（机械电子工程专业论文）主动阻尼悬架的模糊及神经网络控制研究.pdf

全文摘要 _ 主动阻尼悬架技术是当今车辆悬架技术发展的趋势之一，0 本论文从 汽车振动力学的角度对车辆悬架进行了研究。首先通过分析得到了主亏l 阻尼悬架系统的非线性模型。其次把模糊控制和神经网络控制策略引入 到主动阻尼悬架的控制之中，研究如何通过设计优良的控制器及优化系 统参数来提高主动阻尼悬架的减振性能和操纵性能。 、r 第一章回顾了悬架技术的发展以及模糊和神经网络控制的历史，着 重阐述了主动阻尼汽车悬架的发展概况，并对主动阻尼悬架控制策略的 现状进行了较为详细的介绍，最后概述了论文的选题意义和研究内容。 第二章简单介绍了路面不平度的功率谱表示及其分级，建立了简化 车辆振动的模型，提出悬架优化的目标。同时对液压阻尼悬架系统的结 构进行分析，建立了液压阻尼悬架系统的非线性模型。 第三章介绍了论文研究中主要涉及到的有关模糊控制和神经网络控 制的基本概念及理论。 第四章提出了主动阻尼悬架系统的混合模糊控制策略，研究了不同 的车速、路况、载重对混合模糊控制悬架减振性能的影响。同时将模糊 控制的控制效果与最优阻尼控制、开关控制和被动悬架进行了比较。并 通过实验研究进一步证实了混合模糊控制的有效性。 第五章提出了主动阻尼悬架系统的自适应神经网络控制策略，详细 介绍了网络的构造与学习过程，研究了在不同的车速、路况、载重下的 控制效果。同时将自适应神经网络控制主动阻尼悬架的减振效果与混合 模糊控制以及被动悬架进行了比较。 第六章总结全文。y a b s t r a c t a c t i v ed a m p i n g s u s p e n s i o ns y s t e m s h a v eb e e no n eo f m a j o r t r e n d si nt h e r e c e n td e v e l o p m e n to fs u s p e n s i o ns y s t e m s n l i sp a p e rr e p o r t sas t u d yw h i c h e x i m i n e st h e p o s s i b i l i t y o fr e d u c i n gv e h i c l ev i b r a t i o n f i r s t l yan o n - l i n e a r m o d e li s d e v e l o p e df o rt h ea c t i v ed a m p i n gs u s p e n s i o n ss y s t e m t h e nf u z z y l o g i cc o n t r o la n dn e u r a ln e t w o r kc o n t r o ls t r a t e g i e sa r ea p p l i e dt ot h ea c t i v e d a m p i n gs u s p e n s i o n t o i n v e s t i g a t e t h e i m p r o v e m e n to fa c t i v ed a m p i n g s u s p e n s i o ns y s t e mp e r f o r m a n c eb yd e s i g n i n ga n e f f e c t i v ec o n t r o l l e ra n d o p t i m i z i n gs y s t e mp a r a m e t e r s c h a p t e r l b e g i n sw i t hah i s t o r i c a ls u r v e yi n t os u s p e n s i o nt e c h n o l o g y ， f o c u s i n gp a r t i c u l a r l y o nt h e d e v e l o p m e n t o fa c t i v e d a m p i n g v e h i c l e s u s p e n s i o n t h e n i tr e v i e w ss o m e d e v e l o p m e n t s i nt h ea c t i v e d a m p i n g v i b r a t i o nc o n t r o ls t r a t e g i e s a l s od i s c u s s e da r et h es u b j e c ta n d s i g n i f i c a n c eo f t h i st h e s i s c h a p t e r2g i v e sab r i e f i n t r o d u c t i o nt ot h er o a d p a t t e r np s d a n dt h er o a d s u r f a c eg r a d i n g as i m p l i f i e dm o d e lo f v e h i c l ev i b