基于PID控制的四分之一主动悬架仿真研究

摘 要 悬架是一个关键组成部分，汽车零部件，从而保证身体或车轮与主机系统之间的弹性接触，并可以传输负载，缓解冲击，振动和调整车身状态的衰减，直接影响到汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性 。 随着人们对现代汽车乘坐舒适性和行驶安全性的要求愈来愈高，设计一个综合性能良好的悬架，已成为现代汽车研究的一个侧重的课题。 传统的被动悬挂系统弹性构件刚度和阻尼减震元件是不变的，汽车行驶的路况，负载变化和其他因素的影响，因此，必须制定一个被动悬架不同的新的悬挂。主动悬架是基于现代控制理论和电子技术的发展和开发，与车辆的运行状态 ，可以自适应地改变其刚度和阻尼参数，具有优良的阻尼性能和操纵稳定性，未来汽车吊框架的一个重要研究方向 。 本论文先根据牛顿定理，运用车辆动力学理论，建立了被动悬架 和 二自由度 1/4 主动悬架系统的动力学模型 。 并建立了路面输入分别为 ：白噪声 信号、阶跃信号以及 正弦 信号的路面不平度数学模型。同时，概述了悬架性能的三个评价指标，即车身加速度、悬架动挠度 、轮胎 动载荷。并 利用 软件 Matlab/Simulink 构建出汽车悬架控制系统仿真模型图，包括路面输入模型，被动悬架模型， PID 控制主动悬架模型。运行仿真模型图即可实现不同路 面输入信号的悬架系统的仿真。最后，对悬架性能评价指标的仿真结果进行分析。 关键词： 主动悬架； MATLAB；建模； PID 控制；仿真 Abstract Suspension is an component of the important assembly of the automobile, it guarantees to contact with a flexible between the wheels or axles and bearing system, and can transfer loads、 relax impulsion、 reduce vibration and regulate the body position of the vehicle in traffic, and have a direct impact on ride comfort and operate stability. With the increasing requirement of the vehicles ride comfort and road security, the design of suspension with good performance has become more and more important. As a traditional passive suspension having a constant spring stiffness and damper coefficient which is not interfering with the road surface and the load change, so it is necessary to design a new style suspension. Active suspension and modern control theory and development of electronic technology, and its stiffness and damping coefficients can prosper, to adapt to different working environment, improve vehicle ride comfort and road holding. So it is significant to research and develop active suspension. Firstly, according to the Newton theorem, the paper use the vehicle