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搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架的魯棒控制與優(yōu)化

2019-01-07 22:17:34·  來(lái)源：同濟(jì)智能汽車研究所  
　
針對(duì)被動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架在抑制車輛振動(dòng)方面存在的不足，提出一種搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架并試制樣機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)新穎、加工容易和模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。
 原作者：谷 成，殷 珺，陳辛波
1. 同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804
2. 同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804
編者按：本論文由谷成，殷珺，陳辛波教授根據(jù)被動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架在抑制車輛振動(dòng)方面存在的不足，提出一種搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架并試制樣機(jī)。它具有結(jié)構(gòu)新穎、加工容易和模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。本文主要介紹主動(dòng)懸架在提高車輛行駛舒適性和操縱穩(wěn)定性等方面的優(yōu)點(diǎn)及其可行性。

摘要
針對(duì)被動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架在抑制車輛振動(dòng)方面存在的不足，提出一種搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架并試制樣機(jī)，它具有結(jié)構(gòu)新穎、加工容易和模塊化設(shè)計(jì)等特點(diǎn)。對(duì)該懸架系統(tǒng)非線性特性進(jìn)行分析，得到等效剛度和等效簧下質(zhì)量等參數(shù)的攝動(dòng)區(qū)間。在保證系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性的前提下，以車身加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)位移和主動(dòng)力最小作為優(yōu)化目標(biāo)，設(shè)計(jì)魯棒控制器。為降低控制器保守性，將車身質(zhì)量參數(shù)攝動(dòng)范圍分段，優(yōu)化設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒控制器，通過(guò)靜態(tài)查表方式離線控制，保證實(shí)時(shí)性，且無(wú)需切換控制器，避免對(duì)乘員產(chǎn)生的沖擊感。
 
關(guān)鍵詞: 電磁主動(dòng)懸架; 搖臂推桿; 自適應(yīng)魯棒控制; 優(yōu)化

1、前言
主動(dòng)懸架在提高車輛行駛舒適性和操縱穩(wěn)定性等方面效果顯著，尤其是電磁式主動(dòng)懸架具有響應(yīng)快、可饋能等優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)［1］。文獻(xiàn)［2］中采用直線電機(jī)作為主動(dòng)懸架作動(dòng)器，具有安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)［3］中提出了一款柱狀永磁作動(dòng)器，并考慮系統(tǒng)不確定性進(jìn)行魯棒控制，與被動(dòng)懸架相比，在懸架動(dòng)行程不變的情況下舒適性提高40%，但由于直線電機(jī)功率密度不高而普遍存在質(zhì)量體積較大的缺點(diǎn)。為采用旋轉(zhuǎn)電機(jī)，須引入機(jī)構(gòu)將其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為懸架的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。文獻(xiàn)［4］中開發(fā)了一款滾珠絲杠式電磁作動(dòng)器，并結(jié)合μ綜合理論設(shè)計(jì)了魯棒控制器。文獻(xiàn)［5］中則采用齒輪齒條式作動(dòng)器，通過(guò)匹配電機(jī)與傳動(dòng)系參數(shù)的方式來(lái)提高系統(tǒng)效率。文獻(xiàn)［6］中提出一種新型“兩腿”式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，其機(jī)械效率比滾珠絲杠和齒輪齒條機(jī)構(gòu)高，但有效行程較短。 懸架系統(tǒng)中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使彈簧等機(jī)械元件在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中呈現(xiàn)出非線性特性［7］，在傳統(tǒng)確定參數(shù)模型中懸架剛度等參數(shù)存在簡(jiǎn)化誤差，文獻(xiàn)［8］中基于確定模型采用最優(yōu)控制策略，在實(shí)際應(yīng)用中不能保證系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)性能?；Ｗ兘Y(jié)構(gòu)控制不依賴于所建模型，但在定義滑模面時(shí)往往需要目標(biāo)控制力、狀態(tài)變量和路面擾動(dòng)等信息［9］，基于滑模觀測(cè)器的狀態(tài)估計(jì)和擾動(dòng)估計(jì)準(zhǔn)確性在實(shí)際應(yīng)用中仍有待驗(yàn)證。文獻(xiàn)［10］中運(yùn)用魯棒控制在給定頻段內(nèi)更好地抑制了車體振動(dòng)，在固有頻率下車體垂直振動(dòng)加速度增益降低了 9dB。針對(duì)人體敏感頻率范圍，文獻(xiàn)［11］中對(duì)主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)了  控制器，并采用 KYP 理論對(duì)輸出量的無(wú)窮范數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。文獻(xiàn)［12］中采用動(dòng)態(tài)輸出反饋對(duì)半車模型進(jìn)行魯棒控制，提高了行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。文獻(xiàn)［13］中設(shè)計(jì)了魯棒  控制律，通過(guò)實(shí)例仿真驗(yàn)證了控制的有效性和可行性，改善了乘坐舒適性。
但當(dāng)不確定性因素較多時(shí)，為保證在所有攝動(dòng)區(qū)間內(nèi)均滿足穩(wěn)定性要求，基于傳統(tǒng)魯棒控制系統(tǒng)存在保守性較高的缺點(diǎn)。 本文中針對(duì)一種新型搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架，結(jié)合該懸架系統(tǒng)非線性和不確定性引起的參數(shù)攝動(dòng)，設(shè)計(jì)魯棒控制器。通過(guò)算例驗(yàn)證該主動(dòng)懸架系統(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)的魯棒性，改善行駛舒適性和操縱穩(wěn)定性，并提出一種優(yōu)化策略以降低控制器的保守性。

