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第1章
引言，文献调查，和目标
1.1简介
由于道路不平坦，车辆受到震动。为了减轻乘客的不舒适感和各种车辆系统部件的过度疲劳损伤，车辆配备有缓冲车辆的悬架系统。悬架系统的主要功能是提供足够的乘坐质量（乘客舒适度），出众的操控性能以及轮胎的抓地力。悬挂系统是一种多链路动力系统，通过弹簧吸收路面施加于车辆的能量并通过阻尼器消散。
乘坐舒适性和乘客在行驶车辆的振动环境中的感受。振动主要来自路面不平整和车载振动源。车载振动源来自轮胎和车轮组件的不平衡，发动机振动，空气阻力和传动系统的振动。发动机和传动系统振动通过发动机和变速箱支架传递到车身，而来自车轮和轮胎不平衡的激励通过悬架系统施加到车身上。然而，主要的振动源是道路不平顺，它通过车轮和悬架系统传递到车身[1,2]。道路振动分为冲击和振动。来自突然施加的振动（例如由坑洼和颠簸引起的冲击）的冲击是具有短持续时间和高功率的离散事件，而振动荷载一致。
悬架系统的另一个功能是在最小负载变化的情况下保持轮胎与道路之间的足够接触力（道路保持能力）。基于车轮位置及其运动，轮胎在运动时会产生不同类型的力，例如牵引力，转弯力和制动力。众所周知，所有这些力都是轮胎与道路之间作用的压力的函数。当悬架系统发生振动时，垂直力的大小会发生变化。轮胎的振动影响悬架的路面保持能力，并因此影响车辆的操纵性能和稳定性状况。为了避免失去与地面的接触，动态垂直力的大小不应超过静态载荷。由于垂直载荷的快速变化，这个因素在转弯过程中变得重要[1]。
处理性能是指车辆受到转向指令和环境输入的响应。悬架系统的运动和连接对操纵性能有重大影响，对于控制车辆运动的方向以及在存在外部扰动（如阵风和道路干扰）时的稳定性非常重要。在悬架设计中，运动学描述了在触底过程中的车轮运动，并且转向和运动学悬架参数涉及受到轮胎和道路之间力和力矩变化的车轮位置的变化。
众所周知，悬架系统的上述要求是相互矛盾的。例如，为了实现车身与路面不平度的更好隔离，优先选择低阻尼，从而允许较大的悬架偏转，而较大的阻尼产生更好的道路接触，但是会导致高频隔离。因此，在各种驾驶条件下很难同时具有较高的乘坐舒适性，操控性和车身姿态控制。
1.2悬挂类别
根据操作原理，悬架系统分为三大类：无源系统，主动系统和半主动系统。被动悬架系统通过无源阻尼器消耗能量。在这种情况下，结构的运动和动力学参数将被选择为在道路保持和乘坐舒适性之间达成折衷。在主动悬架系统中，为了施加期望的力以改善悬架性能，在液压执行器中并入了液压执行器，在半主动悬架系统中，阻尼器的阻尼系数是设定好的，以便在不影响最大能量吸收的情况下乘坐舒适性。
传统上用于汽车应用的被动悬架系统在道路激励频率的有限范围内提供了折衷，而主动悬架提供了良好的路面粗糙度隔离，稳定性和操纵性能，与广泛的被动式相比干扰频率范围较小。然而，复杂的电路元件，昂贵的结构和沉重的重量是采用这种类型的悬架的主要障碍。尽管主动悬架系统具有优势，但半主动悬架由于能量需求低，结构简单以及在被动和完全主动系统之间的性能等优点而更具吸引力。
根据结构类型，悬架系统分为两大组，实心轴和独立悬架。实心轴通过刚性梁将两个轮子连接在一起，因此单侧轮的运动直接影响对侧轮的运动和位置。这种悬挂系统通常被认为是需要高负载能力的后悬挂和前悬挂，例如在重型卡车中。另一方面，独立悬挂系统允许两侧车轮的运动彼此无关。这种类型的悬架在几乎所有的轿车和轻型卡车中都很受欢迎，因为它为发动机提供了更好的空间，卓越的转向性和更好的悬架运动性能[1]。集成在中小型车辆中的一些常见类型的独立悬架系统包括麦弗逊式，双横臂式和多连杆悬架系统[3]。
图1.1 MacPherson支撑轮悬架
麦弗逊式悬架（图1.1）由Earl S. MacPherson于1949年提出。福特汽车公司在其产品中加入了这种类型的悬架。由于其结构简单，麦弗逊式悬架广泛用于许多现代车辆。它通常作为前悬架安装在车身上;然而，它现在已被用作前悬架和后悬架。这种悬架被归类为独立悬架，并且是双横臂悬架的高级模式，其中上横向连杆被包括阻尼器和弹簧的撑杆连杆代替。麦弗逊式悬架的主要优点是其结构简单，体积小巧，重量轻，维护成本低，但它具有一些缺点，如运动性能差，转向需求高，与其他类型的独立悬架相比，在相同道路的粗糙度下轮胎磨损增加 [3]。
1.3文献调查
