（农业机械化工程专业论文）车辆半主动悬架路面激励下的仿真研究.pdf

摘要 悬架是汽车的重要组成部分之一，它对汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性等多种使用性 能有着很大的影响。目前，汽车上普遍采用的是由弹性元件和减振器组成的被动悬架。被动 悬架难以同时改善车辆在不平道路上高速行使时的稳定性和平顺性，为了克服被动悬架对汽 车性能改善的限制，近年来出现的半主动悬架成为改善汽车悬架性能的一条新途径。半主动 悬架能够根据路面激励情况及汽车运行的实际情况进行优化控制，使汽车整体性能达到较 佳。 ( 1 ) 本课题以半主动悬架为研究对象，建立了1 4 车体二自由度的半主动恳架动力学模 型，进而对半主动悬架的控制器进行了设计，概述了悬架性能的三个评价指标，即车身垂直 加速度、悬架尔挠度和轮胎动载荷。 ( 2 ) 半主动悬架控制策略较多，在本课题中选取人工神经网络中的b p 网络，尤其适合于 非线性控制。利用m a t l a b 7 o s i m u l i n k 建立被动悬架和半主动悬架的仿真模型，并以自噪声 路面输入信号进行了仿真。仿真结果表明，b p 网络控制的半主动悬架明显改善了车辆乘坐的 舒适性和操纵稳定性，性能明显优于被动悬架。 ( 3 ) 通过本文仿真研究，检验出神经网络控制方法较好的协调了平顺性和操纵稳定性之 间的矛盾，它能有效的降低车身加速度，使振动变化平缓，使车辆的综合性能得剑了较大的 提高。 ( 4 ) 本课题采用神经网络控制策略运用于半主动悬架系统控制，并通过仿真检验其可行 性，该控制方法的理论研究对半主动悬架系统产晶的开发提供了理论参考。 关键词：车辆；半主动悬架；神经网络控制方法；仿真 河南农业大学硕士学位论文 s t u d yo ns i m u l a t i o no fv e h i c l es e m i a c t i v es u s p e n s i o nu n d e rr o a d s u r f a c ee x i t a t i o n s u p e r v i s o r ：p r o f s h ij i n g z h a o m a s t e rc a n d i d a t e ：l vj i n l o n g a b s t r a c t ：s u s p e n s i o nf 0 r ki sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ev e h i c l e i th a sag r e a te f f e c to n v a r i o u sp e r f o r m a n c ea b o u tv e h i c l er t m n i n gs m o o t h n e s sa n dt h e s t a b i l i t yo ft h e c o n t r 0 1 n o w ，t h ev e h i c l ei sw i d e l yu s e dp a s s i v es u s p e n s i o nw h i c hi sm a d eu po fe l a s t i c e l e m e n ta n ds h o c ka b s o r b e r p a s s i v es u s p e n s i o ni sd i f f i c u l tt oi m p r o v et h es m o o t h n e s s a n ds t a b i l i t yo ft h ev e h i c l ea tt h es a m et i m ew h e nt h ev e h i c l ei sr u n n i n go nt h eu n e v e n r o a da tah i g hs p e e d i no r d e rt oo v e r c o m et h er e s t r i c t i o n so ft h ep a s s i v es u s p e n s i o no n i m p r o v i n gv e h i c l ep e r f o r m a n c e s e m i a c t i v es u s p e n s i o ni san e w a v e n u et oi m p r o v et h e v e h i c l ep e r f o r m a n c e a c c o r d i n gt or o a dc o n d i t i o n sa n dt h ev e h i c l ea c t u a lr u n n i n g s i t u a t i o n s e m i a c t i v es u s p e n s i o nc a no p t i m i z et h ec o n t r o lt oa c h i e v eb e a e ro v e r a l l p e r f o r m a n c e t h i ss u b j e c ts t u d i e so nt h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o