2、搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架
圖 1 為一種搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架，其中電機(jī)、減速器、搖臂和推桿構(gòu)成電磁作動(dòng)器。電機(jī)與減速器一體化集成設(shè)計(jì)，固連于車身，減速器輸出軸與搖臂固連，推桿下端以轉(zhuǎn)動(dòng)副與下橫臂連接，上端以轉(zhuǎn)動(dòng)副與搖臂連接，彈簧等零件安裝位置不變。假設(shè)車身固定，當(dāng)車輪受路面激勵(lì)向上跳動(dòng)時(shí)，推桿隨下橫臂向上運(yùn)動(dòng)，使搖臂繞減速器輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)，并壓縮彈簧。電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩經(jīng)減速器控制搖臂和推桿來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)減振。當(dāng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反時(shí)，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，可回饋振動(dòng)能量。該搖臂推桿式電磁作動(dòng)器結(jié)構(gòu)新穎，規(guī)避了傳統(tǒng)滾珠絲杠或齒輪齒條式作動(dòng)器的專利保護(hù)，加工容易; 懸架作動(dòng)器模塊化設(shè)計(jì)，替換性強(qiáng)，適用于不同懸架類型和參數(shù)。
圖 1 搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架

3、系統(tǒng)建模
3. 1 參數(shù)攝動(dòng)范圍
一方面，由于懸架系統(tǒng)中導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的存在和彈簧的非豎直布置，使彈簧力與作用于車輪的垂向力存在偏差; 另一方面，由于電機(jī)轉(zhuǎn)子等轉(zhuǎn)動(dòng)慣量轉(zhuǎn)換到減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量具有放大效應(yīng)，并通過(guò)搖臂推桿機(jī)構(gòu)作用于車輪，導(dǎo)致車輛等效簧下質(zhì)量增加。在 ADAMS 環(huán)境中建立模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析，得到系統(tǒng)等效彈簧剛度和等效簧下質(zhì)量隨車輪垂向位移變化的非線性關(guān)系，如圖 2 所示。   
      
圖 2 等效彈簧剛度和等效簧下質(zhì)量 與車輪垂向位移的非線性關(guān)系
由圖2可知，考慮導(dǎo)向機(jī)構(gòu)與搖臂推桿等影響，懸架等效剛度變化范圍約 ± 4% 。在車輪跳動(dòng)范圍內(nèi)，簧下質(zhì)量增量變化范圍為 50～75kg，設(shè)車輪質(zhì)量為40kg，則等效簧下質(zhì)量標(biāo)稱值為 102. 5kg，攝動(dòng)范圍為 ±13% 。
此外，乘客人數(shù)與輪胎壓力的不確定性引起車身質(zhì)量和輪胎剛度等參數(shù)攝動(dòng)，設(shè)簧上質(zhì)量與輪胎剛度攝動(dòng)范圍均為 ±10% 。從而，1/4 車輛懸架系統(tǒng)參數(shù)如表 1 所示。
需要說(shuō)明的是，相比于傳統(tǒng)車輛，本文中提出的搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架的簧下質(zhì)量增加了一倍，這是電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量經(jīng)過(guò)減速器后在輸出端具有放大效應(yīng)導(dǎo) 致 的，是 采 用 旋 轉(zhuǎn) 式作 動(dòng) 器 與 減速器結(jié)構(gòu)的固 有 屬 性，通 過(guò) 匹 配 較 小 功 率 的 電機(jī)和減速比可 降 低 等 效 簧 下 質(zhì) 量，這 也 是 本 方案后續(xù)需要改進(jìn)之處; 另一方面，盡管等效下質(zhì)量增加，使車輛垂向性能有惡化趨勢(shì)，但采取合適算法實(shí)現(xiàn) 主 動(dòng) 控 制，對(duì) 懸 架 性 能 進(jìn) 行 頻 率整型，可實(shí)現(xiàn)更優(yōu)的行駛舒適性和操縱穩(wěn)定性，這也是開發(fā)主動(dòng)懸架的主要目的。

