（光学工程专业论文）基于联合仿真的主动悬架控制策略研究.pdf

摘要 悬架作为车辆行驶系的重要组成部分，对汽车的操稳性和舒适性有着很大的影响。 而主动悬架按照一定的控制策略，主动地调整和产生所需的控制力，对车身振动进行控 制，使车辆始终具备良好的操稳性和平顺性。而控制策略的优劣对主动悬架性能有重大 影响，故对其的研究受到越来越多的重视。本文在联合仿真的基础上，对多种控制策略 进行了分析研究。 采用滤波白噪声法建立了路面激励的时域模型，并建立了悬架动力学模型，在 a d a m s 中建立了简化的悬架系统的机械模型，设置相应的输入输出变量，选取车身振 动加速度为控制目标，并利用c o n t r o l s 插件导出可用于联合仿真的子系统。 根据p i d 控制原理和模糊控制理论，建立了传统的p i d 控制器；以及由模糊控制器 进行在线参数自整定的模糊一p i d 控制器，该控制器的模糊控制部分是一个双输入三输入 控制器，其输出为p i d 控制器参数的调整系数；还建立了一种可根据误差值大小自动在 模糊控制和p i d 控制间切换的复合控制器。 对神经网络控制的理论进行了简单介绍，利用s 函数建立了主动悬架单神经元控制 器；并建立了由三层b p 神经网络进行在线辨识，并在此基础上对神经p i d 控制器权值 进行在线调整的在线辨识神经p i d 控制系统。 分别把上述控制器与悬架模型的导出模块连接起来，进行联合仿真，对其输出的振 动加速度，悬架动挠度，车轮动载荷进行分析比较，得出不同控制策略的优劣与特点。 关键词：主动悬架、p i d 控制、模糊p i d 控制、神经网络控制、联合仿真 a b s t r a c t v e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e mi sa l li m p o r t a n tp a r to ft h er i d es y s t e m ，a sh a sg r e a ti m p a c to n r 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 e s p e c i a l l y , b a s e do nc e r t a i nc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ea c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e ma c t i v e l yc h a n g e sa n dg e n e r a t e sd e s i r e dc o n t r o lf o r c ea n dc o n t r o l sc a rb o d y v i b r a t i o n ，a sh a sv e h i c l e m a i n t a i nw e l lr 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 。a n dt h e s u p e r i o r i t yo fc o n t r o ls t r a t e g i e sh a si m p o r t a n ta f f e c to nt h ef u n c t i o no fa c t i v es u s p e n s i o n , t h e r e f o r e ，t h er e s e a r c ho fa c t i v es u s p e n s i o nh a sb e e np a i di n c r e a s i n g l ya t t e n t i o n b a s e do n c o s i m u l a t i o n ，t h i st h e s i sm a k e sa n a l y t i c a ls t u d yo ns e v e r a lc o n t r o ls t r a t e g i e s t i m ed o m a i nr o a dr o u g h n e s si ss t r u c t u r e db ym e a n so ff i l t e r i n gw h i t en o i s e s i m p l i f i e d s u s p e n s i o ns y s t e mm e c h a n i c a lm o d e li ss t r u c t u r e dw i t hc o r r e s p o n d i n gi n p u ta n do u t p u t v a r i a b l ea m i dt h ea d a m s ，a n dv i b r a t i o na c c e l e r a t i o ni sc h o s e na sc o n t r o lt a r g e tu s i n g c o n t r o l p l u g i nu n i te d u c i n gs u b s y s t e m ，w h i c hc a l lb