na n db u i l d sad y n a m i cm o d e lo f s e m i a c t i v es u s p e n s i o nb yaq u a r t e ro ft h ev e h i c l ea n dt w od e g r e e so ff r e e d o m t h e n t h ec o n t r o l l e ro ft h es u s p e n s i o nh a sb e e nd e s i g n e d t h i s s u b j e c to v e r v i e w st h e r e i n d i c a t o r so ft h ev e h i c l e p e r f o r m a n c e n a m e l y ，t h ev e r t i c a lb o d ya c c e l e r a t i o n ， s u s p e n s i o nd e f l e c t i o na n dt h ew h e e lo fe a s td y n a m i cl o a d s e m i - a c t i v es u s p e n s i o nh a sm u c hm o r ec o n t r o ls t r a t e g i e s s e l e c t i n gt h eb p n e t w o r ko ft h ea r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki n t h i ss u b j e c t e s p e c i a l l yi ti ss u i t a b l ef o r n o n l i n e a rc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o nm o d e lo fp a s s i v e s u s p e n s i o na n ds e m i a c t i v e s u s p e n s i o ni sb u i l tb ym a t l a b 7 0 s i m u l i n k t h i ss u b j e c ts i m u l a t et h ei n p u ts i g n a lo f w h i t en o i s er o a d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ts e m i a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o l e db y b pn e t w o r ki m p r o v e dv e h i c l er i d ec o m f o r ta n do p e r a t i o ns t a b i l i t y ，i t sp e r f o r m a n c ei s b e r e rt h a np a s s i v es u s p e n s i o n t h i s s u b j e c t c a nb e u s e da st h e e x p e r i m e n t a l r e s e a r c ho fs e m i a c t i v e s u s p e n s i o n ，p r o v i d e st h e o r ya n dn u m e r i c a lr e f e r e n c ea n dp r o v i d e st h et h e o r e t i c a lb a s i s f o rs e m i a c t i v es u s p e n s i o na p p l i c a t i o ni nt h ev e h i c l e k e y w o r d s ：v e h i c l e ；s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ；n u r e a ln e t w o r kc o n t r o lm e t h o d ； s i m u l a t i o n 4 2 河南农业大学学位论文独创性声明、使用授权及知识产权归属承诺书 学位论 学位 硕士论文 文题目 车辆半主动悬架路面激励下的仿真研究 级别 学生 吕金龙 学科导师 姓名专业 农业机械化工程 史景钊 姓名 学位论文 如需保密，解密时间年月 日 是否保密 独创性声明 本人呈交论文是在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果，除了文中 特别加以标注和致谢的地方外，文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包括为获得河南农业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 特此声明。 研究生签名：涉锫翩签名：踌驯 日期：西d 净月心日 r 期：力彳年月厅j 日 注：保密学位论文在解密后适用于本授权书。