主动悬架系统的阻抗控制摘要：新的控制系统的开发是为了让汽车的动态行为能适应道路状况的干扰。

本文的创新之处就是将阻抗控制系统应用到了装有液压传动装置的汽车的主动悬架系统中。

乘客的舒适度和车辆的配适之间的关系可以由阻抗参数导出。

阻抗控制的方法很简单，无模型并且可以应用到广泛的道路状况中包括平坦的道路。

系统的稳定性已经分析过，然后用一个四分之一车模型悬挂系统和液压执行器非线性模型来模拟控制系统。

关键词：主动悬架系统反馈线性化阻抗控制一、介绍被动悬架系统的目的是维护2个预期目标，即：车辆的平稳和乘客的舒适。

这个设计性的问题提出就是为这两个彼此相反的目标提供一个平衡。

被动悬架系统不能适应它在道路条件上路宽的改变。

然而，这些都可以通过主动悬架系统来控制车辆的垂直加速度来改变。

它包括在有弹簧作用跟没弹簧作用的车身与车桥之间加一个力产生装置。

主动悬架系统已经高度参考了各种文献名著。

到目前为止，许多的控制方法比如H1控制，滑动控制，最有控制，模糊控制，主动控制，无模型控制和自适应模糊滑膜控制都应用到了主动悬架系统中。

然而，阻抗控制还没有被应用到汽车的悬架系统中。

悬架系统的行为就像机械阻抗。

因此表明了将阻抗控制应用到主动悬架系统中。

在机械方面，阻抗控制用来调节在与环境控制的机器人动力学上。

阻抗控制使机器人成为了一个由大规模，阻尼器，还有弹簧组成的机械装置。

有些报告提出了对由阻抗控制其动态行为的机器人的想法。

比如，为了提供一个合适的夹紧装置，夹具都是为了表现基于阻抗控制的机器人任务。

阻抗控制计算方法被应用到了非对角刚度的机器人臂上。

模糊阻抗控制的目的是执行快速机器人任务。

而阻抗控制被应用到了诸如机器人的控制任务等方面。

智能弹簧是为了将阻抗控制应用到旋翼震动抑制而研发的。

因此阻抗控制的算法也就随着通过对单个叶片的控制来抑制转子的震动而产生。

智能弹簧就像质量弹簧系统致力于由压电陶瓷驱动器的震动结构。

执行器在它所工作的为止调节摩擦力。

据报道，智能弹簧可以用来控制动态阻抗特性等结构的刚度，阻尼，有效质量。

但是，没个有潜在应用价值的智能弹簧的概念都需要优化其设计参数，即以结构参数为基础的刚度和质量。

在我们的认知里，阻抗控制还没有被应用到车辆的被动悬架系统中。

在本文中，阻抗控制通过液压执行机构被应用到了汽车悬架系统里。

这个方法同智能弹簧的那个方法相比有很多的优点。

1、它可以配合不同的道路状况，这是智能弹簧所不能比拟的，因为它的质量跟刚度都是根据这些路况设计的。

2、该方法相对于智能弹簧的方法比较容易实施。

3、液压执行器更具有操作性，因为智能弹簧为了适应结构必须要控制摩擦力。

低重复时摩擦显示了一个复杂的特征。

本文的组织如下。

第二部分基于一个四分之一悬架系统和电动液压执行机构介绍了系统的动力学。

控制系统是在第三部分设计的，是由两个内部控制回路，即力量控制和位置控制。

第四部分应用反馈线性化制定了液压传动装置的力控制。

第五部分介绍了阻抗的规则并且为阻抗参数的选择做了分析。

为了表现控制系统所需的传感器在接下来会有介绍。

系统的稳定性分析完，之后仿真结果在第六部分给出。

最后第七部分给出结论。

二、系统动力学图1所示的一个四分之一车悬架系统是用来模拟控制系统的。

悬架系统的动态方程有如下形式a u s s u s s s s f z z k z z b z m +----=)()( (1))()()()(u r t u r t a u s u s s u u z z k z z b f z z k z z b z m -+-+--+-= (2)在这里面st s u s b k k m m ,,,,跟t b 分别代表着质量，刚度，弹簧的阻尼率，和非悬挂因素等。

变量r u s z z z 分别根据车身的位移，车轮和道路。

系统依靠配备在弹簧跟非悬挂质量之间的液压执行器来发挥力量。

以下有几点需要注意的:1、 上面的方程在平衡点是线性动态的再车辆的速度上是恒定的。

2、变量u s r z z z ,,是根据静态平衡位置测量的。

3、 在轮胎与地面接触的地方轮胎与地面互相作用的线性动态行为是合理的。

因此，)()(u r t u r t dis z z k z z b f -+-= (3) dis f 在里面是路面队轮胎的作用力。

所以公式（2）又能写成a dia u s s u s s u u f f z z k z zb zm -+-+-=)()( (4) 电液驱动器包括一个伺服阀和液压缸，如图2所示。

进气压力跟回流压力分别由s p 跟r p 来表示。

sp x 表示的是阀芯的位移，u p 跟i p 分别表示的是驱动器的上下缸室。

需要指出的是r p 近似为零。

伺服阀系统可用公式表示为t i x x sv sp sp /)(+-= (5)其中sv i 是阀门电流，τ是伺服阀系统的机械时间常数。

液压执行器的动态方程p a sp s sp p a u s p a A f x p x A f z z A f /)sgn()(2-+---=-γβα 其中p A 是活塞面积。

ραγαββα/1,,/4w C C v d tp t e ===代表的是液压油体体积模量，t v 是执行机构的总容积的圆柱腔，tp C 是泄漏系数，d C 是流量系数，ρ代表的是液压油系数。

