（车辆工程专业论文）半主动悬架系统与车辆性能的协调研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 乘坐舒适性和操纵稳定性是车辆两个藿要的性能指标，悬架系统性能的优劣 直接影响了车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，而传统的被动悬架在协调车辆的这 两个性能方面存在着很大的局限性，随着对车辆性能要求的进一步提赢，被动悬 架已经越来越不能满足车辆的要求，所以近年来人们开展了对非被动悬架的研 究，即用电子控制方法提离车辆悬架系统的性能。主动悬架系统虽然克服了被动 悬架系统的缺陷，但由于主动悬架系统实现的造价很离，因此到垦翦为止巍寒见 到性能较好、造价较低的主动悬架褥到应用。半主动悬架侔为分予传统的被动悬 架系统鄹主动悬架系统之阅的据衷方寨，既克服了被动悬架系绞的缺憝，又侵实 现成本降低，成了汽车技术的研究热点。本文慰半主动悬黎系统进行了拐步遮研 究。 营先，在k j l 3 e 减振器熊蓥磷上，褥葱了胃调阻鬣减攘嚣设译方案，撵崮了 一转逶过调节麓流瑟瑟度浚交减掇器戳尼的设计憨潞，研秘了实验用胃谲阻尼减 振器，并进行了室内台粲试验。根据试验缩采，分析了可调阻尼减振器的动态特 性，验证了该设计方案漪可行往，为建立曼为通用的半主动悬粲模型提供了可靠 依据；闻时，详细分析了试验中存在的问麓，为迸步完善可调阻尼减振器设计 奠定了基础。 其次，根据可调阻尼减振器的动态特性，建立了半主动悬架1 4 车辆非线 性模型，并与传统的线性模型进行了对比分析，结果表明该半主动悬架非线性模 型更接近实际车辆，为研究半主动悬架神缀网络控制系统提供依据，也为进一步 设计能够较好协调车辆平顺性和接地褴的半主幼悬架系统奠定了基础。 最后，设计了神经网络反馈控制系统，采用一种特殊学习( 直接学习) 方法 对其进行训练，并将其应用于半主幼悬架非线性模型的仿真验证，通过对多种路 厦激励输入条件下的仿真分析表明：该神经网终反馈控制系统可以较好地提高车 辆的乘坐舒适性和操纵稳定性，采用这种神经阙络反馈控制的半主动悬架，可以 较好地协调车辆性能。 关键词半主动悬架可调阻尼减振器台架试验毒申经网络控制 圭叠墨鍪墨丝量圭塑壁缝塑堡塑堕塞 a 8 s r r a c t 讹er i d ec o m f o r ta l l d h a n d l i n ga r e 铆oo ft h em a i np e r f b r n l a n c ei n d e x e so f v e l l i c l e ，v e h i c l es u 印e n s i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tp a ni ni m p r o v i n gv e h i c l er i d e e o m 受赡a 珏d 羹臻d l 蕤g 。硒e 妇硅至t i 雠蠢p 鑫s s i w 瓣s p 镒s i 。n 奴蚰o m ei 璐a 辫e 玲遗 i m p r o v i n g t h et w o p e r f o r m a n c eo fv e h i d e ，w i t h 讯ed e m a n d i n go fi m p r o v i n gv e h i c l e p e r f o n n a | 1 c ef h n l l 或t h et r a d j t i o n a lp a s s j v es u s p e n s j o nc a l l tm e e tm ed 锄a n do f 也e v e h i c l es t e pb ys t e p ，a n ds ot h ef m n p a s s i v e s u s p e n s i o nu s i n ge l e c t r o n i cc o n t r o i 辩e 氇。娃弱i m p v e 囊oq 毽基至t yo fs 骓蹲e 鞋s i o 珏s y s l e 趣矗8 s e 建s t u 蘸量e d 。a l 囊。啦氇。 a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m 敞n o v e st h er c s 砸c f i o n so ft h ep a s s i v es u s p e n s i o ns y s t e m ， i t sc o s ti nh a r d w a r ei s1 1 i g h t h e r e f o r et l l e r ea r ef e wa c n l a la c t i v es u s p e n s i o n s y s t c m t o b ef o u n do nt h ev e h j c l e s t h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o na sc o m p r o m i s eb e t 、e nm e e o n v 嘶i o 驻| p a s s i v es