（载运工具运用工程专业论文）混合型主动悬架模糊控制系统研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 要 汽车悬架系统是汽车底盘的重要部件，与汽车操纵稳定性、舒适 性、行驶安全性有密切关系。但基于经典隔振理论的被动悬架系统无 法同时兼顾这三方面的要求。而现有的全主动悬架系统不仅结构复 杂，而且价格昂贵。本文所研究的电磁反力式混合型主动悬架，是在 被动悬架的基础上再在车轮环节加装一个可控的电磁作动器，通过抑 制车轮的跳动间接改变车轮与簧载质量之间的力传递，以改善车身振 动和减小轮胎动载荷。 本文从混合型主动悬架的理想控制力和现有电磁作动器出发，分 析了电磁作动器悬架系统的传递特性。建立了半车混合型主动悬架模 型，并将模糊控制技术应用于混合型悬架。以车轮垂直向动位移为反 馈信号，提出了相应的模糊控制策略，以使电磁反力式作动器在车轮 环节形成垂直方向上的可控主动力。通过仿真对比分析了电磁反力式 混合型主动悬架系统的某微型车采用不同控制方法的性能。结果表 明，模糊控制方法能够使作动力与车轮跳动速度具有较好的“地棚阻 尼 特性，使车身垂向加速度、前后车轮轮胎动载荷、前后悬架动扰 度和车身俯仰角加速度诸方面都有明显改善。对以上几个指标进行频 谱分析，可以看出几个指标均在其二阶共振频率8 1 2 h z 处改善明显， 表明电磁反力式混合型主动悬架性能良好。 采用c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机，构建了作动器作动力反馈控制的硬件和 软件系统，搭建了1 4 车辆悬架模型试验装置，进行了验证试验。试 验结果验证了主动控制作动器对悬架性能的控制效果，表明模糊控制 方法效果较好。 关键词：混合型主动悬架，电磁反力作动器，模糊控制，台架试验 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t s u s p e n s i o ni s a ni m p o r t a n tp a r to fa u t o m o t i v ec h a s s i s i ti sc l o s e l y r e l a t e dw i t ht h ev e h i c l eh a n d l i n gs t a b i l i t y ，r i d ec o m f o r ta n dd r i v i n gs a f e t y h o w e v e r ，t h ep a s s i v es u s p e n s i o ns y s t e mb a s e do nt h ec o n v e n t i o n a l t h e o r yo fv i b r a t i o ni s o l a t i o nc a nn o ts a t i s f yt h e s et h r e er e q u i r e m e n t sa t o n et i m e b u ta c t i v es u s p e n s i o ni st o oe x p e n s i v et ou s ew i d e l y t h eh y b r i d a c t i v es u s p e n s i o nw i t he l e c t r o m a g n e t i cc o u n t e r f o r c ea c t u a t o rs t u d i e di n t h i sp a p e ri sas u s p e n s i o nw h i c hi n s t a l l sa ne l e c t r o m a g n e t i ca c t u a t o ro n l y o nt h ew h e e lo nt h eb a s i so fp a s s i v es u s p e n s i o n t h et r a n s i t i v er e l a t i o no f f o r c eb e t w e e nt h ew h e e l sa n db o d yi sc h a n g e db yr e s t r a i n i n gt h eb e a t i n g o ft i r e s ，s oa st oa c h i e v et h ep u r p o s e st h a ti m p r o v et h eb o d yv i b r a t i o na n d t i r ed y n a m i cl o a d i n g i nt h i s p a p e r ，t h e t r a n s f e rc h a r a c t e r i s t i co f e l e c t r o m a g n e t i c c o u n t e r - f o r c eh y b r i da c t i v es u s p e n s i o nw