2007年10月 农机化研究 第10期 现代控制理论在汽车悬架控制中的应用 应艳杰'，方敏”，陈无畏，张增年 (1.浙江万里学院电子信息学院，浙江宁波，315100：2.合肥工业大学a.机械与汽车工程学院：b.电气 与自动化工程学院，合肥230009) 摘要：简述了现代控制理论的发展以及汽车悬架系统的发展；综述了为提高汽车的行驶平顺性和操纵稳 定性所做的控制策略研究；侧重闹述了现代控制理论在汽车悬架控制系统中的应用：最后，通过对目前汽 车悬架控制研究的分析，展望了今后汽车悬架控制的发展方向。 关键词：自动控制技术：现代控制理论：综述：汽车悬架：集成控制 中图分类号：TP13:U461 文标识码：A 文章编号：1003-188X(2007)10-0224-04 0引言 控制理论继承了以往的鲁棒性研究方法，以基于使 用状态空阿的频率设计方法为主要特征，提出了从 自主动悬架的概念提出以来，人们已经探求用 根本上解决控制对象模型不确定性和外界扰动不确 各种控制理论算法设计主动悬架控制器，研究其在 定性问题的有效方法，不仅能够用于单输入单输出 提高设计主动悬架系统中的应用效果。现代控制理 反馈控制系统的鲁棒性分析和设计，而且可以成功 论由于其算法上的优势，不断地被尝试用于主动甚 地应用到多输入多输出的场合，能够设计出性能里 架的控制方面。随着控制方法与控制理念的不断发 优，鲁棒性更好的反馈控制系统。反馈控制系统的 架茶统性能的地答男曾制设计地得优红能 鲁棒性分析和设计方法主要有H,控制方法、结构奇 发展到以整车总体性能 基于分解的参数化方法、 在LQG控 使用LTR(L 现代控制理论的发展 的1 GLTR方法 一 稳定化方法以及基于平衡 现原理、卡里托诺夫定理(Kharitonov)和棱边定 现代控制理论发展于20世纪50年代末，它以 (Edge Theorem)的方法等。 状态空间方法为主，研究控制系统状态的运动规律， 通过反馈系统解决某些非线性和时变系统的控制问 2汽车悬架系统的发展 题，用于多输入多输出反馈控制系统，可以实现最 2.1被动悬架的概念 优控制规律。在这一阶段，主要的分析和设计方法 悬架是车架与车桥之间一切传力装置的总称 一是极点配置方法和基干状态观测器的反德控制方 其主功用是传递作用在车轮和车架之间的力和力 法；二是LQR(Linear Quadratic Reg 矩，缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力。 四是卡东曼 )最优 诚由此 起的 以保证汽车能 顺行 滤波器方法。其 盘悬架性能好 坏的」 行 驶的平顺 中，最有代 的控制方法是 L9G方法 Comfort) 和操纵稳定 20世纪80年代以后，关于控制系统的鲁棒性 tability)。平顺性一般通过车体或车身某个部色 研究引起了高度的重视。所谓鲁棒控制，就是设计 (如车底板和驾驶员座椅处)的加速度响应来评价 一种挖制器，使得当系统存在一定程度的参数不确 操纵稳定性则可以通过悬架的动挠度来度量。普遍 定性及一定限度的未建模动态时，闭环系统仍能保 使用的被动悬架(Passive Suspension)具有固定的 持稳定，并保持一定的动态性能品质的控制。鲁棒 悬架刚度和阻尼系数，不能同时满足这两方面的性 能要求，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳 日期：2006-12- 定性之问矛盾的折更」 基金项目： 金资助项目(50275015)：宁市自拉科 22主动县架的会 作者简介：应艳杰(1981，女，安徽界首人时教。工学士 为克服被动悬架的缺陷，国外在20世纪50年 代提出了主动悬架(Active Suspension)的概念。主 224 1994-2010China Academie Journal Electronie Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
2007 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期 - 224 - 现代控制理论在汽车悬架控制中的应用 应艳杰 1 ，方 敏 2a，陈无畏 2b，张增年 1 (1.浙江万里学院 电子信息学院，浙江 宁波，315100；2.合肥工业大学 a.机械与汽车工程学院；b.电 气 与自动化工程学院，合肥 230009) 摘 要：简述了现代控制理论的发展以及汽车悬架系统的发展；综述了为提高汽车的行驶平顺性和操纵稳 定性所做的控制策略研究；侧重阐述了现代控制理论在汽车悬架控制系统中的应用；最后，通过对目前汽 车悬架控制研究的分析，展望了今后汽车悬架控制的发展方向。 关键词：自动控制技术；现代控制理论；综述；汽车悬架；集成控制 中图分类号：TP13；U461 文献标识码：A 文章编号：1003—188X(2007)10—0224—04 0 引言 自主动悬架的概念提出以来，人们已经探求用 各种控制理论算法设计主动悬架控制器，研究其在 提高设计主动悬架系统中的应用效果。