三、控制系统控制系统的主要目的是为受到道路干扰的车辆提供所需的动态行为。

理想中的动态行为是将悬架系统转化成理想二阶系统的红外线。

因此，控制系统的设计使得系统能够由红外线按照二阶系统输出。

这导致为了跟踪目的设计一个位置控制器。

位置控制器的输出将是一个理想的力量，而这力量原先是液压控制器应发出的。

而由液压执行器所产生的力量则去跟踪所需力量。

因此，这个力控制器是应用于跟踪目的的。

该控制系统包含两个内部循环回路。

内循环是由反馈线性化来控制产生力，外循环是一个位置控制回路。

该控制系统的体系结构如图3所示。

液压执行器是一个最可行的选择，由于其高功率重量比，低成本和稳健性。

然而，液压执行器是非线性的并且它的力量产生能力是跟车辆自身运动高度耦合的。

因此，采用反馈线性化用来控制液压传动装置。

反馈线性化还借由省略驱动器模型的非线性提供了一种简单的新的系统。

在设计用来跟踪的控制器方面这种方法是一个很强大的工具。

然而，这个方法需要的精确的系统模型将用近似模型制作出来。

任何由内部循环产生的错误都将由外循环通过负反馈补偿四、阻抗控制4、1选择阻抗系数阻抗控制的目的是为受地面对车轮的力影响的车身位移提供一个规定的动态行为。

红外是作为一个二阶系统来定义的。

sd sd sd dis Kz z L z M f ++= 在这里面，M 是所需的质量，L 是所需的阻尼系数，K 是所需的刚度系数，sd z 是所需的反弹位移。

理想舒适度是由零体加速度得到的用s z 表示，还有，如果轮胎始终以最小变形度r u z z -跟负荷变化同路面接触那么就能得到车辆处理。

还有为设计考虑悬挂挠度u s z z -必须在有限的X 围内。

由上述公式可知悬挂系统的动态行为是受红外影响的。

作用力是有道路障碍产生。

在L=0 K=0的时候所需质量M 是由M f z dissd = 控制的。

因此，高质量参数能给乘客带来高舒适从而地处理也就能得到。

在M=0 K=0时所需的阻尼L 由L f z dissd = 控制。

对于L 的高价值，悬挂质量就会降低来去的阻尼响应。

因此阻尼参数配合阻尼振荡有助于平滑的运动。

在M=0 L=0时候所需刚度K 通过K f z dissd =控制。

如果我们选择K 的高价值，悬挂质量位移将降低来满足终止旅行的限度。

红外的固有频率是由M K n /=ω决定的，悬挂质量加速额频率是由ω决定的。

如果n ω已经选择了那么ω就足以满足n ω，dis f 也就不能振动悬挂质量。

因为M 应该小点，因为n ω就应该选择比ω小。

在舒适性和操作性之间需要权衡一下，因为他们毕竟不同于对方。

红外就正好提供了这种权衡。

对上面的公式应用拉布拉斯变换，)()()(2s Z K Ls Ms s F sd dis ++= (20) 在这里)(),(s Z s F sd dis 分别代替了sd dis z f 。

对（3）式进行拉布拉斯变换得))()()(()(s Z s Z k s b s F u r t t dis -+= (21)在这里)()(s Z s Z u r 分别代替了sd dis z f ,通过（20）（21）我们得到t t sd r u k s b K Ls Ms s Z s Z s Z +++-=-2)()()( （22）经过一系列的变换得出，2126242221)()()(⎥⎦⎤⎢⎣⎡++-=t t b k L M K j H ωωωωω这个公式表明了车身加速度跟由阻抗参数控制的轮胎挠度之间的关系。

为了有更好的舒适度，应该选择适当的阻抗参数来表现)(1ωj H 的重要性。

实际上，是由轮胎偏转产生的影响车身加速度的干扰力。

如果干扰力降低，车辆操作性提高同时车身加速度减小，则车辆的舒适度增加。

由此，可以得出舒适行跟操作性之间的关系。

由公式（20）得出，2222)()(s K Ls Ms s Z s F s H sd dis ++==（27）变换得，22222)()(1)(ωωωωL M K j H +-=现在，)(2ωj H 用红外表示出舒适度跟操作性的关联。

使0≠ω从而ωM K ，则)(2ωj H 的增强就由M 的增加来主导。

这就提供了一个完美的舒适度同时操作性也不受影响。

因此他们可以很好地被应用到在平坦路面行驶。

红外是预先定义的，同控制模型例如最优控制法相比，红外具有很重要的优势。

它是简单的，自由的模式，还能够应用于广泛的路面状况包括平坦的路面。

4、2 位置控制为了能让红外正常工作，支撑质量的位置应该遵从由以下提供的期望值，)/()()(2K Ls As s F s Z dis sd ++=因此，就需要一个位置控制器来跟踪由上式提供的期望轨迹。

一个线性控制器可以用来完成这个目标，因为此时这个系统是线性的而线性控制器可以在线性系统上很好地工作。

另外，一个模糊控制器可以用来执行红外。

而由于它是一个无模型方法所以模糊控制器很容易设计。

一个有比例因子的模糊控制器借由下公式设计出),(de K e K F K U de e u PC = （31）在这里，FC U 总结模糊控制器的输出。

e 是机构位置误差，F 是模糊输出，de e K K ,跟u K 分别是e ，de ，F 的缩放因子。

图表1表示了当模糊变量做输入变量时的模糊控制的规则，图5给出了控制空间模糊规则的映射。

五、仿真结果用来模拟的悬挂系统的规格在表格中有显示。

控制系统的仿真由图中道路位移决定。