eu s e df o rc o s i m u l a t i o n b a s e do np i dd o m i n a t i o np r i n c i p l ea n d 晒c o n t r o lt h e o r y , t r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l l e ri s s t r u c t u r e d ，a sw e l la sf u z z yc o n t r o l l e ri sp r o c e e d i n go n l i n ep a r a m e t e ro fa u t ot u n i n g ，a l s o r e g a r d e da sp i d c o n t r o l l e r f u z z yc o n t r o lu n i to ft h ec o n t r o l l e ri sd o u b l ei n p u tt h r e eo u t p u t c o n t r o l l e r , w h o s ei n p u td a t ai sa d j u s t i n gp a r a m e t e r so fp i dc o n t r o l l e r b e s i d e st h a t ，a i l c o m p o u n dc o n t r o l l e ri ss t r u c t u r e dw i t ht h ef u n c t i o no fs h i f t i n gt of u z z yc o n t r o lo rp i d c o n t r o l i na c c o r d a n c ew i t he r r o rv a l u e n e u r a ln e t w o r kc o n t r o lt h e o r yi sg i v e nb r i e fi n t r o d u c t i o n , a n da c t i v es u s p e n s i o nw i t ht h e s i n g l e n e u r o nc o n t r o l l e ri ss t r u c t u r e db ym e a n so fs - f u n c t i o n f u r t h e r m o r e ，o n l i n e i d e n t i f i c a t i o nn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls y s t e mi ss t r u c t u r e db ym e a n so ft h e o n l i n e i d e n t i f i c a t i o nf u n c t i o no ft h r e e l a y e rb pn e u r a ln e t w o r k ，o nt h eb a s i so fi t ，w e i g h to fn e u r a l p i d c o n t r o l l e ri sa d j u s t e do n l i n e c o n t r o l l e r sa n de x p o r tm o d u l e so fs u s p e n s i o nm o d e l sm e n t i o n e di nt h ea b o v ea r e r e s p e c t i v e l yc o n n e c t e dt ot h ec o n t r o l l e ri no r d e rt op r o c e e dw i t hc o s i m u l a t i o n t h eo u t p u t d a t ad e r i v e df r o mi t , o fv i b r a t i o na c c e l e r a t i o n ，s u s p e n s i o nd y n a m i cd e f l e c t i o na n dd y n a m i c l o a d so ft h ew h e e l si sa n a l y z e da n dc o m p a r e di no r d e rg e ts p e c i a l t y , m e r i ta n dw e a k n e s so f i i i d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s k e yw o r d s ：a c t i v es u s p e n s i o n 、p i dc o n t r o l 、f u z z yp i dc o n t r o l 、n e u r a ln e t w o r kc o n t r o l i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 悬架是保证车轮或车桥与车辆承载系统( 车架或承载式车身) 之间具有弹性连接，并 起传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节车辆行驶中的车身位置等作用的有关装置的 总称。 