（车辆工程专业论文）汽车半主动悬架模糊控制仿真研究.pdf

摘要悬架系统是汽车的重要组成部分之一，它对汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性有很大影响。在汽车悬架系统的设计和开发过程中，其运动学、动力学和控制策略的计算分析占有十分重要的地位。传统被动悬架具有很大局限性，而主动悬架使用和制造成本高昂，半主动悬架价格低廉、制造工艺相对简单，能够根据路面激励情况及汽车运行的实际情况进行最优反馈控制，使汽车整体性能达到较佳，非常适合用于车辆悬架系统。所以本文选择了半主动悬架控制系统作为研究对象。文中首先综合各种因素选取建立了整车七自由度悬架模型及其运动学和动力学模型，归纳总结了汽车悬架系统的性能评价指标，建立了随机路面的不平度输入模型。然后对模糊控制器进行了设计，详细分析介绍了模糊控制理论，给出模糊控制器的基本结构，设计了本研究所使用到的模糊规则和模糊控制表。进而根据整车七自由度悬架模型的动力学方程，选取某车型为例，在m a t l a b + s i m u l i n k 里建立动力学模型。运用模糊系统理论建立半主动悬架模糊动态模型。然后以随机信号为系统输入，进行仿真比较模糊控制悬架与被动悬架的质心加速度，前后悬架动行程，前后轮动位移等，来考量模糊控制器的效果。本课题可为半主动悬架的试验研究及产品开发提供理论和数值参考。关键词：半主动悬架模糊控制器仿真a b s t r a c tt h es u s p e n s i o ns y s t e mi so n eo ft h em o s ti m p o n a n tp a r t so ft h ea u t o m o b i l e t h es u s p e n s i o ns y s t e mh a sa ni m p o n a n ti l l f l u e n c eo nt h er i d ec o m f o r t 抽dm a n e u v e r a b l es t a b i l i t yo ft h ea u t o m o b i l e w h i l ei 1 1t h ep f o c e s so fd e s 遮n i i l ga n dd e v e l o p p i n gt h ea u t o m o t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ，t h ec o m p t l l a t i o n a la n a l y s i so fi t sk i n e m a t i c s ，d y n a m i c sa n dc o n t r o ls t r a t e g yp l a y sav e r yi m p o n a n tr o l e a st h et m d i t i o n a lp a s s i v es u s p e n s i o nh a sav e 巧伊e a tl i m i t a t i o n ，a n dt h ea c t i v es u s p e n s i o nc o s t sm u c hi nu s i n ga n dm a n u f a c t u r i n g ，t h es e m i - a c l i v es u s p e n s i o nc o s t sl e 鼹a n di se a s 主e ft op r o d u c e ，w h i hc a l lc a 朝哆o na no p t i m a lf e e d b a c kc o n t r o la c c o r d i n gt 0t h er o a ds u m c e 柚dt h ea c t u a la u t o m o b i l em n n i n g ，a n dt h u so p t i m i z et h ev e h i c l ep e r f b 加a n c e i ti sv e r ) rs u i t a b l ef o rt l l ev e h i c l es u s p e n s i o ns y s t e m s ow ec h o o s e 也es e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e ma so u rr e s e a r c ho b j e c t f i r s t l yt h i sa r t i c l ec h o o s e sa i l ds e t su ps e v e nd e g r e e s0 ff 诧e d o ms u s p e n s i o nm o d e l 锄di t sk i i l e m a t i c s柚dk i n e t i c sm o d e la f t e rs y n t h e s i z i n gv 撕o u sk i n d so ff a c t o r s ，a n ds u m m a r i z i n gt h ea u t o m o t i v es u s p e n s i o ns y s t e mp e o 硼a n c ee v a l u a t i o b 纽d i c a t o r s ，a n ds e t su pi a n d o mf o u 曲n e s so fr o a ds u r f a i d 胛tm o d e l s s e c o n d l yi ta n a l y z e si l ld e t a i lt h ef l l z z yc o n t r o l t h e o r y ，p r o v i d e st h eb a s i cs t