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基于预测控制的汽车主动悬架与电动助力转向系统 集成控制优化设计 摘要 本文根据车辆动力学基本原理，建立了主动悬架与电动助力转向系统的艇 车模型。在整车模型基础上，应用预测控制理论，进行预测控制器的设计，实 现j ，汽车主动悬架与电动助力转向系统的集成控制。在汽车设计过程中，有必 要同时考虑机械参数的选取和控制系统的设计，基于建立的汽车主动悬架与电 动助力转向集成控制动力学模型，选用遗传算法，进行车辆集成控制优化设计。 臻成控制优化仿真结果表明：主动悬架与电动助力转向系统经过集成控制与优 化后，不仅能明显改善车辆行驶平j 损性，提高转向轻便性，并且对由路面输入 引起的振动能够进行有效抑制，使车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性均有不同程 度的提高。通过对主动悬架与电动助力转向系统进行路上实车试验，验证了所 设计控制器的有效性。 关键词：主动悬架 电动助力转向预测控制滚动优化 遗传算法集成控制优化 i n t e g r a t e dc o n t r o la n do p t i m i z a t i o nd e s i g no fv e h i c l ea s sa n d e p sb a s e do nm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fv e h i c l e d y n a m i c s ，t h i sp a p e r e s t a b l i s h e daf u l le a rm o d e lo fa c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ( a s s ) a n de l e c t r i cp o w e r s t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) b a s e do nt h ef u l lc a rm o d e l ，am p c ( m o d e lp r e d i c t i v e c o n t r 0 1 ) c o n t r o l l e rw a sd e s i g n e dw i t hp r e d i c t i v ec o n t r o lt h e o r y ，a n dt h ei n t e g r a t e d c o n t r o lo fa c t i v es u s p e n s i o ns y s t e ma n de l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mw a s a c h i e v e d i ti sn e c e s s a r yt os i m u l t a n e o u s l yc o n s i d e rt h ec h o o s i n go ft h em e c h a n i c a l p a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e mi nt h ep r o c e s so fv e h i c l ed e s i g n ，s ot h i s p a p e rc a r r i e do u ti n t e g r a t e dc o n t r o la n do p t i m i z a t i o nd e s i g nb a s e do nt h ei n t e g r a t e d d y n a m i cm o d e lo fa c t i v es u s p e n s i o ns y s t e ma n de l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m w i l hg e n e t i ca l g o r i t h m t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t ，t h ei n t e g r a t e dc o n t r o l l e d a n do p t i m i z e da c t i v es u s p e n s i o ns y s t e ma n de l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mc o u l d n o t o n l y a p p a r e n t l yi m p r o v e r i d e p e r f o r m a n c ea n dv e h i c l eh a n d i n e s s ，b u t e f f e c t i v e l yr e d u c et h ev