悬架的主要作用是将作用于车轮上的垂直反力( 支撑力) 、纵向反力( 牵引力和制 动力) 以及这些反力所造成的力矩都传递到车架，以保证汽车的正常行驶【l 】。 悬架的主要构成有弹性元件，主要起缓冲作用；减震器，主要起衰减振动的作用； 导向机构，用于使车轮跳动时的运动轨迹符合一定的要求，从而使车辆在车轮跳动时保 持良好的行驶性能；此外还有用于防止车身在转向时产生较大侧倾的横向稳定杆。 1 1 车辆悬架技术现状 悬架作为车辆行驶系统的重要组成部分，对汽车的操稳性和舒适性有着很大的影 响。所以在汽车诞生百年以来，悬架系统的结构形式和工作原理都在不断的发展和改进。 自上世纪7 0 年代以来，随着机械动力学，流体传动与控制、测控技术、计算机技术、电 子技术、材料科学、非线性力学等相关学科的迅速发展，工业发达国家开始致力于研究 基于振动主动控制的主动半主动悬架系统。尤其是近些年来，随着智能控制理论的发展 与完善，将其引入车辆悬架振动控制系统，使得车辆主动悬架控制系统不仅在理论和方 法上取得了长足进步，并且也具备了实际应用的基础【2 1 。下面对各种典型悬架类型进行 介绍： 1 1 1 被动悬架 被动悬架由于具有结构简单，无需能量输入，价格低廉等优点，因而在相当长的时 间里获得了非常广泛的应用。早在1 9 3 4 年，o l l e y 首次提出了被动悬架的设计理论，通 过调整弹性元件的刚度、减振器的阻尼系数、改变车辆的轴距、弹簧在车身上的的安装 位置等来改善车辆的行驶平顺性和操纵稳定性【3 1 。二自由度的被动悬架系统模型如图 1 1 所示： 第一章绪论 t z 2 l - j z l i jh 图1 1 被动悬架示意图 对于被动悬架来说，由于其刚度和阻尼不可调节，当车辆驶过不平路面时，就只能 “被动”地做出响应，所以称为被动悬架。一般来说，被动悬架具有以下一些不可避免 的局限性： ( 1 ) 弹性元件刚度不能太低，因为弹性元件刚度越低，悬架系统要求的工作空间就 越大，在车辆上无法布置。并且当悬架的偏频低于0 7 h z 时，会大幅影响驾乘人员的舒 适性，甚至会导致乘客晕车。 ( 2 ) 悬架的阻尼设置同时影响操纵稳定性和乘坐舒适性，对被动悬架来说，二者很 难兼顾。 ( 3 ) 由于被动悬架的各项参数均为定值，所以当车辆的载荷，路面不平度和行驶速 度发生较大变化时，车辆不能确保在所有的工况下都具备良好的平顺性和操稳性。一般 在设计中，被动悬架只保证在某一常见工况下的最优，该工况与车辆的设计定位密切相 关。对于重视舒适性的轿车，其悬架调校较软，运动型跑车则较硬。 随着高速公路的发展，汽车车速有了很大的提高，传统被动悬架的上述缺点逐渐成 为进一步提高汽车行驶性能的限制因素，为此人们开发了能同时获得较高舒适性和操纵 稳定性的主动半主动悬架。 1 1 2 半主动悬架 弹性元件的刚度或减震器的阻尼比中，有一项可以调节的悬架称为半主动悬架。而 由于悬架刚度调节相对比较困难，工程实际中出现较多的通常为可变阻尼半主动悬架。 阻尼可调的半主动悬架又可分为阻尼连续可调式和阻尼分级可调式两种。由于主动悬架 2 长安大学硕士学位论文 没有产生控制力的元件，所以它的工作过程是先由控制器根据传感器提供的数据计算所 需的控制力，然后对可变阻尼减震器进行阻尼调节来模拟控制力，以达到对外部激励的 主动响应。这样做虽然相对降低了对车辆振动的控制效果，但也节省了能源。半主动悬 架作为一种折中的悬架解决方案，比主动悬架的提出要晚一些，它的概念是在1 9 7 3 年 由c r o s b y 和k a r n o p p 率先提出来的【5 1 。其结构如图1 2 所示： 图1 2 半主动悬架示意图 1 1 3 主动悬架 主动悬架是采用有源或无源可控元件组成一个闭环或开环的控制系统，根据车辆系 统的运动状态和外部输入情况的变化( 路面激励或驾驶员方向盘操作等) ，按照一定的 控制策略，主动地调整和产生所需的控制力，使车辆始终具备良好的操稳性和平顺性。 主动悬架的主要部件包括产生作用力的作动器，测量车辆运动状态信号的传感器，控制 器以及向作动器供能的动力源。 按作动器提供能量设备的不同，可将其分为主动空气悬架，主动油气悬架和主动 液力悬架三种。按作动器响应带宽的不同，也可将主动悬架划分为宽带主动悬架和有限 带宽主动悬架，也可称之为全主动悬架和慢主动悬架。 常见的全主动悬架有两种，一种是取消传统的弹性元件和减震器，在簧载质量和非 簧载质量之间只安装作动器，并由其吸收和补充全部能量；一种是将作动器并联连接在 传统的被动悬架上。由于后者的能量消耗小，而且可在作动器失效时以被动悬架的方式 正常工作，故在汽车行业得到了相对广泛的应用。其结构如图1 3 所示： 3 第一章绪论 图1 3 主动悬架示意图 由于主动悬架通常采用电信号进行控制，因此它具有一个重要的特点，就是其控制 策略可以方便地更新。所以从理论上讲，车辆可以根据实时路况更新主动悬架的控制律， 以期达到各种路况下良好的行驶性能 6 1 。 主动悬架与半主动悬架和被动悬架相比，结构复杂，成本较高，工作时需要消耗一 定能量，并且会增加整车整备质量，不过也是性能最好的悬架系统。