现代控制理 论由于其算法上的优势，不断地被尝试用于主动悬 架的控制方面。随着控制方法与控制理念的不断发 展，人们对主动悬架的控制设计也逐步由以单个悬 架系统性能的提高为目的，发展到以整车总体性能 的提高为目的的集成控制。 1 现代控制理论的发展 现代控制理论发展于 20 世纪 50 年代末，它以 状态空间方法为主，研究控制系统状态的运动规律， 通过反馈系统解决某些非线性和时变系统的控制问 题，用于多输入多输出反馈控制系统，可以实现最 优控制规律。在这一阶段，主要的分析和设计方法： 一是极点配置方法和基于状态观测器的反馈控制方 法；二是 LQR（Linear Quadratic Regulator）方 法；三是 LQG（Linear Quadratic Gaussian）最优 控制方法；四是卡尔曼（Kalman）滤波器方法。其 中，最有代表性的控制方法是 LQG 方法。 20 世纪 80 年代以后，关于控制系统的鲁棒性 研究引起了高度的重视。所谓鲁棒控制，就是设计 一种控制器，使得当系统存在一定程度的参数不确 定性及一定限度的未建模动态时，闭环系统仍能保 持稳定，并保持一定的动态性能品质的控制。鲁棒 控制理论继承了以往的鲁棒性研究方法，以基于使 用状态空间的频率设计方法为主要特征，提出了从 根本上解决控制对象模型不确定性和外界扰动不确 定性问题的有效方法，不仅能够用于单输入单输出 反馈控制系统的鲁棒性分析和设计，而且可以成功 地应用到多输入多输出的场合，能够设计出性能更 优、鲁棒性更好的反馈控制系统。反馈控制系统的 鲁棒性分析和设计方法主要有 H∞ 控制方法、结构奇 异值 µ 方法、基于分解的参数化方法、在 LQG 控制 的基础上使用 LTR(Loop Transfer Recovery)技术 的 LQG/LTR 方法、二次稳定化方法以及基于平衡实 现原理、卡里托诺夫定理(Kharitonov)和棱边定理 （Edge Theorem）的方法等。 2 汽车悬架系统的发展 2.1 被动悬架的概念 悬架是车架与车桥之间一切传力装置的总称， 其主要功用是传递作用在车轮和车架之间的力和力 矩，缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并 衰减由此引起的振动，以保证汽车能平顺行驶。衡 量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性 (Ride Comfort) 和操纵稳定性 (Handling Stability)。平顺性一般通过车体或车身某个部位 （如车底板和驾驶员座椅处）的加速度响应来评价， 操纵稳定性则可以通过悬架的动挠度来度量。普遍 使用的被动悬架(Passive Suspension)具有固定的 悬架刚度和阻尼系数，不能同时满足这两方面的性 能要求，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳 定性之间矛盾的折衷。 2.2 主动悬架的概念 为克服被动悬架的缺陷，国外在 20 世纪 50 年 代提出了主动悬架(Active Suspension)的概念。主 收稿日期：2006-12-32 基金项目：国家自然科学基金资助项目(50275045)；宁 波 市 自 然 科 学基金(2006A610029) 作者简介：应艳杰(1981-)，女，安徽界首人，助教，工学硕士， (E-mail)yingyanjie@yahoo.com.cn
2007年10月 农机化研究 第10期 动悬架包含有可变的弹簧和阻尼器，弹簧的弹性刚 方路面谱特性信息预先传给悬架系统，使参数的调 度和阻尼器的阻尼系数可随外部信号而改变，利用 节与实际需要同步。由于超前预测了路面输入，因 电控液压部件主动地控制汽车的振动。 而系转的能右了较大幅度的提高。 一般预利的距 23主动县架的研究成里 离是一定的，因此预测提前时间取决于车速，这样 在主动是塑研容方面 国内外都讲行了大最 使系统必且时变性。目前立来看预 工作 国外已有部分公司设计并开发了自己的主动 控制仍以线性时不变系统为对等 而车辆参数的 悬架系统 而国内还主婴停留在理论研究阶段。 变性和非线性对系统性能的影响还未见文献报道。 雪铁龙公司在1955年开发的一种液压-空气悬 3.2 自适应控制 架系统可以使汽车具有较好的行驶性能和舒话性 自话应控制考虑了车辆系统参数的时变性，画 但是其制造工序太复杂，最终难以普及。20世纪90 自动检测系统的参数变化来调节控制策略，从而 年代，日产公司在无限Q45轿车上应用了新式主动 使系统逼近最优性能。该方法主要有自校正控制和 悬架 一步提高了轿车适应崎邮路面的能力 前，引人注意的是奔驰公司发展的ABC(Active Bod LQG方法是 种常用的自适应算法 ,文献[1]将自 Control)系统，是相对先进的主动悬架系统的代表 应LQG方法应用于两自由度汽车半主动悬架系统 ABC系统的设计人员集中研究车牙在行驶的 设计中，取得了较好的效果。