dynamics theory, and set up the dynamics model of the passive suspension and the second freedom active suspension system based on 1/4 of the body. And translate the differential equations into a form of expression of the state equations. And establish the road roughness mathematical model of the road input signal for sine, step random and white noise signal, and achieve the simulation. At the same time, outlined the three evaluation index of the suspension performance, such as the body vertical acceleration, the relatively dynamic load of the wheel, the suspension dynamic deflection. And build the simulation model plans of the control system of the automobile suspension by the Matlab/Simulink software, including the importable model of the road, the passive suspension model, the active suspension model of the PID control. And run the simulation model map to achieve the simulation of the different input signal of the suspension control system. Finally, analysis the simulation results of the evaluation index of the suspension performance . Key words: Active suspension； MATLAB； Modeling； PID control； Simulation 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 Abstract . IV 目 录 . V . 错误 !未定义书签。 1 绪 论 . 2 1.1 悬架系统介绍 . 2 1.1.1 悬架的功能 . 2 1.1.2 悬架的分类 . 2 1.2 主动悬架控制理论研究的目的和意义 . 5 1.3 国内外主动悬架理论研究动态 . 5 1.3.1 国内外主动悬架的理论 . 5 1.3.2 国内外主动悬架的应用 . 6 1.3.3 国内外主动悬架研究趋势 . 6 1.4 本论文主要研究内容 . 7 2 汽车悬架平顺性评价方法 . 8 2.1 汽车平顺性概述 . 8 2.1.1 汽车平顺性的研究发展概况 . 8 2.2 影响汽车平顺性的因素 . 10 2.2.l 路面不平度统计特性的研究 . 10 2.2.2 影响平顺性的车身部件的研究 . 10 2.3 汽车平顺性评价方法 . 11 2.4 汽车悬架系统的评价指标 . 11 3 主动悬架控制系统的动力学模型 . 12 3.1 主动悬架的数学模型 . 13 3.1.1 概述 . 13 3.1.2 两自由度主动悬架的动力学模型 . 14 3.2 路面路谱模型建立 . 16 3.2.1 路面不平度的功率谱 . 17 3.2.2 空间频率谱函数与时间频率谱函数的转化 . 18 4 基于 1/4 主动悬架系统模型的 PID 控制 . 21 4.1 主动悬架 PID 控制理论 . 