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基于微分几何解耦的汽车主动悬架控制算法研究

陈建国  
【摘要】:车辆悬架系统不仅影响着车辆的平顺性,而且影响着车辆操纵稳定性。在平顺性方面,由于四个车轮受到路面的激励,车身的振动是各车轮引起振动的综合结果。在操稳性方面,当车辆转向时,由于前轮转向角的影响,车辆车身的侧倾会加剧;当车辆处于紧急转向工况,由于纵向及横向载荷转移,四个悬架的垂向力会发生改变,从而使各轮胎的抓地性发生改变,对紧急转向时车辆的稳定性造成影响。车辆在不同工况下,控制的目的是不同的。车辆悬架控制系统是一MIMO的非线性控制系统。车辆主动悬架的控制问题,本质上是MIMO系统的控制分配问题,即数学上著名的Morgan问题。微分几何解耦控制理论是解决非线性系统控制问题的有力工具,可以实现对主动悬架控制力的合理分配。 本课题针对车辆的不同工况,利用微分几何解耦控制理论,对车辆主动悬架控制算法进行研究。 (1)车辆在直线工况下,主动悬架控制的目的是提高车辆平顺性。提出了不包括阻尼器解耦的EDDC控制算法。悬架系统经过解耦,车身的垂向、侧倾及俯仰运动各自独立。悬架系统被解耦成了多个独立的线性子系统。通过线性子系统的极点配置,车身的垂向、俯仰及侧倾振动大幅衰减,时域仿真、频域仿真及基于dSPACE硬件实时仿真验证了解耦算法的有效性。 (2)车辆在转向工况下,车身的侧倾控制是主动悬架控制的重点。通过符号运算,在车身侧倾表达式中显式表达了与车辆前轮转角相关的项,明确了前轮转角对侧倾造成的影响;利用EDDC解耦算法,对车身的姿态进行解耦,使车身的各向运动相互独立,并对前轮转角对车身侧倾的干扰项通过解耦来进行抑制;分别在前轮转角输入为阶跃信号及正弦信号的情况下进行了仿真,验证解耦算法的有效性。 (3)对于紧急转向工况,车辆的横向稳定性是车辆主动悬架控制的重点。建立了包括Burckhardt非线性轮胎模型的整车横向稳定性控制的数学模型,并把该模型表达成仿射非线性的形式,为微分几何解耦控制奠定了基础。 (4)提出了基于PI制动与主动悬架解耦的车辆横向稳定性联合控制算法。采用PI制动来改善紧急转向时车辆的横摆;以主动悬架的主动作动器为输入,利用解耦算法来调节主动悬架的垂向载荷,改善轮胎的抓地性,从而调节车辆的侧向力,达到减小车身侧偏角的目的。对车辆在干燥路面及湿滑路面下,分别进行了阶跃输入及单移线输入仿真,验证了PI制动与主动悬架解耦联合控制算法的有效性。


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