LQG方法考虑对象的 器动，从稳定性考虑，通时域应最轻微的车轮及车 精确模型在外界扰动的统计特性已知时能够获得理 身动作，在任何大的车身振动之前及时对悬架系统 想的设计效果，但是实际的扰动信号不能预先得知， 做出调整，保持车身的平衡 可以最大限度地提高 而且实际模型具有不确定性，对于模型摄动不具有 舒适性 且更简单 直接 该系统能 很 好地 应各种路面情况 ,即使在异常崎岖不平的路面 模糊控制和神经网络控制 车也能保持优越的操纵性、舒适性及方向稳定性。 20世纪90年代以来 ,模糊控制和神经网络控 目前，这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最 制等非线性方法被应用到主动悬架的设计中。文献 新的C系列轿车上，虽然价格不菲，但也赢得极佳 「21在模糊控制半主动是望方面做了大量的理论研 的口速被卷为是动性能和乘坐舒话性改进的 究，并进行了实车试验，取得了较为理想的效果 文献[3]将神经网铬控制应用于主动悬架上，在辨识 出 如的 3现代控制理论在悬架控制系统中的应用 特性 的基 采用 非线出 控策略对悬架进行控制 减小汽车振动。应用相 汽车主动悬架的设计目标就是要寻求一个 糊控制能减少控制器的存储空间，降低成本；缩短 能够为车辆提供良好性能的控制律，能同时满 半主动悬架的延时，使控制更加及时，来达到提高 足行驶平顺性和损纵稳定性的要求。主动是架 悬架系统可靠性的目的。但这种理论自话应性比较 采用可坊元件 根据车辆系统的姿态和外部输 差，精度不够高。 所需要的 制力 架始终处于最佳振状态。主动悬架由控制系 3.4H控制和H2/H.混合控制 统和执行机构组成。其中，控制系统是研究主 H.是20世纪80年代出现的新理论，是目前解 动悬架的关健，其设计的好坏直接影响到悬架 决鲁棒问题比较成功且比较完善的理论体系。其设 的性能。 计原则是在保持闭环系统各回路稳定的条件下对系 3.1最优控制 统闭环传递函数的无穷范数进行优化，从而使系统 最 控制是通过建立系统的状 程提出控 在存在参数变化、建模误差和外界扰动输人的情况 目标 再应用控制理论求解所设目标下的最优控 下保证闭环系统的稳定性， 并进 一步实现系统 律。应用于悬架控制的最优控制方法主要可分为两 棒性能。 种，即传统的线性最优控制(Linear0 ptima 国外在这方面的研究有不少，文献[4]基于1/4 Control)和最优预测控制(Predictive Control) 车模型设计了H状态反馈控制器和输出反馈控制 前者是最成熟与应用最广泛的一种控制理论，著名 器，将两者进行比较，并通过仿直和试验验证了控 的“天棚阻尼控制”就是最优控制的一种特例 制器的有效性。文戴「5]建立了七自由度全车隙型 预测控制就是在考虑了车轮处路面激励相关 设计了H,状态反惯控制器，并通过仿真和试验验证 基础上的最优控制。它利用超声波传感器将车辆前 “主动悬架系统在提高行驶平 顺性和操纵性方面 .225 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved http://www.cnki.ne
2007 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期 - 225 - 动悬架包含有可变的弹簧和阻尼器，弹簧的弹性刚 度和阻尼器的阻尼系数可随外部信号而改变，利用 电控液压部件主动地控制汽车的振动。 2.3 主动悬架的研究成果 在主动悬架研究方面，国内外都进行了大量的 工作，国外已有部分公司设计并开发了自己的主动 悬架系统，而国内还主要停留在理论研究阶段。 雪铁龙公司在 1955 年开发的一种液压-空气悬 架系统，可以使汽车具有较好的行驶性能和舒适性， 但是其制造工序太复杂，最终难以普及。20 世纪 90 年代，日产公司在无限 Q45 轿车上应用了新式主动 悬架，进一步提高了轿车适应崎岖路面的能力。目 前，引人注意的是奔驰公司发展的 ABC(Active Body Control)系统，是相对先进的主动悬架系统的代表。 ABC 系统的设计人员集中研究车身在行驶时的 跳动，从稳定性考虑，通过感应最轻微的车轮及车 身动作，在任何大的车身振动之前及时对悬架系统 做出调整，保持车身的平衡，可以最大限度地提高 舒适性，而且更简单、直接。该系统能够很好地适 应各种路面情况，即使在异常崎岖不平的路面，轿 车也能保持优越的操纵性、舒适性及方向稳定性。 目前，这种主动式车身控制系统已经应用在奔驰最 新的 C 系列轿车上，虽然价格不菲，但也赢得极佳 的口碑，被誉为是动力性能和乘坐舒适性改进的一 个里程碑。 3 现代控制理论在悬架控制系统中的应用 汽车主动悬架的设计目标就是要寻求一个 能够为车辆提供良好性能的控制律，能同时满 足行驶平顺性和操纵稳定性的要求。主动悬架 采用可控元件，根据车辆系统的姿态和外部输 入，主动地调整和产生所需要的控制力，使悬 架始终处于最佳减振状态。主动悬架由控制系 统和执行机构组成。其中，控制系统是研究主 动悬架的关键，其设计的好坏直接影响到悬架 的性能。 