半主动悬架系统响应响应时滞的建模与控制.docx

半主动悬架系统响应响应时滞的建模与控制 半开放式悬浮设备和控制方法一直是汽车行业的研究热点。国内外学者提出了很多控制方法，如PID控制、最优控制、模糊控制、自适应控制、神经网络等，并取得了很好的仿真效果，但是控制响应的时滞一直是制约其推广使用的一个瓶颈。本文基于两自由度半主动悬架模型，在普通的最优控制器基础上，通过在控制器中串接一个一阶微分环节，对控制器的输出进行预测，以补偿控制过程中响应的时滞。通过仿真比较，有时滞补偿的最优控制器比普通的最优控制器更有效地提高行驶的平顺性和乘坐舒适性。 1 悬架阻尼的动力学模型 两自由度悬架的物理模型如图1所示，m1为非簧载质量；m2为簧载质量；k1为轮胎刚度；k为悬架刚度；变量x0、x1、x2分别代表路面位移激励、非簧载质量位移和簧载质量位移。基于模型的能控性和能观性考虑，将悬架阻尼分为两部分：一为阻尼基值c，另一为在其基础上的变化量?c，则总阻尼力为 根据牛顿第二定律，系统的运动方程为 以车身加速度2x作为舒适性的评价标准，车轮动载荷k(x1-x0)作为接地安全性评价标准。取状态向量X=[x1-x0x2-x1x1x2]T，同时取U=F(t),Y1=x2,Y2=x2-x1,Y3=k1(x1-x0)，路面激励x0(t)=W，则悬架系统的控制方程为 式中： 2 半开放式悬臂计设计 2.1 状态观测系统设计 在半主动悬架设计中，采用基于状态反馈的最优控制策略，系统不断通过Kalman滤波器对状态进行观测，最优控制器根据状态值，对反馈输入实时调整。系统结构如图2所示。 (1)最优控制算法。对上述系统进行离散化，得 式中：V(k)为测量白噪声。 综合考虑汽车行驶的平顺性和接地安全性，以车轮动变形x1-x0和车身加速度2x作为主要控制状态量，1λ为车轮接地性能加权系数，2λ为车体的垂直加速度加权系数。选取目标泛函为 将动力学方程（3）代入上式，可得 式中：R=λ2m22 控制输入为 式(8)中，P可以由Ricatti方程（10）迭代求得。 (2)状态观测器设计。考虑路面激励和测量噪声对状态观测的影响，故采用离散Kalman滤波器对状态进行预估和校正。则 式中：R1和R2分别是W(k)和V(k)的方差值，K为Kalman增益矩阵。 2.2 阶微分环节 本研究采用阻尼可调的液力减振器，其作用过程有两个时滞环节：一是状态采样到步进电机在激励下旋转作动产生一个机械时滞；二是阻尼孔口变化实现阻尼变化过程的时滞。后者由于牵涉复杂的流体运动，所以很难进行控制；而机构的时滞则可以通过添加一个一阶微分环节实现补偿。 图3是一个时滞产生及补偿的示意图。（a）是理想的控制响应，（b）是未作时滞补偿的控制响应，（c）是有时滞补偿的控制响应。可以看出：（b）情况下，当控制器根据最优状态值解出阻尼孔的变化量，可能在控制器作用和液压响应滞后时，系统已进入下个状态，从而某一状态获得的控制量并不是该状态的最优控制值。（c）在串接一阶微分环节后，整个控制比原来提前，可以抵消或部分抵消响应的时滞。 2.3 限定范围内可调 由于采用变阻尼半主动悬架，所以其阻尼只能在某一限定范围内可调。当系统根据最优控制策略所得U对应的阻尼值必须在可调范围以内。 式中：?cmax和?cmin分别为在阻尼变化的最大值和最小值。 3 悬架、激励及控制值 本文采用Matlab6.1+Simulink4.0+Toolbox软件对控制过程仿真分析。仿真采用四阶Runge-Kutta法，步长为0.02s，悬架参数为：1m=3 6kg;2m=24 0kg;1k=160000N/m;k=160000N/m；阻尼变化范围为1000～2600N·s/m。激励为车辆以20m/s驶过C级路面的白噪声速度功率谱，频宽为0.2～56Hz，方差为0.101m/s2。控制权值参数为： 如表1所示，具有时滞补偿的最优控制半主动悬架可以使车身加速度、悬架动挠度和车轮动载荷减小。由图4可知：通过时滞补偿，车身加速度在人体敏感的频段明显衰减，有效提高了乘坐舒适性。 4 在控制器上串联数据通讯 (1)由于控制过程的时滞，常规的随机最优控制方法对半主动悬架进行控制时，车辆的平顺性提高幅度有限。 (2)在控制器上串联一个一阶微分环节，利用对控制输入的预测补偿控制过程的时滞，使车身加速度降低23%以上。在人体敏感的低频段4～12.5Hz内，车身加速度幅值下降40%～50%，可以有效提高乘坐舒适性。