r a t i o ni sd e v e l o p e da n dt h e a i mo fs u s p e n s i o no p t i m i z a t i o ni sp r o p o s e d a l s ot h es t r u c t u r eo f h y d r a u l i c d a m p i n gs u s p e n s i o ns y s t e mi sa n a l y z e da n dan o n - l i n e a rm o d e li sd e v e l o p e d f o rt h es y s t e m c h a p t e r3 i n t r o d u c e ss o m et h e o r i e so nf u z z yl o g i cc o n t r o la n dn e u r a l n e t w o r kc o n t r 0 1 c h a p t e r4 i n t r o d u c e sah y b r i d f u z z yc o n t r o ls t r a t e g y f o rt h ea c t i v e d a m p i n gs u s p e n s i o ns y s t e m n l e e f f e c t so ft i m e v a r i a n tf a c t o r si na c t i v e d a m p i n gs y s t e m o nv i b r a t i o nr e d u c t i o na r e i n v e s t i g a t e d a l s o t h e e f f e c t i v e n e s so fh y b r i df u z z yc o n t r o ls c h e m ei s c o m p a r e dw i t ht h o s eo f o p t i m a ld a m p i n gc o n t r o l ，b a n g b a n gc o n t r o la n dp a s s i v es u s p e n s i o nf i n a l l y t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sp r o v e dt h ee f f e c t i v e n e s so f h y b r i df u z z yc o n t r o l s c h e m eo nv i b r a t i o nr e d u c t i o n c h a p t e r 5 p r e s e n t s an e u r a ln e t w o r kc o n t r o l s t r a t e g y f o rt h ea c t i v e d a m p i n gs u s p e n s i o ns y s t e m n l ee f f e c t s o ft i m e - v a r i a n tf a c t o r si nn e u r a l n e t w o r kc o n t r o la c t i v e d a m p i n gs y s t e m o nv i b r a t i o nr e d u c t i o na r e i n v e s t i g a t e d a l s o t h ee f f e c t i v e n e s so fn c u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1s c h e m eo n v i b r a t i o nr e d u c t i o ni sc o m p a r e dw i t ht h o s eo ft h eh y b r i df u z z yc o n t r o la n d 2 p a s s i v es u s p e n s i o n s t h ef i n a lc h a p t e rd r a w sc o n c l u s i o n sf r o mt h er e s e a r c hf i n d i n g s 致谢 本论文是在导师王庆丰教授的悉心指导下完成的。两年多来，王 老师为我创造了良好的学习条件和许多锻炼机会，并在生活上给予我 无微不至的关怀。导师渊博的学识、严谨踏实的工作精神、卓越的科 研能力和组织协调能力给我留下了深刻的印象，并将在今后的工作和 生活中继续给我以激励。在硕士学业即将完成之际，谨向王老师表示 衷心的感谢和深深的敬意。 本论文得到顾临怡博士的大力支持和热心帮助，在此深表感谢。 感谢寿松桥副教授、韩波博士在实验过程中提供的帮助。 特别感谢我的同窗好友们在工作、学习和生活中给予的无私帮助 和支持。我们之间的深厚友谊，让我终身难忘。 另外还有许多老师、同学和朋友们给予我帮助与鼓励，在此我要 感谢研究所的老师和同学们。 