i b r a t i o nc a u s e db yr o a di n p u t si no r d e rt og e tw e l lv e h i c l e 1 1 1 a n e u v e r a b i l i t ya n dr i d ec o m f o r ta sw e l l t h ee f f e c t i v e n e s so ft h ec o n t r o l l e ru s e d i na c t i v es u s p e n s i o ns y s t e ma n de l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e mw a sp r o v e db y t h ea c t u a lv e h j c l er o a dt e s t k e yw o r d s ： a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l g e n e t i ca l g o r i t h m e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m m o v i n gh o r i z o no p t i m i z a t i o n i n t e g r a t e dc o n t r o la n do p t i m i z a t i o n 罔1 1 阁1 2 图1 。3 图l 一4 罔1 5 图2 1 l 封2 2 罔3 一i 图3 2 3 - 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 - 8 闭3 - 9 隆f3 一1 0 图3 1 1 图3 1 2 罔3 13 图3 1 4 图3 15 图3 。1 6 图4 1 图4 2 图4 - 3 图4 - 4 图4 5 图4 - 6 图4 7 陶4 一 图4 图5 图5 一 插图清单 被动悬架 半主动悬架 主动悬架- - e p s 电动机助力位置布嚣型式 电机助力转向系统结构原理图 整车模型图 电动助力转向模型 预测控制系统结构图 m p c 的控制过程 集成预测控制系统结构图- “路面一汽车一人”系统框图- 系统分散控制简图 车身横摆角速度 车身俯仰角速度一 车身侧向加速度 车身垂直加速度 转向盘操纵力矩 前悬架动行程( 左、右) 后悬架动行程( 左、右) 前轮胎动载荷( 左、右) 后轮胎动载荷( 左、右) - - 车身横摆角速度 转向盘操纵力矩 遗传算法基本流程图 集成控制优化流程图 车身横摆角速度 车身俯仰角速度 车身侧向加速度 车身垂直加速度 转向盘操纵力矩 前悬架动行程( 左、右) 前轮胎动载荷( 左、右) 汽车控制系统示意图- 汽车a s s 与e p s 控制系统基本结构示意图 _ _ t o q m n拇加砣弱笛筋筋巧笱筋筋拍”卯弘弛的鲫曲扣的的的眈钙 陛f 图 图 图 一3 4 5 6 图5 7 图5 - 8 图5 - 9 图5 1 0 隆l5 1 1 幽5 1 2 图5 1 3 图5 1 4 图5 15 图5 1 6 幽5 一i7 吲5 18 1 刳5 1 9 图5 2 0 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 + 2 5 图5 - 2 6 s h 2 h 0 5 7 m 型驱动器接线图 有级式可调阻尼减振器原理示意图 控制程序流程图 实车道路试验设备布置示意图 试验车辆 试验车辆 c d s p 数据采集仪- 可调阻尼减振器 陀螺仪- 加速度校准仪 步进电机 转向力转向角检测仪- 助力电机 控制器 车身垂直加速度( 未控制) 车身垂直加速度( 控制) 车身垂直加速度( 未控制) 车身垂直加速度( 控制) 转向盘力矩转向盘转角( 未控制) 转向盘力矩转向盘转角( 控制) - 车身侧向加速度( 未控制) - 车身侧向加速度( 控制) - 车身横摆角速度( 未控制) 车身横摆角速度( 控制) - 非拍躯钾如如”记跎。鲍弭舛甜舛 致谢 论文完成之际，我首先要感谢尊敬的导师王其东教授、陈无畏教授和王启 瑞副教授。导师们渊博的学识、严谨的治学态度、高尚的品质和忘我的工作精 丰 1 使我终身难忘；导师们有如父爱般的关心与爱护、鞭策与鼓励使我在学习中 得到了巨大的动力和勇气；导师们对科学真理的无限热情与投入、执著与奉献 深深地影响和激励着我。在此，对尊敬的导师们表示衷心的感谢和崇高的敬意! 我要感谢我的父母及亲人，他们不仅给与我物质上的支持，而且给予我精 伸上鼓励。他们的关心和支持一直是我求学路上的动力，时刻鼓励和鞭策着我 直向前。 最后要感谢徐建中、王荣贵、沈国清等老师对我试验过程中的指导与帮助， 感谢刘立强、赵君卿、徐娟、乔明侠、姜永胜、李明红、阳风生、李碧春、汪 史龙、孙启启、初长宝、姜竹胜、李进、汪洪波、陈访、王凯峰、王霞、宋宜 亮、祝辉、王檀彬、苏平、江学东、张荣成在我的课题研究和论文写作期间给 予我的帮助。感谢我的同学肖悦、孙习武、尹鸿飞、陈宗好、李华香、李增辉、 江知望给予我的启发和帮助。 