a sa n a l y z e db a s do nt h ed e s i r e d c o n t r o lf o r c ea n de x i s t i n g e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r t h es u s p e n s i o n m o d e lo fs e m i c a rw a se s t a b l i s h e da n dt h ef u z z yt e c h n o l o g yw a su s e di n t h ec o n t r o lo fh y b r i da c t i v es u s p e n s i o n ac o n t r o lf o r c ei nv e r t i c a l d i r e c t i o no ft i r e si s g e n e r a t t e dt h r o u g hc o n t r o l l i n g t i r e sv e r t i c a l d i s p l a c e m e n tw i t hf u z z yf e e d b a c kc o n t r 0 1 t h ep e r f o r m a n c eo fh y b r i d a c t i v es u s p e n s i o no fac a ru n d e rd i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g yw a sc o m p a r e d t h r o u g hs i m u l a t i o na n a l y s i s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea c t u a t o ra n dt h e v e l o c i t yo fw h e e lb e a t i n gc o u l df o r mag r o u n d h o o kd a m p i n ga d o p t i n g f u z z yc o n t r 0 1 b o d yv e r t i c a la c c e l e r a t i o n ，f r o n ta n dr e a rs u s p e n s i o ns p r i n g d i s t o r t i o n ，t i r ed y n a m i cl o a d i n go ff r o n ta n dr e a rw h e e l sa n db o d yp i t c h a n g u l a ra c c e l e r a t i o nh a v es i g n i f i c a n t l yi m p r o v e d t h ep o w e rs p e c t r a l d e n s i t yo ft h e s es e v e r a li n d i c a t o r ss h o w e dt h a tt h e yp e r f o r m a n c ew e l li n f r e q u e n c yd o m a i ne s p e c i a l l yi nt h et i r e r e s o n a n c ef r e q u e n c y ( 8 1 2 h z ) ， i i 江苏大学硕士学位论文 t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o u n t e r f o r c eh y b r i da c t i v e s u s p e n s i o nh a sg o o dp r o p e r t y b a s e do nc 8 0 51 f 0 2 0m i c r o c o n t r o l l e r ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p a r to ft h ea c t u a t o rc o n t r o ls y s t e mw e r ed e s i g n e d a l s o ，s e tu pa n o n e q u a r t e ro fv e h i c l es u s p e n s i o nt e s tr i g ，t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o w e d t h a tt h ee f f e c t i v e n e s so ft h ef u z z yc o n t r o lw a sr e m a r k a b l ea n dv e r i f y e d t h ep e r f o r m a n c eo ft h ea c t i v ec o n t r o l l e rt os u s p e n s i o ns y s t e m k e yw o r d s ：t i v es u s p e n s i o n ，a n t i e l e c t r o m a g n e t i c a c t u a t o r ，f u z z y c o n t r o l ，t e s tr i g i i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文 的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密囹。 