故主动悬架往往在 高级轿车或是赛车上采用。 1 1 4 主动悬架的控制方法 控制器和作动器作为主动悬架的核心部分，对主动悬架的性能有着巨大的影响。所 以国内外学者对主动悬架的控制方法进行了广泛而深入的研究，主要提出了以下几种控 制策略： ( 1 ) 天棚阻尼控制 天棚阻尼控制是最早提出的一种悬架控制算法，最开始应用在半主动悬架控制器设 计上，其控制原理是美国的d k a r n o o p 教授在1 9 7 4 年提出来的，天棚阻尼器控制设想 将系统中的阻尼器移至车体与某固定的天棚之间，对主动悬架而言，其基本原理是使悬 架作动器输出一个与车身绝对速度成正比的控制力对车身进行控制，进而衰减车身的振 动。由于天棚阻尼控制只需检测簧上和簧下质量的速度，所以只需要较少的传感器，且 控制方法比较简单，因而在工程实际中得到了较为广泛的应用。 ( 2 ) 地棚阻尼控制 4 长安大学硕士学位论文 天棚阻尼在对乘坐舒适性进行大幅改善的同时并没有提高车辆轮胎的接地性，即 对操稳性的提高没有明显作用。故为了提高操稳性，根据天棚阻尼的思想又提出了地棚 阻尼控制。地棚阻尼控制假想在非簧载质量和某惯性坐标( 地棚) 之间设置减震器，即 将阻尼力施加在非簧载质量上，从而提高轮胎抓地力，进而改善车辆操稳性。 文献【7 1 提出了一种混合控制策略，该策略可以对操稳性和舒适性进行综合考虑，具 有较好的控制效果，其控制策略表达式如式( 1 1 ) 所示： 只- a 只耖+ ( 1 一a ) f 茹 ( 1 1 ) 上式中为天棚阻尼器控制力，为地棚阻尼器控制力。 然而无论对于天棚阻尼算法还是地棚阻尼算法，都需要获得车身速度的绝对值， 通常该数值很难精确测量，这就影响了这两种算法的控制效果。 ( 3 ) 自适应控制 自适应控制通过不断测量悬架系统的状态或参数，将系统当前的性能指标与期望的 指标相比较，以调节控制器的结构、参数或控制律，使系统始终运行在最优或次优的状 态，增强了悬架系统的鲁棒性，提高了悬架系统抗摄动、干扰的能力，是一种较好的控制 方法。自适应控制主要包括模型参考自适应控制和自校正自适应控制，这两者在主动悬 架控制上都有广泛应用针。在主动悬架的控制中，模型参考自适应通常是指对运行初始 的静态干扰，比如因成员或货物改变所产生的车身质量的变化所进行的自适应；自校正 自适应通常是指的是对在车辆行驶中，具有较慢统计特性变化的干扰，即路面激励的自 适应 9 1 。自校正控制系统主要由两部分组成，一个是参数估计器，另一个是控制器。参 数估计器得到控制器的参数修正值，控制器根据修正后的参数计算控制动作。它是一种 将受控对象参数在线估计与控制器参数整定相结合的控制方法，控制器的参数是间接更 新的。 ( 4 ) 模糊控制 模糊控制可以处理系统不确定性问题，而且不依赖于被控系统的数学模型，因而对 系统的参数变化不敏感；并且其控制规则包含了大量的专家信息，属于智能控制的一种， 算法相对简单。基于上述特征，模糊控制非常适用于具有随机扰动和复杂模型的车辆悬 架系统。采用模糊控制算法能节省存储器工作空间，响应及时，但是该种控制方法自适 5 第一章绪论 应性较差，一般与其它算法结合起来使用，例如用于对p i d 参数的自整定。目前模糊控 制算法在主动悬架的控制研究中已经有了较为广泛的应用【1 0 1 。 ( 5 ) 神经网络控制 神经网络是近些年来迅速发展起来的一门新兴交叉学科，作为一种并行分布式处理 系统，它是以一定数量的处理单元( 神经元) 为节点，按某种拓扑结构构成的高度并行 的非线性系统，其特点是具有能适应环境变化的自学习能力和对信息进行并行分布式处 理的能力。因此神经网络也非常适用于对主动悬架的控制。 除了上述介绍的控制方法外，常用的还有p i d 控制，最优控制，滑模控制，鲁棒控 制等方法。 1 2 主动悬架技术的国内外研究现状及发展趋势 1 2 1 主动悬架的国内外研究现状 悬架系统的性能对整车性能，尤其是操稳性和舒适性有着重要影响。而随着技术的 不断进步，传统被动悬架的改进余地越来越小，于是在1 9 5 4 年，美国通用汽车公司的 f e d r s p i e l l a b r o s s e 在悬架设计中就首先提出了主动悬架的概念【1 1 1 。在主动悬架的理论研 究历程如下：1 9 6 8 年b e n d e r 对线性预瞄控制在车辆主动悬架控制中的应用进行了研究 【1 2 1 。美国的d k a r n o o p 教授在1 9 7 4 年提出了天棚阻尼概念和主动减震器的概念。1 9 7 6 年，t o m p s o n 首先将全状态反馈最优控制理论应用于全主动悬架的研究o p t l 3 】。1 9 8 4 年 t o m p s o n 又利用部分状态反馈最优控制理论构造了次最优反馈阵【1 4 】。r m c h a l a s s a n i 于 1 9 8 6 年研究了整车模型的行驶性能。 由于主动悬架所具备的优良性能，世界各大汽车公司都将主动悬架技术的研发与应 用作为技术发展的重点方向之一。早在1 9 5 5 年，法国的雪铁龙汽车公司就研制出了一 种液压空气悬架系统，它能显著改善汽车的操稳性和平顺性，但是其制造工艺过于复 杂，影响了它的普及。