感谢所有关心、帮助、支持我的人! 作者：吴勃夫 2 0 0 6 年5 月2 日 第一章绪论 1 1 汽车主动悬架系统及其研究动态 悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把悬架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 弹性地连接起来，其主要任务是传递作用在车轮和车架( 或车身) 之间的切 力和力矩。路面作用于车轮上的垂直反力( 支承力) ，纵向反力( 牵引力和制动力) 和侧向反力以及这些力所造成的力矩都要通过悬架传递到车架( 或车身) ，以保 证汽车行驶平顺。悬架的作用除传递作用在车轮和车架( 或车身) 之间的一切 力和力矩之外，还应具有良好的减振和缓冲能力，保证在路面不平和载荷变化 时有理想的运动特性，改善汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力，并 日当车轮相对悬架跳动时，特别在车辆转向运动时，车轮运动轨迹必须符合一 定的要求，因此悬架还应起使车轮按一定轨迹相对车身跳动的导向作用”。 汽车行驶平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性与悬架结构形式和性能参数的 选择直接相关。为了满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形 式一直在不断更新和完善，尽管这样，传统的被动悬架依然受到许多限制，主 要是因为基于经典隔振理论的传统被动悬架无法同时兼顾汽车行驶平顺性和操 纵稳定性这两方面的性能要求。根据控制形式不同，汽车悬架可分为被动、半 = e 动和主动悬架三大类”： 1 被动悬架 目f ；l f 大多数汽车上都采用被动悬架，其基本结构如图1 。1 所示。弹簧刚度k 利减振器阻尼系数c 在设计时选定后不可随外部路面状况而改变。由于其自身 特点，使基于经典隔振理论的传统被动悬架很难适应各种不同的道路状况，无 法满足不同工况下对悬架的特定要求。 2 半主动悬架 半主动悬架的基本结构如图1 2 所示，其普遍采用可调阻尼减振器c ，及弹 簧k 柬组成。半主动悬架可根据汽车行驶状态的动力学要求，调节减振器阻尼 力，改善悬架的振动特性，其能耗非常小，几可忽略。与主动悬架相比，半主 动悬架结构相对简单，易于实现。近年来，通过电磁线圈改变悬架阻尼的磁流 变半主动悬架已经出现。 3 主动悬架 如图1 3 所示，主动悬架需通过外部能量输入对悬架进行控制，其主要组 成部分为作动器a 。主动悬架可以根据输入与输出进行反馈控制，由作动器根 据控制器信息产生相应的主动控制力，以提高汽车的行驶平顺性和操纵稳定性。 主动悬架结构复杂，价格昂贵，但其优异的性能是被动悬架、半主动悬架所不 能比拟的，己成为悬架技术发展的重要趋势。 k 幽i 1 被动恳架 k 图1 - 2 、r 土动悬架圈1 3 主动悬架 1 9 5 4 年，g m 公司e r s p i e l l a b r o s s e 在悬架设计中首先提出了主动悬架 ( a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e m 。简称a s s ) 的思想。1 9 6 5 年，w o o b s o n 和 1 ，r l a w t h e r 又作了类似的研究。t h r o c k w e l l ，j m l a w t h e r 和s ，k i m i c a 作了 应用伺服机构作为主动元件的理论研究”，。 近年来，应用于悬架控制系统的控制方法主要有：最优控制、自适应控制、 预见控制、模糊控制、神经网络控制、预测控制以及各类控制方法的综合。 最优控制( o p t i m a lc o n t r 0 1 ) ”“，最优控制通过建立系统的状态方程式提 l j 控制目标及加权系数，然后应用最优控制理论求解所设定目标下的最优控制 厅案。控制目标函数及加权系数的确定需要依靠一定的经验，常用的最优控制 算法有线性最优控制、舶最优控制等。出于最优控制能够对系统中多个变量 的影响加以考虑，因而控制效果较好。 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) ”3 ，自适应控制是一种将系统辨识及其设 汁综合在一起考虑的新型控制方法，能有效地克服系统的不确定性。车辆悬架 振动系统是一个具有不确定因素的非线性动力系统应用于车辆悬架振动控制 的白适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两类控制策略。 预见控制( p r e v i e w c o n t r 0 1 ) 旧，预见控制不仅考虑系统当时的状态信息， 而且还对系统未来的目标值或干扰予以考虑。在主动悬架预见控制中，提前检 测路面干扰，从而提前考虑相应的对策，能有效弥补因系统响应速度不足所带 来的缺陷，降低系统控制能量峰值和控制能量消耗量。