3.1 最优控制 最优控制是通过建立系统的状态方程提出控制 目标，再应用控制理论求解所设目标下的最优控制 律。应用于悬架控制的最优控制方法主要可分为两 种，即传统的线性最优控制（ Linear Optimal Control）和最优预测控制（Predictive Control）。 前者是最成熟与应用最广泛的一种控制理论，著名 的“天棚阻尼控制”就是最优控制的一种特例。 预测控制就是在考虑了车轮处路面激励相关性 基础上的最优控制。它利用超声波传感器将车辆前 方路面谱特性信息预先传给悬架系统，使参数的调 节与实际需要同步。由于超前预测了路面输入，因 而系统的性能有了较大幅度的提高。一般预测的距 离是一定的，因此预测提前时间取决于车速，这样 就使系统必然具有时变性。从目前文献来看，预测 控制仍以线性时不变系统为对象，而车辆参数的时 变性和非线性对系统性能的影响还未见文献报道。 3.2 自适应控制 自适应控制考虑了车辆系统参数的时变性，通 过自动检测系统的参数变化来调节控制策略，从而 使系统逼近最优性能。该方法主要有自校正控制和 模型参考自适应控制两类控制策略。其中，自适应 LQG 方法是一种常用的自适应算法。文献[1]将自适 应 LQG 方法应用于两自由度汽车半主动悬架系统的 设计中，取得了较好的效果。LQG 方法考虑对象的 精确模型在外界扰动的统计特性已知时能够获得理 想的设计效果，但是实际的扰动信号不能预先得知， 而且实际模型具有不确定性，对于模型摄动不具有 鲁棒性。 3.3 模糊控制和神经网络控制 20 世纪 90 年代以来，模糊控制和神经网络控 制等非线性方法被应用到主动悬架的设计中。文献 [2]在模糊控制半主动悬架方面做了大量的理论研 究，并进行了实车试验，取得了较为理想的效果。 文献[3]将神经网络控制应用于主动悬架上，在辨识 出悬架的逆动力学特性的基础上，采用非线性最优 控制策略对悬架进行控制，减小汽车振动。应用模 糊控制能减少控制器的存储空间，降低成本；缩短 半主动悬架的延时，使控制更加及时，来达到提高 悬架系统可靠性的目的。但这种理论自适应性比较 差，精度不够高。 3.4 Η∞ 控制和Η2 /Η∞ 混合控制 Η∞ 是 20 世纪 80 年代出现的新理论，是目前解 决鲁棒问题比较成功且比较完善的理论体系。其设 计原则是在保持闭环系统各回路稳定的条件下对系 统闭环传递函数的无穷范数进行优化，从而使系统 在存在参数变化、建模误差和外界扰动输入的情况 下保证闭环系统的稳定性，并进一步实现系统的鲁 棒性能。 国外在这方面的研究有不少，文献[4]基于 1/4 车模型设计了 Η∞ 状态反馈控制器和输出反馈控制 器，将两者进行比较，并通过仿真和试验验证了控 制器的有效性。文献[5]建立了七自由度全车模型， 设计了Η∞ 状态反馈控制器，并通过仿真和试验验证 了主动悬架系统在提高行驶平顺性和操纵性方面要
2007年10月 农机化研究 第10期 优于被动悬架，并且具有鲁棒性能。文献[6]-[8] 研究，前者提出了用于改善汽车侧向动力学性能的 是文献[5]研究的维续，应用相似变换将七自由度汽 集成控制模型，后者应用LQR理论设计汽车转向与 车主动悬塑系统解拙成HP和R围两个子系统，对H 县望系统的集成控制器。使汽车在转向行融中动力 子系统设计了H,输出反馈控制器，并进行了仿直刮 学特性及操纵稳定性优 分别排行拉制的简单相 究。但其仅仅采用时域仿直对系统的鲁棒性进行验 文献[16]采用防抱制动系统与主动悬架联合 证，未采用更可信的系统鲁棒性的分析方法一“方 制，在保证车辆制动稳定性的同时充分利用路面提 法来对系统的鲁棒性讲行分析。文献「9]将建模误差 供的最大附着系数获取最大地面制动力，从而显著 看成非结数利不确定性。母计了四白由度汽车县塑 提高了车辆制动性能；文献[17]讨论了如何将电动 的H鲁棒控制器，频域和时域仿直验证了控制的有 助力转向系统与主动悬架系统进行集成控制，并设 效性但是制系的鲁棒性能并未得到验证 计出H/PID集成控制系统，并且以整车道路试验 献10]基于线性矩阵不等式()方法研究 两自 来验证该思路的可 厅性 由度汽车主动悬架系统的H,/H混合控制，引人 5 结束语 个满足H性能指标的悬架系统作为参考模型，使花 有H2/H.混合控制器的主动悬架系统用H。性能指 目前，世界各大汽车由子公司都在讲行动系 标衡量的被控输出尽量跟随参考模型的被控输出。 减振器、转向系统和驱动系统的协调匹配控制策略 直结果表明。带有H。/H混合控制器的主动悬塑 研，将丰动悬如系统纳人统 一的汽车底盘控制系 系统改善了汽车的行驶平顺性 统。 由此可 ,主动悬架系统将由单独的控制第 国内在这方面的研究也有报道。文献[11]选 研究发展到如何进行集成协调控制研究阶段 而才 四自由度半车模型作为控制对象，用H,范数作为高 来整车控制将是集成底盘控制、安全控制和驱动围 阶未建模鲁棒性能评价指标，用H。范数作为衡量扰 力于 体的协调控制大系统。