【摘 要】
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与传统的被动、半主动悬架相比,汽车主动悬架在车身与车轮之间安装了主动控制力的发生装置——作动器,这能更好的改善汽车乘坐的舒适性和安全性。主动悬架具有欠驱动特性,即控制输入个数小于需要控制的自由度数,存在随时间变化的不确定性和非线性特性,需要在复杂的行驶工况下降低簧载质量的振动,同时满足悬架动行程和轮胎动位移的边界限制。因此其控制方法的设计具有较大的挑战性。本文针对1/4汽车主动悬架中控制方法的设计
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与传统的被动、半主动悬架相比,汽车主动悬架在车身与车轮之间安装了主动控制力的发生装置——作动器,这能更好的改善汽车乘坐的舒适性和安全性。主动悬架具有欠驱动特性,即控制输入个数小于需要控制的自由度数,存在随时间变化的不确定性和非线性特性,需要在复杂的行驶工况下降低簧载质量的振动,同时满足悬架动行程和轮胎动位移的边界限制。因此其控制方法的设计具有较大的挑战性。本文针对1/4汽车主动悬架中控制方法的设计问题,开展了理论研究和试验验证,旨在对主动悬架的开发提供方法的支持。主要研究工作归纳如下:（1）建立了基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型,分析了简化的二自由度悬架模型和1/4汽车悬架模型的动力学响应,验证了两种模型的等效关系。基于二自由度悬架模型,考虑了悬架弹簧刚度和减振器阻尼的非线性特性,建立了非线性二自由度主动悬架模型。将主动悬架的控制目标表示为簧载质量位移的完整和非完整等式约束（软约束）,提出了主动悬架的等式约束跟随控制,并分析了约束跟随控制下主动悬架的稳定性。通过MATLAB/Simulink平台和Quanser主动悬架试验台,得到了无控制、线性二次控制（Linear quadratic regulator,LQR）和等式约束跟随控制下簧载质量位移和加速度。与无控制和LQR控制相比,等式约束跟随控制下簧载质量位移和加速度峰值均更小,汽车的乘坐舒适性更佳。（2）在簧载质量位移等式约束的基础上,考虑了悬架动行程和轮胎动位移的边界限制,并将其表示为簧载质量位移不等式约束（硬约束）,利用状态变量映射技术将不等式约束转换为等式约束,提出了主动悬架的不等式约束跟随控制,并分析了该控制下主动悬架的稳定性。以非线性二自由度主动悬架模型为研究对象,得到了不等式约束跟随控制、等式约束跟随控制、无控制、基于天棚模型的滑模控制和LQR控制下簧载质量位移。在试验和仿真中,不等式约束跟随控制能够确保簧载质量位移在收敛过程中严格满足不等式约束条件,符合悬架动行程和轮胎动位移的边界限制,而其他控制不能保证簧载质量位移在收敛过程中不违反不等式约束条件。（3）考虑了非理想的作动器,研究了主动悬架中控制输入匹配不确定性。为了解决约束跟随控制中面临的控制输入的不确定性问题,设计了补偿系统中控制输入匹配不确定性的控制力,提出了一种含有匹配不确定性的主动悬架鲁棒约束跟随控制方法,并分析了在该控制下主动悬架的一致有界和一致最终有界。以非线性二自由度主动悬架模型为对象,为了便于试验和仿真的进行,采用了含单频/多频率正弦激励扰动作为控制输入不确定性,利用所提出的鲁棒控制方法有效的处理了控制输入不确定性和约束跟随问题。（4）在控制输入匹配不确定性的基础上,考虑了簧载质量、悬架弹簧刚度、减振器阻尼和外界干扰的非匹配不确定性,提出了含非匹配不确定性的主动悬架鲁棒约束跟随控制方法,并分析了在该控制下主动悬架的一致有界和一致最终有界。为了减轻鲁棒约束跟随控制的设计难度,提出了一种基于系统结构和约束的不确定性分解方法,将非匹配不确定性重新分解为匹配的不确定性和非匹配的不确定性,并要确保非匹配的不确定性“消失”。以非线性二自由度主动悬架模型为对象,通过仿真和试验,验证了所提出的鲁棒约束跟随控制在处理含较大的外界干扰的非匹配不确定性和约束跟随问题上,比具有扰动观测器的滑模控制更有效。本文研究的约束跟随控制实际上是一种基于模型的状态反馈控制,也可以用于处理其它欠驱动机械系统中存在的等式约束、不等式约束、匹配不确定性和（较大）非匹配不确定性的控制问题,对改善控制系统的性能具有一定的指导意义。
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