根据预见信息的获取和 利用方法的不同，可分为对四轮进行预见的完全预见控制方式和利用前轮信息 列后轮进行预见的部分预见控制方式“1 。 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) ”1 ，模糊控制由美国加利福尼亚大学查德 ( l a z a d e h ) 教授首先提出。模糊控制是以模糊数学为基础，使用语言变量代 替数字变量，允许控制对象没有精确的数学模型，在控制过程中包含大量人的 控制经验和知识，与人的智能行为相似。在主动悬架模糊控制系统中，其模糊 控制器的输入量可以是车身加速度、车身与车轮的相对速度、悬架动行程等 输出量可为控制器的作用力”1 。 神经网络控制( n e u r a ln e t w o r k sc o n t r 0 1 ) ”“3 ，神经网络具有自适应学习， 能并行分布处理和较强鲁棒性，容错性等特点，适合于对复杂非线性系统进行 建模及控制。通过对控制网络的权系数进行在线调整，控制器经过学习，对系 统进行在线控制，使系统输出逐渐向期望值逼近。 预测控制( m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 ) ，预测控制产生于上个世纪7 0 年代， 其算法最大特点是利用系统过去和现在的信息预测系统未来的输出。由于其对 牵制对象具有良好的包容性并能有效克服各种外界干扰，预测控制广泛应用于 复杂工业过程控制，如石油化工、电力等领域。近年来，人们对预测控制算法 应用丁车辆悬架控制进行了一些有益尝试。 目前有关汽车悬架控制方法的研究几乎涉及到控制理论的所有分支，出现 了控制方法综合应用进行悬架控制，如模糊控制与神经网络控制的综合、最 优预见控制与神经网络控制的综合”、鲁棒控制与自适应控制的综合“”等。 主动悬架技术已成为车辆悬架发展的主要方向之一，基于不同控制策略的 主动悬架成为研究的热点。设计新型高效、快速、可靠、成本低廉的控制器和 执行器，减少功率消耗，提高控制系统的集成化将是主动悬架的发展趋势。 本文所研究的主动悬架，均指阻尼可调刚度不交的悬架系统，即通常所说 的半主动悬架系统。 12 汽车电动助力转向系统及其研究动态 转向系是用来保持或者改变汽车行驶方向的机构，在汽车转向时，保证各 转向轮之间有协调的转角关系。随着现代汽车技术的迅猛发展，为保证车辆 存任何工况下转动转向盘时，都有较理想的操纵特性，汽车转向系统从简单的 机械式转向系统，发展到机械液压动力转向系统、到电控液压动力转向系统， 直至现在的更为节能、操纵性能更优的电子控制式电动助力转向系统。 汽车电动助力转向系统( e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n g ，简称e p s ) ，是一种新型 动力转向系统。它具有良好的操纵轻便性、行驶安全性等传统助力转向系统所 不能比拟的优点，在国内外许多车型上得到了越来越广泛的应用，是当前汽车 电子控制系统的研究热点“5 。 12 1 汽车电动助力转向系统的分类 r 8 ，丢专- 翔轴叻，j 斌 渤前糙舢力或 ( c 如祭默由戎 图1 4e p s 电动机助力位置布置型式 3 根据驱动电机助力部位的不同，e p s 可分为：转向轴助力式、齿轮助力式、 齿条助力式三种。如图1 4 所示，转向轴助力式e p s 的电动机固定在转向轴一 侧，通过减速机构与转向轴相连，直接驱动转向轴助力转向。齿轮助力式e p s 的电动机和减速机构与小齿轮相连，直接驱动齿轮助力转向。齿条助力式e p s 的电动机和减速机构则直接驱动齿条提供助力“”。 122 汽车电动助力转向系统的构成和基本工作原理 苹鞍 幽1 5 电机助力转向系统结构原理图 典型的转向轴助力式e p s 基本结构如图1 5 所示。e p s 主要由扭矩传感器、 车速传感器、电动机、减速机构和电子控制单元等组成。扭矩传感器与转向轴 ( 小齿轮轴) 连接在一起，当转向轴转动时，扭矩传感器开始工作，把输入轴 和输出轴在扭杆作用下产生的相对角位移变成电信号传给e c u ，e c u 根据车速 传感器和扭矩传感器的信号决定电动机的旋转方向和助力电流的大小，从而完 成实时控制助力转向。因此它可以很容易地实现不同车速条件下不同的助力效 果，保证汽车转向在低速行驶时轻便灵活，高速行驶时稳定可靠“。”3 。 12 3 汽车电动助力转向技术的发展概况 1 9 8 8 年2 月同本铃木公司首先丌发出电动助力转向系统，并将其应用在 c e r v o 车上，随后装配在a l t o 车上。从此之后，电动助力转向技术如雨后春笋 般得到迅猛发展。1 9 9 3 年，本田汽车公司首次将电动助力转向系统大量装备于 n s x 跑车上。同一时期，日本的大发汽车公司、三菱汽车公司，德国的z f 汽 车公司，美国的d e l p h i 、t r w 汽车公司，都相继推出了各自的电动助力转向系 统。近年来，随着对汽车转向系统提出更高的性能要求，国内外开发出了更为 成熟的电动助力转向系统。经过二十多年的发展，电动助力转向技术目趋完善， 其应用范围从最初的微型轿车向中高级轿车和商用客车发展，其助力形式也从 低速范围助力型向全速范围型发展”。 