学位论文作者签名：燃 指导教师签名 矿7 。年6 月f - 7 日渺l 口年b 序) 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：赂儡 日期： 秒户年舌月厂7 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 1绪论 汽车悬架系统是汽车底盘的重要部件，与汽车操纵稳定性、舒适性、行驶安 全性有密切关系。它的功用是把车架和车桥弹性地连接起来，并把路面作用于车 轮上的一切反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架( 或承载式车身) 上。因 而悬架系统是车辆平顺性( 乘坐舒适性) 、安全性( 操纵稳定性) 和减少动载荷引起 零部件损坏的关键【1 】o 悬架按照结构形式可以分为被动悬架、半主动悬架和主动 悬架。主动悬架能极大地改善车辆的行驶平顺性，但全主动悬架结构复杂且需消 耗较高附加能量【2 1 。 本课题所研究的混合型主动悬架，是在被动悬架的基础上于车轮环节加装一 电磁反力作动器，通过控制电磁反力大小来抑制车轮跳动，从而改善汽车车身垂 直加速度和防止轮胎跳离地面。这在主动悬架的结构形式上来说是一种新的探 索。对于这种新型主动悬架，学者胡思明己对采用p i d 控制模型做了一定的分析 研究，进行的简支梁振动控制试验也取得了一定的成果【3 1 。但是由于汽车悬架系 统的复杂性以及非线性，p 1 d 控制难以达到理想效果，况且简支梁的控制试验不 能模拟汽车悬架系统。因此，本文将设计一种新型的控制系统模糊控制，进 行1 4 汽车悬架台架试验，以更深入地研究混合型主动悬架系统。 1 2 电磁作动器的发展及应用现状 电磁反力作动器是一种主动动力吸振器。由于其结构简单，又能有效地抑制 频率变动的结构与设备的振动，因此在工程实践中得到广泛应用【3 1 。 如中美合作研究并于2 0 0 1 年实现的南京电视塔风振控制a m d 系统，安装 于深圳地王商业大厦的主、被动混合调谐质量阻尼器、渤海j z 2 0 2 m u q 平台结 构的a m d 控制系统等【3 】。 英国南安普顿大学的lb e n a s s i 、s j e l l i o t t 和p g a r d o n i o 将动力吸振器应用 于精密实验平台的振动控制中，取得了较好的控制效果。在动力机械的振动控制 方面，m a s a a k i 通过在船载发动机原有的橡胶隔振器上加装主动动力吸振器，使 江苏大学硕士学位论文 得振动传递率减小了近2 0 d b t 4 1 。美国c s a 工程公司研究了一系列电磁反力作动 器，将它应用于航天器、半导体加工车间、通讯设备及精准试验台等场合的振动 控n t s , 6 , 7 】。相关的文献表明，通过相应的控制方法可以使航天制冷设备的振动幅 值下降4 0 d b ，吸振频带宽达到5 0 0 h z 以上。另外，文献 8 从能量角度出发，对 吸振器在发动机上的不同布置位置进行了探讨。 而我国目前有学者开展了应用动力吸振器于发动机隔振方面的研究。舒歌群 和郝志勇讨论了主动吸振器的安装位置和吸振器个数对发动机减振效果的影响 【9 1 。江苏大学的刘军、何铁平等设计了一套发动机振动控制系统，通过应用电磁 反力作动器来抑制发动机的振动，取得了一定效果【1 0 】。 1 3 混合型主动悬架的发展现状 也有学者对动力吸振器用于汽车悬挂系统开展了探讨。 江苏大学的武鹏、张孝祖等对将被动式吸振器安装于被动悬架系统的非簧载 质量上能否产生效果进行了初步的探讨，在m a t l a b 环境下进行了仿真，并对两 种情况下的悬架性能进行了对比。所建立的1 4 模型图见图1 1 ( a ) ，悬架性能的 对比见图1 1 ( b ) 。 ( a ) 悬架模型图( b ) 幅频特性对比图 图1 1 被动吸振式混合悬架模型及仿真对比刚1 1 j 由悬架性能对比可以看出：在被动悬架之上加装被动吸振器之后，悬架性能 的三个指标在1 1 1 5 h z 有微小的改善，但是在6 - 8 h z 却比被动悬架较差。可见这 种方法可以改善高频段车身的振动和轮胎的接地性。但性能提高的频率范围有 限，幅值改善很少。这是由于被动吸振器只有在吸振器固有频率处才能有较好的 效果，在其他频率段则效果不显著，而被动吸振器的固有频率是不可变化恒定的。 