MPC主动悬架模型：从理论到实践的探索

模型预测控制(MPC)主动悬架模型 MPC是一种根据模型预测的方式滚动优化的控制方法，依据自定义权重大小，通过二次规划求解，实现最优的控制效果。模型预测控制算法在simulink中编写，对比主/被动悬架如簧载质量加速度、悬架动挠度、俯仰角速度等变量以观察MPC控制器控制效果。模型中有多个路面可供选择-c级路面、减速带等。 matlab代码中包括画图代码，可以将悬架性能指标绘制出来。 2自由度（1/4）主动悬架模型： 4自由度（半车）主动悬架模型： 2DOF主动悬架模型可以为调节型的控制模型提供一些参考，调控系统变量使其趋于更小。 4DOF主动悬架模型mpc算法具有目标值跟踪效果。同时支持考虑路面的预瞄，提前做出动作（假设路面已知，可去）两种MPC编程方法均较灵活，只需要修改状态空间方程、权重变量、控制目标、预测区间、控制区间（4DOF）等即可自动编写成对应求解二次规划的矩阵。资料中有matlab代码，simulink模和介绍资料（自制），包括详细的建模过程以及mpc算法原理和推导过程。

在汽车工程领域，悬架系统的设计一直是一个充满挑战的课题。传统悬架系统主要依靠弹簧、减震器等物理元件来吸收路面冲击，但其响应速度和精度往往难以满足现代汽车对 ride comfort 和 handling performance 的要求。近年来，随着智能控制技术的发展， Model Predictive Control (MPC) 成为了一种备受关注的悬架控制系统设计方法。本文将围绕 MPC 主动悬架模型展开讨论，从理论到实践进行探索。

MPC 控制器的基本原理

MPC 是一种基于模型的滚动优化控制方法，其核心思想是通过预测系统的未来行为，选择一组控制输入使得系统的输出尽可能接近预期的目标值。具体来说，MPC 的工作流程如下：

建模：根据系统的物理特性，建立数学模型，描述系统状态随时间的变化。
预测：利用模型预测未来一段时间内系统的状态变化。
优化：在预测期内，选择一组控制输入使得系统的输出与目标值之间的偏差最小化。
执行：根据优化结果，执行当前最优控制输入，并重复上述步骤。

MPC 的优势在于其灵活性和适应性。通过调整权重矩阵，可以对系统的不同性能指标（如控制精度、能耗等）进行优化平衡。

2自由度（1/4）主动悬架模型

理论基础

2自由度（1/4）主动悬架模型是最简单的主动悬架系统，通常用于研究悬架的基本控制原理。该模型包含 sprung mass（车身）和 unsprung mass（车轮）两个部分，通过前悬架和后悬架的独立控制来实现对车身运动的调节。

在 MPC 框架下，2自由度模型的控制目标通常是调节 sprung mass 的加速度和 sprung mass 的动挠度。通过调整前悬架和后悬架的力或位移，可以实现对这些性能指标的优化。

MATLAB 实现

以下是一个简单的 2自由度 MPC 控制器的 MATLAB 实现示例：

% 初始化系统参数 m = [100, 100]; % 车身和车轮的质量 k = [1000, 1000]; % 前后悬架的弹簧刚度 c = [10, 10]; % 前后悬架的阻尼系数 % MPC 参数 Ts = 0.1; % 样本时间 N = 10; % 预测步数 horizon = 2; % 滚动优化步数 Q = diag([1, 1, 1, 1]); % 状态权重矩阵 R = 0.1*eye(2); % 控制输入权重矩阵 % 初始化状态 x = [0; 0; 0; 0]; % [车身加速度, 车轮加速度, 身体速度, 车轮速度] % 仿真循环 for t = 1:100 % 预测阶段 [y, u] = mpc预测(x, u, Ts, N, horizon, Q, R); % 优化阶段 u_opt = 滚动优化(y, u, Ts, N, horizon, Q, R); % 执行阶段 x = 执行控制(u_opt, Ts); % 绘图 绘图(x); end

性能分析

通过上述代码，可以观察到 MPC 控制器对 sprung mass 加速度和动挠度的调节效果。与传统被动悬架相比，MPC 控制器能够更有效地抑制车身振动，提高 ride comfort。

4自由度（1/4）主动悬架模型

理论基础

4自由度（1/4）主动悬架模型在 2自由度模型的基础上，增加了前悬架和后悬架的独立性，能够更精确地控制车身姿态和动挠度。在 MPC 框架下，4自由度模型的控制目标通常包括 sprung mass 的加速度、动挠度和俯仰角速度。

MATLAB 实现

以下是一个 4自由度 MPC 控制器的 MATLAB 实现示例：

% 初始化系统参数 m = [100, 100]; % 车身和车轮的质量 k = [1000, 1000]; % 前后悬架的弹簧刚度 c = [10, 10]; % 前后悬架的阻尼系数 I_z = 100; % 车身绕z轴的转动惯量 % MPC 参数 Ts = 0.1; % 样本时间 N = 10; % 预测步数 horizon = 2; % 滚动优化步数 Q = diag([1, 1, 1, 1, 1, 1]); % 状态权重矩阵 R = 0.1*eye(4); % 控制输入权重矩阵 % 初始化状态 x = [0; 0; 0; 0; 0; 0]; % [车身加速度, 车轮加速度, 动挠度, 车轮速度, 身车俯仰角速度] % 仿真循环 for t = 1:100 % 预测阶段 [y, u] = mpc预测(x, u, Ts, N, horizon, Q, R); % 优化阶段 u_opt = 滚动优化(y, u, Ts, N, horizon, Q, R); % 执行阶段 x = 执行控制(u_opt, Ts); % 绘图 绘图(x); end