（车辆工程专业论文）基于悬架控制的车辆平顺性仿真研究.pdf

摘要 悬架作为汽车中的重要组成部分，是一个较难达到完美要求的总成，因为悬架既要 满足汽车的行驶平顺性要求，又要满足操纵稳定性的要求，而这两方面对悬架的要求是 相互矛盾的。汽车主动悬架可以根据路面情况在车身与车轮之间及时主动调节产生所需 的控制力。抑制车身的振动，使悬架处于最优减振状态，来达到改善车辆行驶平顺性与 操纵稳定性的目的。 车辆主动悬架设计的关键任务之一，就是要寻求一个能够为车辆提供良好性能的控 制规律。许多学者提出了各种不同的控制理论，本文对这几种常见的控制算法进行了介 绍并重点研究了最优控制器，p i d 控制，模糊控制，模糊p i d 控制四种控制策略。作为 经典实用的控制方法，p i d 控制算法具有计算量小、实时性好、易于实现等特点，所以 本课题也采用了p i d 控制作为基本的控制策略，并设计了p i d 控制器。最优控制的优点 在于根据系统的状态变量并通过评价指标的最小化得到一个最优的综合性能指标，状态 变量可以根据需要进行选择。选取不依赖于系统的精确数学模型，对参数变化不敏感， 具有很强的鲁棒性，尤其适用于非线性、时变和滞后系统控制的模糊控制，而且模糊控 制的算法是基于若干条模糊控制规则，算法非常简捷，进而对模糊控制器进行了设计。 模糊控制和p i d 控制相结合的模糊p i d 控制能实现p i d 控制器参数的在线自调整，进 一步完善p i d 控制器的性能。所以本课题将其两种控制策略结合，以消除其各自弊端的 模糊p i d 控制器。本文通过建立i 4 车辆模型，应用了四种控制理论对车辆主动悬架控 制器的设计，并在m a t l a b s i m u l i n k 环境中建立系统模型并进行仿真。将仿真结果与被动 悬架仿真结果进行对比分析。 通过对比，全面分析在四种不同的控制策略下主动悬架的性能特点。仿真结果表明： 四种方式下的主动悬架都能够减小车身加速度，悬架动挠度，车轮动载荷。这说明对于 行驶平顺性和操纵稳定性的改善结果相当好。在这四种控制策略下模糊p i d 控制效果最 好。 关键词：主动悬架、控制策略、动态仿真 i a b s t r c t s u s p e n s i o na sa ni m p o r t a n tp a r to ft h ec a l w h i c h i sm o r ed i f f i c u l tt oa c h i e v ear e q u i r e d p e r f e c ta s s e m b l y , i ti sn o to n l yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fc o m f o r t a b l e ，b u ta l s ot om e e tt h e r e q u i r e m e n t so fh a n d l i n ga n ds t a b i l i t y , t h e s er e q u i r e m e n t sa b o u tt h es u s p e n s i o na r em u t u a l l y c o n t r a d i c t o r y v e h i c l ea c t i v es u s p e n s i o ni sa b l et oa d j u s to rp r o d u c ec o n t r o l l i n gf o r c eb e t w e e n w h e e la n dv e h i c l eb o d ya c c o r d i n gt or o a dc o n d i t i o n s s oi tc a l lr e s t r i c tv i b r a t i o na n di m p r o v e t h ep e r f o r m a n c eo fs u s p e n s i o na n da c h i e v et h ep u r p o s eo fi m p r o v i n gr i d ec o m f o r ta n d h a n d i n gs t a b i l i t ys i m u l t a n e o u s l y o n eo ft h ek e yt a s k so ft h es u s p e n s i o nd e s i g ni st of i n dav e h i c l et op r o v i d eg o o d p e r f o r m a n c ef o rt h ec o n t r o ll a w m a n ys c h o l a r sh a v ep u tf o r t hav a r i e t yo fc o n t r o lt h e o r y o p t i m a lc o n t r o l ，p i dc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l ，a n df u z z y p i dc o n t r o la r es t u d i e di nt h i