最后，特别感谢我远方的家人，在多年的求学过程中，他们始终 给予了我支持、信心和温暖。 杨波涛 二0 0 0 年三月于求是园 一一 一 塑、江奎兰婴主鲎垡堡苎 第一章绪论 摘要 本章介绍了悬架系统的概况和悬架技术的发展以及模糊控制和神经 网络控制技术的发展概况，着重阐述了采用主动阻尼技术的汽车悬架发 展概况，并对主动阻尼控制策略进行了较为详细的介绍，最后概述了论 文的选题意义和研究内容。 【关键词】汽车悬架主动阻尼控制神经网络模糊控制 现代汽车除了保证其基本性能，即行驶性、转向性和制动性以外， 现在正致力于提高安全性与舒适性，向高性能和高质量的方向发展。舒 适性要求不外乎振动小，噪声低，乘坐空间大，而噪声与振动又是密切 相关的。人体在车内感受到的振动主要是由车辆行驶时路面的凹凸而引 起的，通过悬架传递到人体。车辆的振动不仅降低乘车的舒适性，而且 会加速机件疲劳破坏，它是影响车辆性能的重要因素。提高悬架性能是 目前降低车辆振动的主要措施。 1 。1 车辆悬架系统的作用与振动控制类型 1 1 1 悬架的作用与性能 普通汽车般包括汽车底盘及车身两大组成部分。汽车底盘由汽车 动力装置、传动系、行驶系、转向系、制动系共五个部分组成，悬架属 汽车行驶系。悬架的基本作用如下： ( 1 ) 支持车体的重量，同时缓冲因路面不平等因素引起的车轮上 下振动，以保护车体、乘员、货物等，并抑制车轮的不规则振动，使车 浙江大学硕士学位论文 辆平稳行驶。为此，相对于车轮的上下振动来说，要有刚度适当的弹性 连接和适当的减振机构。 ( 2 ) 悬架使车轮和路面之间所产生的驱动力、制动力、横向力能 确切地传到车体上，得到所需的行走运动。为此，车轮和车体问必需有 适度的刚性连接。 为了完成( 1 ) 的机能，要使用悬架弹簧和减振器。为了完成( 2 ) 的机能，要用适当的连杆把车体和车轴连接起来。通常所说的车辆悬架 系统就是指整个汽车行驶系，它一般由车架、车轴、车轮和悬架等部分 组成。 悬架系统不仅对舒适性有影响，而且对操纵稳定性也会有很大的影 响，而这两者对悬架的要求是相反的。例如为了缓和上下振动，要求悬 架弹簧较软，但弹簧软了又容易侧摆和纵摆，使转弯时的操纵性恶化， 制动时的车体前俯加剧，车轴容易产生上下跳动和跳摆等现象。所以设 计和控制悬架系统时，应综合考虑这两方面的因素，找一个最优点。 1 1 2 悬架的振动控制类型及比较 如果汽车悬架系统按其控制结构类型来分类的话，可把它分成四大 类：被动悬架系统、半被动悬架系统、半主动悬架系统、主动悬架系统 2 0 。 1 被动悬架系统 在传统的被动悬架系统中，弹簧支持车身并缓冲冲击，减振器使振 动迅速衰减，两者配合达到减振效果。由于减振器的阻尼力与振动的速 度的幂成比例，随着激振频率的增加，其刚度相应增大，所以不能很好 的隔离高频干扰。 如上所述，车辆的舒适性和操纵稳定性对悬架的要求是相反的。传 统被动悬架系统的设计，就是要确定其弹簧和减振器的参数，使悬架系 统在舒适性和操纵稳定性之间寻找一个最优的折衷方案。由弹性元件和 减振器组成的常规悬架( 被动悬架) ，虽然有一定的减振作用，但由于 其刚度和阻尼系数均为确定值，只能是在特定道路状态和速度下的最优 的折衷参数，在车辆行驶中无法随路面状况、载荷和车速等因素而变， 浙江大学硕士学位论文 所以存在着很大的局限性。 从车辆的舒适性和操纵稳定性出发，人们希望弹簧刚度和减振器的 阻尼系数能随汽车运行状态而变化，使悬架性能总能处在最优状态的附 近。通常弹簧刚度选定后很难改变，因此人们改变减振器阻尼，使悬架 系统的性能适应路况的变化。从八十年代起国外相继出现了另外三类悬 架，即半被动、半主动及主动悬架。 2 半被动悬架系统 半被动悬架可以用手工调节减振器的阻尼比。根据路面条件和车速 等情况的不同，手工选择减振器的不同阻尼比，以达到较佳的减振效 果。n i s s a n 、b m w 、l a n c i a 等公司生产的部分轿车就采用了这种半被动 悬架。 3 主动悬架系统 当路况更加恶劣，同时在有些复杂的汽车行驶状态下，如s 型弯 道、倾斜路面等，车辆仍须高速行驶并保持良好的平顺性和安全性时， 就需要主动悬架系统来保证性能。主动悬架，即在悬架中附加一个可控 制作用力的装置，并提供一能量源，使得减振器能主动输出减振力，来 充分有效地抑制来自路面的各种激励，使得在任意路面或者任意操作情 况下都能保持良好的行驶状态。由于液压传动与控制具有能量密度高， 动态特性好，能与电子技术方便结合，易于实时控制，因此，主动悬架 系统大多采用电液控制系统。日本n i s s a n 公司于1 9 8 8 年研制成功了世界 上第一个液压主动悬架系统。之后，日本t o y o t a 公司以及美国、欧洲的 一些大型汽车制造公司相继在其高档轿车上采用了液压主动悬架。 主动控制悬架系统虽然是一种理想的方案，但由于成本高，耗能大 等，至今难以在中、低档轿车及其它车辆上推广应用。 4 半主动悬架 半主动悬架是指减振器阻尼比能按照行驶状态的动力系要求自动调 节至最佳状态的一种悬架结构，因而又称主动阻尼控制悬架。这种系统 不需要外加能量装置，不消耗动力( 严格来讲是需要很少的能耗) 。