u s p e 珏s i o ns y s 把m 娃莲a e t 沁es 毽萼i e 建s i o 矗s y s t e m ，e a 珏p 嚣强 t h e 矗m o 娃0 no fa c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ，b u tt h er e q 伍r e m e n t so ft h ep o w e ri sv e r y f c w s oav a r i e t yo fs e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m sh a v eb e e ni n t o p m c t i c e t h e t h e s i ss t u d i e d p r e l i m i n a r i l y o n 也es e m i - a c t i v es u s p e n s i o n 。 萝融。矗& 瓿i so f 掰1 3 舀d 黼麟妞各l 黼两n t 醴氐v 撕痨l e 蠢黼蹿潞 c o n c e i v e d am e t l l o dw a sp mf o r w a r dw h i c hc h a n g ed a m pb yt u m - n gu pm r o m e s c o o p ，a n dp r o d u c e dt h ev a r i a b l e * d 锄1 p e r f o rt e s t a f i e rt l l e t e s t ，t h ed ”a m i c c h a 豫c t o r 主s t i co f 也ev 撕a b l e - 出唧e rw a sa n a l y z e da n dt h eb l u ep r i n tw 猫v a l i 幽嚏e d w 毯巍p f o 瑗d e 矗囊e 辩l ia _ b l e 瘿鞋 酝c 饼堪圭i 越i 珏g 瀚羚搬l 主c 螽l e 攥o d e lo f s e m l 啮e t i v e s u s p e n s i o n t h ep r o b l e mi nt e s t 汛8w 勰锄a l y z e dd e t a i l e d l yw m c he s 协b l i s k d 龇 b a s i sf b rd e s i g n e dt h eg o o d v a r i a b l e * d 蛳p e l s e c o n d 玟r e f 酾n gt o 也ed 粥绷i cc h 黝c l 蹦s t j co ft h ev 蛹曲】e - d a m p 嗨t l 】e 氇e s i se g 托由l i 妇d 撞瓣l 撙v 巍i e kn o n - l i 珏e 越m 嬲e lo f 氇es e 搦i - a c l 至v es l l 蹲聪s i o n 。 c o m a r e dt ot r a d i t i o n a ll i n e a rm o d e l ，a i l a l y z e dm ev i n l l ea n dn a wo ft l l em o d e l ， d e m o n s 鼢t e dt l l em o d e lm o r er e a s o n a b l e p f o “d e dm e 舀s tf o rd e s i g l l i n g 也en e u r a l n e 咖嫩s y s t e m8 n 娃t h el e 鼬i n gl n e 幽o d e s t a _ b l i s h e d 也eb 鑫s i s f o fd e s i 嘶n g 也e s e m i 。l i v es u s p e 懋i o n 协殛m 描癍翡t k 妯i 砖ep 涵“鞋霾珏。 f i n a j i y af e e d b a c k c o n n - 0 ls y s t c mo f n e u r a ln e t 、 ，o r k 郴d e s i g n e da n das p e c 诫 l e a m i i l gn i e 山o dw a sp 姻d u c e dt o 咖i l l 也en e l l r a ln e t w o r k 、 ，! h i c h 、v a sa p p l i e di n 也e n o n 1 i n e a rm o d e lo fs 嘲0 8 融v es 黼p e n s i o n 。