sp a p e r b e c a u s ep i dc o n t r o la l g o r i t h ma sac l a s s i c a la n dp r a c t i c a la l g o r i t h mh a ss o m ea d v a n t a g e s s u c ha sl i t t l ew o r ko fa c c o u n t i n g ，g o o dr e a l t i m et r a i ta n de a s ya c h i e v e m e n t ，p i dc o n t r o l s t r a t e g yh a sa l s ob e e na p p l i e d t h e n ，t h ep i dc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e d t h ea d v a n t a g e so f t h eo p t i m a lc o n t r o li sa c c o r d i n gt ot h es t a t ev a r i a b l e so ft h es y s t e ma n dt h r o u g he v a l u a t i o no f t h em i n i m u m , t og e ta no p t i m u mi n t e g r a t e dc o n t r o lt a r g e t s s t a t ev a r i a b l e sc a nb es e l e c t e d b a s e do nn e e d e d f u z z yl o g i ch a sb e e ns e l e c t e db e c a u s ei ti si n d e p e n d e n c eo nt h ee x a c t m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m s e n s i t i v e n e s s l e s st ot h ev a r i a n ta n dg o o dr o b u s t n e s s ， b e s i d e s ，f u z z yl o g i ci sv e r yf i t t ot h em o d e lo fn o n - l i n e a r , t i m e - c h a g e a b l ea n dd e l a y c h a r a c t e r i s t i c s t h ec o n t r o la l g o r i t h mo ff u z z yl o g i cb a s eo ns e v e r a lc o n t r o lr u l e sa n di s s i m p l e t h e n , t h ef u z z yl o g i cc o n t r o l l e rh a sb e e nd e s i g n e d f u z z y - p i dc o n t r o lc o m b i n e d f u z z yl o g i ca n dp i dc o n t r o li sa b l et oa c h i e v et h ep a m m e t e r s ss e l f - a d a p a t i v eo n - t i m es t a t u s i tc a nf u r t h e r l yi m p r o v e dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ep i dc o n t r o l l e ri no r d e rt oa d a p t i v et ot h e c h a n g e a b l ev a r i a n ta n dc h a n g e a b l ec o n d i t i o no ft h ec o n t r o lm o d e l f u z z y - p i dc o n t r o l l e rt h a t c o m b i n e st h et w os t r a t e g i e sd i s c u s s e da b o v et oe l i m i n a b l et h ed i s a d v a n t a g e so ft h es i n g l e s h a sb e e nd e s i g n e d e s t a b l i s h m e n to fq u a r t e rv e h i c l em o d e la n dt h ea p p l i c a t i o no ff o u rw a y s c o n t r o lt h e o r y , c o n t r o l l e r so fa u t o m o b i l ea c t i v es u s p e n s i o na r ed e s i g n e d t