日 本n i s s a n 公司1 9 8 4 年 1 3 】在其试验轿车上采用的- s e e 超声悬架系统即为 浙江大学硕士学位论文 半主动悬架系统。它主要由超声波路面声纳、车速传感器、转向盘操舵 速度传感器、制动开关、转子阀、减振缸和e c s 控制元件组成。利用 车速、转向角速度、制动开关等信号，以及由超声波传感器测定的车 高、连续检测的路面状态信号，由控制器发出指令，通过转子阀的转 动，改变减振器的通油面积从而控制减振力。其中转子阀是由装在减振 器内的电机驱动。 r、r f e r 侈 v fc 、 棼 渤 图1 1 三种悬架系统的阻尼变化范围 被动悬架的阻尼是不可调的，而半主动悬架的阻尼是连续可调的。 图1 1 表示了三种悬架系统的阻尼变化范围1 2 。由图可见被动悬架阻尼 仅能在一条线上变化( a ) ，半被动悬架阻尼则可在几条线上变化( b ) ，而 半主动悬架阻尼则可在整个平面内变化( c ) 。在有些情况下，可以达到被 动悬架不能达到的区域。这对汽车的舒适性和安全性都有很大的好处。 从上面的简述可看出，半主动悬架( 主动阻尼悬架) 就是振动控制 中的主动阻尼技术的典型应用，而所谓主动阻尼就是依靠控制执行机产 生阻尼力，吸收系统的振动能量，实现减振。而主动悬架就是振动控制 中主动隔振技术的典型应用，即控制执行机处于振源与减振对象之间， 通过施加合适的控制力，减轻激振力对减振对象的作用。表1 1 列出了 四种悬架系统的特性比较。 与传统的被动悬架比较，主动悬架能提供优良的减振性能，但能耗 大，设备复杂，可靠性性差，主动阻尼悬架虽然减振性能稍差于主动悬 架系统，但能耗小，结构简单，造价比主动悬架系统低得多，且其动力 性能比被动悬架和半被动悬架好得多，因此采用可调阻尼的主动阻尼悬 浙江大学硕士学位论文 架( 半主动悬架) 得到越来越广泛的重视。 表1 1 四种悬架系统的特性比较 悬架名称被动半被动半主动主动 调节元件普通减振器可调减振器可调减振器液压( 气动) 系统 作用原理阻尼力不变分级可调阻连续( 或分 调节车体与轮 尼级) 可调阻尼 间的作用力 控制方式手动自动自动 频带宽2 0 h z 左右 1 5 h z 能量消耗无很小小大 横向动力性 小中等大 能改善 垂直动力性 小中等大 能改善 隔振能力差稍好好较好 成本低低中等很高 1 2 主动阻尼悬架系统概述 1 2 1 主动阻尼悬架系统的结构 主动阻尼悬架系统实现阻尼调节的方法通常有两种： 一种是通过调节减振器工作液粘度的大小来实现。粘度的大小可调 节的工作液都是专门研制的液体一磁流体和电流变流体。 2 6 | 1 4 2 】 另一种是通过调节减振器内节流口的大小来实现【l3 1 。通常使用气动 或液压阻尼器实现。其中以液压阻尼器较为可行。本课题主要研究液压 主动阻尼悬架。 浙江大学硕士学位论文 无论主动阻尼悬架系统采用何种控制策略，其基本实现方式都是一 致的，既通过传感器检测车辆的振动、速度等信号输入微处理器，微处 理器采用某种控制算法得到控制量后输出给执行机构一可调阻尼器，使 车身振动减至最小。 图1 2主动阻尼悬架系统结构示意图 液压主动阻尼悬架系统主要组成部件有：各种传感器，可变阻尼 器，微处理器，液压减振缸及其补油机构等。图l 一2 为主动阻尼悬架系 统典型结构示意图。其中核心元件是可调阻尼器。储油筒和与之相连的 单向阀、固定阻尼是起补油作用。 1 2 2 主动阻尼悬架控制研究现状 1 主动阻尼悬架总的控制方式主要有以下三类 1 1 悬架的阻尼根据当前的车辆运动状态，实时地进行调节 浙江大学硕士学位论文 该方法是根据当时道路和车辆的状态反馈来决定阻尼大小，可采取 全状态反馈或部分状态反馈。当前大部分有关主动阻尼悬架的研究，都 采用该方式来进行悬架系统控制。该方法对控制算法的实时性和硬件要 求较高，但减振性能较好，适用于各种路况。 2 ) 根据路面随机激励的统计特性来调节悬架的阻尼 该方法不是根据每个瞬态的路面激励和车辆的响应来进行控制，而 根据有限时间段内的路面随机激励的调节特性来调节悬架的阻尼。该方 法仅关心在有限时间段内使悬架阻尼最优，即统计意义上的最优。该方 法对执行元件要求低，易于实现，适用于变化较为平缓的路况。文献9 中对此作了初步的研究。 3 1 用预见控制的方法来调节悬架的阻尼 当遇到较大或突变的干扰时，由于系统的能量供应峰值和元件响应 速度的限制，很可能因无法输出所需的控制力而达不到希望的控制效 果。而预见控制，由于通过某种方法提前检测到前方道路的状态和变 化，使系统有余地采取相应的措施，从而大幅度改善系统控制性能。 d ac r o l l a 教授【6 0 j 的研究结果表明使用预见控制的半主动悬架可以与未 采用预见控制的主动悬架得到同样的减振性能。 根据预见信息的获取及利用方法的不同，可构成不同的预见控制系 统1 6 ”，现有的研究中大致有如下两种： a ，对四轮全进行预见控制 这种预见控制系统在车的前部设置特制的预见传感器以预测前方道 路的凹凸情况，然后将这些信息传至控制器。控制器根据这些信息计算 出控制指令，并将相应信号送至四个轮中的每一个悬架执行机构。从理 论上看，这种系统应取得最为理想的控制效果，但需设置特殊的传感 器。1 9 9 2 年日本三菱资工发表过这方面的论文及试验报告i ，但尚未见 批量的实用车上市。 