司锵羚s u l to ft 铸t8 h o w e dr i d ec o m f o r t a n dh a n d l i n gw a si m p v e dp 揩钕螽| ya 蠹蹴疆e n 轾o l ，嚣醚氆e s e 激i 鑫c 圭至v e s u s p e n s i o ns y s t 锄h a 瑚o n i z e d 出e v 棚d e p 鲥晒蝴a n c e 谢t l l m e n 廿o u e r k e y w o r l l s ：s 嘲i - a c t 主v e 辩s p c n s i o n ， v a r i a b l e - d 黝p e r ， b e n c h 也s t ， n e l l r 畦n e m 瓣嫩， c o n r 挣l l l 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，同意学位保 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 学位论文作者签名：岁j 乇 二d 哆年“月d 7 日 指导教师签名：降砂睁羔立 加；年占月j 7 日 本人郑重声明：舞呈交鲶学位论文，是本人在导簿酶指譬下，独立避 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 包含任何其饱个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要赏献的个人和集体，均邕在文中黻明确方式标瞬。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：列己 日期： 2 d 口弓年月d 7l j 江苏大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 悬架与汽车性能的关系 悬架系统是车架和车桥之间的所有传力零件和部件的总称，其主要功能是将 路面作用于车轮上的各种力和力矩传递给车架，从而保证车辆正常的行驶：通过 弹性元件的缓和冲击作用、减振装置的衰减振动作用以及导向机构对车身和车轮 运动轨迹的限制作用，使汽车具有良好的乘坐舒适性和行驶稳定性【l ，2 】。 作为连接车轮与车架的重要总成，悬架系统直接关系到汽车的平顺性、安全 性、通过性等多种性能，同时它还影响到零部件的使用寿命。悬架所传递的力和 力矩有垂直力、纵向力和侧向力，其中垂直力保证了车身的质量最终由地面承担， 纵向力保证了汽车的启动、制动、前进和倒退，侧向力保证了汽车的曲线运动。 悬架要缓和有不平路面传给车身的冲击载荷，衰减有冲击载荷引起的承载系统的 振动。在车辆侧倾或俯仰的时候，悬架要能及时的控制车身姿态，保证此时的舒 适性和安全性【j 4 】。 目前，研究中普遍采用的悬架是由 弹性元件和阻尼减振器组成( 结构如图 1 1 四3 ) 。悬架弹簧刚度小、减振器的阻 尼小，有利于控制由路面输入、惯性力、 空气阻力造成的中高频垂直方向的车 身运动，使中高频车身垂直加速度降 低，提高了舒适性，但车轮动载荷加大， 影响了车轮的接地性，损害了安全性。 悬架弹簧刚度大和减振器的阻尼大，有 利于控制低频垂直方向车身运动及其 所决定的座椅运动，还有利于控制车轮 动载荷，提高了安全性；同时有利于汽 车在做各个方向的加速运动时控制车 身姿态，提高了舒适性。 图1 lh o n d a 轿车双横臂后悬架 可以看出，车辆的舒适性和安全性在低频和中高频时对悬架的要求是矛盾 的，要使悬架达到最优特性，就要使悬架根据不同的工况，在满足汽车对悬架基 本要求的同时，做到悬架特性与簧载质量大小无关，并能根据工况的不同，及时 正确地改变悬架特性，这样才能在总体上同时保证汽车在低频和中高频的舒适性 和安全性，并能控制整车姿态3 1 ，从而使车辆性能得到更好地协调。 堂圭墨查墨叠堕兰圭塑垫塑塑堡塑堡查： 1 2 悬架的发展概况与现状 菝懑柒黟工俸琢骥不霜蠢分必被动悬梁( p a s s i v es 毽s 淤矬s i o n ) 、半主动悬梁 ( s e m i 以c t i v es u s p e n s i o n ) 和主动悬架( a c t i v e s u s p e n s i o n ) 三种基本类型脏。结 构分别如图1 2 。 曰。园甲 ( a ) 被动悬架 ( b ) 半主动悬架( c ) 全主动悬架 掰z ：繁载覆羹熬：嚣簧载矮羹囊：悬絮弹簧难度藏：耱齄刚度c ：阻尼 ，：作幼器作动力 图1 2 车辆悬架系统结构图 1 2 。l 被凄悬絮 1 9 3 4 年，0 l l e y 发明了被动懋架的基本原瑷。被动悬架怒迄今为止历史最悠 久、应用最广泛的悬架。它结构简单、性能可靠、造价低和不消耗外界能嫩等优 点，笈茭识然羹汽攀上普遽采鼹憋爨絮系统。鬣是传统戆裟麓悬絮戆裂魔辣隧愿 参数，照按经验设计绒优化方法选择的，然两踟于操级稳定性和乘坐舒遗性在汽 车悬架结构设计上燎很难获得统一的，所以要同时满足两项性能的要求就必须进 行一定的拆衷，且务参数一经选定蓐，在汽车的行驶过程中，其悬架特性参数无 法淹汽率的运雩亍工况帮激聚熬交纯褥迸孬谲繁。因两车辆馥毵瓣遗一步强凑受妥 限制。随着汽车速度的提高，现代汽车除了保证其基本性能外，还致力予提高舒 适性和安全性，向离附加值、高憔能和高质量方向发展。对此，作为影响操纵稳 定瞧秘乘坐努逶缝懿羹要赘终之一熬汽车悬絮必矮进蟹麴蔽懿改送。遥+ 年来， 随着现代传感技术、微电子技术、伺服液压技术和控翻技术螽鼋发展，半燕劝和全 主动悬架系统因而得到了大力发展3 4 】。 l 。2 。2 全主动悬絮 1 9 5 4 年g m 公词的f e d e r s p i e l l a b m s s e 提出了全主动憋架的思想，并应用于 2 ! ! 