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汽车侧倾运动安全主动悬架LQG控制器设计方法

更新时间：2019-12-30 11:14:41 大小：3M 上传用户：xiaohei1810 查看TA发布的资源 标签：LQG控制器 下载积分：1分评价赚积分（如何评价?）打赏收藏评论(0) 举报

资料介绍

为了提高汽车转向-侧倾运动的安全性,设计了主动悬架侧倾运动安全LQG控制器;建立了3自由度汽车转向-侧倾运动动力学模型,选择横向载荷转移率、侧倾角及其加速度构建汽车侧倾安全综合性能评价指标;为了解决现有设计方法无法跟踪系统干扰项(前轴转向角)和控制加权矩阵行列式等于零带来的控制向量无法求解的难题,将前轴转向角进行满足最小相位系统的微分变形,并与原系统方程组成增广系统方程,在综合性能评价指标中引入包含控制项的无穷小量,以满足LQG控制器设计条件;结合层次分析法和归一法,以鱼钩工况为基础,仿真获取汽车转向-侧倾运动统计数据,进而确定LQG控制器的加权系数,通过多工况数值仿真验证主动悬架侧倾运动安全LQG控制器的工作效果.仿真结果表明:新设计的LQG控制器不干扰驾驶人的转向操纵;与被动悬架相比,在鱼钩工况、蛇形穿桩工况和双移线工况下,采用LQG控制器的主动悬架可使汽车侧倾运动安全的主要评价指标即横向载荷转移率的方差分别降低了32.08％、32.82％、29.24％,侧倾角的方差分别降低了47.74％、44.19％、63.41％,侧倾角加速度的方差分别降低了87.30％、60.00％、86.39％,说明采用新设计LQG控制器的主动悬架可大幅度改善汽车侧倾运动安全性,且具有良好的转向工况适应性.

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交通运输工程学

Traffic and

报

V01．17 No．5

OCt．2017

第17卷第5期

2017年lO月

Journal

Transportation Engineering

文章编号：1671—1637(2017)05—0138—11

汽车侧倾运动安全主动悬架LQG控制器设计方法

王亚雄1，蔡宇萌2，王健2，姚明2，陈士安2

(1．福州大学机械工程及自动化学院，福建福州 350116；2．江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江212013)

摘

要：为了提高汽车转向一侧倾运动的安全性，设计了主动悬架侧倾运动安全LQG控制器；建立

了3自由度汽车转向一侧倾运动动力学模型，选择横向载荷转移率、侧倾角及其加速度构建汽车侧

倾安全综合性能评价指标；为了解决现有设计方法无法跟踪系统干扰项(前轴转向角)和控制加权

矩阵行列式等于零带来的控制向量无法求解的难题，将前轴转向角进行满足最小相位系统的微分

变形，并与原系统方程组成增广系统方程，在综合性能评价指标中引入包舍控制项的无穷小量，以

满足LQG控制器设计条件；结合层次分析法和归一法，以鱼钩工况为基础，仿真获取汽车转向一侧

倾运动统计数据，进而确定LQG控制器的加权系数，通过多工况数值仿真验证主动悬架侧倾运动

安全LQG控制器的工作效果。仿真结果表明：新设计的LQG控制器不干扰驾驶人的转向操纵；

与被动悬架相比，在鱼钩工况、蛇形穿桩工况和双移线工况下，采用LQG控制器的主动悬架可使

汽车侧倾运动安全的主要评价指标即横向载荷转移率的方差分别降低了32．08％、32．82％、

29．24％，侧倾角的方差分别降低了47．74％、44．19％、63．41％，侧倾角加速度的方差分别降低了

87．30％、60．00％、86．39％，说明采用新设计LQG控制器的主动悬架可大幅度改善汽车侧倾运动

安全性，且具有良好的转向工况适应性。

关键词：汽车工程；主动悬架；侧倾稳定性；LQG控制器；增广系统方程

中图分类号：U463．33

文献标志码：A

method of active

rolling

for

suspension LQG^controller

Design

motion

of vehicle

safety

Jian2，YAO

WANG _{Ya—xion91，CAI}

Shi-an2

Yu-men92，WANG

Min92，CHEN

of Mechanical

and

Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350116，Fujian，China；

Engineering，Jiangsu University，ZheNiang 212013，Jiangsu，China)

(1．School

Engineering

2．School of Automotive and Traffic

the

motion 0f

safety

controller for active

Abstract：To

vehicle，a LQG

Of freedom

depicting

improve

steering-rolling

was

model with

vehicle

and its

for

suspension

developed．A dy’namics

degrees

ratio(LTR)，rolling angle

indexes of

motion was established．Lateral-load transfer

steering-rolling

acceleration were chosen to construct the

evaluating

order to solve the

comprehensive performance

vehicle

motion

that the

problem

rolling

safety．In

disturbance

general design approachs

the steered of front the

angle

couldn’t track the

axle，and

control coefficient matrix

system

term，namely

control vector couldn’t be solved because the determinant of

weighted

steered

new method was scheduled as

of front axle was

differential

zero，the

follows：the

equaled

angle

introduced into

differential

in accord with the minimum

equation

phase system。the

was combined with the

into an

equation

original system equation

augmented system equation，and

收稿日期：2017-05-29

基金项目：国家自然科学基金项目(51575239)；福建省自然科学基金项目(2017J01690)