21 4.1.1 PID 控制 . 21 4.2 PID 控制器的参数整定 . 24 5 系统的计算机仿真结果与分析 . 26 5.1 仿真环境 Matlab/Simulink 简介 . 26 5.2 仿真实验和结果分析 . 26 5.2.1 白噪声信号下的比较： . 27 5.2.2 阶跃信号下的比较： . 34 5.2.3 正弦信号下的比较： . 41 6 总结和展望 . 48 6.1 总结 . 49 6.2 不足之处 和 展望 . 49 致 谢 . 50 参考文献 . 52 附 录 . 53 1 绪 论 1.1 悬架系统介绍 1.1.1 悬架的功能 悬架 （ Vehicle Suspension）是现代汽车上重要的部件之一 1， 是 汽车的 车 身 与 轮胎 之间的一切传力连接装置的总称。 它的主要功能除了传递 车 身和轮胎相互之间的力和力矩，缓冲和吸收来自路面不平引起对车架的冲击，还要迅速衰减由此引起的振动，以确保汽车行驶的平稳性。悬架作为汽车零部件中的重要组成装置，对汽车的平顺性和安稳性等性能影响很大。悬架的系统包括：弹性原件、减振器、传力装置等三个部分，这三个的部分作用分别用来缓冲、减少振振和传递力矩。此外，还包括一些特殊功能部件有的， 列如缓冲块、横向稳定器等等，图 1.1 为一悬架结构示意图。 图 1.1 悬架结构图 1.1.2 悬架的分类 目前依据对汽车悬架的各种性能要求，汽车悬架的构造形式与减振控制方法也日趋完善。悬架的结构形式有很多，分类的方法也存在很多差异。根据它的 导向机构 的不一样 ，汽车的悬架可以 分为独立 式的 悬架 与 非独立 式的 悬架两 种；根据它的震动控制方法的不一样，又分为被动的悬架 、主动的悬架、半主动的悬架三大种。简单来说不需要外部输入能量的悬架就称为被动悬架；需要少量输入外部能量，来调节阻尼系数的称为半主动悬架；而全部需要经过外部的输入 .能量的让执行机构给悬架系统增加一定的主动控制力的悬架称为主动的悬架。图 1.2 是这三种悬架的简化模型。 a） 被动悬架 b）主动悬架 c） 半主动悬架 图 1.2 三种悬架系统简化模型 1-传感器 2-可调减振器 3-执行器 1.1.2.1 被动悬架 被动悬架（ Passive Suspension）是一种传统的机械结构，其简化模型示意图如图 1.2 a）所示，包括弹簧和减振的系统。在 1934 年由 Olley 首次提出了被动悬架的设计理论，并且通过调整弹簧的刚度、减震器的阻尼值、改变轴距、弹簧的安装位置等用来提高车辆的行驶的平顺性和操作稳定性 2。 被动的悬架不仅构造简单，而且成本低廉，还不需要外部输入的能量，所以，在汽车上能够被广泛的用。但因为它的参数不可变，所以又存在较大的局限性： （ 1）减少悬架的刚度对提升汽车舒适性改善有利，但是当弹簧 刚度较小时，对轮胎动载荷影响不利，如果弹簧太软，则需要较大的行程空间，增加了汽车的高度而无法布置。 （ 2）阻尼特性对平顺性和轮胎接地能力产生共同影响，同时兼顾二者较困难。 （ 3）因悬架参数不可变，不随路况而改变，所以只能在特定的路况下达到最佳减振效果，而车辆的载荷、车速以及路面凸凹都会在很大程度变化，如果激励发生变化，悬架系统就不再是最优。 被动悬架对行驶平顺性、操纵稳定性、车身状态等这些相互矛盾的设计要求选择适中方案，在一定程度上符合汽车动力学性能要求。因此，在对一个多种环境下行驶的汽车 ，在性能要求较高且影响因素较复杂的情况下，被动悬架很难再满足新的要求，很难实现行驶平顺性与操纵稳定性的完美结合。 1.1.2.2 主动悬架 主动悬架 （ Active Suspension） 最初 结构 装置是由 AP 公司基于气 、 液 压 悬架发展的一 种机械 系 统 3。主动悬架简化模型如图 1.1 b）所示，主动的悬架包括三个部分：传感器、控制器、执行机构，它们与汽车部件一起形成闭环控制系统。 其中控制器是整个 悬架 系统的信息处理 、 管理中心，它接受 分别 来自各个传感器的信号， 根 据 选定 的数据处理方法和控制 方法 ，决定并控制执 行机构的动作， 进 而改变车身运动状态、 达到 隔振减振的 效果 4。 