基于LQG控制的8-DOF車輛系統平順性分析

陳晨　蘇蓉　王玲芝　于鵬　尹宗軍　彭閃閃

摘 要：文章利用計算機模擬路面激勵，用濾波白噪聲法建立了與實際路面統計規律相符的四輪時域隨機激勵模型，設計基于線性二次型高斯（LQG，Linear Quadratic Gaussian）最優控制器的整車8-DOF人椅系統的控制器。通過Matlab仿真平臺建立最優控制器的整車8-DOF人椅系統動力學模型，并進行仿真驗證表明該最優控制器能夠保證車輛的舒適度性能。關鍵詞：8-DOF人椅系統;最優控制;振動分析中圖分類號：U463.33 ?文獻標識碼：A? 文章編號：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

車輛懸架系統性能對車輛的乘坐舒適性及行駛安全性等性能影響很大。一般的懸架完全基于既定設計的彈簧和阻尼元件的自然特性起到吸振、減振作用，因而它的減振效能具有局限性。而主動懸架系統可在變載荷、變車速、不可預測路況下達到最優，減少振動，保證了車輛的乘坐舒適性，所以可以通過主動懸架的控制來保證汽車的舒適度。近年來，經過國內外學者們對此進行廣大量的研究和探索，線性二次型最優控制是應用最為廣泛的一種控制方式。本文在線性二次型最優控制的基礎上，以最優控制器的整車8-DOF人椅系統為研究對象，用濾波白噪聲法生成隨四輪相干道路的時域模型進行振動分析。

1 濾波白噪聲法生成隨機路面

通常把路面對基準平面的高度q沿道路走向I的變化q（I）稱為路面縱坡面曲線或不平度函數。對車輛振動系統的輸入除了路面不平度外，還要考慮車速因素，根據車速u將空間頻率功率譜密度換算為頻域功率譜函數：

式中：w=2πn00u為截止頻率，n00=0.01 m-1為路面不平度下截止空間頻率。

濾波白噪聲法認為將單位白噪聲Sw=1通過一個線性系統產生的輸出功率譜密度等同于路面的功率譜密度，設線性系統頻域響應函數為：

本文采用濾波白噪聲法生成四輪相干道路的時域模型。由于左、右輪間的相干關系導致右輪達到B級路面譜，而仿真采用的是C級路面譜。前后輪間的時域表示整體上比較類似，且表現為時間上的延遲。從表2分析得到：

（1）主動控制下的各加速度峰值均低于被動懸架，改善百分比均在45%以上（除了車身側傾角加速度），且俯仰角加速度達到了76%。各加速度改善百分比保持了一致性，說明該最優控制器具有改善乘坐舒適性的控制效能。

（2）各輪胎在最優控制下動位移，且各動位移的峰值普遍高于被動懸架。說明最優控制器沒有改善各輪輪胎動位移，而是為了改善跳振性能需要在一定程度上弱化各輪輪胎動位移。

（3）各懸架在最優控制下的動撓度，后輪懸架動撓度改善幅度達到了40%，而前輪懸架動撓度改善幅度為10%，各懸架動撓度改善幅度也保持了較好的一致性，可以認為當車速及路況等變化時，最優控制器能夠滿足各行駛狀態下對懸架性能的要求。

4 結論

通過車輛數學模型的建立以及路面激勵模型的仿真，最優控制器的整車8-DOF人椅系統主動懸架能夠滿足各行駛狀態下對懸架性能要求，保證了汽車的舒適性。

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