目前国内科研院校( 如清华大学、北京理工大学、吉林大学、华中科学技 术大学和合肥工业大学等) 对电动助力转向系统的建模、结构方案设计、控制 策略及其助力特性分析进行了大量卓有成效的工作，取得了可喜的成果，为e p s 产品化奠定了峰实的基础，但对于电动助力转向系统与其它子系统之间相互性 能影响分析尚需深入研究。 1 3 汽车集成控制及其研究动态 7 0 年代以来，随着支持控制系统的计算机与传感器、执行机构的迅速发 展，智能化与信息化技术快速融入到汽车电子控制系统中，大大改善了汽车的 操纵稳定性，提高了车辆的行驶平顺性，使汽车朝着安全、舒适、人性化的方 向迅猛发展。从防抱死制动系统( a b s ) 、驱动力控制系统( t c s ) 到电动助力转 向系统( e p s ) 、电子稳定控制系统( e s p ) 、主动悬架系统( a s s ) 及四轮转向 系统( 4 w d ) ”等等，它们的研究和应用给汽车发展带来了划时代的变化，但 基于车辆某一性能指标的提高而设计的各个控制子系统，在车辆行驶过程中， 必然会相互影响、相互干扰，而汽车整车性能的提高依赖于各个子系统的协调 工作，若仅仅对体现某方面性能要求的子系统进行各自研究，达不到协调其槌 可i 影响的目的，因而将各个子系统进行集成控制日益受到人们的重视。 系统是由相互联系和相互作用的若干组成部分构成的具有特定功能的有机 整体，系统工程是组织管理系统的规划、研究、设计、制造、和使用的科学方 法，是现代科学技术发展所广泛应用的方法。从系统的观点来看，系统内部的 备个环节、各个部分是互相联系、互相影响、互相制约的。按照系统整体性原 则，从系统的构成和数量上来看，系统具有加和性，即系统整体等于部分的总 和；但从系统的功能和性质上来看，系统具有非加和性，即系统整体大于部分 的总和。由于汽车是一个有机的整体，汽车上任何部件的作用都会影响到汽车 的整体性能，所以当各个子系统按各自不同的性能指标进行优化控制时，这些 可控子系统的简单叠加并不能获得良好的综合性能。比如，汽车的防抱死制动 系统( a b s ) ，其控制策略是按汽车制动性能最优进行设计的，而驱动力控制系 统( t c s ) 是为改善汽车的操纵稳定性进行设计的，主动悬架系统( a s s ) 则是按 平顺性最优进行设计的。那么主动悬架控制系统应该包含抗侧倾的内容，而汽 车侧倾对操纵稳定性的贡献是使其具有定的不足转向特性，换言之，主动悬 架就这方面而言破坏了操纵稳定性。显然a b s ，t c s 和a s s 相互影响，相互 制约，将其进行简单叠加并不能获得良好的整车性能。由此可见，在设计汽车 控制系统时，必须进行综合考虑，相互之间进行协调，实施集成控制原则“”3 。 随着现代控制理论的发展和科学技术的迅速推进，国内外众多专家学者对 汽车集成控制，特别是汽车底盘的集成控制进行了大量卓有成效的研究，英国 c r a n f i e l du n i v e r s i t y 的r s h a r p 教授提出了基于相互作用的底盘系统多目标优化 和集成控制”1 。美国加州大学伯克利分校的e l i m 和j h e d r i c k 运用滑模控制理 论，分析了汽车侧向和纵向运动耦合关系”“。美国通用汽车公司的、- g h o n e i m 和w l i n 等依据汽车对稳定性的基本要求，运用比例微分控制和状态反馈控制 两种策略，实现了制动防抱死和驱动控制的集成控制“。日本t o k u s h i m a 大学 的t y o s h i m u r a 和y e m o t o 应用模糊推理机制，通过对主动悬架和转向系统进行 集成控制，改善了汽车的操纵稳定性和行驶平顺性“3 3 。韩国i n e 大学的j e o n g h o o n s o n g 年d k w a n g s u n kb o o 对驱动力控制系统( t c s ) 和转向系统的集成控制进行了 深入研究，对比分析了四轮转向系统( 4 w d ) 与前轮转向系统( f w d ) 分别与 r c s 的集成控制，并且考虑了驾驶员模型在仿真分析过程中的影响“。德国学 者a t r a c h t l e r 设计了一个包括a b s a s r 和a s s 的集成系统，以实现汽车垂向、 侧向和纵向的集成控制“。c h e r o u a t h 和m a m m a r s 等用多变量的协调控制方法 对汽车底盘系统进行了集成控制，在分析过程中，建立一个包括制动、驱动和 转向的整车动力学模型“”1 。上海交通大学的李君和喻凡等分别在文献【2 8 和 【2 9 1 中提出了转向系统和制动系统及悬架系统与制动系统的集成控制，有效地 改善了汽车的动力学特性。文献 1 9 】中用随机次优控制方法分析了汽车主动悬 架与电动助力转向系统的集成控制，为悬架系统与转向系统的集成控制研究打 下了曜实的基础。2 0 0 4 年，北京理工大学汽车动力性及排放测试国家专业实验 寰使用m c 9 s 1 2 d p 2 5 6 微处理器进行了轿车a b s a s r a c c 集成电控系统的尝 试，在捷达g t x 斌验样车上实现了电子控制单元中硬件电路和软件逻辑的集成， 所丌发的集成化电控系统具有良好的实用性和扩展性，为轿车的主动安全控制 装置集成化研究打下了基础”0 1 。 