主动悬架一般情况下都采用闭环控制系统。所谓闭环控制系统，就是输出量反过来对系统的控制有直接影响的控制，也就是说弹簧刚度和减振阻尼的控制结果，还必须通过反馈系统把信息传送给电脑，再由电脑进行分析修正，以达到最佳控制效果，进而提升汽车行驶平顺性和操纵稳定性等性能的要求。主动悬架的优点可以归纳为 5： （ 1）做成较小的悬架的刚度，可以能使车身具拥有较低的自然状态振动频率，并且能够保证在正常开车中的乘坐舒适度。很大程度上改变了汽车在转 弯情况下的车身侧倾、制动和加速等状态下的纵向摆动问题。 （ 2）应采用主动的悬架系统，因为不需兼顾正常状态开车中汽车的舒适性度，因而可以将汽车的悬架抗侧倾和纵摆的刚度做成较大，进而就提高了汽车的悬架的稳定性能。 （ 3）采用先进的悬架结构，不但能够保证汽车行驶在比较复杂的路况在瞬间将车轮提起，避开障碍物，提高汽车的安全通过性。另外，主动的悬架还能够保持车轮子与地面的摩擦，改善了轮胎动载荷的控制力，改善了负载的分布情况。同时由于车身的高度可以调节，又进一步的保证了车轮的跳动，从而对传动的构造简化了 设计。 根据作动器的反应的带宽不一样，主动的悬架又可以细分为是：带宽的主动悬架与有限带宽的主动悬架，有的地方也叫为“全主动悬架”与“慢主动悬架”。慢主动的悬架系统一般情况下的是由一个作动器和一个普普通通的弹簧串联组成，然后再和一个被动阻尼器并联组成。慢主动悬架的主动控制频率范围为 0 6Hz ，当频率大于 6Hz 时被动元件主导悬架系统的特性。因为慢 主动悬架只在一个较低的频率范围内运行，所以降低了系统的成本和复杂度，但它的性能指标仍可以满足主要的车身振动和转向控制的基础要求。 全主动的悬架系统是采用 1 个可以用来控制的作动器替代了被动悬架中的一些相关部件，组成一个闭环的控制系统。作动器一般情况是由一个气动的或者液动的油缸，它具拥有较大的频率范围，对轮胎的高频共振能够进行控制。作动器的控制的带宽一般覆盖一些车辆常见的振动频率如 0 15Hz ，有的一些作动器的响应带宽可以高达如 100Hz 。为了减少能量的损耗浪费，一般情况下会保留 1 个与作动器并联的传统弹簧，来支持车身的静载荷 6。 1.1.2.3 半主动悬架 半主动悬架（ Semi-Active Suspension）是在 1973 年 由 D.A.Crosby 和 D.C.Kamopp 首次 提出 半主动悬架的概念 7。半主动悬架的简化模型如图 1.2 c）所示， 半主动 的 悬架 是 由可 以改 变 的刚度的 弹簧和 可以改变的阻尼系数的 减振器组 合而成 。 它的 基本 上 原理是 ， 根据 弹 簧上 的 质量相对 于 车轮的速度和加速度 的 响应等反馈信号， 并 按照一定的控制 方法来调节弹簧的刚度 值 或减振器的阻尼 值 。在产生力 上 半主动 的 悬架近似于被动 的 悬架，但 它 的阻尼系数 与 刚度系数是 可以改 变的 。 通常 的情况下以 改变减振器的阻尼 值 为主，将阻尼分为 2 级 和 3 级， 又根据 人工 的 选择或根据传感器 的 信号自动 式 确定 。 1984 年日 本得一个 公司研制出 了 一种 叫 声纳式半主动的 悬架，它 非常好， 能 够 通过声纳 这种 装置 探测 前方路 况的 信息， 进而 及时 的 调整悬架 的减振器的三 个 状态。 此 外， D.A.Crosby 等人又提出了阻尼连 续可调的半主动悬架系统 8。 1.2 主动悬架控制理论研究的目的和意义 随着现代的汽车行业的不断发展和壮大，汽车的工业在世界的经济发展中的地位越来越突出，慢慢的成为各国的支柱性的产业，并且对世界的经济发展更好和社会进步产生巨大的正能量和深远的影响。汽车是已成为当今 ,世界上普遍的交通工具，在未来它依旧仍然是世界上重要的交通工具使用。我国的汽车工业的引进技术及其国产化的实际发展成就，标志着我国的汽车工业已经完成了历史性的转变，开始了中国汽车行业的腾飞时段。 为了适应汽车日益严格的有关节能减放和安全性要求，并 且满足人们对汽车安全性、舒适性、便利性的需求，汽车传动与行驶控制系统的研究和改进已成为不可或缺的环节。