三茎奎鲎望主兰堡垒查 嚣铁龙2 c v 轿车上；1 9 6 5 年，w e s t i n 曲a u s e 也做了相似的研究。全主动悬架系 统是根攒检测至的环境与车体状况，通过控制系统产生的捧用，寒控制悬絮特性， 以达到期望的悬架特性，这种悬架系统可以显著提高汽车的操纵稳定性和乘坐舒 邋性e 主动悬架主要由控制系统j 珏一套由油泵、储油罐、各轮压力控制阕、工作 缸液压控制系统和安全阀等组成的液压系统组成。由图1 2 ( c ) 的两自由发的车辆 主动悬架模型可以看出，全主动悬架的熬本工作原理是：传感器将采集的反映悬 架振动的信号传给控嗣器，控制器控弑主动悬架的力发嫩器，产生控翎力控制车 身的振动。 在主动悬椠被提出黻后静邋五十年黧，主动懋粲无论在理论研究和实际应搿 中都取得了较大的发展，这一研究过程先后经历了单自豳度系统模型、二自由度 系统模燮、西警国度系统模型帮凝车模黧等磅究除段。我b a f a l 【耥d 。 确v 采爱诗 葬机模拟激励的方法研究表明，相对于被动悬架而言，主动悬架能大大降低座椅 靛热速废淘方报篷，大大提高了警颥往。在实际敝臻中，l 。e x s 4 轿耄上安装 了全主动悬架系统，n i s s a l l i 曲n j t iq 4 5 率的全主动悬架性能的试验数据可以看 滋，全圭动惹蘩在箭遥戆、安全幢羁霹整车姿态豹控铡上都毙被动基絮俊越。氆 是由于垒主动悬架制造成本高、结构复杂、加工困难、使用成本商( 一辆中型轿 翠戆全奎麓悬絮系统要消耗数予嚣豹功搴) 等欧蠡，谴缮菱动悬絮基蘸逐没毒缮 到普遍皮用p ，4 】。 l 。2 。3 毕主餮爨莱 半主动悬架燧另一种舆型的呶子控制悬架。1 9 7 3 年，d a c r o s b y 和c k a r n o p p 蒋先提国了半主动悬粱静概念，它被铁为填静了被动惹浆帮全主劝基檠之簿筋鸿 沟。半主动悬架的基本工作原理是：用可调弹簧溅可调阻尼元件组成悬架，并椴 镶悬架黥振动确癍等反馈信号，按照一定麓谖节瓣律谤繁车辘爨絮系统静磁度袋 阻尼状态，来提高车辆的行驶平顺性和安全性。图1 2 是目前研究的较多的 耱阻趸w 诱静半童! 凌惹絮模型，其核心帮转是交疆藩减叛器剐j 。 1 2 4 备种悬架性能的比较 半童动悬絮同酣具有主动憨架、被动悬架躺特征，髓在更多方面保窝有被动 悬架的赋有特铽。概括越来有如下几点”1 ： a 半主动戆架系统以溺环的方式拉桶阻整力，毽攒传感嚣、电子控锈装置， 以及调制阻尼力的伺服阀，在逮一方面类似主动悬架。 b 可良采糟各静可能懿控黼策略，翔天秘阻尼控稻、篱擎线毪爱镄控翱、 最优控制、相对控制，也可采用自适应控制( 当模型的参数是大范围变化时) ， 这遣类钕主动慧絮。 。无论采用什么样的控制方式，由于半主动悬架系统几乎不需要供能，而 孚主动悬架系统与奉辆蛙能鲢协塌研究 只是耗能。襁进行控制器设计时，尽管可以采用线性反馈、最优众状态反馈，佩 最终在半主动悬架系统中_ 敝用时要附加一个约束条件，而这个条件使半主动悬架 系绞在本蒺上其骞 线瞧。 d 半主动悬架本质上楚可调阻尼系统，它可戳产生任何期鋈的阻尼力替代 被动阻尼力。 e 半主动悬架仅有电控装置和驱动机构要消耗戆璧，因面消糍的能量小， 系统翡维牵奄麓苇、遥徐低。 表1 3 各种悬架性能比较袭 半主动悬架系统 i悬架名称被动悬絮系统全主动悬架系统 嚣荧攫连续缝 0 n 晒f f 可调阻连续可调阻尼 调节元件不可调减摄器电液作动器 尼减振器减振器 调节车身与车轮间 作用原理阻尼誉变阻尼有级可调阻尼连续可调 妁终用力 控稍方法不撩手动或自动电、液自动穰、液塞魂 频率范围 1 0 h z2 0 h z 1 5 h z 能量消耗无很小 很小很大 泼善横彝力学黪性不改耱 奎 癌 大 | 改善垂直力学特性不改蒋 小中大 成本最小 小 出 大 l 。3 半主渤悫架控割概述娜。3 在半主渤悬架发展的近3 0 年的时间里，经典控制理论、现代控制理论以及 智能控制理论都在半主动懋絮中得到了应用，根据所采用的控制方法的不同，大 致哥馥努势淡下蔻令罄分： 1 3 1 多正况综合控制方法h 1 吉林工渡大学李静、攀幼德曾经做过这方面的工作。应用经典葳馈控制理论， 主要是将汽车静行驶性熊在艇邃工嚣、露动工猛、转囱工嚣蠢及羧档等工掘下褥 到优化。多工况综合控制方法不需要进行实时控制，对可调阻尼减振器的动态性 能要求不高，易于实现，所以具有实际应用价值a l 。3 。2 矮逮控镄 慢速控制半主动悬浆是一种简单的根据路面和 亍驶状况的结合情况判断戚 敷何种阻尼的半主动悬架，之所以称其为慢速控制，是因为其阻尼变化不是基于 实薅控到，逮疫魄较授，宅豹琢理磐下： 将加速艨传感器测出的车身加速魔记录下来，簿经过一段黠瓣，求出信弩耱 4 江苏大学硕士学位论文 方差，出院稚浏您路面状况；眈鲡可以估计车身加速度的方差，用方差捺测路面 状况，或对加速度数据进行快速傅里叶变换，推测路面主要激励所处的频段，执 行与路甏狻嚣鞠对应静簸优控翻，疆鬻褥翻较壶予的舒适健和安全性。隧愆的确定 是离线的。 当遂路戆爨瑟激聚特性基本不交并基长露漓集孛奁菜颓浚时，这耱方法效 果较好。当路面激励统计特性复杂时就不能准确判断行驶状况，而事实上这种激 瓣受接邋予真实瓣籍瑟激瘸，因为繇使黪瑟空闼谱不交，夔着车速弱改交箕跨露 激励特1 生也将改变。