1 9 8 2 年美国l o t u s 汽车公司研制出有源主动悬架系统，并凭借 该系统在f 1 比赛中取得巨大成就。瑞典v o v o l 汽车公司在其车上安装了实验性的 l o t u s 主动悬架系统。1 9 8 6 年日本丰田汽车公司的s o a r e r 车型采用了能分别对刚度和 阻尼进行三级调节的空气悬架【1 5 l ，1 9 8 9 年，t o y o t a 汽车公司在其生产的c e l i c a 车型 上装置了真正意义上的主动油气悬架系统【1 6 l 。日本的n i s s a n 汽车公司在9 0 年代的 i n f i n i t eq 4 5 轿车上也装备了液压主动悬架【17 1 。德国的b e n z 汽车公司于1 9 9 9 年首先在c 6 长安大学硕士学位论文 系列轿车上安装了慢主动悬架。目前最为先进的主动悬架系统是奔驰公司在其c l 车型 上装备的车身主动控制系统a b c ( a c t i v eb o d yc o n t r 0 1 ) ，把对悬架的控制与车身姿态控 制进行集成，在衰减振动和冲击的同时减少加速和制动时的俯仰运动，以及高速过弯时 的侧倾，最大限度提高了车辆的行驶性能。此外，雪铁龙c 5 ，奥迪a 8 ，宝马7 系等中 高端车型均装备了各自公司的主动悬架系统。 相对于国外来说，国内对主动悬架的研究较少，浙江大学的管成、朱善安，重庆 大学的舒庆宇，吉林大学的于显利，西安科技大学的寇发荣等人对主动悬架进行了一些 理论和实验方法的研究1 9 1 。陈黎卿等人对基于随机次优控制策略的主动悬架系统进行了 仿真【2 0 1 。南京农业大学的邵英对车辆主动悬架的自适应模糊p i d 控制进行了分析研究 2 q 。国内对车辆主动悬架系统的研究，目前采用单独的m a t l a b 的数学控制模型研究较 多，而近年来出现了基于a d a m s 和m a t l a b 联合仿真的研究，如北京交通大学的李韶华等 人就利用联合仿真对汽车悬架半主动控制进行了研究【2 2 1 ，合肥工业大学的宋宇对空气悬 架车辆进行了联合仿真研究 2 3 1 。这种方法结果更准确，过程更直观，本文将采用此种方 法对车辆主动悬架控制策略进行仿真研究。 1 2 2 主动悬架的发展趋势 虽然主动悬架在多个厂商的量产车型中已有采用，但其大面积的推广普及仍存着一 些困难，其主要原因是其高昂的造价和能量消耗问题【2 4 1 。为解决这些问题，未来的主要 发展方向是围绕作动器和控制器进行进一步的研发和改良。具体趋势如下： ( 1 ) 随着相关产业的不断发展，全新的性能更加优良的作动器也在不断出现，比如 在航空航天领域广泛引用的e l e c t r o h y d r o s t a t i ca c t u a t o r ( 简称e h a ) ，电磁蓄能器，直线 伺服电机，带液压马达控制防侧倾杆系统等都是目前的研究重点。 ( 2 ) 针对目前作动器普遍存在的响应速度较慢，能耗大，重量和体积大，制造成本 和工艺难度高的缺点，如有一项能取得重大研究突破，对主动悬架的普及都会产生显著 的推动作用。关于悬架的能耗控制，文献 2 5 】【2 6 分别从理论和实验两方面研究了对悬 架振动能量进行吸收和储存并将其在需要时用于悬架控制的技术，考虑到未来汽车的节 能性需求，这将会成为主动悬架技术的一个重要研究方向。 ( 3 ) 目前，国内外对主动悬架的控制提出了大量的算法，但由于单一算法往往都具有 一定的局限性，近年来大量的复合型控制算法开始出现。如文献 2 7 】就提出了一种基于 遗传算法和神经网络的车辆主动悬架控制技术。而随着控制器运算能力的提高，一些复 7 第一章绪论 杂的控制算法，如神经网络控制和模糊控制将会在主动悬架的控制中得到越来越多的应 用，这对悬架性能的提高有着积极作用。 ( 4 ) 近年来，出现了对主动悬架，驱动防滑，制动防抱死等底盘各个主动系统的联 合控制。这样做既可以使车辆行驶性能达到综合最优，又能避免各个控制系统间的相互 制约和干扰，还可以让不同的控制系统共享传感器，控制器和作动器等设备，进而减轻 车身总重量，降低成本。 1 3 本论文选题的目的意义 近些年来，随着新兴技术的发展，人们对汽车各方面性能的要求也愈来愈高，特别 是对汽车的乘坐舒适性、操纵稳定性和驾驶安全性等性能的要求格外突出。由于汽车悬 架系统是提高车辆行驶平顺性，操纵稳定性及驾驶安全性，减少动载荷引起零部件损坏 的关键所在，故对其的改进和发展也有着非常重要的意义【2 引。于是国外学者早在5 0 年 代就提出了主动悬架的概念，而主动悬架与被动悬架相比，其悬架性能能够根据外部信 号的改变而改变，当车速，载荷和路面激励等外部情况发生变化时，主动悬架依然能在 不同工况下保持良好的性能。但是主动悬架在控制器的算法选择，作动器的改进和传感 器的研究方面还有很多的工作要做。其中作动器向响应速度快，能耗小，质量轻的方向 发展。而控制算法的选择对主动悬架的性能也有着很大的影响。鉴于国内对主动悬架的 研究尚处于悬架系统控制算法的优化设计和理论分析阶段。所以对主动悬架的各种控制 策略进行研究比较，有其重要的现实意义【2 9 】。故本文通过a d a m s 和m a t l a b 的联合仿 真对p i d ，模糊p i d ，神经p i d 控制的效果进行了比较分析。 