汽车的平顺度就是说能够保证汽车在开车中所处的振动状态具拥有一定的舒适性，对于那些载货的车辆而言还应改包括保持货物完好无损的性能。平顺性是高速、高效汽车的一个重要性能 9。 悬架的系统作为汽车的关键组成部件，它是指链接车身和车轮之间的所有零件和部件的总称，主要是由弹簧、减震器和导向构造组成。它不仅可以缓冲和吸收轮胎的振动，传递轮胎和路面产生的摩擦力，还能够在汽车转弯时承受车身的侧倾力，在汽车启动和制动时控制 车身的惯性。悬架系统是改善汽车平顺性和操作稳定性、减少零部件损坏的关键。一个很好的优越的悬架系统不仅仅可以改善汽车的乘坐的舒适性，而且也更能保证汽车行驶的安全性能，改善汽车的舒适性就得必须把控制汽车的加速度，这就得要求悬架要有足够大的性能吸收来自路面不平；然而为了保持汽车行驶的安全性，必须把悬架变形控制在较小的范围内。为了提升悬架性能就必须兼顾舒适性与稳定性的矛盾，所以只有应用合适的控制策略才能合理解决。 1.3 国内外主动悬架理论研究动态 1.3.1 国内外主动悬架的理论 主动的悬架的控制理 论实际上是在立足于经典的控制理论就结合现代控制理论和汽车动力学理论的产物。在近几十年中，国内外学者对主动悬架的控制策略方法上进行了大量的分析研究。在国外，著名的学者有 Karnopp， Thompson， Crolla 和 Langlois 等人。研究的控制策略范围较为广范，涉及到天棚阻尼的控制理论、随机最优的控制理论、变机构控制的理论、预瞄控制的理论等。此外，伴随着现代控制理论的发展与更替，自适应控制的理论、模糊控制的理论、 H 无穷控制的理论、神经网络控制的等等也慢慢的凸显优越性。在国内，丁科等人对神经网络控制的主动悬 架进行了研究，何渝生等人将 LQG 最优控制 理论用于主动控制 10。总体来看，悬架建模的合理化、控制策略的复杂化和控制过程的实用化成为现代主动悬架研究的一大趋势，这些研究一定程度上丰富了汽车悬架系统的控制理论，有力地推动了主动悬架在汽车工业的应用进程。 1.3.2 国内外主动悬架的应用 在国外大型的汽车公司和研究机构对理论研究的基础上，还对其他主动、半主动悬架进行了实验，直到一些较为成熟的设计成商品，应用于各种车辆。早在 1982 年， Lotus 公司就开发了有源主动悬架系统，瑞典 Volvo 公司在 740 辆汽车上装置了实验阶段的 Lotus主动悬架系统。 Armstrong 公司在 1987 年为了 FORD 公司研发了一个自适应悬架系统应用于一种新的车型号。 1989 年丰田的 Celica 车型上也应用了 4 主动的悬架 +4 轮驱动 +4 轮防抱死的制动的集成控制，其中应用了较好的线性电磁阀对悬架进行了控制。 1991 年，丰田汽车公司的 Soarer 车型装置了由液压缸与弹簧串联的主动悬架系统。尼桑公司在 90 年的InfiniteQ45 汽车上也安装了较好的液压主动的悬架。另外，奔驰、福特等汽车公司也都在其高级轿车上装备了各自研发的主动悬架系 统。在赛车和军用方面，因为越野和高速行驶性能的需求，所以在应用主动悬架的愿望更加急切。英国早在 70 年代时，就在“蝎”式轻型坦克上实验了 AP 公司研发的液压式主动悬架系统。 1982 年的时候， Lotus 公司就着手在高速的赛车上进行实验主动的悬架系统，结果表明很大程度上改善了赛车的高速行驶时的平顺性和安全性的需求。 1.3.3 国内外主动悬架研究趋势 我们通过对过去的悬架控制的系统的研究总结可以发现，研究的工作主要在两个方面：一是在各种可能悬架模型的研究；二是在控制方法的研究。 总体上来说吧，系统的建模的要合理 化、控制的策略的复杂化程度和控制过程中的实用化是现代的悬架研发的一大特色， 这些研究可以说在一定程度上丰富了以往汽车悬架系统的控制理论策略，狠狠地推动了主动悬架在汽车行业上的应用进程 ，因而，对悬架控制策略的研究已成为悬架控制研究的一个重要的方向。建立不一样的数学模型和控制方法，所得到的悬架特性是不一样的，所以应用啥样的数学简化模型和控制的方法，并且与它对应的悬架特性的是悬架控制研究的重要方面。