3.2不確定性建模  
建立如圖 3 所示的 1/4 車輛懸 架 模 型，設(shè) 簧 下 質(zhì) 量 為，簧上質(zhì)量為，輪胎剛度為 ，忽略輪胎阻尼，懸架剛度為 ，路面擾動(dòng)位移為 q，簧下質(zhì)量位移為 ，簧上質(zhì)量位移為 ，主動(dòng)力為 u。
                             
圖 3 1/4 車輛主動(dòng)懸架模型
根據(jù)牛頓第二定律，建立 懸架系統(tǒng) 2 階常微分方程:
即
在式( 2) 中，含參數(shù)攝動(dòng)的質(zhì)量矩陣 M 為
式中: 標(biāo)稱質(zhì)量矩陣 攝動(dòng)質(zhì)量矩陣相對(duì)攝動(dòng)量
將質(zhì)量矩陣的逆矩陣表示為含攝動(dòng)矩陣的上線性分式變換:
      
其中
同理，含參數(shù)攝動(dòng)的剛度矩陣 K 為
   
將剛度矩陣表示為含攝動(dòng)矩陣的上線性分式變 換形式:
        
其中
從而，基于式( 2) ，含參數(shù)不確定性的系統(tǒng)模型如圖 4 所示。
圖 4 考慮參數(shù)不確定性的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
4
魯棒控制
1/4 車輛懸架閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 5 所示，設(shè) G為含參數(shù)攝動(dòng)系統(tǒng)，q為路面擾動(dòng)輸入，Z 為期望輸出與測(cè)量輸出，為控制器，n 為測(cè)量聲，u 為被控輸入。
 圖 5 閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
可以證明，以簧上質(zhì)量、等效簧下質(zhì)量、等效彈簧剛度和輪胎剛度構(gòu)成的標(biāo)稱系統(tǒng)可控且可觀測(cè)，為最小實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)，且閉環(huán)系統(tǒng)特征值開左半復(fù)平面，系統(tǒng)漸近穩(wěn)定，從而標(biāo)稱系統(tǒng)內(nèi)部穩(wěn)定等價(jià)于有界輸入有界輸出穩(wěn)定。閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定，當(dāng)且僅當(dāng)在參數(shù)攝動(dòng)范圍內(nèi)所有閉環(huán)攝動(dòng)系統(tǒng) G 均內(nèi)部 穩(wěn)定。
結(jié)合圖 5，含參數(shù)攝動(dòng)的系統(tǒng)魯棒性能應(yīng)包括 以下 3 個(gè)方面，并分別得到對(duì)應(yīng)的傳遞函數(shù)。
    ( 1) 反映期望輸出 Z 對(duì)擾動(dòng)輸入 q 抵抗能力，式中 I 為單位矩陣。
    