2 童蔷善薹熹。飞蚕 ，1 毪 黾 孽 江苏大学硕士学位论文 如果把被动吸振器稍加改进，改变成一个力可以控制的吸振器即采用主动式 动力吸振器，以拓宽吸振器的吸振频带( 特别是垂直向对人体敏感的4 1 2 5 h z 1 2 】) 。这势必对改善悬架性能产生积极的效果。 2 0 0 5 年，江苏大学胡思明、戴建军首次将主动动力吸振器电磁反力作 动器加装在悬架系统上，组成混合型主动悬架( 见图1 3 ) 。电磁反力作动器是一 种主动动力吸振器，可以通过控制电流的大小来改变电磁力的大小和方向。从而 使作用于轮胎上的力可控。电磁反力式作动器兼有悬架的被动部分和主动部分， 因此称为混合型主动悬架。 电 ￥ 诤 而丘 图1 2 混合悬架1 4 车体模型及仿真对比【1 3 】 胡思明对混合悬架系统进行了基于车轮垂向跳动速度和作动器主动力的双 闭环p i d 控制研究。并借助m a t ia b s i m u l i n k 建立仿真模型，在仿真环境下进 行时域分析得出影响汽车三大性能的三个指标：车身加速度、悬架动挠度和轮胎 动载荷分别降低1 1 8 、1 8 和9 7 ，效果明显【3 】。 并且从图1 2 的幅频特性对比图中也可以看出，主动控制的混合悬架不仅拓 宽了减振的频率范围，而且幅值也较被动吸振式悬架有很大程度的改善。因此研 究主动控制式混合悬架以及适用于混合悬架的控制方法具有较高的现实意义。 1 4 混合型主动悬架电磁作动器的控制方法 1 4 1 混合型主动悬架的控制方法 当今国内外对主动悬架和半主动悬架控制方法研究和应用较多，3 礅 1 4 - 1 7 】 综合分析了天棚阻尼控制、最优控制、p i d 控制、模糊控制、神经网络控制等控 制方法在汽车主动悬架上的应用及各自的特点。另外江苏大学对半主动悬架控制 3 江苏大学硕士学位论文 策略的研究在模糊控制、鲁棒控制、神经网络控制、大系统理论的时滞控制等方 面取得了一定的成果【1 1 , 1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 1 】。 然而，无论是主动悬架控制还是半主动悬架，其控制特点是相同的：选择系 统状态向量中的一个或几个指标作为反馈量，经控制算法运算得出系统实时所需 控制力。 根据以上控制特点可知，目前应用于汽车主动悬架和半主动悬架的控制方法 都可以用在混合型主动悬架上。因此，可应用于混合悬架控制系统的控制方法主 要有： 1 ) 天棚阻尼器控制 天棚阻尼器控制是设想将系统中的阻尼器移至车体与某固定的天棚之间 【2 2 1 。就主动悬架而言，也就是要求有执行机构产生一个与车体的上下振动绝对 速度成比例的控制力来衰减车体的振动。同理，将天棚阻尼策略用于混合型主动 悬架的思想是执行机构产生作动力，与轮胎跳动速度形成地棚阻尼特性。只要合 理选择参数，可彻底消除系统共振现象。但张文丰在文献1 2 3 1 中指出，天棚阻尼 器控制只考虑了幅频特性，不包括相频特性，这就产生了用传递函数评价性能指 标的不确定性问题。 2 ) 最优控制方法 最优控制方法是通过建立系统的状态方程提出控制目标和加权系数，再应用 控制理论求解所设目标下的最优控制规律。较天棚阻尼器控制方法而言，最优控 制考虑了系统中较多变量，因而控制效果更好。最优控制方法有日。最优控制、 线性最优控制和最优预测控制等。h 。最优控制是在保证闭环系统各个回路稳定 的条件下，使相对于噪声干扰的输出取最小的一种最优控制方法，它具有较强的 鲁棒性【刎。线性最优控制是采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型 作为性能指标，在保证受控系统动态稳定的条件下实现对系统的最优控制【2 5 1 。 最优预测控制是利用超声波预先获得车辆前方路面特性信息，或者利用前轮的扰 动信息预估路面干扰信号，将所测量的状态变量进行反馈，使参数的调节与实际 需求同步【1 4 捌。 3 ) p i d 控制 p i d 控制是最早发展起来的控制策略之一，也是迄今为止应用最为广泛的控 4 江苏大学硕士学位论文 制方法。白2 0 世纪4 0 年代出提出p i d 控制方法以来，至今已经发展得比较完 善。由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高，所以，被广泛应用于过程控制和运 动控制中，尤其是用于可建立精确数学模型的确定性系统。而采用计算机实现的 数字p i d 算法，由于软件系统的灵活性，使p i d 算法得到了进一步的修正和完 善。工业控制领域有近9 0 采用p i d 控制策略。汽车主动悬架p i d 控制主要考 虑建模的精确性和多控制目标，而趋向于与各种先进控制方法的集成控制，如自 适应p i d 控制，参数自寻优p i d 控制，智能p i d 控制，模糊p i d 控制，神经网 络p i d 控制，预测p i d 控制等控制和参数整定方法【2 7 - 2 9 。 4 ) 神经网络控制 人工神经网络是生物学中脑神经网络的某种抽象、简化和模拟，它是由大量 类似于人脑神经元的基本信息处理单元通过广泛连接而构成的高度非线性超大 规模连续时间动态系统，反映了人脑功能的若干基本特性【勿。