嗄彰父蛾， 研究生签名渗鹰导师签名：d 巳京觊1学院领导譬蒜j 7 l 7 日期汐7 年占月f 宁日同期：游年么月”e 1日期：砂侔么月 同 致谢 三年的研究生学习，是我人生中最宝贵的一段历程。在论文即将完成之际， 回望过去，思绪难以平静。有进展受阻时的痛苦煎熬，也有茅塞顿开时的喜悦。 时至今日，由衷的感谢那些关心、帮助我一路走来的人们。 本论文的全部工作得到了导师史景钊副教授的悉心指导和亲切关怀。衷心感 谢我的导师史老师在这三年来对我的学习、工作和生活上给予的帮助和指导。导 师严谨的治学精神、渊博的学识、孜孜不倦的工作作风以及平易近人的指导，深 深地影响了我。在课题研究和论文写作过程中，从选题、论文构思和定稿，史老 师都给与了悉心的指导。 感谢河南农业大学给予我的学习机会和良好的学习条件。 感谢导师组的余泳昌老师、李保谦老师、王万章老师、刘军老师、李冠峰老 师、李云东老师、姚新胜老师、刘存祥老师和胡建东老师对我论文的悉心指导以 及对我学习过程中的严格要求和无私的奉献。 感谢审阅本论文和参加答辩的所有专家、领导。 感谢师弟李明刚、邵海泉和同窗好友王威立、栗文雁、王晓雷、霍志军、安 晓东、胡丰收、宋中界、王旭然、李洲、卢汇洋和李喜朋等对我学习和工作上给 予的帮助和支持。 感谢我所阅读过的参考文献的作者，从他们的成果中，获得了课题研究和论 文写作的灵感和理论依据。 感谢我的父母和姐妹的理解与大力支持。正是他们为我分担了家庭的责任， 才使得我有更多的时间和精力安心学习，完成学业。 吕金龙 2 0 0 9 年6 月 河南农业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 概述 悬架是现代汽车上的重要总成之一，一般由弹性元件、减震器和导向机构三部分组成， 它是车身与车轮之间的一切传力装置的总称。其主要功用是把路面作用于车轮上的垂直反 力、纵向反力和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车身上，吸收和缓和由不平路面 传给车体的冲击载荷，衰减冲击载荷引起的承载系统的振动，同时要导向车身与车轮的运动， 决定车轮定位；在汽车侧倾或俯仰时，悬架要能及时控制车身姿态，以保证汽车的正常行驶。 因此，汽车悬架系统的设计必须满足行驶平顺性和操纵稳定性的要求。 汽车在行驶的过程中，路面的不平度会激起汽车的振动。当这种振动达到一定程度，容 易导致乘客感到不舒适或使运载货物受损；同时，由于车轮与路面之间的动载荷，还会影响 到它们的附着效果。另外，汽车由于加速、转向、制动等还会引起车身姿态发生变化，例如 俯仰和侧倾，也会导致乘客感到不舒适。所以汽车的振动是影响汽车行驶性能的重要丙素， 它不仅降低汽车的行驶平顺性，而且还影响汽车的安全性和操纵稳定性。因此，当汽车在不 平路面上行驶时，研究汽车的受力和振动情况，采取有效措施抑制车身振动，对改善汽车的 乘座舒适性和操纵稳定性，具有重要的意义 为减少汽车振动，一方面要改善路面质量，减少振动的来源；另一方面要求汽车对路面 不平度有良好的隔振特性。车辆的减振系统一般包括轮胎、悬架和座椅三个环。侈，其中，起 重要作用的是由弹性元件和阻尼元件构成的悬架系统。 1 2 悬架的分类 汽车悬架按振动控制的方法一般分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架3 个类型m 1 。 图1 1 被动悬架图 f i g i 1p a s s i v es u s p e n s i o n 1 2 1 被动悬架 图1 2 半主动悬架图 f i g i 2s e m i a c t i v es u s p e n s i o n 图1 3 主动悬架图 f i g 1 3a c t i v es u s p e n s i o n 传统的悬架，即被动悬架，其力学模型如图1 1 所示。主要由弹簧、减振器、稳定杆和 弹性轮胎组成，被动悬架弹簧的弹性特性和减振器的阻尼特性不能随着车辆运行工况的变化 河南农业大学硕士学位论文 而进行调节，而且各元件在工作时不消耗外界能源，故称为被动悬架。这种悬架的结构简单，一 性能稳定，经过不断改进，现在技术已经很成熟了。然而，汽车在行驶的过程中，其平顺性 和操纵稳定性对悬架参数的要求是不一样的，传统的被动悬架已经不能满足汽车工业的发 展。因此，人们提出了性能更加优越的主动悬架和半主动悬架。 1 2 2 半主动悬架 半主动悬架，其力学模型如图1 2 所示，它是由无源但可控的阻尼和弹性组件构成。半 主动悬架的减振方法和工作原理与被动悬架相似，但根本区别是其阻尼器的阻尼系数能在一 定的范围内实时主动调节或承载弹簧的刚度可变，以达到最佳减振性能。可以根据路面的激 励和车身的响应对悬架的阻尼系数进行自适应调整，使车身的振动控制在一定的范围内。这 种悬架由于弹性组件用于吸收和存储能量外，还要承受车体的静止重量。所以在无源条件下， 由于改变刚度要比改变阻尼困难得多，因此，大多数半主动悬架实际上仅讨论阻尼的控制和 改变。半主动悬架刚度和阻尼的调节策略及实现是研究的关键，一般情况下，阻尼和刚度的 改变是由机电液复合控制方法来实现。半主动控制包括两个方面：控制策略和作动机构。现 代控制理论的研究成果和各种智能控制算法的发展为半主动控制的研究提供了技术支持| 2 1 。 1 2 3 主动悬架 主动悬架，其力学模型如图1 3 所示，它是一种有源控制悬架。