    ( 2) 反映抵抗測(cè)量誤差 n 的能力
    
    ( 3) 要求控制力小
    
綜上可得，攝動(dòng)系統(tǒng)魯棒 控制優(yōu)化目標(biāo)為:在參數(shù)攝動(dòng)范圍內(nèi)系統(tǒng)魯棒性能穩(wěn)定，且上述魯棒性能指標(biāo)傳遞函數(shù)的無(wú)窮范數(shù)最小。為表征系統(tǒng)對(duì)單位攝動(dòng)的魯棒性能，引入相應(yīng)的權(quán)重函數(shù)，求系統(tǒng)滿足上述最佳性能時(shí)傳遞函數(shù)的無(wú)窮范數(shù)最小值:
式中和 分別為車身加速度、懸架動(dòng)行 程、輪胎動(dòng)位移和主動(dòng)力的權(quán)重函數(shù)。
從而，在路面擾動(dòng)輸入 q 的影響下，將上述加權(quán)車身加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)位移和主動(dòng)力作為期望輸出優(yōu)化目標(biāo)，并將含測(cè)量噪聲 n 的懸架動(dòng)行程信號(hào)作為控制器輸入，計(jì)算主動(dòng)控制力 u，構(gòu)成輸出反饋閉環(huán)控制，如圖 6 所示?；诒粍?dòng)懸架各輸出性能指標(biāo)的頻率響應(yīng)特 性，經(jīng)拉普拉斯變換，選擇合適濾波器，確定主動(dòng)懸架期望輸出的各懸架性能指標(biāo)頻率響應(yīng)特性，并微調(diào)權(quán)重函數(shù)，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，從而分別確定相應(yīng)的車身加速度權(quán)重  ( s 為拉普拉斯算子) ，懸架動(dòng)行程權(quán)重 ，輪胎動(dòng)位移權(quán)重  = 0. 1，主動(dòng)力權(quán)重  = 0. 002，測(cè)量噪聲權(quán)重與主動(dòng)力權(quán)重類似，在全頻率范圍內(nèi)設(shè)為常數(shù)，= 0. 001。經(jīng)迭代計(jì)算得閉環(huán)系統(tǒng)魯棒穩(wěn)定性 μ 值為0. 221，小于 1，表明在參數(shù)攝動(dòng)范圍內(nèi)，系統(tǒng)滿足魯棒穩(wěn)定，且有一定裕度，此時(shí)，式( 7) 的最優(yōu)解 =2. 5469。
 圖 6 閉環(huán)系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)
5
仿真分析與試驗(yàn)驗(yàn)證
5. 1 頻域響應(yīng)
對(duì)表 1 中 4 個(gè)參數(shù)，分別取樣本值為攝動(dòng)上界值、標(biāo)稱值和攝動(dòng)下界值，排列組合產(chǎn)生 81 種攝動(dòng)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)下車身加速度對(duì)路面擾動(dòng)的幅頻特性如圖 7 所示，虛線代表標(biāo)稱系統(tǒng)幅頻特性，實(shí)線代表 81 組攝動(dòng)系統(tǒng)幅頻特性。
 圖 7 車身加速度幅頻特性比較
從圖 7 可得，在全頻率范圍內(nèi)，閉環(huán)系統(tǒng)幅頻特性曲線更加集中，表明參數(shù)攝動(dòng)對(duì)車身加速度影響明顯減小，系統(tǒng)對(duì)參數(shù)攝動(dòng)具有良好的魯棒性，且閉環(huán)系統(tǒng)曲線更加平滑，系統(tǒng)有更好的阻尼特性。在人體舒適性敏感的 4～8Hz 頻率范圍內(nèi)，主動(dòng)控制時(shí)閉環(huán)反饋系統(tǒng)的車身加速度幅值降低，表明行駛舒適性得到提高。
5. 2 時(shí)域響應(yīng)