h es y s t e mm o d e li n m a t l a b s i m u l i n ke n v i r o n m e n ti sb u i l ta n du s e df o rs i m u l a t i o n s i m u l a t i o nr e s u l t sa r e c o m p a r e d 、砘t hp a s s i v es u s p e n s i o n s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a ta l lt h i sf o u rd i f f e r e n tf o r m so fa c t i v es u s p e n s i o nc a n r e m a r k a b l yd e d u c et h ev e h i c l eb o d ya c c e l e r a t i o n ，d y n a m i cf l e x i b i l i t ys u s p e n s i o na n dd y n a m i c l o a do ft y r e t h a ti m p l i e sa c t i v es u s p e n s i o ni m p r o v e sr i d ec o m f o r ta n dh a n d i n gs t a b i l i t yw e l l i i a m o n g t h i sf o u rc o n t r o ls t r a t e g i e s ，t h ec o n t r o le f f e c to ff u z z y - p i dc o n t r o li st h eb e s t k e yw o r d s ：a c t i v es u s p e n s i o n ；c o n t r o ls t r a t e g y ；d y n a m i cs i m u l a t i o n i i i 长安大学硕士论文 第一章绪论 1 1 悬架系统概述 悬架是车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间的一切传力连接装置的总称。 它的功用是把路面作用于车轮上的力和力矩都要通过悬架传递到车架以保证汽车的正 常行驶。汽车在行驶的过程中，由于路面不会绝对的平坦，路面作用于车轮的垂直反力 往往是冲击性的，这种冲击力达到很大的值，就会影响驾驶员与乘客的乘坐舒适性，车 身的姿态会受影响，操纵稳定性也会直接受到影响，甚至行驶速度受到影响，损坏运载 的货物和车辆的零部件；同时，对汽车的燃油经济性，安全性能和使用寿命等都有重要 影响，而且车内噪声的主要来源也是车辆振动所产生的。因此，悬架的作用不光有负担 起传递所有各向力和力矩，还应具有良好的缓冲和减振能力，保护乘客、货物、车身并 抑制车轮的不规则振动，保证汽车正常安全行驶。所以，选择设计性能优越，特性好的 悬架，对提高汽车的综合性能至关重要。与车辆行驶动力学有关的主要指标，可由图1 1 说明。 轮胎动载荷的控制 图1 1 行驶动力学的性能指标 车辆的各种性能要求的提高使得悬架的结构形式一直在不断地更新和完善。对于常 规的悬架，系统参数( 刚度和阻尼) 不能根据车辆的行驶状况进行改变，通常称为被动 悬架。对于被动悬架，为了得到悬架上质量在较宽频率范围内的良好隔振性能通常需要 柔软的弹簧；而为了在接近悬架上质量的自振频率时有良好的车辆的操纵性，则需要硬 的弹簧；为了减少接近悬架上质量的自振频率时车辆的振动，需要有较大的相对阻尼系 数；而在较高的频率范围内减少悬架上质量的振动，又要求有小的相对阻尼系数。此外， 为在高频时获得良好的操纵性，需要有大的相对阻尼系数。显然，常规的被动悬架系统 无法同时满足这些互相矛盾的要求【l l 。为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的局限 第一章绪论 性。近年来，汽车工业中出现的主动悬架成为一条改善汽车悬架性能的新途径。 1 2 悬架控制的特点 操纵稳定性和平顺性是车辆系统动力学中研究的两个重要领域【2 ，3 1 。悬架在协调这两 大使用性能方面起着重要的作用。先进的智能控制悬架的控制功能一般分为以下几种： 乘坐舒适性控制，即吸收路面不平的影响，减少车身的振动。尽量减少振动对乘客或 货物的影响；稳定性控制，既保证转向及高速行驶时的稳定性及安全性，抑制轮胎的 振动从而使轮胎和路面牢固、不间断的接触；车身姿态控制，即在任何车载情况下均 能保证良好的车身姿态，同时保证悬架动行程不超出允许的范围，以避免悬架撞击限位 块；车高控制，即在任何车载情况下均保证适宜的车高。执行机构存在输出饱和， 控制力不能超出阈值。 以上所述性能要求之间是相互矛盾和制约的：例如降低车身加速度以提高乘坐舒适 性引起悬架动行程的增加；轮胎接地性的改善则意味着悬架动行程的增加，在高频段还 将导致车身加速度的幅值变大而降低乘坐舒适性；悬架一旦撞击限位块又会使得乘坐舒 适性下降，并影响接地性甚至操纵稳定性【4 】。如果悬架动行程过小的话，则向车身传递 更多的冲击力，同样使乘坐舒适性变差。