1 - 3 研究的主要内容 本论文研究的主要内容如下： ( 1 ) 悬架的虚拟样机及其性能评价指标 在m a t l a b s i m u l i n k 中基于滤波白噪声法建立了不同等级路面的时域轮廓模型， 并建立了主动悬架的动力学模型，在a d a m s v i e w 中建立了主动悬架的虚拟样机，并 生成了可用于联合仿真的导出模块。 ( 2 ) 主动悬架模糊p i d 控制策略研究 8 长安大学硕士学位论文 对p i d 控制和模糊控制理论进行了简单介绍，并建立了用于主动悬架控制的p i d 控 制器；由模糊控制来整定参数的模糊自适应控制器；以及p i d 和模糊控制器并联的混合 控制器。 ( 3 ) 主动悬架神经网络控制策略研究 对神经网络的基本思想和方法进行了简单介绍，建立了单神经元控制器；并建立 了基于b p 神经网络在线辨识并由其在线调整相应神经p id 控制器权值的主动悬架神经 网络控制系统。 ( 4 ) a d a m s 和m a t l a b 联合仿真及结果分析 对上面建立的各种控制器进行不同路面等级和不同车速条件下的仿真，对其性能 评价指标的值进行分析比较，得出不同控制策略的优劣和特点。 9 第二章悬架系统的虚拟样机及性能评估指标 第二章悬架系统的虚拟样机及性能评估指标 2 1 路面不平度数学模型 路面不平度是指路面相对某个基准平面的高度，随道路走向而变化p 0 1 。它是车辆振 动系统的主要振源，它使车辆在行驶中产生行驶阻力和振动。汽车的平顺性是车体对路 面激励的综合反映，不平路面的激励所引起的振动不仅影响着汽车的行驶平顺性、安全 性，也影响着汽车零部件的疲劳寿命。因此，获得准确的路面信息是进行车辆振动系统 的平顺性分析和评价的关键【3 1 1 。 目前主要的路面不平度数学模型生成方法主要包括四大类：功率谱分析模型，时间 序列分析模型，分形分析模型和小波分析模型。其中功率谱分析模型又可分为多种不同 的行式，主要有三角级数法、线性滤波白噪声法、过滤泊松模型和基于频域功率谱采样 的数值模拟方法。在上述方法中，基于线性滤波的白噪声激励模拟是目前使用比较普遍 的方法，特别适用于国标道路谱时域模型的生成3 2 1 。故本文拟采用此种方法来基于 m a t l a bs i m u l i n k 建立路面不平度数学模型。 2 1 1 路面激励和空间频率功率谱 通常把路面相对基准平面的高度q ，沿道路走向长度i 的变化q ( i ) ，称为路面纵断 面曲线或不平度函数，如图2 4 所示。 图2 1 路面纵断面曲线 一般采用路面功率谱密度p s d ( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ，p s d ) 描述路面不平度的 统计特性。根据1 9 8 4 年国际标准化组织在文件i s o t c l 0 8 s c n 2 n 6 7 中提出的“道路不 平度表示方法草案和国内由长春汽车研究所起草制定的g b7 0 31 车辆振动输入 路面平度表示标准， 3 3 1 两个文件均推荐路面功率谱密度q 伽) 用下式作为拟合表达 式： 1 0 长安大学硕士学位论文 眇嘶榭” 亿， 式中，1 1 为空间频率( 研- 1 ) ，它是波长的倒数，表示每米长度所包含的波长数；讳为参考空间 频率，n o = o 1 m 一；w 是频率指数，表示双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密 度的频率结构；q ( ) 为参考空间频率下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数， 单位为坍2 m 一= 脚3 。 在上述两个文件中，还提出了基于路面功率谱密度的路面不平程度分级方法，共可 分为8 级，在频率数w = 2 时，各级路面不平度系数q ( ) 的几何平均值如表2 1 所示： 表2 1 路面不平度8 级分类标准 g q ( n o ) ( 1 0 。6 m 3 ) ( = o i m 一1 ) 路面等级 几何平均值 a1 6 b 6 4 c2 5 6 d1 0 2 4 e4 0 9 6 f1 6 3 8 4 g6 5 5 3 6 h2 6 2 1 4 4 速度功率谱密度g ( 刀) 和加速度功率谱密度g - ( 疗) 常用来补充描述路面不平度的统计特 g 叮 性。三者的关系为： g ( 力) = ( 2 丌拧) 2 g 口( 忍) ( 2 2 ) g g - ( 甩) = ( 2 丌，1 ) 4g 口( 刀)( 2 3 ) 第二章悬架系统的虚拟样机及性能评估指标 2 1 2 时间频率功军谱描述 在空间频率功率谱描述中，没有速度影响因素出现。但对汽车的振动系统而言，车 速u 是必须要考虑的一个因素，由f = “拧得到时间功率谱密度和空间功率谱密度的关系 式如下： g q ( f ) = 丢q ( 刀) ( 2 4 ) 当w = 2 时，时间功率谱密度 q c 力= 丢q c ，( 云) 。2 = q c ，2 乒 c 2 2 1 3 路面随机不平度时域模型的建立 基于给定的路面功率谱密度重构道路时域模型的基本思想是：将道路的随机高程 抽象为满足一定条件的白噪声，然后进行整形滤波生成路面随机不平度时域模型。