針對(duì)實(shí)際工況中，攝動(dòng)參數(shù)連續(xù)變化的情況，為驗(yàn)證該電磁主動(dòng)懸架的可行性和魯棒控制算法的有效性，試制該搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)樣機(jī)，并搭建 1/4 車輛懸架試驗(yàn)臺(tái)架，如圖 8 所示。
圖 8 搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架樣機(jī)
從圖 8 中，主動(dòng)懸架樣機(jī)通過(guò)輪胎懸置于轉(zhuǎn)鼓上，采用鐵板模擬車身質(zhì)量，它可沿導(dǎo)軌垂向移動(dòng)。測(cè)功電機(jī)經(jīng)過(guò)同步帶減速器驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓周圍布置凸塊，以模擬路面擾動(dòng)激勵(lì)。 根據(jù)測(cè)得的彈簧變形量 Δx，設(shè)計(jì)魯棒控制器 Kc 以產(chǎn)生主動(dòng)力u。進(jìn)而，根據(jù)減速器輸出轉(zhuǎn)矩 T'與主動(dòng)力 u 之間的關(guān)系，結(jié)合減速比i，實(shí)時(shí)得到電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的目標(biāo)信號(hào) T，輸入電機(jī)控制器，實(shí)現(xiàn)該搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架系統(tǒng)的輸出反饋閉環(huán)控制，改善期望輸出的魯棒性能。其中，電機(jī)控制器與旋轉(zhuǎn)式永磁同步電機(jī)作為集成模塊被引入使用，其輸出轉(zhuǎn)矩控制算法成熟，精度高，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。作動(dòng)器輸出轉(zhuǎn)矩的閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 9 所示。
圖 9 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
為得到圖中減速器輸出轉(zhuǎn)矩 T'與主動(dòng)力 u 之間的關(guān)系，根據(jù) ADAMS 運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型，首先，由彈簧變形量 Δx 標(biāo)定得到車輪垂向位移 s，其次，建立減速器輸出轉(zhuǎn)矩與主動(dòng)力比值隨車輪垂向位移 s 的變化關(guān)系，如圖 10 所示。
圖 10 懸架行程與減速器輸出轉(zhuǎn)矩和主動(dòng) 力比值隨車輪垂向位移變化關(guān)系
為驗(yàn)證電磁主動(dòng)懸架的可行性和魯棒控制算法的有效性，分別考察有無(wú)主動(dòng)控制時(shí)，該懸架在凸塊激勵(lì)下的時(shí)域響應(yīng)?？紤]到橡膠襯套和摩擦等因素，實(shí)際懸架系統(tǒng)中含有阻尼，在無(wú)主動(dòng)控制情況下視為被動(dòng)懸架。由于輪胎動(dòng)位移信號(hào)不易得到，本文中采用車輪加速度信號(hào)代替。經(jīng)濾波等數(shù)據(jù)處理，分別得到兩種模式下車身加速度、彈簧變形量和車輪加速度時(shí)域響應(yīng)對(duì)比，如圖 11 所示。
 圖 11 參數(shù)攝動(dòng)下時(shí)域響應(yīng)
由圖 11 可得，在路面擾動(dòng)激勵(lì)下，以及懸架剛度和等效簧下質(zhì)量等參數(shù)連續(xù)變化的情況下，相比被動(dòng)懸架，魯棒控制主動(dòng)懸架能更快穩(wěn)定，且車身加速度和彈簧變形量更小，車輪加速度時(shí)域響應(yīng)近似相等，證明了本文中提出的搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架方案是可行的，魯棒控制算法對(duì)參數(shù)攝動(dòng)等不確定性因素具有良好的魯棒性。