除此之外，车辆在坏路面上行驶所处的振动环 境是不确定的、多变的。同时汽车自身参数、行驶工况、外部干扰等的变化，对悬架系 统特性的要求也是不同的。 通过以上分析可以看出：悬架系统是一个复杂的不确定性系统，由于它的各个性能 要求之间彼此冲突，在设计开发过程中，要对各种因素给予充分的考虑，以实现尽可能 好的折衷。协调各冲突因素使车辆的综合性能达到最佳状态一直是悬架系统设计的目 标，也是难点所在。 在主动悬架系统中，车辆的行驶状况被传感器不断地测量，根据所测得的振动量， 按照设定的控制策略，作动器提供所需的主动力。使悬架始终处于最佳减振状态。以改 善车辆的平顺性和操纵性。主动悬架一般可以分为全主动悬架，半主动悬架。全主动悬 架需通过输入外部能量使控制机构给予悬架系统施加一定控制力来进行振动控制。其减 振过程既有能量输入，又有能量耗散。采用的作动器就是一个主动力发生器，通常为液 动或气动形式。半主动悬架介于主动悬架和被动悬架之间，它没有主动力作动器，但可 通过测取车辆运动信号，经控制器发出控制信号改变悬架的刚度或阻尼。全主动悬架的 两种基本结构形式如表中1 1 所示：表格中左边的为完全独立式主动悬架，右边的是与 被动悬架并置式主动悬架。三类悬架的性能比较如下表1 1 所示【5 】： 长安大学硕士论文 表1 1 三类悬架的性能比较 悬架分类被动悬架半主动悬架全主动悬架 三类悬架 i 瓯 l m i 瓯 i l & l 的模型简 k 幸中ck 幸书营k 车中睾口 图( 基于 i 礅 i r a t i m t il m t l 1 4 车辆模 轰轰彳b 如 型) 固定特性的弹簧， 调节车身与车轮之间的作用力，主动消 作用原理阻尼可调消振 阻尼减振振 电动，液压，气动 控制方式 无 电动，液压，气动的力发生器 调节 弹簧阻尼值固定可调阻尼值的自 调节元件自动控制力的发生器，主动消振 的机械减振器动控制减振器 频带宽无限制小于等于2 0 赫兹大于1 5 赫兹 垂直力学 无改善中等大范围 特性改善 横向力学 无改善中等大范围 特性改善 成本小 中很大 能量消耗无很小很大 1 3主动悬架现状和发展趋势 为了改善车辆在不同的行驶状况下的平顺性与操纵性，悬架系统的开发和研究成为 车辆动力学与控制领域的前沿课题。国内外在这方面取得了显著的成就。 国外研究悬架比较有影响力的学者有t h o m p s o n 、k a m o p p 、l a n g l o i s 、c r o l l a 等人， 研究涉及到的内容包括：天棚阻尼控制、随机最优控制、变结构控制等理论。由于现代 控制理论的发展，模糊控制理论、自适应控制理论，神经网络控制理论也更突出其优越 性1 6 j 。rpj o n e s 和asc h e r r y 研究表明：采用模糊控制算法的主动悬架效果良好，同时 给出此算法的模糊控制规则【7 】。k a s h a n i 等人提出减振可以通过改变系统阻尼或调节刚 度，同时设计出了应用于半主动和主动越野车悬架系统的模糊控制方法【8 j 。n a g a im a s a o 和m o r a n 应用神经网络控制主动悬架，采取神经观测器辨识悬架的逆动力学特性，在此 基础之上，神经网络控制器应用非线性最优控制方法对悬架系统进行主动控制，降低汽 3 第一章绪论 车的振动【9 】。w a t a n a b e 将汽车悬架系统的多种模型与神经网络控制策略相结合，并成功 的实现了神经网络控制方法，通过反复修改参数和试验，提高了系统的性能【1 0 1 。a n d e r 等人采取对车前路面进行测量，采用最优化控制理论，提出依据观测路面的悬架振动的 半主动控制方法i 】。 我国从8 0 年代中期开始，吉林工业大学、北京理工大学、重庆大学等高校对汽车 悬架进行了有价值的探索研究。何渝生等人将l q g 最优控制理论应用于主动悬架；林 野与张一鸣采用1 4 车辆模型对半主动阻尼进行理论性的研究。胡海岩将神经网络控制 策略应用于磁流变阻尼器，使1 4 模型的半主动悬架的振动得到控制，实验结果显示采 用此种技术明显优于采用传统可变阻尼减振器的半主动悬架；丁科等人采用神经网络控 制对主动悬架进行了研究。王世明等人基于波尔兹曼机的模糊控制和遗传算法控制策略 对主动悬架进行了研究【1 2 1 。 主动悬架的一个重要的特点就是，要求作动器所产生的力能够很好地跟踪任何力控 制信号。因此，它为控制规律的选择提供了一个良好的广阔的设计空间，即如何确定控 制规律以使系统能够让车辆达到最佳的总体性能。 限制主动悬架在商用车领域发展的因素按其重要程度可排列为：造价、能量消耗、 增加的重量、安全性及可靠性。另外，一些功能稍差但造价低得多的可控子系统将继续 得到工业界的关注，这些子系统有连续可变阻尼器，侧倾控制和车高控制系统。实际上 如果这三个子系统能够被运用并且结合得比较好的话，它们能够共同完成一个有限频带 宽度系统所提供的大部分功能，并且造价和能量消耗却可能降低【1 3 】。 1 4 常见的控制方法 任何车辆控制系统的构成将包括三大组成部分：控制算法、传感器技术和执行机构 的开发。后两者在技术上可以解决，但作为控制系统的关键，是寻求一个能够为车辆提 供良好性能的控制规律，则需要控制理论与车辆动力学的紧密结合，且主要以计算机建 模与仿真分析以及实时控制试验为研究手段。国内外对车辆主动悬架的研究主要有两方 面：控制律的研究，将主动悬架及其控制规律的特性研究与被动悬架相比较。