动控制过程。
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图13 并联式主动悬架模型
1.2主动悬架的控制方法
(1)天棚阻尼器控制
天棚阻尼器控制法是早期由美国研究人员提出的一种主动控制方法，其原理是通过主动控制机构产生一个与车身振动的速度相关的主动控制力来减小车身的抖动。这种控制方法容易实现，造价低，因此在实际中被广泛应用。从某种角度来说，天棚阻尼器控制开创了主动控制的先河，为以后主动控制的发展提供了新的思路。
(2)最优控制
最优控制首先要建立悬架系统动力学方程，然后设立控制目标的数学模型，选取加权系数，并应用控制理论求出目标下的最优控制方案。最优控制的关键在于模型的搭建，一个字符的错误将会影响整个控制效果，在计算和输入过程中要非常仔细。相比于其他控制方法，最优控制考虑到了系统中更多的变量，因此控制效果较好。最优控制对于传感器的要求较高，并且计算量大，在实际运用过程中成本相对较高，但因控制效果更好，所以有广阔的发展前景。
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