当车 速为u 时，由于角频率= 2 7 r 厂，时域路面不平度功率谱密度可表示为 q ( ) = ( 2 万) 2o , ( - o ) - 0 2 素 ( 2 6 ) 当一。时，g ( ) - - o o ，所以，当考虑下截止角频率后，实用路面功率谱密度表 “ 不) , - - - j g q ( 咖( 2 丌) 2 q ( ) 2 南 ( 2 - 7 ) 上式中下截止角频率 式( 2 7 ) 可视为白噪声的一阶线性系统的响应。根据随机振动理论，可知 q ( ) = i h ( ) 1 2 & ( 2 8 ) 上式中 ( ) 频响函数 白噪声形o ) 功率谱密度。取& = 1 。 所以有 僻掣孕 亿9 ， 即 长安大学硕士学位论文 翻= - 2 n ：f o q ( t ) + 2 巧厄瓦p ( f ) 石= n o o u 式中 下截止空间频率，n ) o = o 0 0 0 4 m _ 1 q ( ) 路面不平度系数；m 3 形( f ) 均值为零的g a u s s 白噪声 g ( ，) 路面随机高程位移 依据式( 2 1 0 ) ，在m a t l a b s i m u l i n k 中建立仿真模型如图2 1 所示 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 图2 2 路面模型 在仿真时，可以通过对照表2 1 改变上图中的路面不平度系数g o 来设定产生的路 面模型的等级，般采用我国占比例较大的b 级和c 级路面作为仿真路面，本文拟采 用b 级路面进行仿真，g 0 取6 4 x1 0 - 6 m 3 ；通过u 可以设定仿真时的车速( 图中为3 0 m s ) 。 同时需要注意的是，在调整仿真车速时要同时调整仿真时间，以使车辆在每次仿真过程 中行驶的总路程基本相同【3 4 1 。仿真结果如图2 3 所示： 1 3 第二章悬架系统的虚拟样机及性能评估指标 2 2 悬架的动力学模型 图2 3 路面不平度时间轮廓 常见的车辆动力学模型有二自由度1 4 车模型，四自由度1 2 车模型和七自由度整 车模型。1 2 车模型主要用于研究车辆前后悬架的匹配关系以及车身垂直振动和俯仰运 动；整车模型主要用于对车辆的垂直运动，俯仰运动和侧倾运动进行全面的研究；而对 悬架系统的控制策略进行研究时，常采用1 4 车模型【3 5 】。因为其包含了实际问题中的绝 大部分基本特征，例如：载荷的变化值和悬架系统的受力等信息。而且，1 n 车模型涉 及的参数少，计算量小，便于进行研究和分析。同时，简化的1 4 车模型需要一定的假 设条件，具体条件如下：【3 6 】 1 ) 左右车轮受到的不平路面的垂直激励相同，车辆对其纵轴线左右对称，即车辆 不存在侧倾振动，没有侧向位移，没有横摆振动，只有垂直振动和俯仰振动。 2 ) 考虑到乘员与车身振动的一致性，将乘员和车身视为一个整体，即不单独考虑 车座与车身的相对运动。并忽略发动机和传动系统的振动对车身的影响。最终将车身系 统简化为刚性的簧载质量。 3 ) 车轴和与其相联的车轮为非簧载质量，车轮与路面在车轮中心线上是点接触。 4 ) 由于轮胎阻尼相对于车辆减振器的阻尼来说，d , n 可以忽略，因此只考虑轮胎 的刚度。 2 2 1 被动悬架动力学模型 根据上述假设，建立如图2 4 所示的被动悬架动力学模型 1 4 长安大学硕士学位论文 j z 。 图2 4 二自由度1 4 被动悬架模型 一簧载质量m 。一非簧载质量一悬架弹簧刚度e 一悬架阻尼系数 度z 6 一车身垂向位移z w 一轮胎垂向位移z ，一路面激励 如图2 4 所示，被动悬架系统的动力学方程为： r一 i m 6z 6 + c ，【z 6 一z 。】+ k ，【z 6 一z 。】= 0 1 【肌。z 。+ k ，【z 。一z ，卜c ，【z b - - z 。卜k ，【乙一z ，】= 0 根据式( 2 1 0 ) ，本文采用一滤波高斯白噪声作为路面输入模型，即： k 一轮胎刚 ( 2 1 2 ) z r ( f ) = - 2 石f ol ( ，) + 2 7 r 托( ) ”( f ) ( 2 1 3 ) 综合考虑本文的研究目的，拟选取以下状态变量会使状态方程更加直观而且方便计算和 研究。 拟选取状态变量为：x o ) = 【乙z 。z 6z wz r 】2 ； 输出变量为：v ( t ) = 【磊乙一z wk ( z 坩一z ，) 】7 则得到的被动悬架状态空间方程为： x ( f ) = 似+ b 眦) ( 2 1 4 ) 【】，( f ) = c y ( f ) + d w ( t ) 上式中： 1 5 厶 舀 j j 第二章悬架系统的虚拟样机及性能评估指标 a = c s c s k s k s m bm bm om b c s c s k s k s + k t m w朋wm wm w l 00o 0 0 b ：0 00 l c = 1 0 0 o 0 2 n 而飞 d = 0 0 o r 2 2 2 主动悬架动力学模型 0 o 0 k t m w o o 一2 矾 z w 图2 5 二自由度1 4 主动悬架模型 如图2 3 所示，根据牛顿定律，主动悬架动力学方程为： m b z ；b - u + e 【z 6 一z w 】+ k 乙一z w 】= o ( 2 1 5 ) 【m 。z 。+ u + 墨【z 。