[论文解读] Semi-active Suspension Control using Modern Methodology: Comprehensive Comparison Study

Omid Ghasemalizadeh, Saied Taheri+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2014

Vibration Control and Rheological Fluids参考文献 12被引用 7

一句话总结

本研究在 MATLAB/Simulink 中基于一个整车模型和一个六轴车辆模型，评估了三种半主动悬架控制方法——加速度驱动阻尼器（ADD）、功率驱动阻尼器（PDD）以及改进的 H∞ 鲁棒控制——的性能。H∞ 控制器表现出最优性能，与次优方法 PDD 相比，车身质量加速度均方根（RMS）降低 10%，吸收功率降低 23%，但其计算负载更高。

ABSTRACT

Semi-active suspensions have drawn particular attention due to their superior performance over the other types of suspensions. One of their advantages is that their damping coefficient can be controlled without the need for any external source of power. In this study, three control approaches are implemented on a quarter-car model using MATLAB/Simulink. The investigated control methodologies are Acceleration Driven Damper, Power Driven Damper, and H_infinity Robust Control. The three controllers are known as comfort-oriented approaches. H_infinity Robust Control is an advanced method that guarantees transient performance and rejects external disturbances. It is shown that H_infinity with the proposed modification, has the best performance although its relatively high cost of computation could be potentially considered as a drawback.

研究动机与目标

• 评估并比较三种以舒适性为导向的半主动悬架控制策略：ADD、PDD 和改进的 H∞ 鲁棒控制。
• 采用车身质量加速度均方根和吸收功率作为指标，评估乘坐舒适性与能量吸收性能。
• 通过六轴车辆模型研究车轮耦合效应（俯仰与侧倾）对控制器性能的影响。
• 通过 CenTiRe 实验室未来的实验测试台验证仿真结果。

提出的方法

• 建立了一个包含车身质量、非悬挂质量、半主动阻尼器、悬架刚度和轮胎刚度的线性四分之一车辆模型。
• 采用基于车身质量加速度与相对速度乘积符号的切换逻辑实现 ADD 控制。
• 采用与刚度和速度相关的切换逻辑实现 PDD 控制，以减少颤振和能量吸收。
• 提出一种改进的 H∞ 鲁棒控制公式，以最小化外部扰动影响并确保闭环稳定性。
• 在相同路面输入条件下，使用 MATLAB/Simulink 对所有控制器在四分之一车辆模型和六轴车辆模型上进行仿真。
• 采用车身质量加速度均方根和最后 0.5 秒内的平均吸收功率作为关键性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 在四分之一车辆模型中，ADD、PDD 和 H∞ 控制策略在降低车身质量加速度和吸收功率方面表现如何比较？
• RQ2 当多轴车辆中存在俯仰与侧倾动力学时，独立车轮控制策略（如 ADD）对乘坐质量有何影响？
• RQ3 在外部扰动下，改进的 H∞ 鲁棒控制与 PDD 和 ADD 相比，在鲁棒性与性能方面表现如何？
• RQ4 PDD 是否能比 ADD 更好地减少控制输入中的颤振效应，且是否因此提升整体性能？
• RQ5 综合考虑乘坐舒适性与能效指标时，各控制器的相对性能如何？

主要发现

• 在六轴车辆模型中，H∞ 鲁棒控制实现了最低的车身质量加速度均方根（0.8319 m/s²），优于 PDD（0.8836 m/s²）和 ADD（1.1208 m/s²）。
• 在六轴车辆模型中，H∞ 控制相比 PDD 减少了 13% 的吸收功率，相比 ADD 减少了 23%，表明其具有更优的能量效率。
• 由于其具备能量感知的控制逻辑，PDD 表现优于 ADD 和被动悬架，有效减少了颤振和功率吸收。
• 由于其独立车轮控制的特性，ADD 在六轴车辆模型中的表现甚至劣于被动悬架，因其未能考虑俯仰与侧倾的耦合动力学。
• 改进的 H∞ 控制器表现出对扰动的强鲁棒性，并在舒适性与能效指标上均取得最佳综合性能。
• 尽管性能优越，H∞ 控制器的计算资源需求显著高于 ADD 和 PDD，构成一项关键权衡。