b 利用前轮信息对后轮进行预见控制 在这种控制方式中，两个前轮采用的仅为反馈控制，但通过前轮部分各 种传感器所获得的信息，都被作为预见信息而送至控制器。在决定后轮的 浙江大学硕士学位论文 控制指令时，控制器不仅考虑当时的车速和前后轮间的跨距，并考虑前 轮各传感器所获得的信息。因此，在后轮的执行机构上，实行的是反馈 加前向反馈的双作用控制。这样，无须增设特制的预见传感器，只须对 控制系统软件做些修改，便可对后轮实施预见控制，从而提高后轮的减 振效果，同时就整车而言可以减小车体的摆动，因而控制效果得到改 善。 2 根据所采用的控制策略不同，当前有关主动阻尼悬架的控制方法主 要有以下几种： 1 ) 经典的天棚阻尼控制”o 】 天棚阻尼控制方法由美国的d k a m o p p 教授( 1 9 7 4 年) 首次提出。 也正是k a m o p p 教授和c r o s b y 教授首次提出了半主动悬架的概念。该 方法在半主动及主动控制悬架的控制中被广泛采用。 一个弹簧加阻尼器的被动悬架系统的模型如图1 - - 3 a 所示【2 饥。而天 棚阻尼控制则设想将系统中的阻尼器移至车体与某“固定的天棚”之间 ( 图1 - 3 b ) 。就半主动悬架而言，也就是要求由执行器产生一个与车体 的上下振动绝对速度成比例的控制力来衰减车体的振动。 一n 图1 3 被动控制与天棚阻尼控制的悬架系统模型 一 时 浙江大学硕士学位论文 2 、b a n g - b a n g 控制 y j q 入 图1 4 半主动车辆悬架系统模型 采用b a n g - b a n g 控制的主动阻尼悬架控制规律为( 如图l 一4 ) c 2 ( f ) = 黟漂： 式中：“为上阻尼系数，c1 为下阻尼系数，c h c i = 0 。m a r g o l i s ( 1 9 7 5 年) 、m a r g o l i sa n dh r o v a t ( 1 9 7 6 年，1 9 8 1 年) 、k r a s n i c k i ( 1 9 8 1 年) 等 人对b a n g - b a n g 控制的主动阻尼悬架进行了研究。该种悬架使车辆在低 频范围内振动有较大的衰减，但却很难降低簧下质量的共振现象1 2 】。 3 1 最优控制 ( 1 ) l q 控制 按二次型最优控制理论设计是目前较通用的确定减振系统参数的方 法。首先，要根据实际需要选择权矩阵q 和r ，构成优化目标泛函 矿 一一 j = 【( x 1 缈+ “7 r u ) d t ( 1 2 ) 对振幅要求限制得很低，q 阵就应该取得很大。反之，如果希望用尽量 小的控制力，r 阵就要取得大些。系统的状态方程和优化目标泛函以 后，用变分法导出受状态方程约束的使泛函j 取极值的控制向量u + ( t ) ， 它就是所需要的最优控制，特别是当j 的积分上限t 取无限大时，u + ( t ) 和 9 浙江大学硕士学位论文 运动状态向量之间的关系是定常的，即 1 2 ( t ) = k x ( t )( 1 - 3 ) 式中，k 是常数矩阵，因而可以按状态反馈原理构成最优减振系统，毋 需用计算机在线控制。但这里未考虑干扰问题。 f 2 1 线性二次型g u a s s 最优控制【5 9 】 当状态变量量测和输出变量量测的有随机干扰时，二次型最优控制 问题就变为线性二次型g a u s s 最优控制问题( l q g ) ，此时系统方程为 j 。a x + b 1 w + b 2 “ ( 1 4 ) y = c x + v 、7 式中w s n v 均为自噪声信号，分别是对状态变量量测和输出变量量测的 随机干扰信号。对于式( 】- 4 ) 所描述的系统，提出如式( 】2 ) 的指标，最后 都可转化为求解r i c c a t i 矩阵方程。剑桥大学的b e s i g n e r 等人对l q g 最优 控制在主动阻尼悬架中的应用进行了理论分析和仿真研究，研究表明采 用l q g 最优控制时，减振性能优于采用天棚阻尼器控制或b a n g b a n g 控 制。 这种理论在工程应用中己比较成熟，但这种理论的使用条件比较苛 刻，有以下三个重要局限： 1 ) 、假定干扰的功率谱为已知且单一是不切实际的，在实际系统中 干扰往往属于某一可描述集，而不是特性已知且单一的过程。 2 ) 、l q g 最优控制严重依赖建模的准确性，控制系统的鲁棒性较 差，当系统参数发生变化时，会引起系统性能的下降。 3 ) 、二次型范数不满足乘积不等式( 两元之积的范数小于或等于各 元范数之和) ，因此不利于研究系统的不确定性。 4 1 滑模控制 滑模控制作为变结构控制系统( v s s ) 的一种控制策略，出现于5 0 年代，现已发展成为较成熟的理论体系。渭模控制的突出优点在于滑动 模态下，系统对于摄动和外界干扰在一定条件下具有不变性，这种不变 性比鲁棒性更进一步称为完全鲁棒性。滑模控制结构简单、对于非线 性和不确定性的系统控制非常有效。车辆悬架是含有许多不确定因素的 非线性动力系统，将滑模控制应用于车辆悬架的主动阻尼振动控制，可 以适应悬挂载荷和悬架元件特性的变化，自动调整半主动悬架系统的控 1 0 浙江大学硕士学位论文 制器来降低车辆的振动。