作者简介：王亚雄(1988一)，男，湖北宜城人，福州大学副教授，工学博士，从事薪能源汽车动力系统和悬架控制技术研究。

通讯作者：陈士安(1973一)，男，湖北荆州人，江苏大学教授，工学博士。

万方数据

139

第5期

王亚雄，等：汽车侧倾运动安全主动悬架LQG控制器设计方法

the

small terms

contr01 terms were added tO the

indexes of

infinitely

including

evaluating

controller．BasedOn the

analytic

tO meet the

design

normalization

condition of

comprehensive performance

hierarchy process(AHP)and

LQG

statistical data of automotive

method，the

steering-rolling

motion were obtained

simulation under fish-hook

then the

condition，and

weighted

working

coefficients of

controller were determine&The

effects of

controller of active

LQG

for

motion

of vehicle were verified

numerical simulation under

suspension

steering-rolling

safety

conditions．Simulation result shows that the

controller does not

LQG

multiple working

interfere with the

developed

with the the active

passive suspension，when

steering operation

the

driver．Compared

controller under fish-hook

working

condition，slalom

the most

LQG

suspension

regulated by

developed

condition and double-lane

variances of

LTR，namely

condition，the

working

change working

motion

index of

safety，decrease 32．08％，32．82％，and 29．24％，

important evaluating

rolling

variancesof

rolling angle

reduce

47．74％，44．19％，and

87．30％，60．00％，and

respectively，the

rolling angle

63．41％，respectively，and

86．39％，respectively．So，

the variances of

acceleration reduce

the active

with the new

LQG controller can

the

significantly improve

adopting

suspension

devdoped

motion

of vehicleand achieve

condition

refs．

tabs，16

rolling

safety

good steering

adaptability．8

figs，25

words：automotive

motion

controller；

Key

engineering；active suspension；rolling

safety；LQG

augmented system equation

Author

resumes：WANG

Ya-xiong(1988一)，male，associate professor，PhD，yxwang@fzu．edu．cn；

CHEN

Shi-an(1973一)，male，professor，PhD，chenshian73@uiS．edu．cn．

种线性二次型静态输出反馈控制的主动悬架控制策

引

言

略，控制悬架和轮胎变形以抑制侧倾，以及另一种协

调主动悬架和差动制动的综合控制策略[g。10‘。上述

研究提出的控制策略算法复杂，计算量大，逐需要在

悬架机构中安装额外的辅助装置，而且优化效果仅

针对一种工况，优化方案不确定是否具有多工况适

应性。

随着高速公路系统的飞速发展，汽车行驶车速

越来越大，导致汽车侧翻事故发生率不断攀升，美国

高速公路交通安全管理局的相关统计数据表明，侧

翻事故造成的人员伤亡和经济损失仅次于碰撞事

故[1]，因此，解析汽车侧翻事故发生的主要原因，并

提供可行应对措施有助于提高汽车的行驶安全。从

汽车动力学的角度而言，侧风和转向操作是导致车

身产生侧倾运动，进而导致汽车发生侧翻的2个主

要原因。其中，高速工况下的转向操作是导致汽车

侧翻事故发生率增大的主要原因[1]。

控制器设计是主动悬架的关键技术之一。常使

用的控制方法有PID控制[11]、模糊控制[123与最优

控制[13-14]等。PID控制具有较好的适应性，是工程

上最常用的控制方法，但是控制精度较低；模糊控

制是类似于专家系统的非全状态反馈控制算法，

鲁棒性较好，但不能实现最优性能；线性二次型最

优控制(Linear Quadratic Gaussian，LQG)可以在

名义工况下，通过建立综合性能评价指标，合理设

计控制器，使线性系统获得最优性能。目前，LQG

控制多应用于汽车平顺性及轮胎接地性的优化与

控制，而且控制器参数依靠经验和试错法来确定，

需要较大的计算量，且计算结果不一定是最优解

决方案[15-16]。Yim设计了以差动制动与主动悬架

为执行机构的抗侧翻LQG控制器，但其评价指标

选取值得商榷，比如未考虑侧翻稳定性的最主要评

当前控制汽车侧翻事故发生的主要方法有主动

转向、差速制动、主动悬架等技术的单独或组合使

用阻6‘。考虑到主动转向和差速制动会干扰驾驶人

的转向操作，又需要复杂、处理速度高且昂贵的检

测、计算与执行等设备，因此，研究仅用主动悬架技

术提高汽车的侧翻稳定性具有较高的理论和实际工

程价值。

与被动悬架相比，主动悬架可以依据控制需要

提供主动控制力，以提高汽车行驶安全性和平顺

性口]。Acarman等设计了一种用于SUV的主动悬

架系统[8]，通过PID控制油气弹簧的泵油量和排油

量，结合液压阻尼器防止车身侧翻；Yim等提出一

Transfer

价指标汽车横向载荷转移率(Lateral—load

Ratio，LTR)[103；周博等利用ADAMS软件分析了

万方数据

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