6、魯棒控制器的優(yōu)化
上述針對(duì)參數(shù)不確定性所設(shè)計(jì)的  控制器實(shí)現(xiàn)了閉環(huán)攝動(dòng)系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性，且魯棒性能滿足控制要求，但因須同時(shí)滿足簧上質(zhì)量、等效簧下質(zhì)量、等效彈簧剛度和輪胎剛度等 4 組較大范圍的參數(shù)攝動(dòng)，控制器保守性較大。將車身質(zhì)量參數(shù)作為變量，其它參數(shù)均取標(biāo)稱 值，考察簧上質(zhì)量參數(shù)攝動(dòng)對(duì)系統(tǒng)魯棒性能的影響。設(shè)車輛以 20m/s 速度行駛在 C 級(jí)路面，在 60s 時(shí)間范圍內(nèi)，分別計(jì)算不同簧上質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的閉環(huán)懸架系統(tǒng)魯棒性能指標(biāo)與主動(dòng)控制力的均方根值，如圖12 所示。
圖 12 不同簧上質(zhì)量對(duì)應(yīng)的魯棒性能與主動(dòng)力均方根值
從圖 12 可得，在簧上質(zhì)量參數(shù)變化范圍內(nèi)，車身加速度和輪胎動(dòng)位移的均方根值均保持一致，魯棒控制通過(guò)調(diào)節(jié)輸出主動(dòng)力確保所有攝動(dòng)系統(tǒng)的車輛行駛舒適性和操縱穩(wěn)定性與標(biāo)稱系統(tǒng)基本保持一致，體現(xiàn)了魯棒控制對(duì)參數(shù)攝動(dòng)具有良好的魯棒性。但對(duì)于簧上質(zhì)量參數(shù)攝動(dòng)較大的閉環(huán)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，一方面，為了保證其期望輸出魯棒性能，須輸出較大的主動(dòng)力; 另一方面，使其輸出的懸架性能與標(biāo)稱系統(tǒng)魯棒性能保持一致，本身也存在著保守性較高的缺點(diǎn)。
可以通過(guò)調(diào)節(jié)權(quán)重函數(shù)來(lái)提高系統(tǒng)行駛平順性或操縱穩(wěn)定性，但二者通常無(wú)法同時(shí)優(yōu)化。本節(jié)中提出一種魯棒控制器優(yōu)化算法，以降低控制器保守性，提高系統(tǒng)綜合魯棒性能。由于車身質(zhì)量參數(shù)在車輛行駛過(guò)程中基本保持不變，且可由直線位移傳感器靜態(tài)獲得，因此，可將其分段處理，以減小簧上質(zhì)量參數(shù)攝動(dòng)范圍。對(duì)應(yīng)于不同區(qū)間的閉環(huán)攝動(dòng)子系統(tǒng)，微調(diào)車身加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)位移和主動(dòng)力等權(quán)重函數(shù)，使其輸出懸架性能最優(yōu)，分別設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的魯棒控制器。根據(jù)系統(tǒng)原有的傳感器獲得簧上質(zhì)量參數(shù)，通過(guò)靜態(tài)查表的方式選擇合適的控制器，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)魯棒控制，且不增加系統(tǒng)成本。
下面結(jié)合具體算例對(duì)上述優(yōu)化策略進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于 1 /4 車輛懸架系統(tǒng)，標(biāo)稱車身質(zhì)量為 500kg，攝動(dòng)范圍為 450 ～ 550kg，將車身質(zhì)量攝動(dòng)范圍等分為5 段，每段攝動(dòng)范圍為 ± 10kg，分別建立對(duì)應(yīng)區(qū)間的魯棒控制器。以簧上質(zhì)量為 450kg、其它參數(shù)均為標(biāo)稱值的閉環(huán)主動(dòng)懸架系統(tǒng)為例，原控制器和自適應(yīng)控制器參數(shù)如表 2 所示。  
根據(jù) 20m /s 的車速和 C 級(jí)路面條件得到路面 權(quán)重函數(shù)，輸入擾動(dòng)為均值為0、方差為1 的白噪聲?？疾?60s 時(shí)間范圍內(nèi)不同控制器的各懸架性能和主動(dòng)力均方根值，如表 3 所示。
由表可知，相比原控制器，自適應(yīng)控制下的車身加速度均方根值降低了 1. 53% ，懸架動(dòng)行程降低了7. 59% ，輪胎動(dòng)位移降低了 23. 53% ，主動(dòng)力降低了15. 12% 。在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和降低輸出主動(dòng)力的情況下，全面改善了懸架系統(tǒng)的綜合魯棒性能，降低了原控制器由于攝動(dòng)范圍較大而存在的保守性。此外，車輛行駛過(guò)程中車身質(zhì)量基本保持不變，無(wú)需切換控制器，避免了控制器頻繁切換過(guò)程可能給乘客帶來(lái)的抖動(dòng)與沖擊感。根據(jù)標(biāo)定的車身質(zhì)量，通過(guò)靜態(tài)查表方式自適應(yīng)選擇合適的控制器，保證了系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)性，且不增加系統(tǒng)傳感器的成本，可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。
 
7、結(jié)論
( 1) 針對(duì)一種新型搖臂推桿式電磁主動(dòng)懸架設(shè) 計(jì)魯棒控制器，該電磁作動(dòng)器具有結(jié)構(gòu)新穎、加工容易和模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)懸架等效剛度和等效簧下質(zhì)量等參數(shù)攝動(dòng)范圍，對(duì)該主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行魯棒控制。頻域和時(shí)域響應(yīng)結(jié)果表明，與被動(dòng)懸架相比，閉環(huán)主動(dòng)控制顯著提高了行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，且對(duì)擾動(dòng)具有良好的魯棒性。
( 2) 為降低控制器的保守性，將車身質(zhì)量參數(shù) 攝動(dòng)范圍減小，改進(jìn)設(shè)計(jì)自適應(yīng)魯棒控制器，采用靜態(tài)查表離線控制方式保證實(shí)時(shí)性，且行駛過(guò)程中無(wú)需切換控制器，避免了可能對(duì)乘員的沖擊感。
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