它具有自动知识 获取、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推理能力。神经网络具有自学习性 和巨量并行性，故在汽车悬架控制中有广泛的应用前景。日本农业工程大学的 m o r a n 和n a g a i 利用所建的神经网络模型对实际的非线性悬架系统做了系统识别 和控制，模拟计算表明神经网络控制与线性反馈控制相比，系统性能提高约j 0 。 有些研究者将神经网络、模糊控制与实时优化算法结合起来，以便同时处理系统 的非线性与参数的时变性，理论研究预言了其优越的性能。但神经网络有以下不 足：( 1 ) 难以保证解的唯一性；( 2 ) 局域性差；( 3 ) 基函数非正交，收敛速度慢；( 4 ) 难以确定逼近的分辨尺度【3 0 ，3 1 1 。 5 ) 模糊控制 模糊控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法，已广泛应用于许多工程实 际，如水质控制、地铁操作、汽车减振和牵引以及摄像机聚焦等系统中。其最大 优点是允许控制对象没有精确的数学模型，使用语言变量代替数值变量，在控 制过程中包含有大量人的控制经验和知识，与人的智能相似。由于模糊控制不依 赖系统的精确数学模型，因而对系统参数变化不敏感，具有很强的鲁棒性，尤其 适应于非线性、时变和滞后系统的控制。另外，它的控制算法是基于若干条控制 规则，算法非常简捷，特别适合于像汽车这一类部分参数经常变化以及要在不同 道路条件下工作的非线性、时变动态系统。 自2 0 世纪9 0 年代以来，模糊控制已被应用于汽车主动悬架的设计中。日本 5 江苏大学硕士学位论文 德岛大学的y o s h i m u r a 教授在模糊控制半主动悬架、主动悬架方面做了大量的理 论研究，并进行了实车试验，取得了理想的效果。 1 4 2 电磁反力作动器的控制方法 考虑到电磁反力作动器的控制对象和系统模型及外界干扰的不确定性，学者 们对控制方法的研究主要集中在反馈控制参数的选择和传感器集成两方面。英国 南安普顿大学的lb e n a s s i 、s j e l l i o t t 和p g a r d o n i o 选用作动器作动力和振动 控制对象的振动速度量作为反馈控制参数，通过设计p i 控制器对精密实验平台 的振动控制进行了研究【3 1 。他们还对作动器动质量的绝对位移量及薄板广义振动 速度最佳反馈位置的选取等控制参数进行了实验研究，振动控制效果明显。 c p a u l i t s c h 、r b o o n e n 等还在作动器内部集成加速度和速度传感器来直接测量 作动器动质量的运动参数，反馈控制效果明显【蚓。集成传感器反馈控制有利于 减少反馈信号传输过程中的干扰，提高了反馈量的精度和传输速度，成为近年来 作动器控制的发展方向【3 5 】。 在控制策略上，对主动动力吸振器( d v a ) 自适应控制方法的研究较多。而 实际应用较多的还是p i d 控制策略【3 2 。3 7 】。文献【3 4 ，3 5 1 提到的动力吸振器的振动控 制目标多为单自由度振动体，控制指标单一。而汽车悬架既使考虑两自由度1 4 车辆模型，控制目标就有三个指标( 即较小的车身加速度和车轮动载荷，合适的 悬架动扰度) ，整车考虑的还有车身俯仰和侧倾，所以在汽车悬架上应用主动吸 振器需要考虑系统的多自由度和控制要求的多目标性，这也是本课题的重点和难 点。考虑现实应用的可能性，需要在作动器参数设计的基础上，寻找一种既能达 到控制效果，又能体现性价比的控制策略。 1 5 课题研究的意义及研究内容 1 5 1 课题研究的意义 综合前面的叙述，本文是要在已有混合型主动悬架的基础上，探索一种更加 适合该悬架的控制方法。研究表明，在主动悬架和半主动悬架的研究开发中，控 制规律是其核心。因此，在悬架研究开发中，好的控制规律是关键。前面已有论 6 江苏大学硕士学位论文 述，目前主要应用的悬架控制算法有最优控制、p i d 控制、模糊控制等。 线性最优控制是建立在较为理想的系统模型基础上，采用受控对象的状态响 应与控制输入的加权二次型作为性能指标，在保证受控系统动态稳定的条件下实 现对主动悬架的最优控制；p i d 控制由于其算法简单、鲁棒性好及可靠性高，所 以，被广泛应用于过程控制和运动控制中。但是在实际情况中，车辆有着复杂结 构，路面激励是未知的且为时变的，汽车悬架又是一个复杂的系统，各部件的非 线性特性使得最优控制及p i d 控制不是很精确。由于模糊控制不需要对控制系 统进行精确建模，且具有较强的鲁棒性。因此，近年来关于模糊控制在主动悬架 控制领域上的研究日益增多。 对于主动悬架来说，即使控制算法再先进，依然无法在根本上解决能量消耗 较大的问题。它虽然能极大地改善汽车三大性能，但是消耗的能量太多而且制造 成本又高。因此目前只有少数豪华车才装主动悬架。 如何既使汽车的三大性能得到改善又使悬架消耗的能量减少且成本降低，从 悬架的进一步发展趋势来看，研究开发性能优良、控制有效、能耗低、造价合理 的汽车悬架系统，必将具有较高的经济效益和社会效益。 