基于LQG控制的8-DOF車輛系統(tǒng)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(jì)算機(jī)模擬路面激勵(lì)，用濾波白噪聲法建立了與實(shí)際路面統(tǒng)計(jì)規(guī)律相符的四輪時(shí)域隨機(jī)激勵(lì)模型，設(shè)計(jì)基于線性二次型高斯（LQG，Linear Quadratic Gaussian）最優(yōu)控制器的整車8-DOF人椅系統(tǒng)的控制器。通過(guò)Matlab仿真平臺(tái)建立最優(yōu)控制器的整車8-DOF人椅系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并進(jìn)行仿真驗(yàn)證表明該最優(yōu)控制器能夠保證車輛的舒適度性能。關(guān)鍵詞：8-DOF人椅系統(tǒng);最優(yōu)控制;振動(dòng)分析中圖分類號(hào)：U463.33 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(tǒng)性能對(duì)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(shè)計(jì)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(dòng)懸架系統(tǒng)可在變載荷、變車速、不可預(yù)測(cè)路況下達(dá)到最優(yōu)，減少振動(dòng)，保證了車輛的乘坐舒適性，所以可以通過(guò)主動(dòng)懸架的控制來(lái)保證汽車的舒適度。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行廣大量的研究和探索，線性二次型最優(yōu)控制是應(yīng)用最為廣泛的一種控制方式。本文在線性二次型最優(yōu)控制的基礎(chǔ)上，以最優(yōu)控制器的整車8-DOF人椅系統(tǒng)為研究對(duì)象，用濾波白噪聲法生成隨四輪相干道路的時(shí)域模型進(jìn)行振動(dòng)分析。

1 濾波白噪聲法生成隨機(jī)路面

通常把路面對(duì)基準(zhǔn)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(shù)。對(duì)車輛振動(dòng)系統(tǒng)的輸入除了路面不平度外，還要考慮車速因素，根據(jù)車速u將空間頻率功率譜密度換算為頻域功率譜函數(shù)：

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(rèn)為將單位白噪聲Sw=1通過(guò)一個(gè)線性系統(tǒng)產(chǎn)生的輸出功率譜密度等同于路面的功率譜密度，設(shè)線性系統(tǒng)頻域響應(yīng)函數(shù)為：

本文采用濾波白噪聲法生成四輪相干道路的時(shí)域模型。由于左、右輪間的相干關(guān)系導(dǎo)致右輪達(dá)到B級(jí)路面譜，而仿真采用的是C級(jí)路面譜。前后輪間的時(shí)域表示整體上比較類似，且表現(xiàn)為時(shí)間上的延遲。從表2分析得到：

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

（2）各輪胎在最優(yōu)控制下動(dòng)位移，且各動(dòng)位移的峰值普遍高于被動(dòng)懸架。說(shuō)明最優(yōu)控制器沒(méi)有改善各輪輪胎動(dòng)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(dòng)位移。

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

4 結(jié)論

通過(guò)車輛數(shù)學(xué)模型的建立以及路面激勵(lì)模型的仿真，最優(yōu)控制器的整車8-DOF人椅系統(tǒng)主動(dòng)懸架能夠滿足各行駛狀態(tài)下對(duì)懸架性能要求，保證了汽車的舒適性。

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