汽车悬架控制中的控制算法

汽车悬架的作用是最大限度地增加轮胎与地面之间的摩擦力，提供良好的操纵稳定性，衰减外部激励引起的振动以提高舒适性。

由于车辆可控悬架系统具有对象模型便于建立（最简单的对象模型为二自由度单轮车辆线性模型）以及可研究范围广阔（实际系统包括非线性、不确定性以及状态相关约束）的特征，因而应用于汽车主动悬架控制的控制算法很多，几乎涉及控制理论的所有分支，且随着控制理论的发展，越来越多的新方法开始被应用于可控悬架系统控制中。

Karnopp最初提出的天棚（Skyhook）控制方法简单、效果明显，因而在悬架控制中占据重要地位并衍生出多种类型。随着控制技术及计算机技术的发展，一些新型的控制方法像模糊控制也逐步应用于悬架控制。近年随着鲁棒控制理论的发展，控制在悬架中的应用也逐渐广泛，控制可使车辆悬架控制系统具有较强的适应不确定因素影响的能力。

1.天棚控制

天棚控制是半主动悬架控制中的一种非常有效的控制方法，其控制规律简单、不需要复杂的全状态反馈、控制效果明显，因而非常广泛地应用于半主动悬架的工程化产品中。天棚控制的本质是一种速度反馈控制，即假定阻尼位于簧载质量和惯性空间的静止点之间，而不是位于簧载质量和路面之间。即悬架系统天棚阻尼力表示为：

式中，Fsky为天棚控制器提供的阻尼力，其方向始终与簧载质量的速度方向相反；csky为天棚阻尼系数；为簧载质量的绝对速度。

天棚控制的特点是可控阻尼力只对簧载质量m2产生与其运动方向相反的阻尼，它可以有效抑制簧载质量的振动。实际上由于簧载质量不可能连接在惯性空间静止点，因此式（6-9）表示的控制方法往往会对非簧载质量m1的运动非常不利，这时需要采用改进的天棚控制策略。

在设计天棚阻尼的控制器时，如果簧载质量和非簧载质量之间的阻尼力Fsky采用一个不变的被动阻尼c加上一个可控制的阻尼力Fv的形式可以获得令人满意的悬架性能。被动阻尼c不进行调节，而可控制的阻尼力Fv由控制器进行主动调节，如式（6-10）所示：(www.xing528.com)

如果取α为常数、c＝csky及Fv＝-（1-α）csky（t），代入式（6-10），可以得到：

这样半主动控制力Fsky就可以采用只包含簧载质量和非簧载质量的速度项的表达式。

2.模糊控制

模糊控制是以模糊数学为基础，以模糊推理、模糊判决为主要决策手段的模仿人类大脑思维过程的一种智能控制方法。特别是对一类复杂的难以数学建模的系统控制问题具有一定的优势。汽车主动悬架系统是一个复杂的非线性系统，其数学模型相当复杂，采用已有的常规的控制理论很难达到好的控制效果。而模糊控制系统不需要建立系统精确的数学模型，可以避免因系统建模误差带来的影响，从而取得较好的控制效果。模糊控制应用于车辆的主动悬架设计始于20世纪90年代初，大多以简单的车辆悬架模型为基础，从理论角度考察控制算法的有效性，且正被投以越来越多的关注。

3.鲁棒控制

悬架在工作过程中受到的路面激励可以看作是类似“白噪声”的随机扰动，而控制系统的控制目标就是抑制振动扰动对悬架性能的影响。以状态空间模型为对象并结合随机信号卡尔曼滤波技术所提出的线性二次型高斯（LQG）控制，由于能较好地处理以“白噪声”为输入的控制系统问题而很早便在主动悬架系统的控制中得到了应用。但LQG控制设计出的控制器稳定裕量较小，其最优性指标往往取决于加权矩阵的选择，而加权矩阵的选择没有解析方法，因此造成这样的最优事实上完全是人为的，得出的最优解也没有意义。近年发展起来的鲁棒控制更趋于理论化，计算也较复杂，但其控制形式比较规范、利用计算机可以直接求解等优点使其在悬架控制中的应用越来越广泛。