当路面激励较平均的分布在各个频段时，用这种控制逻辑进 霉亍控铡簸不能缀好熬解竣低频裁孛寒频籍逶牲之阕静矛 | 嚣。 1 3 3 天棚阻尼控制 是由k a r n o p p 所提出静阻尼按铺原蘧。对它的解释就是：可切换疆瘸器总是 试图阻碍簧载质爨的运动，当它冤法做到的时候就进入低阻状态。但是由于这种 方法要灏量簧载质量静 绝对速度，而簧载质量的 缝霹速炭不能蠢绥溺耋， 只能通过测量簧载质量 瓣秀l 速度露遽弦积分；掰 以给这种方法的应用造 戏了一定豹霆鼹。撂分 析，当率身加速度下降 融，车轮魂载 毒上舞，艨 以不能缎好的协调车辆 蛇行驶乎顺性帮操纵稳 定性。图1 4 嘲怒一种全 机械相对控制的半主动 怒架，其控制规刚和天棚 控制规则在逻辑上相似。 1 3 4 最优控制 图1 4 一种垒机械相对控制的半主动悬絮 应瘸子车辆悉檠控制系统懿最饶控傣l 方法霹淤势必线经最饯菠测、玩最饶 控制和最优预报控制等三种。线性最优撩制是建立在系统较为理想模型之上的， 采题坡控黠蒙的状态响疲与控毒l 竣入懿热投二次型终为瞧l 撂撂，圈时缳涯被控 结构动态稳定性条件下实现l q 和l q g 。对于这种方法，但是，由于半主动悬 絮摸型的不确定性，赝以这秘方法一蛊没有褥到攘广。z k 最优控制是设计的控 制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下，使相对于噪声干扰的输出取极小的一 一一 圭型墨茎墨垫鱼圭塑：些垡塑垃塑堑塞 种最优控制方法，可实现车辆悬槊振动控制其有较强的鲁棒性。最优预报控制是 利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，预报控制的策略就是把所测量到 豹状态交豢反馈给翦后控稍器实藏疑饶控制，这种控箭方法特剐邋合于鞔滋车辆 的主动悬架，由于机车大多是在同一轨线上反复行驶，基于过去和现在的信息可 疆颈溺将来豹信惑，结会镩统豹l q 控麓系统实撼最饶颈缀控麓。模损翮试验结 果寝明，控制效果显著。 1 3 。5 自适应控镧 自适廒控制是指系统的输入秘于扰发生较大范嗣的变化时所设计盼系统能 够自动适应环境，调节系统参数或控制策略，使系统仍能遮到设计的要求。自适 应控制所处理的题具有“不确定性”的系统，通过对随机变量状态的观测和系统 模跫的辩识，设法降低这种“不确定性”。由于被控对象及其环境的数学模型不 是完全确定的。所以自适成系统首先在控制系统的运行中，不断测擞系统的输入、 状态、输国或性能参数，通过学习逐渐了解和掌攘被控对象，然爱根据掰绘的过 程信息，按一定的设计方法，作出控制决策去更新控制器的结构参数或控制作用， 疆便在菜种意义下使控蒯绐采达鬟疆饶或次最优，仿真计算证鞠这稀方法符之有 效，但算法偏复杂，对系统要求高。由于悬架中影响参数众多，且相互间还有耦 合，其中一些参数还有时交，因魏该方法燕有一定豹优越经。 l + 3 6 模糊控制 模糊控制方法被应用于车辆悬架系统中( 自9 0 年代以来) ，日本德岛大学芳 专重敏夫教授的研究工作，他同时把模糊理论应用予车辆悬絮半主动鄹主动控制系 统，基于三质量豳自由度动力学模型，在随机激励作用下，按s m 控制模溅，采 用模糊推瑷分别构成半主动和主动控制4 9 条模糊控制规则。进行计算机模拟分 析来控制率身的簧直振动和俯怖搬动，结聚证实裔效。 日本名古屋大学桥山锼训等采用g a 设计车辆悬架举主动系统的模糊控制 器，由于玄兵有自动调整输入交嚣麓组合，隶震函数静参数和稹猢麓弼数瓣等学 习功能，按k a n l o p p 控制模式寻找模糊控制规则和选择输入变量，计算机模拟结 栗显示结会g a 豹模糊箍疆方法浇攀矮方法更翔露效。 在国内，陈无畏把模糊控制引入到半盘动悬架系统控制中，做了很多啦有成 效静工佟。在鼹输入纛输穗煞模凝往孛，采霜了苓溺戆隶满废丞数；在逡纾模凝 推理中，也采用了不同的模糊推理系统；语言规则大多采用s m 推理得到的4 9 模凝控髑瓣聚；结聚涯弱，模鞍撩臻在半童动悬絮系绕数控割应震孛兵毒 爨大的 优越性。冀缺点在于控制模型的建立要经过大量的试验，而且一盥悬架参数发生 交位，其牲g 将下降。 6 江苏大学硕士学饿论文 1 3 。7 神经模糊控稍 把神经网络鄹模糊控制系统相融合，张庙康辫把k a f n o p p 和s m 规则导入网 络，用模糊表示规则和知识，进行1 4 车辆模黧的半主动悬架系统振动分析， 以车身垂患振动加速度和其变化察组合的评价函数最小为目标优化层间权重的 学习算法决策控镑9 量。经过计算枫模拟的实例表鞠该控制方法纥侄何单一的控制 方法优越。根据模糊系统和神经网络连接的形式和使用功能，两者融合的形态可 | 扫纳戎蔽下酉类；松散黧结合、并联登缭合、串联辇结合、结构等狯鼙结合。陈 无畏曾建立了五自由度的悬架模型，并使用了串联型神经模糊网络控制，并取得 了受静静效栗。德是耱缀模糖瓣络蘩稳镰往过予复杂，髫蘸还灵袋子理论上懿蹬 究，在实际中应用尚有定难度。 1 4 本课题耢究的宝要内容、方法和意义 1 4 。l 童要内容 a 在n j l 3 0 液力减振器的基础上，改进、设计出阻尼连续可调的液力减振 器，著试制熟王，结合套絮试验；对其动态性能进行分摄，隽建立半主动悬絮模 型提供依据； b 。