1 4 机械系统集成控制优化设计及其研究 在早期汽车设计中，设计师往往只能通过不同的机械结构来实现运动及动 力的传递。2 0 世纪7 0 年代以来，计算机技术、通讯技术和控制理论的飞速发 展给汽车设计带来了巨大的变化，汽车设计进入了计算机辅助设计阶段，大大 加快了汽车设计周期，提高了汽车设计的准确性和精确性。利用计算机进行整 车结构和性能分析是现代汽车在整车设计开发过程中不可缺少的重要环节，计 算机技术可以对汽车动力性、经济性、操纵稳定性、平顺性以及可靠性等各项 性能进行预测和设计控制。 在机械设计过程中，机械结构和控制系统之间存在着不同方式及不同程度 的耦合，具体而言，可以将机构与控制的设计方法划分为三个层次”“： 面向机构的控制设计。设计变量为控制器参数，而机构参数为己知的不 变量，这与传统的机械设计方法基本类似。 2 面向控制的机械设计。设计变量为机构参数，而控制器参数为已知的不 变量。 3 _ 机构与控制的集成设计。机构参数和控制器参数同时作为设计变量，在 设计过程中同时考虑了机构参数和控制参数对熬个系统性能的影响。 方法l 和2 都遵循了传统的设计理念，这种串行设计可获得子系统性能最 优，但是无法保证系统整体性能最优。方法3 将系统结构参数与控制参数进行集 成设计，也称为协同设计、同时设计，这种集成、并行的设计方法比独立、串 i j ：的设计方法增加了设计空间的维数，因而拓展了整体系统的性能空间。“。 在汽车设计过程中，特别是在控制系统设计过程中，涉及到一系列控制参 数和结构参数的选耿。传统的设计方法是先根据汽车动力学分析计算，选择合 适的机械结构参数，然后根据对汽车运动响应的各方面要求，运用一定的控制 策略，选择恰当的控制参数，分别设计出合适的控制器。用这种设计方法设计 山柬的控制器虽然可以在一定程度上满足汽车动力学响应需求，但却忽略了各 子系统对整体性能的影响，也忽略了各控制器相互之间的干涉及耦合。若在设 计之初，就对各予系统进行集成控制，再进行结构参数的优化，所遵循的方法 依然是传统的串行设计方法，仍然不能保证系统整体性能最优。只有在设计过 桴中，同时考虑汽车结构参数和控制参数，将结构参数和控制参数一并作为设 计变量，即集成控制与优化同时进行，这种设计方法才能真正地达到整体性能 最优。 同本名古屋大学的h i r o k ia n d o 和g o r oo b i n a t a 等在设计微型扫描仪时， 为了使微型扫描仪系统的整体性能最优，同时进行了结构参数与控制参数的优 化设计。美国霍斯顿大学的a l e x a n d e rm a y z u s 和k a r o l o sg r i g o r i a d i s 在设计 机械结构与控制结构时，运用循环迭代方法，使系统在满足鲁棒性能要求的前 提下主动控制能量最小n “。 解放军农牧大学王忠东和袁国梁等在设计压电传感元件和执行元件的过程 中，将智能结构的振动控制性能指标和集成结构的质量作为目标函数，结构参 数和控制参数同时作为设计变量，分析结果表明，运用集成控制优化能有效地 抑制系统的振动。”。北京交通大学和台湾成功大学的姚燕安、查建中和颜鸿森 等提出凸轮、连杆等传统机构与电、气、液等控制系统协同工作的理念，列举 了机构与控制协同系统的构成类型及应用领域，分析了机构与控制的协同设计 方法，指出了机构与控制协同设计理论的研究内容并评述了其科学意义及工程 价值1 。中国重型汽车集团公司的程军、崔继波、徐光辉和高跃奎等以车辆防 抱死系统为例，验证了所设计的车辆控制集成开发系统的实用性和有效性”。 1 5 研究的目的和内容 15 1 研究目的 在汽车主动悬架和电动助力转向系统设计过程中，运用机构与控制集成设 计方法，将结构参数与控制参数作为设计变量，以改善汽车行驶平顺性及转向 轻便性，提高操纵稳定性为目标，运用一定的控制算法和优化算法分析汽车的 运动特性。 1 5 2 研究内容 本文研究的主要内容为： 1 ，对车辆悬架和转向系统进行动力学分析，建立主动悬架系统模型、电动 助力转向系统模型、路面模型和轮胎模型； 2 建立基于预测控制的主动悬架系统与电动助力转向系统集成控制模型， 并对其进行仿真研究； 3 基于建立的上述车辆预测集成控制动力学模型，选用遗传算法，进行优 化仿真研究； 4 进行主动悬架与电动助力转向系统控制器的设计； 5 进行实车道路试验； 6 结论与建议。 第二章主动悬架系统与电动助力转向系统模型的建立 建立车辆悬架系统和电动助力转向系统模型是进行系统性能分析与控制设 计的基础。本章从汽车动力学角度出发，建立主动悬架整车系统模型和电动助 力转向系统模型。在汽车动力学仿真分析过程中，为方便研究路面振动对车辆 行驶平顺性及操纵稳定性等整车性能的影响，有必要建立随机路面模型及轮胎 模型。 22整车动力学模型 车辆是由若干部件组成的一个物理系统，它具有惯性、弹性、阻尼等许多 动力学的特点，是一个多自由度动力学系统。在这样一个非常复杂的动力学系 统中，其构成元件，如轮胎、悬架、转向系等，都具有非线性特性，汽车为一 非线性系统，描述汽车的动力学微分方程应该是非线性微分方程。”