主动悬架可以根据乍辆 行驶条件的变化。主动改变悬架的刚度和阻尼系数。在车辆行驶路面、速度变化时以及在转 向、启动、制动等工况时都可以进行有效的控制。主动悬架是由弹性元件和力作动器组成。 这种作动器一般是由外部油泵供给能量，产生由控制信号确定的力。车辆动力学发展中的一 个里程碑是主动悬架控制技术的发展，它主要是通过各种反馈信息来实现悬架刚度和阻尼的 可调，以保证汽车行驶时的乘坐舒适性和行驶安全性。它的概念是由f e d e r p i e ll a b r o s s e 在 1 9 5 4 年提出的他1 。w e s t i n g h o u s e 在1 9 6 5 年也进行了相似的研究。在二十世纪六十年代早 期，许多人已经开始了一些基本的研究工作，但首先使主动悬架的基本思想和控制律得到完 善总结的是t h o m p s o n 。主动悬架的控制效果好，但实现起来较复杂，需要独立的外加能源， 并带来耗费加大、工艺及安装问题，冈此，在理论上和工程实现上都有一定的难度啊刳。 1 3 三种悬架的性能比较 被动悬架的设计与要求往往是矛盾的，因为缓解车辆振动和控制车辆的摆动是相互矛盾 的。要提高车辆的舒适性，则需降低固有频率，采用软悬架，而悬架刚度的降低则意味着车 轮与车体间的相对行程增大了，这往往使得车辆的操纵能力下降了。反之为提高车辆的操纵 稳定性，要求较大的弹簧刚度和较大的减振器阻尼力，以限制过人的车身运动，但同时会使 车身产生颠簸从而影响车辆的乘坐舒适性。 因此传统的悬架的设计必须进行折衷选择设计。又由于被动悬架有以下特点： ( 1 ) 悬架静挠度与系统固有频率的平方成反比，易产生较大的动挠度； ( 2 ) 只对局部的相对运动的反应而产生力，限制悬架参数的选择范围； 2 河南农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 悬架参数不能随激励的变化而进行调节； ( 4 ) 不需要外加动力源，只能存储或消耗能量。 所以被动悬架的性能有很大的局限性。首先，由于被动悬架系统的取值范围很小，加上 行驶平顺性和操纵稳定性对参数的矛盾要求，因此即使采用最优化的方法也很难得到令人满 意的结果。其次，由于悬架参数不能调节，这就使得最优设计的结果只能对特定的激励条件 产生最优响应，一旦激励发生变化，悬架便不再为最优。车辆在行驶时，路面的情况和车速 是变化不定的，因此这种刚度和阻尼系数都不可调节的被动悬架是不可能在改善车辆的乘坐 舒性、行驶平顺性和操纵稳定性方面有大的作为。并由于被动悬架本身缺陷的不可消除性， 它己经无法满足现代地面车辆高车速的要求，也不能适应广泛的车辆性能和道路条件的需 要，所以即能适应广泛的激励，又能获得广泛优越性能的主动及二仁主动悬架技术产品的研究 越米越受到重视。 所谓的主动恳架是指在悬架系统中采用有源或无源控制组件组成的一个闭环控制系 统，根据车辆的运行情况和路面状况做出响应，以控制车身的振动和摆动n 1 。 主动悬架具有根本区别于被动悬架的西个基本特征： ( 1 ) 主动悬架能连续地提供并调= | 了能量流，因而其动力学性能不随车辆载荷的变化而改 变，控制力也不受原先所储存的能量而产生或改变； ( 2 ) 主动悬架可以产生许多变量函数的力，因而能够适应广泛的外部干扰。 因此，主动悬架具有以下显著的优点： ( 1 ) 能提供低的州有频率，因而在获得较好舒适性的情况下，仍能满足较小的悬架静态 变形； ( 2 ) 低的悬架动挠度，特别是在瞬态激励下； ( 3 ) 悬架的动力学性能不随车辆的载荷而改变； ( 4 ) 对任何形式的激励均能做出高速响应； ( 5 ) 随激励的变化而任意改变悬架的特性，以达到最好的减振效果。 主动悬架的出现成为车辆一r 程理论和实践中的重人革命，主动悬架同时改善了车辆的舒 适性和安全性。但是，主动悬架的执行机构需要选用高精度的伺服机构( 如液压伺服缸、电 磁服务器等) ，需要复杂的传感器和仪器设备，需要较多的外部动力来控制机构；这就决定 了主动悬架系统的结构复杂、技术性高、成本昂贵，另外悬架j r 作时要耗费大量的发动机功 率。而半主动悬架同时具有主动悬架、被动悬架的特征，并且在更多的方面又保留被动悬架 的固有特征。概括起来有如下的儿点： ( 1 ) 半主动悬架以闭循环的方式控制阻尼力，包括传感器、电子控制装置( e c u ) ，以及调 制阻尼力伺服阀，这方面类似主动悬架； ( 2 ) 可以采用各种可能的控制策略，如天棚阻尼控制、简单线性反馈控制、最优控制、 相对控制或采用自适应控制，这类似主动悬架； 3 河南农业大学硕士学位论文 ( 3 ) 无论采用怎样的控制方式，半主动悬架系统都不能提供能量，而仅能消耗能量； ( 4 ) 半主动悬架系统本质上是可调阻尼系统，它可以产生任何期望的阻尼力替代被动阻 尼力。 1 4 半主动悬架研究的历史和研究的现状 1 4 1 国外研究的历史和现状 半主动恳架比主动悬架出现的晚一些，1 9 7 3 年，d a c r o s b y 和d c k a r n o p p 首先提出了 半主动悬架的概念，k a m o p p 还提出天棚阻尼控制模型和实现方法。半主动悬架的基本原理是： 用可调刚度弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈信号， 按着一定的控制规律调：常弹簧刚度或减振器的阻尼h 1 。