当前国内生产的车辆大都采用被动悬架，主动悬架、半主动悬架尚未普及，研究工作仍是在控制悬架系统的优化算法、理论分析和计算 机仿真模拟阶段，近年来，在国外许多大型的汽车生产商研发了车辆行驶状态可以自适应地改变悬架刚度和阻尼的半主动悬架和主动悬架系统，在高档车的使用，但在控制方法的改进和提高系统的稳定性及成本效益的改善等方面仍然有许多工作要做。所以，今后的研发方向是一种低耗能、控制优化、成本低的车辆悬架减振控制系统 11。 基于此，我们必须着力的解决一些基础性上的理论研究的和实际应用的技术问题可从以下方面着手进行研究： （ 1）建模结合实际的各种控制理论和控制过程的合理化是现在悬架分析研究的一个 特点。 （ 2）考虑到 汽车节能，能源转换与再利用的原则和研究机构的悬架系统就够对悬架系统，同时也将成为主动悬架技术的一个重要发展方向。 （ 3）悬架系统的使用寿命长短和自身参数值该变化以及外界干扰的需要提高。 （ 4）用于测定各参数的传感器的精度、安装便捷性、成本、抗干扰的能力及使用寿命等仍需提高和改善。 （ 5）在生产成本和使用费用上主动悬架价格相对昂贵，在控制过程中损耗的汽车功率较高，所以在设计时要考虑其性价比。 （ 6）反应的速度快捷，工作的频带宽，动作准确平稳的执行机构有待研发，列如作动器与减振器等。 1.4 本论文主要研究内容 本论文研究的是基于两自由度 1/4车辆主动的悬架的在 PID控制策略下进行仿真研究，以 l/4 主动的悬架为研究的对象，建立 l/4 主动悬架数学简化模型，在对被动悬架和 PID 控制的主动悬架进行比较分析，研究的主要内容包括： 1、建立 1/4 悬架数学模型 结合汽车悬架的实际情况，学习并运用运动学和动力学及车辆构造相关理论，对汽车悬架系统进行简化分析，建立两自由度 1/4 主动悬架数学模型。根据牛顿第二定律，在对其在受力分析的基础上建立动力学方程，并以此作为控制策略仿真的基础。 2、建立路面路谱模型，提出悬架性能的评价标准 考虑到路面激励对悬架控制的重要影响，将路面激励信号结合系统仿真模型。在振动方面使用白噪声信号来模拟实际的持续的小的不平整路面；在冲击方面使用阶跃与正弦来模拟实际凸起和凹坑。 根据车辆设计要求的平顺性和操纵稳定性。选择悬架的评价参数为；车身加速度用于表示车辆行驶的平顺性效果；悬架动挠度和轮胎动载荷用于表示车辆操纵稳定性效果。 3、选定控制方法并设计控制器 结合经典控制理论和现代控制理论，本文采用具有实际应用价值的 PID 控制，根据其原理设计其控制器 。 4、建立仿真模型 根据建立的悬架系统的控制原理图，在 Matlab 仿真软件建立汽车主、被动悬架、 PID控制器仿真模型，然后对主、被动悬架的性能分析对比。 5、仿真结果分析 参照车辆设计要求的平顺性和操纵稳定性，以车身加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷值作为主要评价指标，通过对三种输入信号下的控制策略仿真曲线进行分析比较，归纳总结出控制策略的优缺点以及可行性与有效性。 2 汽车悬架平顺性评价方法 2.1 汽车平顺性概述 2.1.1 汽车平顺性的研究发展概况 随着现代 的汽车工业的发展，汽车已经成为人们日常生活中的不可缺少的一部分，因此，人们对汽车性能的要求也不断的提高，有良好的动力性和经济性时，良好的行驶平顺性要求也高。平顺性是维持汽车在行驶过程中乘客所在的有一定舒适度的性能，而对与载货汽车还应改包括能够保持货物完好无损的性能。源于汽车平顺性的依据是乘坐者的舒适程度来评价的，所以，也称作乘坐舒适性。汽车的振动不仅会导致车上乘员疲劳和货物的损坏，而且也会使汽车零部件过早地磨损和疲劳损坏，减少使用寿命。另外，车辆的振动还是车内噪声形成的主要来源。因而，汽车平顺性直接影响到乘 员的舒适性，也影响了车辆的动力性与经济性，是现代车辆在市场竞争中的一项重要性能指标。 以往评价汽车的行驶平顺性一般是在生产出样车并在试验后才能确定。因而，在设计阶段因缺少路面谱数据和计算工具的局限，很难精确地评估这种性能的好坏，影响汽车行驶平顺性的悬架参数和整车参数是由主要设计师凭借经验和粗略计算确定。所以，在实际应用中人们希望能够找到一种比较精确的评价方法，便于缩短设计的周期，提高产品的质量，并且优化设计，争取达到一次成功的设计要求。 