很显 然，采取不同的控制律和数学模型，所得到悬架特性是不相同的。 近年来，国内外学者对汽车半主动悬架与主动悬架系统的开发做了大量的研究工 作：从古典控制理论的根轨迹法和频率法【1 4 ，1 5 1 到现代控制理论的自适应控制和自校正控 制【l 乒1 8 1 等等。下面是有关悬架的控制系统的一些常见的控制理论及方法。 ( 1 ) 随机线性最优控制 4 长安大学硕士论文 最优控制理论是现代控制理论中最早发展起来的分支之一，也是现代控制理论的核 心内容，因为地面对车辆的输入是一随机过程，所以，这类研究的理论基础是线性高斯 控制理论。该方法要求系统的性能指标能够表达成二次型，因此在可控悬架控制策略的 研究中得到广泛应用【1 9 ，2 0 1 。同时在车辆主动悬架的设计过程中，必须综合考虑轮胎的接 地性，车体的平顺性以及悬架的动挠度，根据不同的性能需要，可以建立不同的目标函 数，确定相应的加权矩阵，可以通过综合考虑车辆悬架系统中的不同因素来达到对汽车 性能的改善【2 l 】。当最优控制理论自2 0 世纪五六十年代，在空间技术领域得以应用时， 就有关于车辆主动悬架最优控制研究的文献发表。但是最先将随机最优控制理论应用于 主动悬架的研究中是t h o m p s o n ，之后s h a r p ，c o r o l l a 以及w i l s o n 也利用此理论，通过 不同的寻优方式设计了各自的控制器。 ( 2 ) p i d 控制 按照偏差的比例( p r o p o r t i o n a l ) 、积分( i n t e g r a l ) 和微分( d e r i v a t i v e ) 进行控制的 p i d 调节器( p i d 校正器) 是应用极广泛的一种调节器，p i d 调节器已经形成了典型结 构，其结构参数整定方便，结构改变灵活( p 、p i ，p d 、p i d 等) 在许多工业过程控制 中得到了良好的效果。 在连续的控制系统中，p i d 控制算法得到了广泛的应用，是技术最成熟的控制规律， 相当多的工业对象，都利用p i d 进行控制，并能获得较为满意的结果。在连续模拟式控 制系统中，p i d 控制规律是采用不同的模拟元件实现的。在现代计算机控制系统中，p i d 控制算法将由计算机软件实现。由于计算机软件的灵活性，利用计算机实现p i d 控制具 有许多优点，可以将p i d 算法修改得更为合理，得到了许多考虑了实际要求的改进算法； 同时对于参数的在线整定和修改更为方便，朝着更加灵活和智能化的方向发展。此外， 计算机还能实现数据处理、显示、报警和答应等功能、便于管理和操作。所以，用计算 机实现数字p i d 算法获得了广泛的应用瞄2 3 1 。 ( 3 ) 预见控制 理论上看，限制主动悬架进一步改善车辆性能的主要因素是缺乏足够的路面信息。 如果将道路不规则而引起的路面干扰在车辆到达之前被测到，且这个信息能够被控制器 在决定系统控制力时加以考虑和利用的话，那么控制器即可将前方路面状态作为预瞄变 量，以更有效的控制方式进行“前馈”控制，因而主动悬架的潜力将可以得到充分发挥。 这一种控制方法通常被称为“预瞄控制”。它的基本思路是，通过安装于车身路面位移传 感器，测得行驶中的汽车前方几米处的路面位移信号，并将其结合到主动悬架控制规律 5 第一章绪论 设计中。研究结果表明，采用预瞄控制能够显著改善悬架系统性能【2 4 ，2 5 1 。s h a r p 和p i l b e a m 和c r o l l a 等人将预瞄控制用在限带宽主动悬架系统设计中。虽然利用此控制可以显著提 高车辆悬架系统性能，但是测量路面位移传感器的成本太高 2 6 1 。 ( 4 ) 自适应控制 实际中，车辆可能行驶在一个较为广泛的路面输入变化范围内，如不同的车速及路 面条件。车辆系统本身也存在着一些不确定性因素，如同乘员、货物多少而变的车身质 量，以及随车速、温度和胎压等而变的轮胎刚度等。因此，对一个可控悬架来说，其系 统参数自适应于当前工况的能力显然是重要的设计要求之一。所谓自适应悬架，可以认 为是一个能够自动改变其控制器参数，以适应当前车辆工作状况的控制系统。它的基本 思想是，根据系统当前输入的相关信息，从预先计算并储存于控制器的参数中选取当前 “最适合的”控制参数。对于悬架设计而言，系统的激励是路面输入( 包括车辆行驶速度 和路面不平度) ，其中车速的测量相对容易实现，但路面的不平度的测量在实际中较为 困难，因而只能通过对车辆响应来估计获得口7 ，2 引。 应用于车辆悬架平顺性控制的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适 应控制两种方法，如图1 2 与图1 3 所示。考虑到车辆系统本身参数的变化及不确定性， 有的学者进行了有关基于在线识别和在线控制设计的自适应控制研究 2 9 1 。 参 图1 2 参考模型自适应控制系统结构示意图 e 图1 3自校正控制系统结构示意图 6 长安人学硕+ i ：论文 ( 5 ) 模糊控制 模糊控制是以模糊集理论、模糊语言变量和模糊逻辑为基础的一种计算机数字控制 方式，是一种正在兴起的能够提高工业自动化的控制技术。模糊控制属于智能控制的范 畴，而且它已成为目前实现智能化的一个重要而有效的形式。