与主动悬架相比，半主动悬架结构相 对简单，制造成本和运行成本都不高。 从2 0 世纪7 0 年代末期，特别是8 0 年代中期以来，有关汽车半主动悬架系统的文献和研究 成果每年都有报道，其中比较有影响的学者有k a r n o p p 、m a r g o l i s 晡1 、t h o m p s o n 和i e l m a d a n y 等，研究的内容涉及路面描述与模型，悬架系统的简化与建模，应用模糊逻辑控制、自适应 控制、h o o 控制、最优控制、人工神经网络等智能控制方法进行悬架控制规律的设计、系统 仿真与实验研究，成功地开发了不少新型的执行机构和作动器。从总体上看，悬架系统合理 化、控制理论复杂化和控制过程实用化是当今半主动悬架开发的一久特点，这些研究极人地 丰富了汽车半主动悬架的控制理论，有力地推进了半主动悬架系统在车辆j l ：程中的应用。 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，半主动：悬架也逐步从实验窒走向了工厂，世界 各大汽车公司和生产厂家都竞相研究和开发电子控制的主动以及半主动悬架系统，并在概念 车和部分豪华商用轿车上装备了各种电控主动和半主动悬架系统。1 9 7 5 年，m a r g o l i s 等人提 出了“开关”控制的半主动悬架1 5 1 ，它能产生较大的阻尼力，这种悬架己经应用到了实车上； 1 9 8 3 年，日本丰田公司也开发了一种具有三种减振工况的“开关”式半主动悬架，并应用于 s o a r e r 轿车上阳1 。1 9 8 8 年，日本日产公司首次将“声纳”式半主动悬架应用于m a x i m a 轿车上 盯1 ，它可预测路面信息，悬架减振器具有“柔和”、“适中”和“稳定”三种选择状态。2 0 世纪9 0 年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的应用。1 9 9 4 年，p r i n k o s 懈1 等人使用了电流变和磁流变体作为工作介质，研究了新犁半主动悬架系统；2 0 0 2 年，采用美 国d e l p h i 公司磁流变减振器的m a g n e r i d e ：卜主动悬架应用在y c a d i l l a cs e v i l es t s 高档轿车 上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼，c a d i l l a c 公司声称，此系统不仅能改进 行驶平顺性和操纵性，而且可以减缓重量的传递速度，从而保持稳定性也非常有效。同一年， 德国采埃孚萨克斯公司宣布，该公司最近与另一家名为蓝旗亚的汽车公司合作，开发出了一 种能自动识别道路状况的半主动悬架系统自动连续调节阻尼控制系统。据称，这一系统 不仅可以装配在诸如法拉利等赛车上，还可以安装在其他高级轿车上。该系统由4 只可控减 振器、6 只加速度传感器以及1 个电子控制元件组成，可控减振器的阻尼力通过内部或外部的 比例调节阀连续调节，电子控制元件采用天棚阻尼控制策略，根据车身起伏、俯仰、侧倾等 4 河南农业大学硕士学位论文 运动状态，对每个车轮进行独立控制。 。 1 4 2 国内研究的历史和现状 国内对半主动悬架的研究主要集中在变阻尼的半主动悬架上。有改变阻尼介质粘稠度实 现变阻尼的，还有改变阻尼孔的大小实现变阻尼的。其中，吉林工业大学、北京理工大学和 重庆大学等高等院校开展了许多有价值的研究船h 7 1 n 们他钥，做了大量有探索性的工作，取得了 不少有价值的成果。其中，北京理工大学的章一鸣采用了四分之一悬架模型对半主动悬架的 阻尼控制进行理论探讨，曾志华利用三级可调减振器，根据序列决策控制方法对悬架系统进 行控制实验，吉林工业大学的李祁对汽车姿态? 卜主动控制的研究成果，重庆大学的舒红宇对 汽车主动悬架的理论分析和模型试验。这些研究工作为开发智能恳架系统奠定了坚实的技术 和理论基础引。 由此可见，半主动悬架系统己经受到了国内外汽车= 业界的高度重视。而当今电子技术、 非线性理论、人工智能等先进技术的蓬勃发展，给半主动悬架系统提供了更为广4 阔的研究和 应用的空间州。 1 5 车辆悬架系统智能控制策略的研究综述 车辆半主动悬架的研究在国内外，尤其在国外得到了广泛的开展，许多大学和汽车大公 司对半主动悬架进行了理论与实践的研究，_ 并取得了很好的效果。对半主动悬架的研究主要 从两个方面展开：一是各种可能模型的半主动悬架，及其控制规律的特性研究( 与被动恳架相 比较) 。二是控制规律的设计，采用不同的控制规律和数学模型，所获得的悬架特性是不一 样的，因此采用什么样的模型和控制规律以及与之对应的悬架特性是什么，是半主动悬架研 究的一个重要方面剐。常见控制方法有： 1 5 1 最优控制方法 最优控制是通过经验确定一个能提高平顺性和操作稳定性的目标函数，然后以一定的数 学方法算出使该函数取得极值的控制输入。典型代表有线性最优控制、h 一最优控制。线性 最优控制，是以系统理想模型为基础，采用被控对象的状态响应与控制量的加权二次型作为 性能指标，在保证受控结构动态稳定性的条件下，把( 线性二次型) 调。1 了控制器理论和( 线性 二次高斯型) 控制理论用于车辆半主动悬挂系统中实现最优控制；h c o 最优控制是在保证系统 稳定的条件下，设计控制器使系统在干扰噪声下的输出取极小的一种最优控制，可使半主动 悬挂系统的振动控制具有较强的鲁棒性。 