i s o b e ( 1 9 9 6 年) 【6 8 】将滑模控制用于半主动悬架系 统控制，进行了理论分析和仿真，结果表明控制效果良好。但是滑模控 制在本质上的不连续开关特性将会引起系统出现抖振现象，形成锯齿形 的轨迹。 5 ) 自适应控制 自适应控制分为自校正控制和模型参考自适应控制。自适应控制系 统在运行过程中，通过观测过程的输入和输出所获得信息能够逐渐减 小系统的先验不确定性，而得到对系统的有效控制。 图1 5 自适应l q g 控制半主动悬架系统原理图 图1 ，5 为一种自适应l o g 控制的系统原理图，控制系统通过不断地量 测系统的输入输出，在线辨识系统模型参数，并以次为基础，按二次性能指 标要求确定控制信号。 汽车半主动悬架的实际动态系统具有一定的不确定性，主要来自路 面激励即随机扰动输入，传感器的量测噪声以及悬架模型参数的不确定 性。因此，采用自适应l q g 控制策略是一种有效的方法。其中，l q g 控 制可以有效地解决前两种不确定性对系统的影响，而自适应控制可以减 少模型的不确定性对系统的影响忙“。 6 ) 统计最优阻尼控制 该方法用统计线性化方法将非线性的悬架系统模型变为统计线性化 浙江大学硕士学位论文 模型，然后根据线性化的模型求出系统的最优阻尼控制律。实际控制 时，只要根据当前的道路特征系数s o 按最优阻尼控制律对悬架阻尼进行 调节，就可以使悬架工作在统计最优状态下。该方法简便易行，对控制 系统要求不高，并且有明显的减振效果。 1 3 模糊及神经网络控制的发展及应用 模糊集合论是在六十年代中期由l h z a d e h 【70 j 提出的。而后模糊数 学得到迅速发展，形成了一系列比较完整的基础理论。模糊集合的引 入，使得用比较简单的方法对复杂系统作出合乎实际的、符合人类思维 方式的处理成为可能。目前，模糊集合理论及其应用已成为非常引人注 意的学科，其应用涉及自动控制、信息处理、图象识别、商品评价、化 合物分类以及地理学、经济学、社会学、语言学等诸多领域。 1 9 7 3 年，z a d e h 继续丰富和发展了模糊集合论，提出了一种把逻辑 规则的语言表达转化成相关控制量的思想，从而为模糊控制的形成奠定 了理论基础。他同时提出：模糊控制方法与通常的定量本质上是不同 的，它有三个主要特点： ( 1 ) 用语言变量代替数学变量或两者结合应用 ( 2 ) 用模糊条件语句刻划变量间的函数关系 ( 3 ) 用模糊算法来刻划复杂关系 从7 0 年代中期以来，出现了一些模糊控制在实际生产过程中取得成 功应用的例子。m a m d a n i ( 1 9 7 4 ) 首先利用简单模糊控制器对一台小型蒸 汽机实现了控制，收到了良好的效果，它标志着模糊控制的正式诞生。 近年来，模糊控制理论开始受到广泛重视，特别是在东方世界，吸引了 众多专家学者的参与，至今其理论研究与工程实际应用发展相当迅速。 目前，模糊控制已开始向多元化发展，神经元模糊学习算法和自组织模 糊控制等有了新的研究成果，前期提出的模糊建模、参数辨识等已应用 于工程实际，另外，在模糊控制器的稳定性分析、模糊预测控制、模糊 多变量控制系统等方向都有了新的进展，同时还提出了遗传算法与模糊 算法相结合的新的研究方向。现在，模糊控制已经成为智能控制的一个 重要分支，发展成为具有一定系统化理论及大量实际应用背景的新兴学 浙江大学硕士学位论文 科。 自m c c u l l o c h s d p i t t s 于1 9 4 3 年提出“似脑机器”f m i n d 1 i k em a c h i n e ) 和神经学网络( n e u r o l o g i c a ln e t w o r k ) 概念以来，人工神经网络( a n n ) 的 研究走过了一条波浪式推进的发展道路。1 9 5 7 年r o s e n b l a t t 首次引进了 感知器概念( p e r c e p t r o n ) ，它由阀值性神经元组成，试图模拟动物和人脑 的感知学习能力。1 9 6 2 年w i d r o w 提出自适应线性神经元( a d a u n e ) ，它是 连续取值的线性网络，主要用于自适应系统。上述科学家对思维科学的 研究与当时占主导地位的、以顺序离散符合推理为基本特征的a i 途径完 全不同，因而引起了不少人的兴趣。人工智能的创始人之- - m i n c k y 和 p a p e r t 于1 9 6 7 年出版了颇有影响的( ( p e r c e p t r o n ) ) 一书，对以感知器 为代表的网络系统的功能及局限性从数学角度作了深入的研究，使神经 网络的研究进入低潮。但是，在此期间仍有不少学者致力于神经网络研 究。g r o s s b e r g 等提出了自适应理论，k o h o n e n 提出了自组织映射， f u k u s h i m a 提出了神经认知机网络理论，h r n a r i 贝u 致力于与神经网络有关 的数学理论的研究，w e b o s 提出了b p 理论，从而为神经网络的发展奠定 了基础。 神经网络是一种处理不确定性、非线性和其它不确定问题的有力工 具。它具有并行计算、分布式信息存储、容错能力强以及具备自适应学 习功能等优点，因此适合于对复杂系统进行建模和控制。