建立车辅豹嚣岛囊度半生动悬架j # 线性模型，并避行仿冀分拆，慰半主 动悬架与车辆的性能进行协调研究； c 设计出神经网络智能控制软件，并将其应用于半搬动悬架控制系统；利 用仿真软件验证控带0 策略的有效性和优越性。 l 。矗。2 磺究方法 a 对于半主动悬架系统模型的建立，由于模型中的很多元件具有不确定的 线毪爨豢，瘊鞭，缀戆应用怨辑法瓣冀避孬建攘，本文袋握套絮试验，对一些 庶要元件的非线性进行分析，然后建立半主动悬架系统的非线性模型； b 。瓣于菲线性系统豹控制翊题，由予蟹控卷理论在j 睦性系统的控制中 被证明舆有明显的优越蚀，而随箫对智能控制理论的深入研究，以神经网络为主 鲍餐能控肇理论经过初剑翅的发震，现在已进入快速稳定的发鼹除段。势且有不 少成功威用的例子。所以，本文借助神经网络智能控制璁论，建斑半主动悬架系 统的控锘律。 1 4 3 技术路线 可调阻耀减振 器研制及实验 分析可调藏羝 器速度特性 建点半主动 悬架模型 翻1 5 本文技术路线 7 建藏神经弱 络控制规则 协镯车 辆性能 半主动悬架系统与车辆性能的协调研究 1 4 4 意义 经过几十年的不断发展，传统被动悬架作为汽车的必不可少部件，其基本结 构及设计理论已基本发展成熟，再提高的潜力越来越小。电子控制技术的进步为 其发展注入了新的活力，世界各国的著名汽车厂商和研究机构都投入了大量的人 力物力进行主动、半主动悬架的研究，其中性能价格比相对较高、适用于普通汽 车的半主动悬架的研究尤其引人注目，从我国的国情出发，半主动悬架的研究更 加具有现实意义。 经典控制理论和现代控制理论都要求系统能建立精确的数学模型，模型的精 确与否在很大程度上决定着控制效果的好坏，众所周知，对悬架系统是很难建立 包括所有影响因素的精确数学模型的，神经网络和模糊控制方法不要求系统的精 确数学模型，因此，它对半主动悬架的控制具有比一般控制方法优越的特性，但 是，模糊控制方法在解决悬架控制中的时变和不确定性问题存在一定的缺陷，神 经网络控制方法不善于利用现有的经验和知识，国内外研究表明，神经模糊控制 方法是一种更优越的方法，能较好的解决系统的时变问题和不确定性问题，但是 由于神经模糊网络结构往往过于复杂，不利于实际应用。因此，本文采用结构相 对简单的神经网络控制，而利用一种特殊的学习方法对神经网络控制器进行训 练，以提高神经网络的速度，具有较大的应用价值。 要对半主动悬架进行深入系统的研究，性能可靠、功能完善的半主动悬架电 子控制系统和可调阻尼减振器是必不可少的，国内开展的半主动悬架的研究中， 这方面做的工作还相对较少，因此，研制出适合半主动悬架控制的控制系统和可 调阻尼减振器，对推进我国半主动悬架技术的进步具有十分重要的意义。 江苏大学硕士擎位论文 第2 章萄调阻尼减振器的研澍与试验建摸 减振器是汽车悬架系统中主要的阻尼元件。减振器的阻尼力将振动能量转化 成热能，飘而减小车轮与车身之间的振动幅度和能量，提高汽车的平顺性和舒适 性。搿调辍踅躐振嚣是半主动懋絮豹孩，豁帮 牛，遣是半主动惫架与被动基蘩赘送 别所在，因此为了设计出理想和具蠢实际应用价值的半主动悬架系统，设计出合 理的可调阻尼减振器至关重要。另外，可调阻尼减振器影响因素较多且结构相对 复杂，很难通过理论建立较为精确的动态特性模型，而其动态特性是建立半主动 悉粱簿线经模燮的鏊穑，衙敬零章将通过实验建立胃谲阻尼减撮器的韵态特性模 型，为后文建立半主动悬絮模溅提供饭擐。 从目前的研究来看，可调阻尼减振器形式有很多种，如涡流式减振器、应变 感应式减振器、频率感应式减振器、压电阻t e m s 式减振器、磁流交体可调阻 尼减振器、电浚变俸可调隧尾减摄器、节流鞠可谲隧藩减嚣器等。在鬻内，着重 予节漉墨霹调腿足减掇爨靼磁流体可调阻尼减振嚣的磷究。 磁流体式w 调阻尼减振嚣虽然能够通过无级调节流经电磁铁的电流大小而 实现无级调节，可以实现设计范围内的阻尼无级调节，若用在半主动悬架中将有 利予实现各种工况下所需的阻尼，经由予磁流体怒种新鍪 材料，生产成本高， 因嚣这秘调隰尼减振嚣还不能| 广泛应熙毋h ”。 变节流口式可调阻尼减振器的正作原理怒：当外部条件( 车辆行驶工况) 发 生改变时，控制器向步进电机发出控制脉冲，由步进电机调节可调节流口的大小 雨改变可调减菝器静隧靥。这释减振器x 可 ；i 分为两种；有缀可调稻无级酉调， 僵麦子舂级霹调不辘进嚣连续的调节阻足，蹶以不是一秘瑗怒懿霹调阻慰减搬 器。变节流口式可调阻尼减振器的设计到目前为止还很不成熟，要求实现的阻尼 与减振器内部缩构参数之间的关系还没肖一种具体的完善算法，缺乏一种减振器 设计模墼，这一闫瑟就燕在普通的蔽振器设计上嘏还存在。获现有的资料来看， 匿蠹瓣减振器豹磅究大都俸罄在经验模毽帮拳经验模型，熙以考虑裂霹调减攘嚣 在半点动功能悬架按制中的重要地位，本文作者在研究过程中设计并加工了可调 阻尼减振器，并进行台架试验，对改进的减振器动态特性进行了分析a 2 。 被动减振器 减搬器的作用强理是：减掇器工作敝筒中粘性流体通过减振器中备部分缝隙 或小魏黪产生阻怒力撩规棱搬动懿糍爨转让为热黢教失。扶工程力学戆飘点来 看，减掇器的阻尼力建由于潘塞在减藏嚣豹工 睾腔牵上下逡渤使各靛之阉由予张 口、缝隙节流而产生的压蓑作用在活塞的上、下瑟上而产生的。 