本论文研究的目的是利用适当的半主动控制策略来减弱道路不平顺引起的车体振动，并评估运动学悬架性能，并用实验数据验证结果。文献综述分三部分：悬架系统建模，悬架控制策略和实验研究。
1.3.1悬架系统的建模
就车辆的悬架控制而言，研究人员广泛考虑了三种模型。第一个模型表示该车辆的垂直动态响应。它可以分为两个子模型，包括单自由度模型和两个自由度模型。虽然单自由度模型显示了悬挂质量（车身）的5次振动，但两个自由度模型也包括车轮模式。第二种模型考虑车辆的一半，并且代表对应于车模型的竖直运动和俯仰运动，或者代表对应于车轴模型的竖直运动和滚动运动。第三个代表整车，包含7个自由度，包括滚动，俯仰，车轮垂直运动和车身垂直运动[4]。然而，在所有这些车型中，悬挂质量（包括悬挂连杆和车轮质量）通过线性弹簧和阻尼器连接到簧上质量。在上述车型中，与其他车型相比，带有两个自由度的四分之一车型在骑行控制应用中更受欢迎。
图1.2 传统的车的四分之一模型
如图1.2所示，四分之一车模型表示通过弹簧和阻尼器连接的两个集总质量的两种主要模式。轮胎的动力学模型为弹簧刚度。这个模型考虑了簧上和非簧下质量块的垂直运动。应该注意的是，在不考虑悬架运动学和相关联动的影响的情况下，这个简单的模型可能不是很有效。与特定悬架系统（如麦克弗森悬架）的面向控制建模相关的研究很少。显而易见的是，需要精确的麦弗逊式悬架系统模型来研究悬架运动学对系统动态特性的影响，对于乘坐控制设计而言变得越来越重要。
1.3.2平顺性控制设计策略
行驶控制的目的是在满足处理和稳定性约束条件的同时，将传递到弹性体的振动与道路干扰隔离开来。文献中有许多半主动控制算法;然而，所使用的主要控制架构可以分为三类，包括混合（天窗-地钩控制器）控制策略，最优控制策略和鲁棒控制策略。值得一提的是，在主动悬架系统中，受控力由液压执行器产生，而在半主动悬架系统中，想法是再现由半驾驶控制设计获得的期望的阻尼力，该半主动阻尼器位于轮子和底盘。但是，力控制设计的程序对于主动和半主动悬架系统都是相同的。
以前的研究采用了簧上质量的均方根加速度，悬架偏转，即车体和车轮组件之间的相对位移，以及轮胎偏转分别作为乘坐质量，摇铃空间约束和道路保持能力的度量。在[4]中得出结论，在均方根加速度和个人乘坐感之间存在极好的相关性。此外，较小的轮胎弯曲导致较好的路面保持性并因此具有优异的操纵性和稳定性。大的悬架偏转可能会导致行驶舒适性以及结构损坏的恶化。因此，为了对悬架系统进行最佳控制，应定义一个性能指标，如公式（1.1），根据公式（1.2）[4]所表示的系统动力学应尽量减小。
Minimize{PI= (1.1)
(1.2)
其中表示系统的状态./和fd分别代表执行器和干扰力，zr代表道路剖面输入。另外，r1和r2是指示摇铃空间限制和处理性能在改善乘坐质量中的贡献的加权参数。Hrovat [4]对基于不同悬架模型的主动悬架的最优控制进行了全面的文献调查。得出的结论是，主动悬架的最佳控制性能不如被动式悬架优越，除非自适应控制方法或增益调度组合。
对于半主动控制悬架应用，Tseng和Hedrick [5]表明，可变增益是最佳控制所必需的，虽然使得它不切实际。为了应对半主动悬架系统最优控制的可变增益问题，他们研究了两种主要的次优方法，包括截断最优和最陡梯度，其中涉及恒定增益解。在前一种方法中，性能指标与最优活性指标有关，而后一种方法则与最优活性指标有关。此外，Giua等人[6]为此应用设计了一个最佳增益切换力控制器。在他们的工作中，根据主动控制律获得最优控制器;但是，增益会根据增益调度方法在不同条件下发生变化。在他们的下一个工作[7]中，他们将所提出的控制策略应用于半主动悬架，通过使用两种类型的执行器，包括MR和ER阻尼器，并包含了观察者。
在半主动悬架系统中，半主动执行器的作用力被限制在[ fmin,fmax]之间。此外，半主动悬架系统动力学的被动要求导致另一个约束。被动性约束是由半主动阻尼器产生的力起到消能作用的事实引起的。因此，在优化过程中应该满足以下数学约束[44]。
(1.3)
考虑到上述约束及其对系统未来动态性能的影响，Canale等[8]采用了模型预测控制（Model Predictive Control ，MPC）算法来处理这些限制。结果表明，MPC显着提高了乘坐舒适性和操纵性能。由于这种算法的计算量很大，他们提出了一种更快的算法来优化目的。 Sohn等[9]尝试使用扩展最小二乘估计方法估计道路的轮廓，并因此基于道路估计设计了线性二次高斯（Linear Quadratic Gaussian ，LQG）控制器。然而，已知LQG控制器在模型不确定性方面的稳定裕度较差，从而降低了控制系统的整体性能[10]。