最优控制在理论上是最优的，然而由于车辆悬架系统的高度复杂性以及最优控制方法对 于大量状态信息获取的需求，使控制算法的计算量大大增人，从而限制了最优控制在车辆悬 架控制中的实际应用。 1 5 2 模糊控制方法 模糊控制方法的关键是采用经验和理论分析建立控制规则，由于模糊控制是基于模糊控 制规则经推理后对系统进行控制，故具有很强的鲁棒性。模糊控制方法在半主动悬架系统中 5 河南农业大学硕士学位论文 的应用效果比常规控制方法有效，但模糊控制器的稳定性只能通过一些模拟过程测试，稳定 性判别标准尚不存在；另外控制器只适用于一定的汽车参数，改变轮胎性能会使控制结果明 显变坏，而且路面性质对控制效果影响较大n 钔。， 1 5 3 天棚阻尼控制方法 天棚阻尼控制方法因其控制算法简单而得到了广泛的应用。但天棚阻尼控制只解决了悬 架系统的舒适性而没有很好的解决操纵稳定性问题。因此，目前研究的重点是改进型的天棚 阻尼控制方法刖。 1 5 4 神经网络控制方法 、 神经网络方法具有很强的非线性映射能力，尤其适用于描述复杂非线性系统，神经网络 控制多以与传统控制相结合的形式出现，在控制中用作系统辨识器和控制器，神经网络是一 个由人量处理单元所组成的高度并行的非线性动力系统，其特点是可学习性和并行性；因此 在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。但神经网络不适于表达基于规则的知识，需要较 长的训练时间，因此神经网络控制与其它控制方法相结合构成复合控制模式才能获得更好的 实际应用效果。 1 6 本文研究的目的和意义 汽车悬架系统的研究与开发是车辆动力学与控制领域的前沿课题。随着相关科学和高 新技术的迅速发展，使的研究使用的? 主动和主动悬架控制系统成为现实。半主动悬架介于 被动悬架系统和主动悬架系统之间，兼顾二者的优点：成本较低，实现简单，而且采用好的 控制策略可以达到主动悬架的性能。因此，本论文将从控制策略的角度着手，来提高半主动 悬架的平顺性和操纵稳定性。 1 7 本文研究的主要内容 ( 1 ) 本论文以1 4 车辆即二自由度半主动悬架系统作为研究对象，基于车辆动力学理论， 对悬架系统进行简化，建立车辆半主动悬架震动系统的数学模型； ( 2 ) 通过建立积分白噪声的路面不平度的数学模型作为随机路面输入的仿真模型； ( 3 ) 针对汽车半主动j 悬架系统的非线性特点，采用人工神经网络中的b p 网络控制算法， 并将该算法应用于半主动悬架系统中，基于已经建立的1 4 汽车半主动悬架系统的数学模 型，运用b t a t l a b 中的s i m u l i n k 工具包实现仿真，将仿真结果与被动悬架的性能结果进行比 较，来验证b p 网络控制算法的有效性； ( 4 ) 仿真结果分析，对悬架性能作出评价，得出结论。 6 河南农业大学硕士学位论文 2 汽车半主动悬架系统动力学分析 要进行悬架系统的控制研究，首先应该建立车辆半主动悬架系统模型。作为悬架系统， 必将经受路面的激励而产生振动，选择合适的模拟路面也是进行悬架仿真的一个重要环节。 2 1 悬架系统的性能评价指标 车辆悬架的两个主要功能是保证车辆良好的乘坐舒适性和行驶安全性。悬架在执行该功 能的同时，还必须将悬架行程控制在允许的限度内，并满足在载荷变化、加速、制动、转弯 时对车身姿态的要求引。评价指标是车辆半主动恳架性能研究过程中的重要组成部分，经过 分析，确定车身垂直加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷为本文的评价指标。这些指标不仅能 反映车辆的行驶平顺性，而且也反映了乍辆操纵稳定性，是对车辆行驶过程中舒适性和安全 性的综合评价叭。 2 1 1 车身垂直加速度 有许多种方法来描述乘座舒适性。基于有关振动对人体影响的试验结果而得出的结论可 知，垂直加速度的均方根值与试验参加者表明的舒适感觉成线性关系，因此，最简单的方法 是计算乘员座椅位置的垂直加速度的均方根值。有关这方面研究在七十年代国外已进行了系 列研究。国际标准化协会在综合大量资料的基础上，提出了“人体全身承受振动的评价指南 0 s o2 6 3 1 ) ”，该标准崩频率加权加速度的均方根值给出了在1 - 8 0 h z 振动频率范围内人体对 振动反应的三种不同的感觉界限。即暴露极限，疲劳降低工作效率界限，舒适降低界限。 随着承受振动持续的时间加长，感觉界限允许的加速度值下降。由此标准可知，人最敏感的 频率范同，对于垂直振动是乱1 2 5 h z ，在4 - - - 8 h z 这个频率范围内，人的内脏器官产生共振： 对于水平振动是2 h z 以下“。其评价方法中最简单方法和最常用方法是总的加速度均方根 值评价方法。因此车身垂直加速度是评价汽车平顺性的主要指标。 2 1 2 悬架弹簧动挠度 悬架弹簧动挠度，即悬架悬挂质量与非悬挂质量之间的相对位移。当以加速度加权均方 根值最小作为悬架系统的单一评价指标时，得出的解是不符合实际的。因为此时要求作用于 悬架的力等于悬挂质量惯性力，其加速度恒等于零，从而要求悬架的工作空间足够大。事实 上，悬架的工作空间是受到限制的，悬架有允许的最大压缩行程，即限位行程。弹簧动挠度 与限位行程应适当配合，否则会增加行驶中撞击限位的概率，使行驶平顺性变坏，而且动挠 度过大也会影响汽车的操纵稳定性。