。但为了简 化控制模型，突出研究问题的主要方面，在系统模型的建立过程中，忽略一些 次要因素，如将车身视为刚性体，其相关部件视为线性元件等，则可以把汽车 近似地看作一个线性动力学系统。 在建模过程中，我们借助固结于汽车上的坐标系一一车辆坐标系来描述汽 车的运动。固结于汽车上的直角坐标系o x y z 如图2 1 所示，x o z 处于汽车左右 对称的平面内，当车辆在水平路面上处于静止状态时，x 轴平行于地面指向前 方，z 轴通过质心指向上方，y 轴指向驾驶员的左侧，坐标系的原点0 常可令 其与质心重合。整车的运动如图2 1 中( a ) 、( b ) 、( c ) 所示。 根据牛顿第二定律，车辆转向、俯仰、侧倾运动及簧载、非簧载质量的垂 直运动方程分别如下”： 整车转向运动： m v ( f l + 砂) 一m 3 噍= f o p ( 2 - 1 ) ，：舻= 1 1 ( + ) 一，( + ) + m ( i = 厂，r ：j = ，) ( 2 - 2 ) 车身俯仰运动： l y o = ，( + ) 一，( b + r ) ( 2 - 3 ) 车身侧倾运动： ，矿一m 3 h ，y ( + 缈) = m 3 9 h ，砂+ h j ( f 一，_ ) + ，( 目一f 0 ) ( 2 - 4 ) 非簧载质量垂直运动： m 2 口z 2 = k l ! j ( z 一z 2 “) 一毛 ( 2 - 5 ) 簧载质量垂直运动： m ，j ，= y f ， ( 2 - 6 ) 其中f ，( i = ，1 ，r ；j = ，) 分别为汽车前后左右四个悬架力： 乃2 n ( z 2 一7 , 3 ) + c 2 ( 六一毛) + 如( 一( z 2 一9 2 y ；) 2 h ，) 2 h ，+ 厶 f p2 七2 p ( z 2 一z 3 p ) + c 2 p ( 2 2 p j 3 p ) 一k ( 庐( z 2 f g y r ) 2 h ，) 2 h ，十厂，r f h2k 2 w t z “i z 3 h 1 + c 1 。| ( i l h 一3 7 i 、k 。一t z l h f z 1 p ) 2 h ，) 2 h , + f r f f ，2 2 ，( z 2 。一z 3 。) + c 2 。( j 2 ，一f z 3 n ) 一k 。( 庐一( z 2 h z 2 r r ) 2 h ，) 2 h ，+ 厶 当俯仰角0 及侧倾角庐在小范围内，近似有 z 3 = z 3 一f f 8 + h i p z 3 “= z 3 + f ，学+ 砩庐 z 3 = z 3 一l f o h t 7 = z 3 十i ，0 一h 。 ( 丑) 转向运动 3 i n 51 一一 ：麻呦戒1 由一一 曲一 k 芏：父。、 ( b ) 俯仰运动 、 ( c ) 侧倾运动 吲2 1籀车模型图 1 0 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 一i i j ( 2 1 2 ) ( 2 13 ) ( 2 1 4 ) 式中： 朋一整车质量： 月，! 。一一非簧载质量( f = f ，；，= ，) ； 口一质心侧偏角： 目车身俯仰角； f 。一轮胎侧偏力( f ，r ；j = f ，r ) ： m ，一回f 力矩( f = f ，r ；= ，) ； 匕悬架刚度系数( f ，：= z ，) ； c 2 。一一悬架阻尼系数( 扣，；- ，= ，) k 。一悬架横向稳定杆角刚度( ，= ，) l i 一一轮胎刚度( f _ f ，r ；r ，= ，r ) ； ，、，一日u 、后车轮到质心距离； a ，、h ，一一左、右车轮到质心距离； 。一车身侧倾中心高度； ：，一一路面位移( f _ 厂，r ；，= f ，) ； 加，一一簧载质量： 矿一一车辆前进速度； 一一车身横摆角； 西一一车身侧倾角； j ，一车身侧倾转动惯量； ，一一车身俯仰转动惯量； ，一一车身横摆转动惯量： ：! 。一非簧载质量的垂直位移( i _ f ，r ；，= z ，) ； z ，。一一各轮胎上方所对应悬挂垂直位移( ，= ，；，= ，) z ，一一簧载质量的垂直位移； ，。一一主动悬架作动器动作力( i = ，r ；= ，) a 23 电动助力转向动力学模型 图2 - 2电动助力转向模型 为了分析问题方便，将齿轮一齿条式电动助力转向系统简化，其模型如 图2 - 2 所示。如第一章所述，电动助力转向系统所受的力及力矩主要有驾驶员 作用在转向盘的操纵力( 或操纵力矩) 、电动机的助力转矩和整个转向系统所受 到的阻力矩。转向时，驾驶员作用在转向盘的操纵力( 或操纵力矩) ，在电动助 力转向系统的助力下，通过转向机构克服阻力矩，实现对汽车的转向。8 ”。 假设转向小齿轮到转向轮的传动比为，由图2 2 有 a = n 2 6 ( 2 - 15 ) 式中： j ，一一小齿轮转角； j f j i f 轮转角。 根据e p s 结构，对转向小齿轮进行受力分析，可得动力学方程“”1 l + i = | + i ，点+ b ，4 ( 2 1 1 6 ) 7 ：= k ( o h 一点) ( 2 - 1 7 ) 式巾： 一一电机助力转矩； f 一一转向盘操纵转矩； ? i 一一路面通过轮胎作用于小齿轮的转矩： l ，。