尽管在文献中，上述控制策略涵盖了应用于车辆悬架系统的控制器的主要部分，但还存在各种其他先进的控制策略，例如针对该应用的自适应，预测，极点布置等控制。
自适应控制策略是指能够在存在某些系统变化时调整其参数的控制器。在悬架系统中，变化的主要来源是动态参数变化，例如刚度和质量。 Song等[11]对磁流变悬架系统采用非线性自适应控制，其质量和刚度假定为未知。在他们的研究中，未知参数首先通过递推最小二乘法估计，随后系统的成本函数包括簧上质量加速度和悬架偏转被最小化。 Chen和Huang [12]将车辆的载荷视为具有已知边界的时变参数。另外，他们还假定工厂存在一些不确定性。因此，他们设计了一个自适应滑动控制器来适应不确定性。 Fialho和Balas [13]采用增益调度工具的自适应理论进行主动悬架控制。在这项工作中考虑的两个主要规格是悬架偏转和簧上质量加速度。根据道路情况和悬挂偏差，根据规定的值切换加权参数以克服限制。另外，考虑了液压致动器的动力学，并设计了用于电压生成的反推控制方法。
Leite和Peres [14]将阻尼系数，弹簧系数和簧上质量视为属于不确定多面体的不确定参数，然后使用极点位置控制方法为主动悬架系统提出了一个与参数相关的增益。 Sie等[15]采用灰色预测模糊控制器进行主动悬架控制。在[16,17]中也研究了预览主动悬架。在预览控制器中，系统的未来信息可供控制法使用和使用。
总之，已经进行了许多关于先进悬架控制设计的研究，但是，控制目标主要是驾乘质量或道路改善，而对操纵和转向的关注没有得到完全解决。
1.4.目标和研究范围
文献调查表明，在车辆悬架控制方面进行了许多研究，但仍存在一些挑战，在这方面还没有得到充分解决，这些挑战如下所述。
首先，尽管为主动悬架系统应用设计了许多先进的控制策略，但半导体悬架系统并不存在许多先进的控制算法。
其次，几乎所有的控制策略都是基于简单的四分之一车模型开发的，其中系统的运动学对动态行为的影响没有考虑。
第三，主要运动学悬架参数的性能在整个车辆的操纵性，操纵性和稳定性方面发挥着重要作用，但在设计过程中没有得到足够的重视。
最后，尽管进行了大量的分析研究，但实验调查和控制策略的验证很少。
目前研究的动机是基于上述因素。本论文中的不同调查总结如下：
1）特定悬架系统的模型修改，即麦弗逊式悬架系统。
2）控制设计和运动悬架性能的改进。
3）分析结果的实验验证（硬件在环）。
目前的研究将为麦弗逊式悬架系统的半主动控制提供一种新方法。研究的原创性在于建立了麦弗逊式悬架系统的动力学和运动学模型，考虑了系统动力学行为的结构效应，并评估了影响车辆操纵性能和稳定性的运动学参数的性能半主动控制政策。
该研究的主要目的是设计一个具有最低成本设计和考虑实际限制的先进控制器，以同时满足冲突悬架系统的规格。一般来说，这项工作包括三个主要阶段;即系统的建模和动力学分析，新型先进控制的设计以及分析结果的实验验证。
在这项研究中，磁流变阻尼器（Magnetorheological ，MR）将被视为系统的执行器，因为其在车辆应用中具有期望的性能。此外，还将采用描述MR阻尼器非线性性能的适当模型。使用该模型，将生成产生所需力的所需电流。将在反馈回路中加入真正的MR阻尼器，并在硬件在环实验中研究受MR阻尼力影响的麦弗逊式悬架的性能。
1.5论文概要
考虑到麦弗逊式悬架系统的结构，在第二章中开发了一种新的面向控制的系统动力学模型，并将新模型的频率和时间性能与传统模型进行了比较。建立悬架系统的三维运动学模型，以评估系统受阻尼力变化和道路干扰的运动性能。该模型通过ADAMS软件开发的三维模型进行验证。结果表明，运动学模型以合理的精度表示悬架运动学参数的性能。
在第3章中，描述了三种众所周知的半主动控制策略，并对它们在乘坐质量增强方面的贡献进行了比较。结果表明，控制器提高了彼此接近的乘坐质量，同时对运动学性能产生不利影响。
全状态反馈和输出反馈控制器是根据第4章中的鲁棒控制理论设计的。虽然全状态反馈控制器与输出反馈控制器相比具有更好的性能，但由于需要大量的传感器，所以其实现很困难。为了使控制器设计比全状态反馈控制器更加实用，采用了输出反馈控制理论，设计了一种结构更简单的控制器。结果表明，控制器的性
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