凡是无法建立精确数学模 型或是难以建立数学模型的场合都可以采用模糊控制技术3 0 ，3 1 1 。由于，模糊控制综合了 专家的控制经验，具有不依赖于被控对象的精确数学模型，设计简单、便于应用、抗干 扰能力强，响应速度快、易于控制和掌握，对于参数的变化有较强的鲁棒性等特点，在 经典控制和现代控制理论难以应用的场合发挥了很大的作用。这些优点使得它应用于悬 架控制的优势尤为突出。因此自9 0 年代以来，模糊控制是被应用于车辆悬架系统中的 新型控制方法。 日本德岛大学的y o s h i m u r a 教授采用模糊控制理论对半主动悬架进行控制，同时进 行实车试验，取得了良好的效果【3 2 】。日本名古屋大学桥山智训等人运用遗传算法设计的 模糊控制器对车辆悬架半主动系统进行控制。采用它具有对输入变量的组合、模糊规则、 隶属函数的参数自动调节的能力。结果表明：融合模糊控制和遗传算法的控制策略比常 规方法更加有效。我国合肥工业大学的方锡邦教授等人同样把模糊控制技术应用车辆半 主动控制悬架中，实验表明：振动性能明显优于被动悬架。采用模糊控制技术能够降低 成本，使控制器的存储空间减少，并且控制效果更加及时，车辆悬架系统可靠性提高 0 3 - 3 5 1 o ( 6 ) 神经网络控制 神经网络是指利用工程技术手段，模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系 统，它是一种大规模的并行的非线性动力学系统。其特征是可学习性与巨量并行性。神 经网络控制基本上是一种不依赖于模型的控制方法，它适用于具有不确定，时变的对象 与环境，具有较强的自适应能力、学习能力、非线性映射能力、鲁棒性和容错能力，它 快速、有效、并有比较高的精确度，因此神经网络控制也是智能控制的一个重要分支。 在汽车悬架振动控制中有着广泛的应用前景，尤其是适用于极限工况下车辆系统表现出 较高非线性的情况。将神经网络控制用于非线性悬架动力系统的识别并实施最优控制， 研究表明比用传统的线性二次型调节器控制的悬架具有更好的性能。由于控制需要较长 的训练时间，同时它的控制参数没有明确的物理意义，难于进行精确调节，所以此控制 不适合表达基于控制规则的知识。神经网络需和其它控制方法相结合构建的复合控制模 式便具有更大的实际应用。 第一章绪论 日本农业工程大学的m o r a n 和n a g a i 利用所建立的神经网络模型对实际的非线性悬 架系统作了系统识别和控制【3 6 1 。通过模拟计算，得出神经网络控制较线性反馈控制系统 性能改善约1 0 。我国陈无畏对半主动悬架的控制策略作了比较深入的研究【3 7 】。如自适 应l q g 控制、自适应神经网络、都被应用到了半主动悬架的控制策略中。 ( 7 ) 鲁棒控制 系统的鲁棒性是指控制系统在一定的( 结构、大小) 参数摄动下，维持某些性能的 特性。鲁棒控制的基本思想是通过系统设计使系统对模型的变化不敏感，是控制系统在 模型误差扰动下仍能保持稳定【3 引。以闭环系统的鲁棒性作为目标设计得到的固定控制器 称为鲁棒控制器。由于工作状况变化，外部干扰以及建模误差的缘故，实际工业过程中 的精确模型很难得到，而系统的各种障碍也将导致模型的不确定性，因此可以说模型的 不确定性在控制系统中广泛存在，如何设计一个固定的控制器，使具有不确定性的对象 满足控制品质【3 9 1 。 鲁棒控制方法适用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用，同时过程的动态性已知 且不确定因素的变化范围可以预估。车辆主动悬架控制也是这类系统的例子。 1 5 本文的主要研究内容 ( 1 ) 从车辆动力学及振动力学相关理论入手，建立两自由度1 4 车辆模型。对其进 行受力分析，以主动悬架系统动力学数学模型为基础建立相应仿真模型。 ( 2 ) 路面扰动作为悬架系统的输入信号，考虑到路面信号分为随机性路面和确定 性路面，根据有关标准，建立积分白噪声形式下b 级路面不平度的数学模型作为随机性 路面。同时为分析悬架系统在冲击性路面上的响应情况，建立了正弦模型和方波路面模 型模拟实际凸起和凹坑确定性路面。以便全面评析控制策略所能取得的控制效果。 ( 3 ) 本文侧重于主动悬架控制策略的研究，也是论文核心所在之处。结合经典控 制理论和现代控制理论，分别构建线性二次型最优控制、p i d 控制、模糊控制、模糊p i d 控制等四种控制方式的主动悬架，并设计以这四种控制策略为基础的控制器。基于 m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境平台，对所设计的四种控制器进行时域内动态仿真。 ( 4 ) 对所得到仿真结果分别以车身垂直加速度、悬架动挠度、车轮动载荷进行综 合分析，说明这几种控制策略的可行性及有效性，并对各控制策略进行优劣性比较，进 而为改善车辆的平顺性及操纵稳定性提供理论依据。 8 长安大学硕士论文 1 6 本章小结 本章首先对悬架系统做了概括的叙述，可以看到设计出优良的悬架系统对改善车辆 的总体性能有着重要作用。然后指出悬架系统控制存在的问题，以及对控制难点作了说 明。通过列表对悬架系统进行分类，并指出各类悬架系统的特点。同时对汽车悬架系统 的国内外发展概况作了介绍。接下来介绍了悬架系统的常见的控制方法，最后明确的指 出本文的主要研究内容。 