将电磁作动器安装于车轮是因为与振动时车轮所具有的能量相比车身的振 动能量很小。与主动悬架既抑制车身的振动又抑制车轮的跳动不同，起吸振作用 的电磁作动器如果只抑制车轮的跳动，所需的控制力不需太大，容易实现。 着眼于实际应用的混合型主动悬架不仅具有较高的学术价值，而且有着广阔 的产业化前景。因此，更有效地将先进实用的理论与方法运用到混合型悬架及控 制系统中，自主创新汽车及电子控制技术的知识，为混合型主动悬架的实际应用 奠定理论基础，是一个重大的课题，这必将对提升我国汽车产品的质量起到积极 的推动作用，带来显著的经济和社会效益。 分析了课题研究的意义，本文主要从以下几个方面展开研究： 1 ) 建立混合型主动悬架半车模型，采用模糊控制分别对前轮和后轮进行控 制以抑制前后轮的跳动，和同样参数下的被动悬架半车模型和p i d 控制下的半 车模型进行比较，分析半车模型的几个指标如车身质心加速度、俯仰角加速度、 驾驶室座椅垂直加速度等的优化程度。与1 4 汽车悬架相比，半车模型比被动悬 架能更好地反映车辆的运动状态。 2 ) 研究作动器的主动控制特性，通过对作动器输出的反作用力进行反馈模 7 江苏大学硕士学位论文 糊控制，探讨车轮跳动速度和电磁作动器作动力双反馈模糊控制下的1 4 汽车混 合悬架模型的几个指标。并分析了三种悬架形式：被动悬架、被动吸振、双反馈 模糊控制的悬架下车身加速度路面激励、悬架动挠度路面激励、轮胎动 位移路面激励的幅频特性曲线。 3 ) 在双反馈模糊控制悬架的基础上进行了控制系统软件设计。控制系统使 用c 语言编程，并借助k e i lc 5 1 软件对程序进行汇编，程序编译无误后自动把 程序下载到单片机上。 4 ) 控制系统设计好之后需要进行台架试验的验证。试验分两部分：第一部 分是作动器特性试验，验证作动器输出反作用力的稳定性及作用力大小，是否能 达到控制要求；第二部分是悬架减振控制试验，将作动器施加在轮胎上，测量车 身及轮胎振动加速度并与被动悬架比较，验证模糊控制系统的有效性。 结合研究内容，本文的创新点有以下几点： ( 1 ) 着重分析了应用于混合悬架的模糊控制算法以及基于作动器作动力反馈 模糊控制的混合悬架特性。 ( 2 ) 以江苏大学汽车工程重点实验室为依托搭建1 4 汽车混合悬架模型，设计 了电磁作动器特性试验，探讨了对于某一特定车型该作动器对车轮及车身振动加 速度的影响。 ( 3 ) 在混合悬架仿真分析的基础上设计了基于模糊控制算法的单片机控制系 统。结合台架试验台将单片机控制系统与电磁反力作动器进行电气连接；验证模 糊控制算法的效果。 以此为基础，为后续研究基于整车模型的混合悬架系统奠定理论基石；为日 后应用于实际生产提供可能。 1 5 2 课题研究的思路和方法 本项目系汽车系统动力学、系统建模与仿真、控制系统研究及电子控制产品 开发的于一体的综合研究。基本技术路线是：采用理论分析、数值仿真和试验相 结合的研究方法，以理论分析为核心，以数值仿真为手段，最后通过实验验证， 检验理论分析方法的正确性和优化设计原则的有效性，并修改和完善理论分析模 型，用于指导生产实际。 8 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 确立1 4 车体悬架各参数：包括簧载质量、非簧载质量、弹簧的弹性系 数、轮胎弹性系数、阻尼系数、作动器动质量块的质量、作动器弹簧片的弹性系 数及作动器本身的阻尼系数。根据牛顿第二定律及现代控制理论建立混合型悬架 半车车体模型状态方程，在m a t l a b 环境中建立混合悬架的s i m u l i n k 模型。 ( 2 ) 选择被控量( 模糊控制器的输入) 。因本课题中控制对象为非簧载质量 ( 轮胎) ，因此选择轮胎位移为控制量。理想状态下轮胎位移应为o 。并计算出 出轮胎位移与理想值误差及误差变化率的变化范围【l e m a x l ，l e m a x l 】和 【一l e c m , l ，l e 锄a x l ，根据经验大致推出控制量的实际范围【- l u m a x l ，l u m a x l 。 ( 3 ) 模糊控制器的建立。首先确定输入变量的模糊论域【坞m 】及输出变量的 模糊论域【惕，l 】，然后编写模糊规则。模糊规则的编写是模拟人脑对模糊信息的 处理对控制量及控制量变化率语言值进行推理，得出相应的输出量的语言值。最 后对输出量的语言值进行反模糊化得出其精确值，作用到控制对象。 ( 4 ) 模糊化及反模糊化。模糊化及反模糊化的过程就是确定量化因子的过程。 误差、误差变化率及输出量的量化因子分别为： k e = m l e m a x i k e c = m l e c m a x i k u - l u m a x l n ( 5 ) 将模糊控制器导入s h n u l i n k 仿真环境。在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立混 合型主动悬架模型后，在f i sf i l eo rs t r u c t u r e 栏内输入已经编辑好的f i s 文件名。 