然而，在单独悬架系 动作用下的时域L0G性能评价指标，洗取加权函数 装控制以及集成控制中有一个突出的间颗昆设计的 阵对悬塑的频域性能指标进行整定，设计基于线性 控制器阶次一般都比较高，不易实现。因此，在未 矩阵不等式(LMI)的多目标H,/H,混合控制器，获 来的悬架系统控制器设计研究中，应该着眼于如何 得较好的控制效果 文献[12]对于控制中的 建模 设计具有 定阶次可行的控制器 题做了深人研究，考虑了发动机座椅和乘客等多利 致： 本文中的大部分内容是笔者在合肥工 因素影响，在此基础上建立了一个多自由度车辆模 大学攻读明士期间所做的研究，这期间得到了方敏 型，并通过比较使用H理论和LQ理论得到的不同 教授和除无畏教授的采指是。因此特别感新二位 控制结果说明了使用H理论的合理性和准确性。 是师的费接之情！参加工作以后。有幸咸为浙江万 4集成控制研究 里学院电信学院的汽车电子方向建设的 得以 在该方向持续 国此特别感谢院长梁丰和 目前，对于悬架系统的研究主要还是集中在 长张增年给与的帮助。 架系统本身。对汽车主动悬架控制系统进行研究的 参老文献 同时，在汽车底盘控制的其他方面，如防抱死制动 系统(ABS)、驱动力控制系统(TCS)、牵引力控制 [1]Doyle I C.K Glover.PP Khargonekar.State- (TRC)和四轮转向系统(4置S)挖制等方面.也名 space Solutions to Standard Ha and 这些控制子系统都是针对提高车 Control Problem s[].In:ACC88.At nta, 19R8 辆某 一项性能指 而 车性司 的提 高则依赖。 817-82 各个子系统的协调工作。因此，考虑汽车各个子系 2 Yoshinura T.Active Suspension of Vehicle 统的控制对汽车其他系统性能的影响来协调各系 Using Fuzzy Logic[J].Int J of Systems Science, 统，最终达到整车性能最优，已经成为汽车控制研 1996.2:215-216. 究的趋势。 131 Moran A.Nagai M.Optimal Active Control of 目前，主动悬架与ABS和EPS的集成控制研究 Nonlinear vehicle sus pensions Using Neural 已有报 这3部分将构成底盘的集成控制系统 Networks[ .JSME Int J,1994,37(4):707-718 例如 文献[13]提出了基于相互作用的多目标优化 [41 M.Yanashita,K.Fujimori,C.Vhlik.Contro 和集成控制，用于底盘系统的主动控制中：文献[14] of An automotiveactive Suspension[C]//In 和文献「151对转向系统和悬架系统的集成控制做了 Proceedings of the 29 Conference on Decision .226 1994-2010 China Academic lournal flectronic publishin All rights reserved
2007 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期 - 226 - 优于被动悬架，并且具有鲁棒性能。文献[6]~[8] 是文献[5]研究的继续，应用相似变换将七自由度汽 车主动悬架系统解耦成 HP 和 RW 两个子系统，对 HP 子系统设计了Η∞ 输出反馈控制器，并进行了仿真研 究。但其仅仅采用时域仿真对系统的鲁棒性进行验 证，未采用更可信的系统鲁棒性的分析方法－ µ 方 法来对系统的鲁棒性进行分析。文献[9]将建模误差 看成非结构型不确定性，设计了四自由度汽车悬架 的 H ∞ 鲁棒控制器，频域和时域仿真验证了控制的有 效性，但是控制系统的鲁棒性能并未得到验证。文 献[10]基于线性矩阵不等式（LMI）方法研究了两自 由度汽车主动悬架系统的Η2 /Η∞ 混合控制，引入一 个满足Η∞ 性能指标的悬架系统作为参考模型，使带 有 Η2 /Η∞ 混合控制器的主动悬架系统用 Η∞ 性能指 标衡量的被控输出尽量跟随参考模型的被控输出。 仿真结果表明，带有Η2 /Η∞ 混合控制器的主动悬架 系统改善了汽车的行驶平顺性。 国内在这方面的研究也有报道。文献[11]选择 四自由度半车模型作为控制对象,用Η∞ 范数作为高 阶未建模鲁棒性能评价指标,用 Η2 范数作为衡量扰 动作用下的时域 LQG 性能评价指标,选取加权函数 阵对悬架的频域性能指标进行整定,设计基于线性 矩阵不等式(LMI)的多目标 Η2 /Η∞ 混合控制器,获 得较好的控制效果。文献[12]对于控制中的建模问 题做了深入研究，考虑了发动机座椅和乘客等多种 因素影响,在此基础上建立了一个多自由度车辆模 型，并通过比较使用Η∞ 理论和 LQ 理论得到的不同 控制结果说明了使用Η∞ 理论的合理性和准确性。 4 集成控制研究 目前，对于悬架系统的研究主要还是集中在悬 架系统本身。