9 第二章恳架系统动力学模型 第二章悬架系统动力学模型 2 1 系统仿真软件简介 随着计算机技术的发展，计算机仿真技术得到非常广泛的应用，已经成为科学研究 的重要手段。它是分析和设计各种复杂系统的强有力的工具。m a t l a b 作为当前国际 控制界最为流行的面向工程与科学计算的高级语言，它可轻易地实现c 或f o r t r a n 语 言几乎全部的功能。并设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序，编写效率 和计算效率极高。 m a t l a b 环境下的s i m u l i n k 是当前众多仿真环境中功能最强大、最优秀、最容 易使用的一个用于系统建模，仿真和分析的动态仿真集成环境工具，在各个领域得到广 泛应用。它不但支持线性系统，也支持非线性系统仿真，既可以进行连续系统仿真也可 以进行离散系统仿真或者二者的混合系统仿真。同时支持具有多种采样速率的系统仿 真。它是m a t l a b 的进一步扩展，不但实现了可视化的动态仿真，也实现与m a t l a b 、 c 或f o r t r a n 甚至和硬件之间的相互数据传递，大大扩展了它的功甜4 0 1 。它有两个显 著的功能：s i m u ( 表示它可以用于系统仿真) 和l i n k ( 表示它能进行系统连接) 。在 该软件环境下，用户可以在屏幕上调用现成的模块，并将它们适当连接起来以构成系统 的模型，即所谓的可视化建模。建模以后，以该模型为对象运行s i m u l i n k 中的仿真 程序，可以对模型进行仿真，并可以随时观察仿真结果和干预仿真过程。s i m u l i n k 由 于功能强大、使用简单方便，已经成为应用最广泛的动态系统仿真软件。 2 2 车辆悬架系统模型 悬架作为一个复杂的多自由度“质量一刚度一阻尼”振动系统，应根据分析的问题进 行简化。常用的四分之一汽车模型，它能较好的体现垂直振动问题；二分之一汽车模型， 常用来研究前后悬架间的参数匹配关系和车身的垂直方向及纵向的运动耦合，它能较好 体现垂直跳动和俯仰变化的问题；整车模型则能从总体上较全面的把握汽车的运动响应 或控制的综合质量，它完整的体现了整车的垂直跳动、俯仰变化和侧倾的问题。 2 2 1关于模型的几点说明与假设 四分之一车辆模型是设计汽车可控悬架控制律最基本的模型。它能够很好地用来研 究悬架最基本的特性，例如车身振动加速度、轮胎载荷变化、悬架动行程等，尤其有利 于进行控制器特性的研究，这些问题才是本文所要研究的主要内容之所在。同时相比于 多自由度复杂的车辆模型，它有一些突出优点【4 1 】：所包括的设计参数最少；所涉及 1 0 长安大学硕士学位论文 的性能参数最少；可以简化系统模型输入；容易理解并找到设计与性能之间的关系。 因本文着重于研究悬架系统的控制策略问题，故以1 4 车辆模型为研究对象，同时 采用以下假设条件：( 1 ) 路面对左右车轮的垂直输入是相同的，且关于纵轴线对称，即车 辆无侧倾振动、横摆振动、侧向位移。( 2 ) 针对乘员与车身运动的一致性，可将视为车身 系统。且不考虑传动系跟发动机对车身的影响，把车身系统看做簧载质量。车身的联系 质量为零，即简化后的前后两部分车身质量是相互独立的。( 3 ) 车轮与其相联的车轴看做 非簧载质量，路面与车轮在其中线上为点接触。( 4 ) 车辆减振器的阻尼相对远远大于轮胎 阻尼，因此只考虑轮胎的刚度作用，忽略轮胎阻尼影响。( 5 ) 实际的悬架系统中存在着各 种非线性和不确定性因素，考虑到模型的复杂化和求解的难度，将其简化为线性的，确 定性的状态来考虑。 2 2 2 汽车1 4 主动悬架的简化模型 本文研究模型是与被动悬架并置式主动悬架，这种悬架是在被动悬架基础上加作动 器，可以节省作动器的能耗。如图2 1 所示： 、 k z b 图2 1 汽车二自由度1 4 模型 图中：m 。一非簧载质量；l i l b 一簧载质量；k 广悬架刚度：k 广轮胎刚度；c 厂悬架阻尼； z b ，簧载质量位移；z w 一非簧载质量位移；z g - 路面输入；u 一作动器的控制力 整个1 4 车辆模型在稳态振动时的动态特性可以通过牛顿第二定律对簧载质量和非 簧载质量列出如下微分方程式： m 6 艺6 + k 。( z 6 一z ，) + c ；( 三6 一三，) 一甜= 0 ( 2 1 ) m 。艺，+ 屯( z 。一z g ) 一七；( z 6 一z 。) 一f 。( 三6 一三。) + 甜= 0 ( 2 2 ) 式中：乞一簧载质量的垂直加速度；艺，一非簧载质量的垂直加速度； 第一二章悬架系统动力学模型 由式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 司得： 磊：二l 卜c ，( 三6 一三。) 一k 。( z 6 一z 。) + ”】 ( 2 3 ) 艺。= 二【c ，( 三6 一三，) + 尼，( z b z ，) 一t ( z ，一z , g ) 一“】 ( 2 4 ) m w 当以上各微分方程式中的u 为零时，主动悬架动力学模型就变成被动悬架模型。 本文以某轿车的悬架系统为例，表2 1 给出仿真用到的主要参数如下所示： 表2 1 汽车1 4 模型参数 名称符号 数值 簧载质量m b ( k g ) 3 0 0 非簧载质量m 。