即可进行仿真。 ( 6 ) 针对电磁反力式作动器的电器特性及模糊控制规则设计控制系统所需的 硬件电路及软件系统。在仿真基础上，进行系统的台架试验，以验证模型及仿真 计算的结果。 9 江苏大学硕士学位论文 2 1 引言 2混合型主动悬架动力学理想模型 设计控制系统时，模型的建立是关键。模型直接影响到控制系统的效果。本 章将建立某车型的半车被动悬架系统模型及不考虑具体执行器时理想的混合型 主动悬架模型。并初步判定系统的可控性及可观性，为后续仿真研究打下基础。 2 2 路面模型 分析悬架时域或频域的性能时，需要建立路面输入模型。路面输入大致可以 划分为离散冲击和连续振动两类。离散冲击是在较短时间内的离散事件，并且有 较高的强度，例如平坦道路上的凸起和凹坑。连续振动则是道路长度方向的连续 激励，例如沥青路面、搓板路面等【2 2 】。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 路面不平度及功率谱密度【3 9 】 路面不平度是一个复杂的随机过程，通常把路面相对于基准平面的高度留， 沿道路走向长度l 的变化口，称为路面纵断面曲线或不平度函数，如图2 1 所 不。 图2 1 路面纵断面曲线 在测量不平度时，用水准仪测得路面纵断面的不平度值，将测得的大量路面 随机数据通过计算机处理，得到路面不平度的功率密度g 。 ) 或方差盯。0 ) 等统 计特性参数。路面功率谱密度g 。q ) ，用下式作为拟合表达式 1 0 江苏大学硕士学位论文 g 。( 凡) = g q ( n 。) f ) “ ( 2 1 ) ，1 0 式中：刀为空间频率，表示每米长度中包含的波数，单位为m 一：n o 为参考空 间频率，= 0 1 m ；g 。( 刀。) 为参考空间频率的路面谱值，称为路面不平度系数， 单位为；w 为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，取值由路面功率谱的频 率结构确定。根据路面功率谱密度把路面按不平度分为a 到h 等8 级。我国公 路路面功率谱基本在a ，b ，c ，d 等4 级范围之内，且b ，c 两种等级的路面 所占的比重比较大。各级路面不平度系数的变化及其几何平均值，分级路面谱的 频率指数w = 2 ，如表2 1 所示。 表2 1 路面不平度等级分类标准 掰断簿缀 q ( 嘞) x l o 一脚2 ，朋詹。2o w 1 - f 限凡何平均值上限 路面不平度的统计特性还可以用路面速度功率谱和加速度功率谱描述，它 们与位移功率谱的关系如下： g 口( 刀) = ( 2 t i n ) 2 g q ( ，1 ) ( 2 2 ) g 口0 ) = ( 2 a n ) 2 g g ( ，1 ) ( 2 3 ) 将w = 2 代入式( 2 1 ) 中，求得g 。( ) ，将g 。( 疗。) 代入式( 2 2 ) ，则： g 口o ) = ( 2 n n o ) 2 g g ( n o ) ( 2 4 ) 可以看出，此时路面速度功率谱幅值在整个频率范围内为一常数，即为一 白噪声，仅与不平度系数g 。( ，l 。) 有关，所以用路面速度功率谱来分析计算更为 方便。 2 2 2 路面时域模型 用谱函数g 。o ) 描述路面的统计特性，仅与路面距离和表面粗造度有关，而 与车速和时间无关，故空间谱函数描述路面特性具有唯一性。但针对车辆振动系 江苏大学硕士学位论文 统的输入除了路面不平度，还应考虑车速。所以通常把空间谱函数转化为时间频 谱函数。当车辆以一定车速 ，驶过空间频率n 的路面不平度时，输入的时间频率 厂是v 与n 的乘积。 由厂= v n ，可知空间频谱与时间频谱之间的转换关系： 1 g 。( 厂) = 二g 。( ，1 ) ( 2 5 ) y 当w = 2 时，将式( 2 1 ) 代入到式( 2 5 ) ，得： g q ( 厂) = g 。( ，l o ) n 0 2 v f 2 ( 2 6 ) g 4 ( 厂) = 4 万2 g 口( ) ，1 0 2 v ( 2 7 ) g 4 ( 厂) = 1 6 刀4 g 口( ，l o ) 乃0 2 ，2 y ( 2 8 ) 通过以上分析，一般有两种产生随机路面不平度时间轮廓的方法，即由一高 斯白噪声通过积分器产生或由一高斯白噪声通过成形滤波器产生。随机路面q ( f ) 的输入可以用下式来表示【4 3 1 ： 口o ) = 一2 7 0 * o q ( t ) + 2 万x a o v w ( t ) ( 2 9 ) 式中：g 。为路面不平度系数；，为车辆前进速度；w ( t ) 为高斯分布白噪声：兀是 滤波器的下限截止频率，若取值为0 ，则滤波器为一积分环节，路面输入为积分 白噪声；路面输入的时间频率是车速与空间频率的乘积，本文中取f o = 0 0 1 h z ， 这样模型输出信号更接近真实路面。 利用m a t l a b 软件可以构建出式2 9 的s i m u l i n k 模型。具体实现如下图： 图2 2 路面s i m u l i n k 模型图 1 2 江苏大学硕士学位论文 龄 g 钶 嘲 2 3 悬架动力学方程 图2 3c 级路面输入时域波形 建立汽车悬架的力学模型是进行性能分析和系统设计的基础。