对汽车主动悬架控制系统进行研究的 同时，在汽车底盘控制的其他方面，如防抱死制动 系统（ABS）、驱动力控制系统(TCS)、牵引力控制 （TRC）和四轮转向系统（4WS）控制等方面，也有 很多研究。但是，这些控制子系统都是针对提高车 辆某一项性能指标的，而整车性能的提高则依赖于 各个子系统的协调工作。因此，考虑汽车各个子系 统的控制对汽车其他系统性能的影响来协调各系 统，最终达到整车性能最优，已经成为汽车控制研 究的趋势。 目前，主动悬架与 ABS 和 EPS 的集成控制研究 已有报道，这 3 部分将构成底盘的集成控制系统。 例如，文献[13]提出了基于相互作用的多目标优化 和集成控制，用于底盘系统的主动控制中；文献[14] 和文献[15]对转向系统和悬架系统的集成控制做了 研究，前者提出了用于改善汽车侧向动力学性能的 集成控制模型，后者应用 LQR 理论设计汽车转向与 悬架系统的集成控制器，使汽车在转向行驶中动力 学特性及操纵稳定性优于分别进行控制的简单相 加；文献[16]采用防抱制动系统与主动悬架联合控 制，在保证车辆制动稳定性的同时充分利用路面提 供的最大附着系数获取最大地面制动力，从而显著 提高了车辆制动性能；文献[17]讨论了如何将电动 助力转向系统与主动悬架系统进行集成控制，并设 计出Η∞ /PID 集成控制系统，并且以整车道路试验 来验证该思路的可行性。 5 结束语 目前，世界各大汽车电子公司都在进行制动系、 减振器、转向系统和驱动系统的协调匹配控制策略 研究，将主动悬架系统纳入统一的汽车底盘控制系 统。由此可见，主动悬架系统将由单独的控制策略 研究发展到如何进行集成协调控制研究阶段，而未 来整车控制将是集成底盘控制、安全控制和驱动助 力于一体的协调控制大系统。然而，在单独悬架系 统控制以及集成控制中有一个突出的问题是设计的 控制器阶次一般都比较高，不易实现。因此，在未 来的悬架系统控制器设计研究中，应该着眼于如何 设计具有一定阶次可行的控制器。 致谢：本文中的大部分内容是笔者在合肥工业 大学攻读硕士期间所做的研究，这期间得到了方敏 教授和陈无畏教授的悉心指导，因此特别感谢二位 导师的栽培之情！参加工作以后，有幸成为浙江万 里学院电信学院的汽车电子方向建设的一员，得以 在该方向持续研究，因此特别感谢院长梁丰和副院 长张增年给与的帮助。 参考文献： [1] Doyle J C,K Glover,P P Khargonekar. Statespace Solutions to Standard 2 H and H∞ Control Problems[M].In:ACC’ 88.Atlanta, 1988: 817-823. [2] Yoshimura T. Active Suspension of Vehicle Using Fuzzy Logic[J].Int J of Systems Science, 1996,2:215-216. [3] Moran A, Nagai M. Optimal Active Control of Nonlinear Vehicle Suspensions Using Neural Networks[J]. JSME Int J,1994,37(4):707-718. [4] M.Yamashita,K.Fujimori,C.Vhlik. H∞ Control of An automotiveactive Suspension[C]//In Proceedings of the 29t h Conference on Decision
2007年10月 农机化研究 第10期 and Control,1990:2244-2250. An LNI Approach[C]//In Proceedings of [5]M.Yamashita,K.Fujimori.K.Hayakawa,et al. the American Control Conference.2000.6:4041- Application of H.Control to Active Suspen- 4045. sion Systems[J].Automatica,1994.30(11):1717 [11]方敏，史明光，陈无畏.汽车主动悬架多日标H2/ 。1729 H混合控制[].农业机械学报，2005,36(3)：4-7. [6]K.Hayakawa,K.Matsunot y vamashita Robus 【[12】李克强，董到，永井正夫.多自由度车辆模型主动 Output Feedback Control of Decoupled 悬架及鲁棒控制[J1.汽车工程，2003,25(1)：7-11， [13]R.S.Sharp.D.A.Crolla.Road Vehicle Suspen- Proceedings of the Conference on Decision and sion System Design-a Review[J].VSD,1987,16: Control,1993,12:2931-2936. 