考惑臻可调隧麓城投器浚诗是半囊动悬架系绞串翡关键技术之一，麓捷毫零 9 半主动悬架系统与车辆性能的协调研究 件通用化程度，选择合适的被动减振器进行改进设计是非常必要的，本课题选用 n 儿3 0 减振器作为被改进的被动减振器。该减振器由南京五一机械厂一分厂制 造。其外形实物如图2 1 所示。 图2 1n u l 3 0 减振器实物图( 照片) 理论上讲，阻尼力是流体流经减振器中各个孔口、缝隙时产生的，在工程计 算中将减振器工作缸上、下腔之间的压差作用在活塞上从而形成减振器的阻尼 力。图2 2 是减振器的工作示意图， ( a ) 是拉伸行程示意图，( b ) 是压缩行程 示意图。活塞和底阀座将减振器的储液部分分为如图所示的三个腔i 、i i 和i ； l 、2 、3 和4 分别表示流通阀、压缩阀、拉伸阀和补偿阀。在图( a ) 中， 油液通过阀3 和4 从腔i 和流入腔u ，产生拉伸阻尼力，在图( b ) 中，油 液通过阀l 和2 从腔i i 流入腔i 和，从而产生压缩阻尼力。 ( a ) 被动减振器拉伸行程的工作原理 ( b ) 被动减振器压缩行程工作原理 圈2 2 被动减振器工作原理示意图 2 2n j l 3 0 减振器的改进 本研究得到了江苏省自然科学基金和江苏省镇江市科技基金资助，与江苏省 金猴机械厂联合对n j l 3 0 减振器进行改进设计，并加工试制，经改进后的可调 阻尼减振器工作原理如图2 3 所示，它是在图2 2 的基础上，增加了节流口，油 液除了可以在阀l 、2 、3 和4 中流经之外，还可以从节流口通过，因为增加了油 液流经的绝对面积，阻尼与原被动减振器相比只能变小，而不能变大，考虑到本 1 0 江苏大学硕士喾位论文 文旨在验证改避方案靛胃行毪；f 瑟建立可调疆怒减振器豹动态特性模墅，没寄对这 一问题进 亍较为深入地磷究。 ( a ) 可调阻尼减振器拉伸行程示意圈( b ) 可调阻尼减振器压缩行程示意图 墅2 3 可调阻尼减搬器工l 乍原蠼示意图 在对叁醅1 3 g 减擞器改进设计著遴行经验分据熬基础上，试刳了试验用连续霹 调阻尼减掇器，实物如图2 。4 所示，该可调阻尼减振器保留大部分n j l 3 0 减振器 的零件，降低了设计可调阻尼减振器技术难度，减少了设计和试制的工作量，节 约了加工成本。 鹜2 4 试验翅霹调阻怒减掇器实甥匿( 爨冀) 连续可调陬尼减振器结构如图2 5 所示，考虑到结构相对复杂，为了突出设 计的关键部分，将冀迸穹予了局部放大，箍中标出了凡个相对重要豹零 串。 半主动悬架系统与车辆性能的协调研究 图2 。5 可调阻尼减提器结构图 1 2 江苏走学硕士擘佼论文 2 3 连续可调减振器特性实验 2 3 1 实验目的 该实验目的有三：是验证n j l 3 0 减振器符合改进设计的接本要求；二是 对设计的可调阻尼减振器迸行有效性验证：即调节节流口节流丽积实现阻尼调 节；三是摄据试验缩采，分柝连续瑶诵隧是减振器静速度耱往，为建立半主动葱 架非线性模型提供实验上的锹摆。 2 。3 。2 逡续调城振器试验方案 试验包括波动减振器试骏葶珏可调阻尼减摄器试验，被动减振器与可调阻尼羰 振器试验方案相似。为了更好的对连续可调城振器进行验证和标定，被动减振器 试验在5 种激振频率下避行，可调阻尼减振器试验在4 种激振频率下进行，行稷 誊为l o o 娃强，可调疆恧减振器试验在6 工凝下遴行，并分稍记泵下每次试验辩 的示功图。 2 。3 。3 实验设冬及仪嚣 a 8 5 0s 毛o c ka b s o 贻e r 程s ts y s t e m 减掇器的专用试验台，由美 国m t s 公司掇供，该试验台内置肖位移传感器和拉压力传感器，测量精度可靠： b d a r i l pt e s ta n a l y s i sa l l dr e p o r t i n ga p p l i c a 畦o n ：减振器试验控制和数据 处理专蔫较 串，由美国m s 公司提供，是与8 5 0s 瀚a a 8 s 0 鹏e r 谨s 罩 s y s 髓m 配套使用的专月软传； c s h 一3 f 0 7 5 m ：步进电机驱动器，相数为3 ，类别属于殷应式，最大相电流 为4 o a ，需供电电压为d c ( 2 4 4 0 v ) ，由北京斯达特机电科技发展有限公司提 供； d 。b 5 7 7 5 s l 一3 髓7 5 鞋步述电枫驱动器专用电源，由j e 寒簸达特枧电秘 技发展有限公司提供； e 方正微机。 2 。3 4 实验条释及撬撑标准 按照中华入民共和善正亍韭标臻q c t 5 4 5 一1 9 朔汽窜筒式减振器台絮试验 方法进行室内台架实验，试件溢废和环境温度是2 0 2 魔，试件试验行程( 1 士1 ) n 吼，试件安装方向是铅垂方向，试验的起始位置农减振器行程二分之处。 2 。3 5 步进嗽棚的控制模块和工住原嘿 由于试验鬟簧步送毫辍驱动彀鼹，飘藏设诗了步遴滚魂戆控麓毫鼹，羧铡邀 路模块实物如潮2 6 所示。 1 3 半主动悬装系统每枣辆蛙巍媳协诵磅究 图2 6 步进电机及其控制模块密物图 步进电机搿蚨壹接接收数字信号，不必进行数摸转换，它还具骞快速痘箨、 精确步迸和定位等特点，非常适于减振器的调节。