悬架系统作为 一个复杂的多自由度“质量一刚度一阻尼”振动系统，对其动力学特性进行精确 的描述和分析是非常困难的。但是，长期以来的大量研究表明，根据研究内容的 出发点不同，分析的侧重点和研究的目的不同，可采取不同的简化方法建立不同 的系统动力学模型。 建模时作如下假设【删： ( 1 ) 轮胎及车轴之间刚性连为一体，称作非悬置质量； ( 2 ) 悬架系统简化为线性弹簧和阻尼系统； ( 3 ) 悬架行程足够大，工作时不会碰到限位装置； ( 4 ) 轮胎通常简化为线性弹簧( 有的情况下也包括阻尼元件) ，并始终随动于地 面。 2 3 1 被动悬架模型 常用的基本车辆模型包括一维四分之一车体模型、二维二分之一车体模型和 三维整车模型。由于四分之一车辆的两自由度模型不能全面反应车辆的动态性 能；整车模型参数多，计算量大，且加控制时容易出错：而二分之一车辆五自由 度模型比较接近实际情况，为描述车辆运动的一种理想模型。因此本文仿真模型 江苏大学硕士学位论文 选用二分之一车体，将车辆悬架系统简化为如图2 4 所示的五自由度模型【蜘。 图2 4 被动悬架半车五自由度模型图 半车模型中悬架各参数见表2 2 ( 表中数据仅为计算用，并不是选自某一样 车) 。 表2 2 半车模型悬架参数表 符号( 单位)意义参数值符号( 单位)意义参数值 后轴剑质心 m 2 ( k 曲 簧载质量6 0 0 z ，( m ) 1 3 8 0 距离 前车身弹簧 1 6 0 0 0 m 3 ( k 曲 座椅质量2 2 k 2 f ( n m ) 刚度 前减振器阻 1 1 0 0 m 1 ，( k 曲 前轮质量3 0 c 2 ，( n s m ) 尼系数 m l ，( k 曲 后轮质量3 3 k 、f ( n m ) 后车身弹簧 1 3 0 0 0 刚度 车身俯仰转后减振器阻 1 3 0 0 ，( k g m 2 ) 动惯量 1 0 7 4 c 1 ，( n s m ) 尼系数 前轴到质心 z ，( 神 距离 0 9 5 5 k 3 ( n m ) 座椅刚度9 9 0 0 根据牛顿定律，分别对m ，、m 。，、m ：、m ，、，做受力分析，得出下列微 分方程： 1 4 江苏大学硕士学位论文 吮乞= 也( z l ，一g ) + r w ( z 2 ，一z ，) + 白( z 2 ，一乙) 乙= 也瓯一q ) + 如啄一乙) + g 啄一乙) 坞乏= _ 砀( z 2 厂一z 1 厂) 一白吻一乙) 一杨瓯一乙) 一g 晖一乙) 一k ( z 3 一乙) 一g 亿一勿) 鹕= 吨( z 3 一乙) 一c 3 呸一乙) s o = 4 k 2 s ( z 2 ，一毛) + 白( z 2 ，一毛) 】+ 眠( z 3 一乙) + g 一乙) 卜一乙) + g ( 乙一乙) 】 z 2 ，= 互一a o 乞= 之+ 艏 根据本文研究目的，在此选取状态变量的向量为 x = 【z 1 _ r z 1 ， z 2 fz 2 ， z 3 z 1 f z 1 ， z 2 f z 2 ，z 3 】1( 2 1 0 ) 输入向量为： u q ，q ，r ( 2 1 1 ) 其中q ，、q ，为i ； 后轮路面位移输入。 输出向量为： y = 【z 3z 。 z 2 f z 2 ，0z 2 f z l 厂z 2 ，一z 1 ， z 1 ，一q ， z 1 ，一q ，】1 ( 2 1 2 ) 其中俯仰角和车身垂直位移分别为： 0 = ( z 2 ，一z 2 f ) i l ( 2 1 3 ) z 。= ( a z 2 ，+ b z 2 ，) i l( 2 1 4 ) 综合上述可以得出系统的状态方程和输出方程如下 髓yc 衄x 篇 i = + d u 、 式中a 为1 0 1 0 状态矩阵、口为1 0 2 输入矩阵、c 为9 1 0 为输出矩阵。状 态矩阵和输出矩阵如下： c = u u 0 0 0 0 0 0 c c c o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o o 5 5 5 钆o o o o o o o o o 1 o o 3 3 0 吃0 o l 0 0 0 o o o o o o 1 o o o o o 1 o a = 矩阵中a 6 1 = 江苏大学硕士学位论文 k 2 f k l f m l f b= 氓3 ：争哦石： 川6 32 砖棚6 6 2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 一c 2 ， m l f oo0 o00 1 0 o 010 o 01 a 6 8 00 0a 7 9 0 000 o0o 0 口10 9 口lo 1 0 、口6 暑：孚、口7 。： 川6 82 砖川7 广 k 2 ，一k 1 ， m b r = 瓮吗广鲁吗扩鲁川。= 象“o s = 鲁川2 鲁、 c 1k 3一k 3c 3 a l o 1 02 - 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