车辆在实际的行驶过程中，经过不平路面时会引起车身位姿的不断变化，使车辆的行驶平顺性和乘坐舒适性变差。构建合理的控制策略对车体位置进行调控非常有必要。

本章设计主动悬挂鲁棒控制算法，依据不同的路面等级计算相应H∞/广义H2控制参数，计算六个悬挂作动器所需的驱动力，实现应急救援车的自适应控制。

路面等级识别

悬挂设计时主要考虑3项性能指标：尽量减少车辆在不平路面行驶时对乘客的影响；减缓轮胎振动，并保持轮胎与路面的接触；保持悬挂运动在最大伸缩范围内，避免撞到限位块，破坏驾驶舒适性；同时，由于自身功率限制，汽车发动机能提供给悬挂系统作动力是有限的。

以上诸多性能要求的实现难以平衡，因此选取对人体影响最大驾驶舒适性作为主要的优化目标，其他性能指标只需加以限制就可。主动悬挂多目标鲁棒控制器使应急救援车在行驶时能实现自适应控制。

主要实现过程：路面高程估计器基于车辆的振动响应估计路面不平度，路面等级识别器根据路面不平度的功率谱密度输出路面等级；主动悬挂鲁棒控制器根据输出的路面等级自适应地调节作动力，改善应急救援车辆在不同等级路面的通过性。控制策略流程如图4-1所示。

考虑到主动悬挂需要进行多参数控制，采用基于LMI的H∞/广义H2输出反馈控制策略。将路面输入到控制约束（悬挂的动行程、轮胎的动载荷和作动器的作动力）的广义H2范数作为系统的时域硬约束；将路面输入到性能输出（车身垂向、俯仰角和侧倾角加速度）的H∞范数作为系统的优化输出。

由于主动悬挂系统的状态是不能全部测量的，难以直接用状态反馈对悬挂系统进行控制，因此采用系统的输出反馈控制来获得期望的闭环性能。

所设计的鲁棒控制器就是使主动悬挂系统在满足所有控制约束条件下，最小化系统的性能输出。图4-2是主动悬挂鲁棒控制系统框图。

仿真及结果分析

在MATLAB/Simulink仿真软件中搭建整车的主动悬挂鲁棒控制模型，通过进行仿真分析，验证主动悬挂鲁棒控制器对车辆性能的改善效果。其中整车模型仿真参数如表4-1所示。

基于搭建好的整车控制模型，分析主动悬挂系统在随机路面输入和确定性路面输入这两种时域信号输入下的系统响应，并以被动悬挂模型作为参照。整车仿真模型如图4-3所示。

整车随机路面仿真分析

假设车辆在B级路面上以20m/s的速度匀速行驶，设定仿真时间为10s。考虑左右车轮路面输入的相关性以及后轮路面输入的滞后性，采用MATLAB/Simulink软件仿真得到六个轮胎的随机路面输入，如图4-4所示。

通过对主动悬挂模型鲁棒控制模型进行仿真，得到主动悬挂的性能仿真曲线和悬挂的约束仿真曲线，去掉仿真模型中的鲁棒控制器模块进行仿真便可以得到被动悬挂的性能仿真曲线和约束仿真曲线。

图4-5至4-7图显示的是悬挂的性能输出对比图，可以看出，主动悬挂的车身垂向、俯仰角和侧倾角加速度都比被动悬挂有明显改善，改善效果明显。图4-8至4-10图显示的是悬挂的约束输出对比图，可以看出，主动悬挂的悬挂动行程、轮胎动变形相对于被动悬挂基本保持不变，满足主动悬挂约束输出的要求。鲁棒控制即改善了平顺性又保证了操纵稳定性。

为了更加清晰的对比主、被动悬挂系统的控制效果，对随机路面下主、被动悬挂响应进行定量分析和计算，将图4-5至图4-7所示的加速度数据进行量化处理，计算对应曲线的均方根值。

结果如表4-2所示，鲁棒控制的主动悬挂在车身垂向加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度的均方根值相比于被动悬挂分别降低了33.6%、47.5%和32.8%，改善效果明显。

确定性路面仿真分析

为了更好的模拟车辆悬挂系统在应对冲击路面障碍的能力，选取长度为0.5m，高度为0.2m的确定性路面输入测试主动悬挂的瞬态响应特性，设定车速为10m/s，仿真时间定为10s。