这薰采用j e 京辩达特梳电萃萼彼 发展有限公司生产的5 5 8 f 3 4 0 e 步进电机，其配套的电路板内含驱动电路和控制 电路，因此w 从单片机蛊按输出信号进行控制，控制和驱动电路如图2 。7 。 匿2 7 步避电机驱动机构 2 4 试验步骤 试验步骤如下： a 将被试减振器温度调整到2 0 2 度； b 。海援试猿振爨安装母试验金上，弗检查减振器是否是铅直安装 c 将试验台预热； d 调熬试验台的作动器，使开始试验的位置为被试减振器的中间位置； e 设置试验的参数： 试验，势记录数撂。 1 4 江苏大学硕士学位论文 图2 g 可谖减搬爨套架试验( 照冀 试验在上海汇众汽车有限公司进行，必姆可调阻尼减搬器的阻爆分成六级， 以l 、l | 、溅、v 鄹礤表示，分别我淡霹调隧尼撼振器豹步遴电楗转过o 度、l e 瘦、2 0 发、3 0 疫、4 0 凌耪鞠发，溪蠲歪弦波佟为输入，簸大速凌分裂 是o 1 3 l 坍，s 、o ，2 6 2 掰，s 、o 3 9 3 埘，s 糯o 5 2 4 拂，s 。 2 ，5 试验结果 2 。5 。1 被动减搬器试验缩果 逛潮2 9 莓渡看是，该减摄器承凌烫德瀵，孚潼，是会揍鹃减豢器，在每 个示功墨上取蹬最大逮度和最，j 、速度辩豹速度和减强力，褥羁豹数据辩翔表2 1 所示。 应用最小二乘法进行数据拟合( 以下数据拟合均采用此种方法) ，如图2 1 0 ： 拉伸阻尼近似为3 0 肼s ，m ，雁缩阻尼j 厦似为1 2 剧5 ，州。 半主动悬架系统与车辆性能的协调研究 表2 i i i u n 图2 9 被动减振器试验的示功圈 活塞速度 减振力( k n ) ( m m ，s ) 一7 8 21 8 1 8- 0 6 6 4 4 9 0 9 5 2 3 7 7 “_ 0 5 2 8 1 2 6 4 3 9 2 7 4 4 70 4 9 4 7 5 0 4 - 2 6 2 1 1 0 6o 3 6 3 1 5 3 9 1 3 1 3 0 1 50 3 0 9 7 5 2 4 o0 1 3 1 8 3 90 5 8 6 6 2 9 7 2 6 4 8 2 7 50 7 9 2 6 0 6 8 3 9 4 7 3 4 81 1 4 4 4 8 5 5 2 5 1 2 3 71 4 1 8 1 6 7 7 8 2 8 5 3 22 1 7 7 2 3 1 2 5 2 o 1 5 1 0 0 5 0 o 0 5 1 0 1 图2 1 0 被动减振器速度特性曲线 2 5 2 可调阻尼减振器试验结果 a 节流口开度为0 度时的试验结果 图2 ，1 1 为4 种激振频率下的示功图，在每个示功图上取出最大速度和最小 速度时的减振力，得到的数据对如表2 2 所示，并近似绘制出工况i 时的速度特 性曲线( 图2 1 2 ) 。 1 6 江苏大学硕士学位论文 专01 4 0矗o0 2 84 08 0 n l l i i 藿2 1 l 可调减摄器工况l 瓣戆承功固 表2 2 l 活塞速度( m m s ) - 5 2 2 23 9 3 8圣6 1 1 1 3 0 8o1 3 1 4 2 8 3 o3 9 4 9嚣2 5 5i | 减强力( k n ) ，3 3 8 o 3 1 6 2 6 8_ o 2 8 40 0 3 9 5o 毒鸯4e 。8 5 0l 因此分别对其进行线性拟合可以得出：拉伸阪尼近似是2 1 4 剧s m ，压缩阻尼 近似是o 8 麒s 所。 图2 1 2 工况i 时的速度特性曲线 b 节流口汗度是l o 度时的试验结聚 銎2 1 3 为4 秘激摄频率下戆暴功图，凌每个示功匿上取出最大速度期最小 速度时的减振力，褥到的数撰对如表2 3 所示，并近似绘制出工况i i 时的速度特 2 o 8 6 4 2 o 2 诬似懿蛇m“ 半主动总絮系统与率辆性能畿协调研究 性曲线( 图2 1 4 ) 。 靠嫩 莛2 3 霹灞减擞器工援l l 辩蕊承葫踅 表2 3 l 活塞速度( m m f 3 ) - 5 2 6 3 | 一3 9 7壤引7 1 3 1 oo 3 1 矗2 6 2 薄3 9 58鑫2 6 ，9i l 躐撮力( 稍) 母3 3 2l - ，3 8 辔2 7 毒零2 7 3 0疆3 8 20 ，5 飘夺，7 8 7 o 孽密3 因此分舅u 对其进程线性拟会珂以褥出：控姊阻尼近似为2 。0 9 删s ，辨，鳗缩阻尼 近似为o 7 9 心+ s ，掰。 罄2 。 工况珏瓣懿漶疫褥魏基绫 “谤流口井度是2 0 度时的试验结粜 醋2 1 5 为4 稀激掇频攀下的示穗醋，在每个彖功鞠上取磁矮大速魔帮最小 江苏天学硕士学位论文 速度时的减振力，得到的数据对如表2 4 所示，并近似绘制出工况i i i 时的速度特 性莹线( 图2 1 6 ) 。 图2 ，1 5 可调减扳器工况i i i 时的示功图 表2 4 i 活塞速度( m m ，s ) 一5 2 3 33 9 332 6 1 5 1 3 1 20 1 3 0 ，72 6 3 2 3 9 4 85 2 55 减振力( k n ) o 3 0 8 。0 3 0 9_ o 2 8 8o 2 7 4o0 3 5 0 0 5 5 00 7 6 3 o9 6 0 线性拟台霹以褥：攘 孛阻屋