( k g ) 5 0 悬架刚度l ( s ( n m ) 1 7 0 0 0 悬架阻尼c s ( n s m ) 1 3 0 0 轮胎刚度k 0 n m ) 2 0 0 0 0 0 2 - 3 路面模型 不平路面是引起车辆行驶时振动的外部原因。为描述车辆行驶时的振动，必须首先 了解不平路面的描述方法。对于一些较规则的路面，如规则的试验场跑道，标准形状的 障碍，可以采用确定性的方法进行描述。但对于经常出现的，不可能进行确定描述的自 然路面，只能在一定的可接受的假设条件下，采用统计方法进行描述f 3 2 1 。 2 3 1 随机路面输入 ( 1 ) 路面不平度的功率谱密度 通常把路面相对于基准平面的高度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 2 所示：它是一个平稳随机过程。 q q ( i ) 、 _ _ 、，_ ，、 0 i 图2 2 路面纵断面曲线 在平稳随机过程的假设的前提下，可以用不平路面高度的空间频率谱密度( 简称路 面谱) ，在频率域对不平路面进行描述。根据路面高度的实际测量数据可以计算出该路 1 2 长安人学硕士学位论文 面不平度的路面谱。尽管不同路面的路面谱密度各不相同，但将其画在对数坐标上时， 在一定的频率范围内都出现一条近似为常数的直线。国际标准i s o t c l 0 8 s c 2 n 6 7 和国 家标准g b 7 0 3 1 8 7 之中，两个文件均采用如下路面谱拟合表达式【l 】： q ( 聆) = g 口( 刀o ) ( n n o ) 一 ( 2 5 ) 式中：刀为空间频率( m - 1 ) ，它是波长的倒数；n o 为参考空间频率，n o = 0 1 m ；g q ( n o ) 称为路面不平度系数，即为参考空间频率坳下的路面功率谱密度值；w 为频率指数，通 常取w = 2 。 标准将w = 2 时的路面不平度分成8 级【1 1 。表2 2 规定了各级路面不平度系数g q ( n o ) 的几何平均值。画在双对数坐标中的图线斜率为w = 2 的8 条直线，如图2 3 所示。 表2 2 路面不平度8 级分类标准 g q ( n o ) ( 1 0 巧m 3 ) 仃g ( 1 0 一3 柳) 路面等级 ( n o = 0 1 m 一) ( 0 0 1l m 。1 7 2 8 3 m 1 ) 几何平均几何平均 a1 63 8 l b6 47 6 l c2 5 61 5 2 3 d1 0 2 43 0 4 5 e4 0 9 66 0 9 0 f1 6 3 8 41 2 1 8 0 g6 5 5 3 62 4 3 6 l h2 6 2 1 4 44 8 7 2 2 t 蕾1 m l o o1 0t 、 f 心 当 心埘 支 蛰淞 _ _ 、 心心 、 基心 、l 、广 _ 善冬义心 i 拭 、t _ 一心 n - - - -蕊 o m乱ii 1 0 宪蛆藏阜n m 。 图2 3 路面谱密度分级 1 3 tif。芒i基u、tv-口崔矗曩嚣囊攀 第二章悬架系统动力学模型 上述的路面功率谱密度g g ( n ) 指的是垂直位移功率谱密度，还可以采用路面的垂直 速度、加速度来描述路面不平度的统计特性。路面垂直速度功率谱和垂直位移功率谱之 间的关系为： q = ( 2 t r n ) 2 g i n ) ( 2 6 ) q = ( 2 t e n ) 4 q ( 玎) ( 2 7 ) 当频率指数w = 2 时，将式( 2 5 ) 表达的g q ( n ) 代入式( 2 6 ) 得到 q = ( 2 7 r n o ) 2 g g ( ) ( 2 8 ) 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”，幅 值的大小只与不平度系数g q ( n o ) 有关。 ( 2 ) 空间功率谱密度g g ( 刀) 化为时间频率功率谱密度g g 对汽车的振动系统的输入除了路面不平度，还要考虑车速这个因素。根据车速u ， 将空间功率谱密度g 臼( 功换算为时间频率功率谱密度g g 。二者之间的转换关系为： g 9 ( 厂) = g g ( n ) u ( 2 9 ) 当汽车以一定的速度( m s ) 行驶时，驶过空间的频率r l ( m - 1 ) 的路面不平度时输 入的时间频率a s 1 ) 是聆与甜的乘积，即 f = u n ( 2 1 0 ) 把式( 2 9 ) 和( 2 1 0 ) 带入式( 2 5 ) 中 o q ( f ) ：! g 口( 玎。) ( ) 一w ( 2 1 1 ) u n n 当w = 2 时，公式( 2 1 1 ) 变成 g q ( f ) - n 0 2 q ( ) 告 ( 2 1 2 ) ， 由此可以推导出时间频率的路面速度功率谱和加速度功率谱密度 g 口( 厂) = 4 r e 2 q ( n o ) n 0 2 u ( 2 1 3 ) q ( 力= 1 6 z r 4 q ( n o ) n 0 2 u f 2 ( 2 1 4 ) j 通过上述的推导，路面在时域的速度功率谱函数为仅与速度有关的函数，当车速为 定值时，速度谱密度为常数，所以速度的时域功率谱为一不随频率变化的白噪声信号， 于是，路面轮廓可由谱密度为2 r c n o x g q ( n o ) u 的白噪声通过一积分器产