仿真得到应急救援车通过确定性路面时的车辆振动响应，采用MATLAB/Simulink软件仿真得到的确定性路面输入，如图4-11所示。

通过对主、被动悬挂模型进行仿真，得到主、被动悬挂的性能仿真曲线和悬挂的约束仿真曲线，图4-12至4-14图显示的是应急救援车通过确定性路面时的性能输出对比图，可以看出，在确定性路面输入下。

鲁棒控制的主动悬挂在车身垂向加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度都比被动悬挂有明显减小，且调节时间很短，说明鲁棒控制的主动悬挂能更好地抵消路面的瞬时冲击，且对抖动有着更好的收敛能力，能较好帮助系统迅速恢复稳定。

图4-15至4-17图显示的是悬挂的约束输出对比图，可以看出，当发生路面的瞬时冲击时，悬挂的动行程和轮胎动变形都不会超过其限制的最

大量，满足悬挂控制的时域硬约束要求。综上分析，鲁棒控制即改善了平顺性又保证了操纵稳定性。

将图4-12至图4-14所示的加速度数据进行量化处理，计算对应曲线的均方根值。结果如表4-3所示，鲁棒控制的主动悬挂在车身垂向加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度的均方根值相比于被动悬挂分别降低了54.7%、57.2%和61.7%，改善效果明显。

考虑到日常车辆行驶的路面多为B级、C级和D级路面，且行驶车速一般在20km/h到60km/h之间。通过分析车辆分别以20km/h到60km/h的速度行驶在以上三个等级路面上时的主动悬挂和被动悬挂输出的RMS值，来验证H∞/广义H2控制器对主动悬挂系统的改善效果。对比结果如表4-4和4-5所示。

通过分析表4-4和表4-5的数据，可以看出，当车辆分别以20km/h到60km/h的速度行驶在B级、C级和D级路面上时，主动悬挂的性能输出（车身的垂向加速度、俯仰角加速度和侧倾角加速度）的RMS值相比于被动悬挂均有着明显的降低，提高了车辆的乘坐舒适性。

当车辆以20km/h的速度行驶在三个等级路面上时，主动悬挂的约束输出（悬挂的动行程、轮胎的动变形和悬挂的作动力）的RMS值相对于被动悬挂略微升高，满足悬挂系统的时域硬约束要求，说明悬挂系统有较好的鲁棒性。

此处悬挂动行程的RMS值取得是6个悬挂动行程的均值，轮胎动变形和悬挂作动力的RMS值取得同样是均值。当车辆以60km/h的速度行驶在B级和C级路面上时，主动悬挂的约束输出的RMS值相对于被动悬挂也是略微升高，可以满足悬挂系统的时域硬约束要求。

但是当车辆以60km/h的速度行驶在D级路面上时，主动悬挂的约束输出的RMS值相对于被动悬挂有明显升高。其中，悬挂动行程的RMS值增大了23.5%，轮胎动变形的RMS值增大了11.8%，降低了悬挂系统的鲁棒性。

频域分析

为了减少车辆振动对人体的危害，要尽可能的减小垂向加速度在4~8Hz的频段内的幅值，减小俯仰角加速度和侧倾角加速度在1~2Hz的频段内的幅值。

测试车辆在随机不平路面输入下，鲁棒控制下的主动悬挂的加速度频域响应曲线相对于被动悬挂的改善情况，仿真曲线如图4-18所示。

从图中可以看出，在1~2Hz频段内，车身的垂向加速度频域响应曲线要明显低于被动悬挂的频域响应曲线；在4~8Hz频段内，车身的俯仰角和侧倾角加速度的频域响应曲线也明显的降低。因此，H∞/广义H2控制的主动悬挂能够降低车身在低频处的振动，改善车辆的乘坐舒适性。

通过对应急救援车整车模型进行时域和频域方面的仿真分析，结果表明采用鲁棒控制的主动悬挂相对于被动悬挂能明显改善车辆的平顺性，降低车辆在低频时的振动，提高了乘员的乘坐舒适性，并满足悬挂的约束性能要求。

结论

本章研究了基于路面等级识别的主动悬挂的控制策略。将车身加速度作为需要最小化的性能指标；将悬挂行程、轮胎变形和悬挂作动力作为约束指标，对其加以限制。

基于此搭建了主动悬挂的H∞/广义H2输出反馈鲁棒控制器，通过Simulink仿真软件搭建了整车鲁棒控制模型。

通过时域和频域方面仿真分析，采用鲁棒控制的主动悬挂与被动悬挂相比，车身的性能输出得到优化，车辆的平顺性提高，车身在低频时的振动降低，提高了乘员的乘坐舒适性，并满足悬挂的约束性能要求。总的来说，该控制策略是完全有效并可行的。