一z ，】一e z b z 。】一k 【乙一z 。】- 0 选取：状态变量x ( f ) = 【z 6z 。乙z wz r 】7 ； o 0 一墨一o。k一。o s 一 c 一0 o 鱼o o j j 长安大学硕士学位论文 输出变量y ( t ) = 乙z 6 一乙k ( z 。一z ，) 】1 ； 得到的主动悬架系统的状态空间方程为： r j x ( f ) = 删( f ) + b u ( t ) + e w ( t ) 【y o ) = c x ( f ) + d u ( t ) 上式中： a = c = c s c s m bm b c s c s k s k s 聊6聊6 k s k s + k t 朋wm w脚w聊w 10o0 0l0 000 上m b 。 rj 00 2 万万】r c s c 5 m bm b oo oo 。= 陆叫r o o 一坠墨o m bm b 1一lo 011 2 3 悬架的虚拟样机 0 k t 聊w o 0 2 矾 ( 2 1 6 ) 在传统机械系统设计、试验、试制过程中，必须边试验边改进，从设计到试制、试 验、定型，产品开发成本较高，周期长。随着计算技术的日益成熟，近来在机械系统进 行分析中，出现了虚拟样机技术。虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，又译 虚拟模型技术) 是一项新生的工程技术。它采用计算机仿真与虚拟技术，在计算机上通 过c a d c a m c a e 等技术把产品的资料集成到一个可视化的环境中，实现产品的仿真、 分析。虚拟样机技术在概念设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析，可以观察并试 1 7 6 o 一所 厂l l l b = i i b e 第二章悬架系统的虚拟样机及性能评估指标 验各组成部件的相互运动情况【3 7 】。该技术是2 0 世纪8 0 年代随着计算机技术的发展而迅 速发展起来的计算机辅助工程( c a e ) 技术的一个分支。当采用虚拟模型来代替实际模型 验证设计时，能够使开发周期大幅度缩短，并大量减少产品开发费用和成本，明显提高 产品质量及产品的系统性能，获得最优化和创新的设计产品。 本文将采用a d a m s n i e w 建立悬架的虚拟样机模型，再由a d a m s c o n t r o l s 模块 将悬架的虚拟样机作为一个机械系统模块引入控制分析软件m a t l a b ，从而进行联合 仿真。再使用a d a m s c o n t r o l s 模块之前，控制系统只能在物理样机上进行试验和测试， 如果发现两者的结合上存在问题，则必须各自返回设计进行修改，重新试制物理样机来 验证控制策略。其研制过程如图2 6 所示： 图2 4 未使用a d a m s c o n t r o ls 的设计过程 而a d a m s c o n t r o l s 就提供了一个桥梁，使得可以将机械系统和控制系统结合在一 起进行仿真，这样做可以简化物理样机的实验过程，降低了试验成本和可能存在的危险 性，提高了产品研发速度，其设计过程如图2 5 所示。 图2 5 使用了a d m l s c o n t r o l s 的设计过程 1 8 长安大学硕士学位论文 2 3 1 悬架模型的基本假设和简化 本文拟采用较为常用的麦弗逊悬架作为研究对象，建立车辆1 4 模型。麦弗逊式独 立悬架是减震器作滑动支柱并与下控制臂组成的悬架形式，它包括万向节、下摆臂、转 向拉杆、副车架、阻尼器，悬架弹簧、驱动轴等部件，其结构如图2 6 所示。它与其它 悬架系统相比，具有结构简单，性能好，布置紧凑，占用空间少等优点，因此在对空间 布置要求较高的发动机前置前驱动轿车的前悬架得n - j 广泛的应用【3 8 】。 图2 6 麦弗逊悬架结构示意图 本文利用a d a m s v i e w 丰富的基本形体建模工具，建立了麦弗逊悬架的三维模型， 并通过各种不同的运动副限制构件之间的相对运动，定义施加的路面激励和载荷，完成 悬架多体动力学模型的建立。 在以a d a m s v i e w 为工具的实际建模过程中，做出如下的假设： ( 1 )所有零部件均认为是刚体，各个运动副均为刚性连接，各运动副内摩擦力，内 部间隙都忽略不计； ( 2 ) 为模拟路面的激励，虚构一个部件( t e s tp l a t e 试验台) ，它与轮胎直接接触，并与 a d a m s v i e w 中的参考地面( g r o u n d ) 以沿z 轴的移动副相连接。 ( 3 )簧载质量，非簧载质量相对于参考地面只能做上下垂直运动。 2 3 2 悬架模型的建模步骤 在a d a m s v i e w 中建立麦弗逊悬架虚拟样机的具体步骤如下f 3 9 】： ( 1 ) 启动a d a m s v i e w ，设置建模过程的工作环境。 1 9 第二章悬架系统的虚拟样机及性能评估指标 首先在s e t t i n g s l u n i t s 菜单项中设置长度单位为毫米，质量单位为千克，力的单位为 牛顿，时间单位为秒，角度单位为弧度，频率单位为赫兹。同时，为了方便建模，应在 s e t t i n g s l w o r k i n gg r i d 和s