167-192. [7]K.Hayakawa,K.Matsumoto,M.Yamashita,et al. [14]T.Yoshimura,Y.Emoto.Steering and Suspension Robust H.Output Feedback Control of Deco- System of a full car Model lsing fuzzy Rea- upled automobile active suspension systems l soning Based on Single Input Rule Modules [J]. IEEE Transactions on Automatic Control,1999 Int.J.of Vehicle Autonomous Systems.2003.1 2):237-255 [15]Masanori Harada,Hiroshi Harada.Analysis of perfornance Control of Decoupled Activ Lateral Stability with Integrated Control of Suspension Systens Based on LMI Method[C] Suspension and Steering System[J].JSAE //Proceedeings of the American Control Review,1999,20:465-470. Conference.Arlington:VA.2001:2658-2663. [16]冯金芝，喻凡，李君，等，车辆防抱制动系统与 [9]Kanbolat.Vibration Control of Active 主动悬架联合控制[J】.农业机械学报，2002,33 for Autom tion[C]//In of51CE'95,1995:1341-1346 应艳杰，王洪波，基于整车转向模型的汽车 主动悬架控制研究[.中国机械工程，2006,17(4)： of Active Suspension System by H and Mixed 431-434. Application of Modern Control Theory in Vehicle Suspension Control YING Yan-jie',FANG Min2,CHEN Wu-wei2b,ZHANG Zeng-nian' (1.Faculty of Electronic and Information Engineering,Zhejiang Wanli University,Ningbo 315100,China,2.Hefei University of Technology,Hefei 230009,China) Abstract:In this paper,we firstly briefly describe the history of modern control theory.Then,we summarize the application of modern control theory in the field of vehicle suspension control.These methods are mainly to improve the ride comfort and handling stability of a vehicle.Finally,we analyze the research trend on I the ory, summary control,vehicle integrated control -227 C 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
2007 年 10 月 农 机 化 研 究 第 10 期 - 227 - and Control,1990:2244-2250. [5] M.Yamashita,K.Fujimori,K.Hayakawa,et al. Application of H∞ Control to Active Suspension Systems[J].Automatica,1994,30(11):1717 －1729. [6] K.Hayakawa,K. Matsumoto, M. Yamashita, Robust H∞ Output Feedback Control of Decoupled Automobile Active Suspension Systems[C]// In Proceedings of the Conference on Decision and Control, 1993,12:2931-2936. [7] K. Hayakawa,K.Matsumoto,M. Yamashita, et al. Robust H∞ Output Feedback Control of Decoupled Automobile Active Suspension