一折算到小齿轮上的转动惯量，包括减速机构、齿条等折合到转向小 齿轮的转动惯量： 日。一一当量阻尼系数； 舅一一转向盘输入转角； 彪。一一转矩传感器扭矩刚度。 汽车在行驶过程中，出于路面的侧向倾斜、侧向风或曲线行驶时的离心力 等的作用，车轮沿横轴方向作用有侧向力，相应地在地面上产生地面侧向反作 用力，即轮胎侧偏力。当车轮有侧向弹性时，车轮行驶方向将偏离车轮平面的 方向，即轮胎的侧偏现象。车轮滚动时，轮胎胎面与地面的接触印迹的中心线 与车轮平面之间的夹角为侧偏角，假设在侧偏角较小的条件下，轮胎变形为线 性变形，并假设汽车在转向时内外侧轮胎的侧偏角相等，则前后轮的侧偏角分 别为”1 a = 6 一p l f 审 v 甜2 = ，矿矿一 ( 2 - 18 ) 根据侧偏刚度的定义，前后轮胎侧偏力分别为 f = f c ”= kn a l 2 f = y 。= 七2 口21 2 ( 2 - 1 9 ) 在轮胎发生侧偏时，还会产生作用于轮胎绕其法向轴的力矩，在车辆作圆 周运动时，这个力矩是使转向车轮恢复到直线行驶位置的主要恢复力矩之一， 称为回t f 力矩。“1 。根据回正力矩产生的机理，有 m = t f f 。| im = e f f q r m q = e r f ：? | m r r = e f f r 路面通过轮胎作用于转向小齿轮的转矩为 f = 2 e t 。j , u 2 式中： k 、k ：一前、后轮胎总侧偏刚度； e f 、e r 一前、后轮拖距。 2 、4 随机路面模型” ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 建立随机路面模型是研究汽车动态响应及其控制的基础。汽车运行时，通 常把路面相对于基准平面的高度沿道路走向长度的变化，称为路顽纵断面曲 线或不平度函数。按照路面不平度类型将激励分为随机激励和离散事件激励， 前者一般是出一般路面的随机不平产生的，后者由圆形凸起，弓形凸起及波形 路面等离散事件引起的”1 。 作为车辆振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度g 。) 描述其统 计特性。根据i s o 的建议，路面功率谱密度g ，( 竹) 可用下式作为拟合表达式 r 。、 g 。( n ) = g 。( ) j 三j ( 2 - 2 2 ) 式巾： n 一一空i b j 频率( r r 。1 ) ，它是波长矗的倒数，表示每米长度中包含几个波 长： 一一参考空间频率，= 0 1 m ： g 。( ) 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 2 脚： 一一频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面谱的频率结构。 分级路面谱的频率指数一般取为2 。 上述路面功率谱密度g 。( ”) 指的是垂直位移功率谱密度，还可以采用不平度 函数对纵向长度的一阶导数，即速度功率谱密度g 。( 月) 来补充路顽不平度的统计 特性。g o ( ，2 ) 与g 。( h ) 的关系如下 q ( 竹) = ( 2 勰) 2 g 。( h )( 2 - 2 3 ) 当频率指数w = 2 时，由式( 2 2 1 ) 及( 2 - 2 2 ) 育 g 。( n ) = ( 2 a n 。) 2 g 。( 肝。)( 2 - 2 4 ) 此肘路面功率谱密度幅值在整个频率范围为常数，即为“白噪声”，幅 值大小只与不平度系数g q ( ) 有关。 为了全面分析问题，在研究路面特性时，还要考虑车速这个因素。根据车 速v ，将空间频率功率谱密度嚷( h ) 换算为时间功率谱密度瓯( ，) 。 当汽车以一定车速v 驶过空间频率h 的路面不平度时输入的时间频率厂是 ”与v 的乘积，即 f = v n ( 2 - 2 5 ) 由此可得g 。，( m ) 与g 。( 厂) 的换算式 g 。( 厂) = 吉g q ( 月) ( 2 - 2 6 ) 进而可得时问频率路面谱密度g 。( ，) 的表达式，当w = 2 时，有 g 妒古g 川咆矧7 0 2 7 v ( 2 - 2 7 ) 由此可得时间频率的不平度垂直速度口( f ) = 由( f ) 破的功率谱谱密度 g i ( 厂) ( 单位为m 2 s ) 与位移功率谱密度瓯( ，) 的关系式 g 4 ( f ) = ( 2 n f ) 2 g 。( 厂) = 4 x 2 g 。( ) n o 2 v ( 2 - 2 8 ) 综上所述，在仿真分析过程中，路面随机模型可表示为 1 。= a 。z 1 。+ b 。喜( i = f ，r ；j = l ，r ) ( 2 - 2 9 ) a 、巩为对应的系数矩阵，专为均值为零的高斯白噪声。 2 5 本章小结 悬架系统和转向系统是汽车的重要组成部分，具有复杂的非线性特性，为 了简化控制模型，突出研究问题的主要方面，本章在建模过程中，将其简化为 线性系统。汽车轮胎模型和随机路面模型