基于最優控制策略的路面參數變化對車輛主動懸架影響分析

戴金躍　周海超

摘 要：汽車懸架性能是決定車輛行駛平順性、操作穩定性和行駛速度優劣的重要因素。依據汽車二自由度主動懸架模型，聯合振動控制的理論和技術，運用最優控制策略對其進行了Matlab仿真，分析了不同路面特性參數對主動懸架性能的影響。結果表明最優控制策略能夠改善主動懸架中低頻時車身加速度加速度，提高了汽車舒適性和操縱穩定性，但在高頻時，該控制方法還有待進一步的優化和改進。

關鍵詞：主動懸架 最優控制策略 Matlab仿真 路面特性

中圖分類號：U463 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）11（c）-0048-04

懸架是汽車構造的重要組成部分，其主要功能是承載作用，同時具有緩沖路面沖擊、衰減各類動載荷引起的車體振動[1-2]。按懸架的工作原理不同[3]，可分為被動懸架（Passive Suspension）、半主動懸架（Semi-Active Suspension）及主動懸架（Active Suspension）。主動懸架因系統智能化攻克了傳統被動懸架存在的舒適性和穩定性不能兼顧的難關，并可適應變化的行駛工況和隨機道路激勵，其成為懸架系統發展的主流方向[4]。

該文主要研究了車輛主動懸架在不平路面行駛時動態特性的最優控制問題。首先，建立了主動懸架的分析模型，推導出路面激勵對懸架主動響應的傳遞函數；其次，依據線性最佳調節器理論建立了主動懸架MATLAB仿真模型；最后，研究了路面不平、路面突變對懸架動態響應。結果表明最優控制策略可以有效改善主動懸架在低頻范圍內車身加速度，增加了汽車舒適性和操縱穩定性。

1 主動懸架模型建立

當懸掛質量分配系數時，汽車前、后懸架振動彼此沒有聯系，即可將整車系統的1/4簡化為一個汽車振動模型，即車身與車輪二自由度系統，如圖1所示。

以車體的靜平衡位置作為原點，由系統動力學可寫出圖1所示的系統運動微分方程為：

式中，表示車體（懸掛）質量，表示車軸（非懸掛）質量，ks表示懸架彈簧剛度（N/m），kt表示輪胎等效剛度，Ct則為固定阻尼減振器的阻尼系數（N s/m），x0為路面激勵，x1和x2分別是車輪軸和車體的位移。u為由控制器控制的力發生器產生的垂向作用力，它可根據汽車的行駛工況和路面激勵實時地做出主動響應，產生相應的垂向力與其平衡，確保懸架處于最優狀態，從而使汽車的平順性、動撓度和車輪動載荷同時達到最佳工作狀態。

2 主動懸架最優控制策略實現

在主動懸架設計中，為使汽車具有較高的操控穩定性和行駛平順性，簧載質量的垂直加速度、懸架動撓度及輪胎動變形一般設置較小[5]。

矩陣Q的大小受輪胎動位移加權系數q1和懸架動撓度加權系數q2的影響，q1和q2取值不同就意味著允許對不同的分量加不同的權系數。選擇q1和q2的原則為：在確保車身加速度最小的同時能夠維持懸架的工作空間和輪胎變形在其工作范圍內；對懸架工作空間而言，此范圍是指合理地設計極限值；對輪胎而言，此范圍是指保證車輪與地面具有接觸良好的取值。

式中，增益值k1～k4有確定的物理意義。增益k1可等效認為放置于簧載質量和簧下質量間的線性彈簧，k1的改變則會影響簧載質量的固有頻率；增益k2影響著簧載質量的絕對速度，尤其是影響其阻尼，換句話說，增益k2主要相當于確定的懸架阻尼系數；增益k3則影響輪胎變形，主要體現在影響車輪的剛度和固有頻率；增益k4不僅對簧下質量的速度起作用，而且也影響車輪跳動的阻尼。

3 仿真結果

3.1 路面不變

由圖4可知，采用最優控制的主動懸架最優控制，在路面不平度不變時，隨著路面激勵頻率的增加，車身加速度幅值變化呈現增大趨勢，但車身的對懸架的響應變的更為明顯。對于同一激勵下，增加路面不平度同樣會增加車身的加速度響應，此外會降低懸架的主動控制效果。無論路面不平度和頻率如何變化，車身加速度都有一定的改善，且在中低頻段時其改善較為明顯，但在高頻段處改善效果不明顯，在不同路面不平度處改善效果相近。

3.2 路面突變

由圖5可知，在路面500秒發生突變時，在同頻率變不平度時，車身加速度改善明顯，不平度由低到高時，改善效果相似。在路面不平度不變，頻率由低頻到中頻變化時，車身加速度加速度均有顯著改善，而在高頻段其改善效果不理想。在不同道路不平度時，車身加速度處于低頻高時改善效果最為明顯，當激勵頻率處在懸架的共振頻率附近時，控制效果并未得到明顯改善。

4 結語

該文通過采用最優控制策略探究了不同路面特性下主動懸架的性能變化，可知采用最優控制策略優化路面參數對主動懸架影響分析時，在路面中低頻頻段內，車身加速度改善明顯，這有利于提高汽車舒適性和操縱穩定性；但在高頻頻段內時，車身加速度并未得到明顯的改善，性能提高不顯著，故在未來的研究中需要對最優控制策略進行適當的優化修改。但從總體上看，基于最優控制策略的主動懸架可以改善不同路面特性作用下的車身變化，提高整車的舒適性。

參考文獻

[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，郭志軍，等.拖拉機座椅懸架對動態舒適性影響的研究[J].農機化研究，2016（2）：240-243.

[3] 陳家瑞.車輛懸架系統減振控制的研究[J].華東交通大學學報，2004，21（1）：87-90.

[4] 應艷杰，方敏，陳無畏，等.現代控制理論在汽車懸架控制中的應用[J].農機化研究，2007（10）：224-227.

[5] 藍會立，高遠，范健文，等.基于遺傳算法的車輛4自由度主動懸架最優控制研究[J].合肥工業大學學報：自然科學版，2014，37（11）：1304-1310.