Systems[J]. IEEE Transactions on Automatic Control, 1999, 44(2):392-396. [8] J.Wang,D.A.Wilson,G.D.Halikias. H∞ Robustperformance Control of Decoupled Active Suspension Systems Based on LMI Method[C] //Proceedeings of the American Control Conference. Arlington:VA,2001:2658-2663. [9] Kanbolat. H∞ Vibration Control of Active Suspension for Automotive Application[C]// In Proceedings of SICE’95,1995:1341-1346. [10] E. Abdellahi,D.Mehdi,M.M’ Saad.On the Design of Active Suspension System by H∞ and Mixed 2 H / H∞ : An LMI Approach[C]// In Proceedings of the American Control Conference, 2000,6:4041- 4045. [11] 方 敏,史明光,陈无畏.汽车主动悬架多目标 Η2 / Η∞ 混合控制[J].农业机械学报,2005,36(3):4-7. [12] 李克强,董 珂,永井正夫.多自由度车辆模型主动 悬架及鲁棒控制[J].汽车工程,2003,25(1):7-11. [13] R.S.Sharp, D.A.Crolla. Road Vehicle Suspension System Design-a Review[J].VSD,1987, 16: 167-192. [14] T. Yoshimura,Y. Emoto. Steering and Suspension System of a Full Car Model Using Fuzzy Reasoning Based on Single Input Rule Modules [J]. Int.J.of Vehicle Autonomous Systems,2003,1 (2):237-255. [15] Masanori Harada, Hiroshi Harada. Analysis of Lateral Stability with Integrated Control of Suspension and Steering System[J].JSAE Review ,1999,20:465-470. [16] 冯金芝,喻 凡,李 君,等.车辆防抱制动系统与 主动悬架联合控制 [J].农业机械学报 ,2002,33 (2):15-19. [17] 方 敏,应艳杰,王洪波.基于整车转向模型的汽车 主动悬架控制研究[J].中国机械工程,2006,17(4): 431-434. Application of Modern Control Theory in Vehicle Suspension Control YING Yan-jie1 ，FANG Min2a，CHEN Wu-wei2b，ZHANG Zeng-nian1 (1.Faculty of Electronic and Information Engineering , Zhejiang Wanli University, Ningbo 315100,China;2.Hefei University of Technology, Hefei 230009,China) Abstract：In this paper, we firstly briefly describe the history of modern control theory. Then, we summarize the application of modern control theory in the field of vehicle suspension control. These methods are mainly to improve the ride comfort and handling stability of a vehicle. Finally, we analyze the research trend on suspension nowadays and illuminate the perspective and developing direction in the near future. Key words：autocontrol technology; modern control theory; summary; vehicle suspension control; vehicle integrated control