汽车悬架作为复杂的多自由度振动系统，进行定量分析的关键在于建立理想的数 学模型，怎样更好地建立汽车主动悬架动力学模型，已成为当前国内外学者探讨汽车平顺性的重要问题。随着现在计算机仿真软件技术的不断发展，建立很多自由度的仿真模型己不在是问题。也为研究的汽车行驶平顺性能提供了很好有效途径，如今现在国内外汽车的市场竞争日益激烈，怎样在汽车悬架设计时阶段就可以能够把汽车平顺性进行准确测定和评估，减少设计时间，降低产品成本，已成为在市场竟争中取胜的关键。 研究汽车的平顺性的目的就是为了减少振动造成的危害，弄清楚汽车的振动系统中各元素的特性。汽车行驶平顺性分析可根据图 2.1 所示的汽车振动系 统框图。系统的输入主要的是汽车以恒定速度经过一段随机不平的路面，该输入的量经轮胎、悬架和座椅、减振器等组成的振动的系统，传递到悬挂的质量和人体，并通过悬挂的质量和人体的加速度作为非常重要的输出量。然后再依据人体的反应感觉对汽车的平顺性进行评价。汽车振动系统的输出量一般情况下还需要考虑轮胎和路面间的摩擦力，这与轮胎的接地性有关。对主动悬架和半主动悬架而言，则需在输入与输出之间施加一个反馈控制器，这样就可以很大程度上改善汽车平顺性。 汽车行驶的平顺性能是汽车动力学中的一个重要研究方向。它包括一切所有与车辆系统有 关运动的研究，它的核心部分是平顺性和操纵稳定性这两大领域。 从 20 世纪 60 年代起，国外就着手对车辆的振动和乘坐舒适性进行探讨。当时的研究一是从实验的这方向研究人体对振动的感受。以便来解决平顺性评价问题，并在 20 世纪 70 年代制定出国际标准 ISO2631-74人体承受全身振动的评价指南， 20 世纪 80 年代经修订后推出了 IS02631-85, 1991 年又提出了 IS02631 草案。国内在这方面的研究始于 70 年 a) 被动悬架汽车的振动系统 b) 主动悬架汽车的振动系统 图 2.1 汽车振动系统框图 代后期，并依据 IS02631 在 1985 年制定了 GB4970汽车行驶平顺性随机输入试验方法标准 12， 1986 年制定了 GB5902汽车行驶平顺性脉冲输入试验方法标准， 1990 年制定了 GB 12477 客车平顺性评价指标极限值标准。此外，一些学者还提出了将模糊控制、神经网络控制等理论引入汽车平顺性的评价中，进而得到了主观评价的定量指标。但是，这些性能指标还未得到一致的认可。当前在我国汽车平顺性的评价主要是参照 G B/T4970-1996。二是从理 论计算的方向着手，它的核心环节是通过计算车辆振动响应以确定悬架、轮胎和座椅的刚度、阻尼参数，进而解决 PID 中的参数整定的问题。主要是将随机振动理论应用在车辆行驶中的振动过程，寻找符合各类汽车振动特性的力学模型，然后，根据牛顿运动定律建立力学方程，进行模拟仿真，受当时的计算机局限，通常都把汽车简化成 2 3 个自由度，但这样的简化模型只可作为定性分析。从 20 世纪 70 年代起，随着计算机技术的迅速发展，计算机也成为了汽车平顺性研究的得力工具，尤其是计算速度的提高更为复杂的汽车悬架模型计算提供了便捷。于是各国的学者便开 始用比较更复杂的振动模型来模拟车辆振动系统，针对不同的车辆型号，建立不同形式的振动模型进行模拟。从起初的 2 自由单点度模型扩展成 5 自由度双轮辙激励模型，接着又扩展成 8 10 自由度四轮激励的整车模型，其后又有学者考虑到了横向稳定杆的作用，并把悬架简化成 3 个自由度模型。另外，还有其他学者开始提出车辆系统非线性振动系统论，其中包含了一些非线性因素，如刚度、阻尼等，还应建立包括车辆系统非线性因素影响的振动模型。如在研究平顺性时建立汽车整车的 8 自由度非线性力学模型，考虑到弹簧和阻尼器的非线性特点，经过这样处理所得的整车 模型更加精准。 20 世纪 80 年代以来随着计算机速度的提升和基础理论研究的不断深入，汽车悬架仿输入系统 悬架系统参数 控制系统 输出系统 悬架系统参数 输出系统 输入系统 a） b） 真研究试验工作获得了迅猛的发展。在国外这方面发展己经非常成熟并且取得了巨大的经济效益。