车辆电控空气悬架系统的鲁棒控制研究

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悬架系统作为车辆系统最重要部分之一,对衰减路面传递到人体和车身的振动具有重要作用。电控空气悬架系统可以根据车辆性能要求实时调节悬架刚度系数或阻尼系数,可以极大提升车辆行驶平顺性与操纵稳定性,而其控制策略是决定悬架刚度系数或阻尼系数实时良好跟踪车辆性能变化的关键所在。因此,控制策略的研究是进一步提升电控空气悬架系统性能的核心问题。为此,本文以电控空气悬架车辆系统为研究对象,重点围绕悬架控制器参数优化问题、参数不确定性问题和参数不确定时滞问题,开展控制策略研究,本文主要研究内容如下:(1)为了在不影响性能前提下降低开发难度,采用等效弹簧力代替非线性空气弹簧力学模型方法,依次建立了二自由度1/4空气悬架车辆系统模型和四自由度1/2空气悬架车辆系统模型。在此基础上,基于Simulink分别构建了含随机路面和包块路面激励的空气悬架车辆系统仿真模型,为仿真分析奠定模型基础。(2)为了平衡行驶平顺性与操纵稳定性在综合性能中的矛盾问题,基于线性矩阵不等式,将悬架系统模型的H2范数表征行驶平顺性,而其H∞范数表征操纵稳定性,设计电控空气悬架的多目标H2/H∞控制器,并采用改进的自适应遗传算法优化控制器参数。最后,进行仿真分析。结果表明,与被动悬架相比,簧载质量的垂直加速度、悬架动行程及轮胎动载荷的均方根值分别下降22.9%、20.2%和上升7.9%。因此,所设计控制器使得车辆具有良好的综合性能。(3)为了抑制悬架刚度及阻尼系数的摄动影响电控空气悬架车辆综合性能问题,基于线性分式变换和范数有界原理,建立了四自由度1/2空气悬架车辆不确定系统模型,利用线性矩阵不等式将车辆综合性能问题转化为凸优化问题,设计了电控空气悬架H2/H∞最优保性能控制器。最后,对该控制器性能进行了仿真分析。结果表明,与被动悬架相比,簧载质心垂直加速度和车身俯仰角加速度的均方根值分别下降35.2%、21.1%,而前、后悬架动行程的均方根值分别下降12.7%、20.5%。因此,所设计控制器能够有效抑制系统参数摄动和路面干扰输入的影响,具有较强的鲁棒性。(4)为了解决控制输入时滞及系统部分状态变量不易采集的问题,建立了四自由度1/2空气悬架车辆不确定时滞系统模型,基于Lyapunov稳定性理论和H∞理论,设计了一种基于H∞滤波器的H∞/广义H2状态反馈控制器,并进行仿真分析。结果表明,H∞滤波器具有良好的估计效果;临界时滞下的空气悬架系统,与被动悬架相比,簧载质心垂直加速度、车身俯仰角加速度、前后悬架动行程的均方根值分别下降28.7%、12.5%、18.9%和26.5%。因此,所设计控制器能有效降低时滞因素的影响,同时改善车辆舒适性。
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