因此，考虑悬挂质量加速度最小作为评价指标时至少要 附加一个悬架工作空间的约束。 2 1 3 轮胎动载荷 轮胎动载荷，即轮胎对路面作用力的动载荷。轮胎的无阻尼共振频率接近于踮1 8 h z 。 在此频率下工作，轮胎的法向力在其静平衡点变化剧烈，当动载变化的幅值大于静载的时候， 就会出现轮胎法向载荷小于零的情况，此时车轮会跳离地面，将失去纵向和侧向的附着力， 7 河南农业大学硕士学位论文 使行驶安全性( 操纵稳定性) 恶化。因此，非悬挂质量变形或车轮对路面的作用力通常作为评 价悬架系统行驶安全性的一种指标。对于特殊的重型车辆，若车轮的动载过大，对道路的损 伤会加剧，为了能使车辆对路面损伤减轻，还必须控制轮胎对路面的动载荷大小。 车辆悬架系统的各项性能之间往往是相互矛盾的。以上指标之间的选择与侧重程度不 同，得出的悬架系统参数也不一致，人们试图从中找出折衷方案，以权衡各方面的基本要求。 在权衡时采用最多的是权重系数法，以权重表示各项指标的重要程度，这往往是主观上的最 优。在进行平顺性分析时，要对汽车振动系统的这三个振动响应量进行统计计算，以综合进 行评价恳架系统的性能。 2 2 路面不平度的功率谱及其输入模型 影响汽车乘座舒适性及行驶安全性的主要因素有三个方面7 1 ： ( 1 ) 路面不平度对汽车轮胎的干扰激励； ( 2 ) 由加速、制动、转向等运动状态变化和由阵风引起的空气动载荷造成的车身振动； ( 3 ) 动力传动系的扭转振动通过耦合而诱发的整车振动。 其中路面不平是行驶中的汽车产生振动的主要原因，而后两种振动方式的存在是有条件 的，而且形成机理与分析较为复杂，因此绝大多数汽车平顺性研究都以路面不平度作为整个 汽车系统的外界干扰输入。 路面输入大致可以划分为冲击作用和连续振动两类。冲击作用是指在较短时间内的离散 事件，并且具有较高的强度，例如平坦道路上的凸包和凹坑。连续振动则是指沿道路k 度方 向的连续激励，例如沥青路面。对于连续型随机路面，一般采用空间频率功率谱密度函数以 及相应的时域表示形式加以描述。 2 2 1 路面不平度的功率谱 一般来讲随机稳态振动在汽车动力学中，具有重要的意义，因为它正好与路面不平度相 对应。 一个稳态随机函数可以通过分布密度函数“x ) 和分布函数p ( x ) 来表达。若随机过程处于 稳态，即它的平均值保持不变，并且分布密度函数遵守以下法则7 馆删： 加卜志唧( _ 曙j 亿d 其中， i = ，l i m - - 1j ：7 ( f ) 以( 线性平均值) ( 2 2 ) 仃x 2 = ( x 一万) 2 = z 2 一i 2 ( 方差) ( 2 3 ) 通常，人们称这种过程为高斯分布或正态分布，即自噪声。 路面不平度可采用水准仪或专门的路面计测量来获得。国内外大量的测量统计说明，路 面不平度的程度与路面的功率谱有明显的关系。一般按照1 9 8 4 年国际标准协会在文件 8 河南农业大学硕士学位论文 i s o t c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案”和国内由长春汽车研究所起草制 定的“车辆振动输入一路面不平度表示方法草案”所建议的采用路面不平度功率谱密度描述 其统计特性。通常是把测量得到的大量路面不平度随机数据，经数据处理得到路面功率谱密 度，一般被普遍接受的路面不平度的功率谱密度g q ( n ) 可表示为 q ( 甩) = q ( ) ( 旦) 一 ( 2 4 ) k 式中 ，z 为空间频率，它是波长的倒数，表示每米长度中包含的波数，单位为m ； n o 为参考空间频率，n o - - 0 1m 一，是路面谱高频和低频的分界； q ( ) 为参考空间频率n o 下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为m 5 ； 形为频率指数，确定每段功率谱斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构，低、 高频段的频率指数分别为彤和，当，l 时，= 根据路面功率谱密度将路面按不平度分为8 级m l n 9 1 ，表2 1 给出了各级路面不平 度系数瓯( ) 的范围及其几何平均值，根据国内路面实测结果和国外资料提供的数据，对 于多数路面，频率指数= 2 ，典型路面实测功率谱的频率刀主要成分在o 0 1 1 2 8 3 c m 的 范围内。 袭2 1 路面不平度分级标准 t a b 2 ig r a d i n gs t a n d a r d so f r o a dr o u g h n c s s 上述路面功率谱密度指的是垂直位移功率谱密度，还可以用速度功率谱密度q ( 刀) 米描 述路面不平度的统计特性。q o ) 与q ( 刀) 的关系如下： q ( 船) = ( 2 万门) 2 q ( 甩) ( 2 5 ) 当频率指数为= 2 时，将( 2 4 ) 代入( 2 5 ) 得到 9 河南农业大学硕士学位论文 q ( 疗) = ( 2 万) 2 q ( ) ( 2 6 ) 从上式可以看出，此时路面速度功率谱密度为一常数，即为“自噪声”。幅值大小只与 不平度系数皖( 刀0 ) 有关。 2 3 车辆悬架系统的数学模型 为了对半主动悬架进行更细致的研究，更准确地预测：悬架参数对车辆性能的影响，需要 建立一个尽可能反映真实系统的整车模型，模型选择时考虑因素的全面与否同预测结果的精 度有很大关系。