近年来，采用 神经网络的控制方法已日益引起人们的重视。目前，有关神经网络控制 器的结构方案有许多种，典型的方案包括n n 学习控制、n n 直接逆控 制、n n 自适应控制、n n 内模控制、n n 预测控制、n n 强化控制、 c m a c 控制、分级控制和多层控制等。 1 4 课题的意义、研究内容 1 4 1 选题的意义 一方面，汽车工业作为我国重点发展的支柱产业之一，提高国产汽 车性能势在必行。而悬架技术是提高汽车性能的一个重要方面。目前国 产车辆上普遍采用的仍是被动悬架，这与世界先进国家差距甚大。由于 浙江大学硕士学位论文 半主动悬架成本低、结构较简单、不需要外加能源、可靠性高、易实 现、且减振性能略次子主动悬架，而比被动悬架有很大提高。因此基于 液压主动阻尼控制的半主动悬槊研究，适合我国国情，对提高我国汽车 悬架技术的水平有很大的现实意义，具有广阔的应用前景。 另一方面，文献检索的结果表明，国外近几年有关主动阻尼振动控 制研究的文章的数量呈上升趋势，这说明就世界范围来讲，一方面关于 主动阻尼控制策略的研究也仍处于发展阶段，另一方面主动阻尼振动控 制的研究愈来愈多的受到人们的重视。就国内来讲，近几年虽然也发表 了一些关于主动阻尼振动控制的文章但总的来说其数量还比较少，而 且其研究几乎都存在以下两个局限性，一是所研究的主动阻尼振动控制 系统的数学模型是线性的，而实际上目前所用到各种主动阻尼振动控制 系统都存在者很强的非线性；二是所进行的研究只限于理论研究和仿真 分析，并未进行试验研究。 主动阻尼车辆悬架是非常复杂的动态系统，其路面输入为随机过 程，具有很强的不确定性，面系统本身又有强非线性和一定的时变特 性。因此用常规的控制方法难以取得理想的控制效果。滑模控制在本质 上的不连续开关特性将会引起系统出现抖振现象，形成锯齿形的轨迹： 而天棚阻尼控制方法简单，但控制效果一般；l q ，l q g 控制是基于线性模 型，且鲁棒性差：自适应控制的稳定鲁棒性问题在理论上仍未解决，并 且系统辨识时间长；b a n g b a n g 控制时阻尼变化不连续，很难降低悬架 簧下质量的共振现象。本课题将模糊控制和神经网络控制方法应用于主 动阻尼悬架系统，通过理论分析、仿真和试验研究得出合适的模糊控制 器及神经网络控制器，从而大幅度的提高车辆的减振性能和操纵性能。 1 4 2 论文研究内容 本课题主要以主动阻尼悬架为对象，采用计算机仿真与实验相结合 的方法，给出主动阻尼悬架控制的一些有效手段。考虑到现有的条件和 工程可实现性，本论文基于统计特性和实时状况相结合的控制策略，提 出两种有效的控制方法。论文的主要内容包括以下两个方面： 4 浙江大学硕士学位论文 1 1 混合模糊控制策略研究 该部分主要在研究主动阻尼悬架的基础上，提出了针对强非线性主 动阻尼悬架的混合模糊控制方法。根据液压主动阻尼悬架的减振特性， 建立模糊控制规则库，根据路面的统计信息及车辆运行的实时状态，利 用m a n d a n i m 模糊蕴含推理，设计出模糊控制器，进行了仿真和实验研 究，同时对影响主动阻尼悬架性能的各种因素进行了分析。 2 1自适应神经网络控制研究 以上述的混合模糊控制为基础，利用神经网络的非线性映射能力及 其良好的自学习能力，提出了主动阻尼悬架的自适应神经网络控制，通 过辨识网络对系统进行实时辨识，对神经网络控制器的控制特性进行实 时的优化。并对其进行了详细的理论分析及仿真研究。 浙江大学硕士学位论文 第二章主动阻尼悬架建模 摘要 本章简单介绍了路面不平度的功率谱表示，人体对振动不舒适感的量 化。之后建立了车辆悬架的振动模型，并对它进行了简化，对液压阻尼悬 架系统的结构进行了分析，建立了液压阻尼悬架单轮系统模型。最后提出 了系统的综合评价尺度。 【关键词】路面不平度功率谱车辆振动模型 车辆行驶的时候，激发汽车振动的因素很多，如路面的凸凹不平，发 动机及传动系的抖动，车轮不平衡等。其最主要的因素是道路表面的不平 度。当车辆在行驶时，路面的不平通过轮胎，传递到悬架系统，最后到达 车身，人体就感到了振动。上述情况可用图2 1 的框图来概括。 振动系统 输出 输入 ：不平度： 车辆 ： 加瞳度： 车速 ： ( 车轮、悬： 相l 口位移 弧车身) ； 力 图2 - 1 车辆振动系统框图 2 1 路面不平度的功率谱表示及分级 一般道路存在着宏观及微观上的路面不平度。整段路面存在煮波长大 于车辆轴距的起伏，这是一种超低频的路面变化趋势，对汽车振动影响甚 小，可不予考虑。路面道路圆频率约为0 1 2 c m ，幅值约为几c m 到2 0 、 6 浙江大学硕士学位论文 3 0 c m 左右的中低频波，是引起车辆振动的主要频率成分【7 l 】。由于轮胎的 弹性和碾平作用，路面不平度的高频成分对汽车振动影响很小，可忽略。 路面不平度是汽车振动的主要激振源，利用统计手段，在一个较长的 时间段中可以看出系统是如何被激振的，因而一般用功率谱密度来表示路 面不平度。一般情况下，路面不平度功率谱密度的数值随道路圆频率的增 长而减少。图2 2 是一些典型路面不平度的功率谱密度曲线： 烈、t 、j 、 、 k小 ， 5 l、 、 遘。吲 1 ， f 0 。 