在国内，这几年应用大型软件件在计算机上按进行平顺性仿真研究也取得了很好的成果： 1999 年金睿臣用 ADAMS 建立了 11 自由度的汽车的模型，采用类白噪声法模拟符合实际路面路谱特性的路面。并且对汽车在路面随机输入下的振动曲线作了仿真分析。2002 年北京理工大学的曹丽亚利用计算机借助 ADAMS 软件完成了对汽车脉冲平顺性的仿真分析。 2003 年 ，北京工业大学机电学院的王国权等利用 ADAMS 软件在计算机上按照系统建立了某型号小卡车的整车数字化功能的仿真模型，由此实现了车辆行驶的数字化模拟，该车在虚拟的路面上行驶过程中，可以反映悬架、轮胎的变形和乘员的运动状态，仿真试验结果获得了悬架在前进方向、横向、垂直方向的加速度以及均方根值，它的数据与实际测试结果相差不大。 2005 年王明容等参考了车辆行驶的数夏利 2000 车型利用机械动力学仿真分析很好软件 SIMPAC 建立了整车的多自由度仿真分析模型和三维路面激励模型，在虚拟条件下对汽车平顺性进行了仿真研究分析， 其结果表明，建立的数字化功能样机越详细，就可以有效地分析其平顺性。 2.2 影响汽车平顺性的因素 2.2.l 路面不平度统计特性的研究 汽车受到的激励主要来自于路面，对路谱的研究是对汽车平顺性研究的重要基本工作。目前国内通常采用的都是很好的国际标准协会在的文件 ISO/TC108/SC2N67 中提出的“路面不平度表示方法草案”和长春汽车研究所起出生地点草修订的“车辆振动输入一地面不平度表示方法”两个好的标准。采用幂函数的路面功率谱密度来表述路面的不平特性。这两个标准可以实际反映路面的基本状况，但是 也存在局限性有待进一步的补充。在这方面的研学究有：建立出了多种比较类似真实路面的路谱，尤其是各种不同路面对汽车输入谱矩阵；并按路面不平度谱特性建设试验平台。 2.2.2 影响平顺性的车身部件的研究 汽车的悬架、轮胎、座椅以及发动机等是影响汽车平顺性车身部分的主要部件。在悬架研究方面近年来的研制出了主动的悬架、半主动的悬架及复合式悬架系统等多种悬架类型。对悬架中存在的弹性的元件和阻尼原件的也进行了大量的分析研究，以便于的合理的调定刚度、阻尼的参数以减小传递力。研究的人员在提出了各种参数的调定方法后，把现代 的控制方法，尤其是最优最好控制、鲁棒的控制、模糊的控制等等，分别运用到汽车悬架系统中，并开始对减振器 进行了深 入的研 究并取得了较好的成果。正确的评价方法对轮胎的研究主要是在轮胎类型、轮胎的气压的不同以及轮胎对汽车平顺性的影 .响效果。进而照成出能够提升汽车平顺性轮胎模型。根据这几 .近年的研究发现座椅的振动传递函数对人体振动的影响较大，座椅的刚度和阻尼对改善汽车平顺性也有很大的意义。此外随着车速的提升，发动机对汽车平顺性的研究也逐渐加强。 2.3 汽车平顺性评价方法 影响汽车的平顺性能的因素是存在多 方面的。因此，对汽车的平顺性的评价方法也是相当复杂的。正确的评价方法必须从物理、心理和生理各方面进行评价。当前国际上一般都采用的有两种评价方法。一是吸收功率法，二是上面提到的 ISO 2631 国际标准，本论文结合实际将采用第二种方法评价汽车主动悬架的平顺性。 ISO 2631-1997（ E）标准规定，当振动波形曲线峰值系数 9 时，用基本的评价方法一加权加速度均方根值来评价振动对人体舒适和健康的影响。 总的加速度 加权均方根评价方法是在某一方向上所有加速度均方根值分量的平方和根值作为评价指标，总的加权值为 : 2102 )(1 dttaTa t ww 其中： )(taw为加权加速度时间历程，wa为加权加速度均方根值， T 为振动分析时间。 有的 s“人体振动侧量仪”也采用加权振级wLa对车辆舒适性的进行评价，它与加权加速度均方根值可由下式换算 : )lg(200aaLa ww 其中 : 0a为参考加速度均方根值， msa 260 10 。 加权加速度均方根值wa和加权振级wLa与人的主观感觉之间的 关系如表 3-1。 表 3-1 wa和wLa与人的主观感觉之间的关系 wa wLa 人的主观感觉 2.5 126 极不舒服 2.4 汽车悬架系统的评价指标 汽车悬架的两个重要功能是保证良好的乘坐舒适性和稳定的悬架动挠度，在对悬