通常认为理论模型的自由度数越多，它就越接近真实的物理结构。但精确模 型的建立本身就很复杂，而且多自由度系统要求测定的有关参数也就相应的多，在车辆设计 阶段许多参数并不能准确测定，会给计算结果带来误差。1 4 单轮车辆模型是设计汽车可控 悬架控制律最基本的模型，由于模型中只有一个车轮，所以不能用来研究汽车的姿态控制， 但是它基本能反映汽车悬架中本文所关心的一些本质问题：车身垂直加速度、恳架弹簧动挠 度与轮胎动载荷等。与复杂的全车模型比较，1 4 单轮车辆模型具有以下优点：所涉及的设 计参数最少；所涉及的性能参数最少；可以简化系统输入；容易理解设计与性能之间的关系。 因此，本文以1 4 单轮车辆模型为载体，对半主动悬架控制系统进行研究旺卜嘲。 2 3 1 车辆振动系统的简化 为了研究车辆半主动悬架系统对于汽车平顺性和操纵稳定性的影响，必须建立合适的动 力学模型。汽车是一个非常复杂的振动系统，从机构学观点看，它是一种复杂的空间机构； 从动力学观点看，可以进行力学建模，并且可以简化模型。车厢、底盘及载荷等惯性很大而 弹性相对微弱，故把它们简化为只有质量而无弹性的刚体：减振弹簧的弹性极为显著而弹性 相对于车厢很小，故把它简化为只有弹性而无质量的弹簧；午轮可以简化为单自由度有阻尼 系统。因此，研究悬架系统的振动特性时，为便于分析，可以将汽车简化为一个把汽车7 f 身 质量看作为刚体的立体模型咄 2 7 1 。 车辆是一个复杂的多自由度振动系统，为了便于分析，需要进行简化。当每个车轮采j h j 独立悬架结构时，可简化为所谓最常用的1 4 单轮车辆模型。在1 4 单轮车辆模型中，最简 单的是单自由度模型。当考虑非悬挂质量与轮胎的影响时，可得两自由度模型。这两种模型 能反映出车辆垂直振动的基本特征。悬挂质量反映出车身垂直振动，其自然频率在0 5 2 5 t l z 之间。为了反映俯仰振动和垂直振动，不考虑横向摆动，人们建立了“半车模型”， 其自由度为四个，即车身上下振动及俯仰，前、后轮非悬挂质量上下移动旺卜捌。因此，车辆 模型根据分析的侧重点不同分为1 4 单轮车辆模型，1 2 单轮车辆模型和整车模弛。其分析 建模方法是以振动理论与多刚体动力学为基础，结合试验建模，运用数值分析方法进行动力 学分析。 2 3 2 被动悬架的数学模型 选择1 4 单轮车辆模型即两自由度的汽车振动模型为本文的研究对象，建立悬架系统的 线性动力学模型( 如图2 1 所示) 。以图中2 1 的悬架动力学模型为基础，按照牛顿第二定律 1 0 河南农业大学硕士学位论文 以及相关的振动理论，写出线性被动悬架车身与车轮两自由度的车辆振动模型的振动微分方 程阶别： m 2 2 2 + k 2 ( x 2 一x 1 ) + c o ( 量2 一戈1 ) = 0 m l 舅l k 2 ( z 2 一x 1 ) 一c o ( i 2 一戈1 ) + k l ( x l x o ) = 0 图2 11 4 车辆被动悬架模型 f i g 2 it h eq u a r t e rm o d e lw i t hp a s s i v es u s p e n s i o n 其中，毛表轮胎刚度系数，乞为悬架减振弹簧刚度系数；铂代表非簧载质量，m 2 代 表簧载质量；岛代表为减振器阻尼系数；x o ，而，而分别代表地面乖直位移、非簧载质量 位移以及簧载质量位移：j 为车身加速度，恐一五为悬架动挠度，k m ( x l x o ) 为车轮动载荷； 模型中用线性弹簧代替弹性轮胎，忽略了轮胎阻尼n 砌n 硼豫”。 在主频带内路面激励速度可以近似处理为向噪声，即 w = x o ( r ) 选取状态变量： x i = x 1 一x o ，x 2 = x 2 一而，墨= 毫，x 4 = 文2 x = 瞄五五妫】7 它们分别为悬架动挠度、车轮变形、非簧载质量垂直速度、车身乖直速度。 i = 砭，艺= 向( 五一x o ) ，e = x 2 一 】，= 】，。 y ：】，】7 此系统的输出项y 反映悬架的3 项性能指标：芝为车身垂直加速度；而一五为悬架动 挠度；k j ( x l 一而) 轮胎动载荷。 则悬架系统的空间状态控制方程为： 河南农业大学硕士学位论文 其中 喜三会妻+ b w a = ： o 一七2 m 2 o 1 2 肼2 l c o m 2 o c o m 2 0 0 o 土 n 2 1 c 0 m 2 l c 0 m 2 c=三0：0手；00 00 c ：l o 1oo l l l i i 1j 1 2 河南农业大学硕士学位论文 图2 11 4 车辆半主动悬架模型 f i g 2 1t h eq u a r t e rm o d e lw i t hs e m i a c t i v es u s p e n s i o n 则半主动悬架系统的空间状态控制方程为： x i 翁紫 其中 彳= o 一 2 m 2 o k 2 m 2 l b = l0 ( 1 一f 0 埘2 o f o m 2 o o o k l m 2 上o m 2 c 艨辜 。= ( 去。) 7 1 3 1 c o _ i ，2 1 一c o m 2 l、_、一i 河南农业大学硕士学位论文 选取状态变量： 五= 而一x o ，五= 而一而，也= 毫，五= 岛 x = 陇五墨x 4 】7 输出向量： i = 艺，k = 毛( 五一x o ) ，e = x 2 一而 】，= x 艺 匕】7 此系统的输出项y 反映悬