、 罄 k 吣 心 f 曩好ei 墨一一正t ： f 、 多磊f 好柏l：冠互t 土 由 玺【石 由尊z i 袋 璺；噩墨 叼 一 行程墨嚣；口t2 ，工 图2 2 路面不平度的功率谱密度 可以看出，路面不平度功率谱曲线可近似为直线，一般用下式表示 m ( q ) = 似噙蜘“ ( 2 1 ) 式中q o 是比较基准的行程圆频率，中( q 。) 作为不平度的尺度，说明道路的 好坏，称为“波度性”尺度，表示波长长短对功率谱的影响程度。一般波 浙江大学硕士学位论文 度性尺度在2 左右【2 j 。 国际标准化协会推荐的用路面值对道路的分类标准( i s os c 2 w g 4 ) 。 表2 - 1 给出了i s o 关于路面不平度分级的建议。它也是在w = 2 的基础 上提出的。以后的分析将以这个表作为路面不平度分级的基础。 当车辆按速度矿行驶时，路面激励就由按道路圆频率为基准变为按时 间圆频率为基准的实际激励。 表2 1道路不平度分级 等级平整度 i s o ( t c l 0 8 ) 建议巾( f b ) 单位为c m 3 ( q o = l m - 1 , w = 2 ) 下限平均值上限 ao 2 5o 5 b很好 o 5l2 c好 24s8 d中等 81 6s3 2 e不好 3 26 41 2 8 f很不好 1 2 82 5 65 1 2 g 5 1 21 0 2 4s 2 0 4 8 h 2 0 4 8 取o o = 1m ，w = 2 ，a 。= 中( q o ) 称为路面不平度系数，n ( 2 1 ) 式变为： ( q ) = a 。q “( 2 - 2 ) 路面激励( 按时间为基准) 为 吣，= 争( 玎 a 。v 2 广 ( 2 3 ) 国 、7 ( 2 3 ) 式就是时间圆频率有关的功率谱密度函数。可见车速的增加，单纯从 数值的角度来说，与路面不平度爿。的增加是等效的。 一 塑奎兰堡主兰鱼鲨奎 一般取车辆速度为5 m s 4 0 m s 间。因为车速过低，振动激励太小， 讨论它就没有实际意义。从国内道路情况看，大于4 0 m s 的车速一般也很 难达到。 2 2 系统设计的综合评价尺度 随着汽车与人们的关系越来越密切，人们对车辆乘坐的舒适感要求越 来越高。而要评价车辆的舒适感，就一定要考虑人体对振动的感受程度。 m e i s t e r ( 1 9 2 6 ) 对人的振感的研究结果如图2 3 所示。这是站立的人 的感受程度，当人坐下来时，整组曲线向高频方向移动。 o 雩 5 釜 卿 晕 。 j 1 口 盘饭藏阜( 1 - l z ) 图2 - 3 振动加速度与人体感觉的关系 受振感： o ：感觉不到振动 1 ：能感觉到振动 2 ：有一定舒适感 3 ：由感到舒适向不舒适过渡 4 ：感到不舒适 5 ：感到很不舒适 因为人感受到的振动主要在加速度曲线的水平部分，所以应尽量避免 浙江大学硕士学位论文 低频、大幅度的振动，而汽车振动加速度的区域正好处于这个位置。 j a n e w a y ( 1 9 4 8 ) 提出了以下乘坐舒适感好的加速度范围【7 l 】： ( 1 ) 低频段( 1 - 6 h z ) 加速度参数的振幅和频率在以下范围内 yf 3 5 ( 2 4 ) 即l o g y l 0 9 5 3 1 0 9 f( 2 - 5 ) ( 2 ) 中频段( 6 2 0h z ) y f 2 o 8 5 f 2 - 6 1 即l o g y l 0 9 0 8 5 2 l o g f( 2 - 7 ) ( 3 ) 高频段 y fs o 4 5( 2 - 8 1 即l o g y 1 0 9 0 4 5 一l o g f ( 2 9 ) 在这个频段，与m e i s t e r 曲线有所不同。 在以车辆振动加速度大小作为评价乘坐舒适性的场合，应当将 m e i s t e r 曲线2 ，j a n e w a y 的限界作为设计目标。 汽车悬架设计，首先要考虑乘员乘坐的舒适性，般用加速度来衡量 成员的“舒适性”。在单轮模型中，就用车身振动加速度的均方根值来衡 量。 除上述的舒适感要求外，还必须考虑行驶的安全性。汽车行驶安全性 摄重要的评价尺度是车轮动载荷。车轮的载荷f z 由静态和动态两部分组 成，如图2 - 4 。 乍寸 七乡 l 疋 轮荷疋 ，烈 炉易 u 一 图2 - 4 静态轮荷和动态轮荷的说明 f z = f ”+ f z b q 、 时间， ( 2 1 0 ) 浙江大学硕士学位论文 载荷的方差为 口，2 = 专r ( 疋( r ) 一瓦) 2 d t ( 2 - 1 1 ) 因而载荷的平均值一般等于静态载荷，即 f z = f 2 s 0 2 - 1 2 ) 所以 盯，2 = f 2 ( r 净( 2 - 1 3 ) 就是说轮胎载荷变化的标准差等于其有效值。表示功率谱的形式即为 盯，2 = c o ，( m 跏 ( 2 1 4 ) 其中妒，( c o ) 为动载荷的功率谱密度函数。 由于动载荷有可能是正的，也有可能是负的，特殊情况下= 一f 玉， 则瞬时总的载荷为零，也就是车轮不能传递水平力，就会引起车辆失控。 这就要求车轮载荷相对于静荷来说只能稍有减少。也就是要求车轮的动载 荷要小，即标准差o f 不能太大。 为考虑这一影响，在评价车辆的行驶安全性时，把动态载荷除以静态 载荷作为一个指