m c t u r eo ft h ef i l z z yc o n t r 0 1 l e r ，a n dd e v i s e st h ef u z z yr e g u l a t i 伽a n df u z z yc o n t r o l t a b l ew h i c ha r ea v a i l a b l ei nt h i sa n i c l e f 缸r t h e 册o r ei tc h o o s e so n ec e r t a i nv e h i c l ea s 强e x a m p l ea n ds e t su pd y n a m i c sm o d e li nm a n a b+ s i m u l i n ka c c o r d i n gt ot h ed y n a m i c se q u a t i o no ft l l ev e h i c l e ss e v e nd e 伊e e so f 丘e e d o ms u s p e n s i o nm o d e l u s i n gt h ef i l z z ys y s t e mt h e o r yi ts e t su paf u z z yd y n a m i cm o d e lo ft h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ，a n dt h e nc a 撕e so ns 沛u l a t i o nb yi n p u t t i n gt h er a n d o ms i 印a l s 1 tc o m p a r e st h ea c c e l e t a t i o no fc e n t r o i d ，t h e缸o n ta n dr e a rs u s p e n s i o nd y n a m i cs t r o k e s ，t h ef r o n ta n dr e a rw h e e ld y n a m i cd i s p l a c e m e n t so ft h ef i l z z yc o n t r o ls u s p e n s i o nw i t ht h ep a s s i v es u s p e n s i o n so n e s ，a n dt l l e ne v a l u a t e st h e e f f e c to ft h ef u z z yc o n t r o l l e r t h i st h e s i sc a np r o v i d et h e o r ya n dn u m e r i c a lr e f e r e n c ef o r t h et e s t i n gr e s e a r c ha n dp r o d u c td e v e l o p m e n t0 ft h es e m i a c t i v es u s p e n s i o n 1 沁yw o r d s ：s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ；f u z z yc o n t r o l l e r ；s i m u l a t i o ni i论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：驮杰b2 嘶z 月厅日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：砍导师签名：杰、仫妒挥胁缪日冬脾嗍忻长安大学硕士学位论文1 1 悬架对车辆性能的影响第一章绪论汽车在行驶时产生的振动是影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性的重要因素。汽车一般有三个减振环节，即轮胎、悬架和座椅。其中，起主要作用的是悬架系统。悬架是保证车轮或车桥与车辆承载系统( 车架或承载式车身) 之间具有弹性联系并能传递载荷、缓和冲击、衰减振动以及调节车辆行驶中的车身位置等有关装置的总称。它一般用弹性元件和阻尼元件构成，用以缓冲和吸收因路面不平而产生的激振力，同时承受汽车转向时产生的侧倾力。作为连接车轮与车架的重要总成，悬架性能的优劣直接关系到车辆的平顺性、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。其中悬架传递的垂直力保证了车身的质量最终由地面承担，纵向力保证了车辆的起动、制动、前进和倒退，侧向力保证了车辆的曲线运动。悬架要缓和由不平路面传给车身的冲击载荷，衰减由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。因此，改进和提高悬架装置结构对改善汽车的行驶性能和提高汽车产品的使用寿命具有非常重要的意义n 1 。1 2 车辆悬架的分类、发展与研究现状1 2 1 车辆悬架的分类车辆悬架按控制力的不同分被动悬架、全主动悬架和半主动悬架。这三种形式的简化模型见图1 1 和图1 2 乜3 。被动悬架无外部能量输入，经过设计的弹簧刚度和减振器阻尼系数是不可调的，在汽车行驶过程中无法随外部路面状况而改变，设计时只能保证在一种特定路面和速度下达到性能最优折中。被动悬架主要有纵臂式、横臂式和车轮沿主销移动式独立悬架和非独立悬架等。由于参数在车辆行驶过程中不能任意选择和调节，限制了被动悬架系统性能的进一步提高。半主动悬架不考虑改变悬架的刚度，而只考虑改变悬架的阻尼，因此它是由无动力源但可以控制的阻尼元件组成，根据汽车行驶状念的平顺性要求，通过输入少量控制能量来连续调节液力减振器的阻尼，以改善悬架的振动特性。半主动悬架又可分为可切换半主动悬架和连续可调半主动悬架。可切换半主动悬架中的阻尼系数只能在几个离散的第一章绪论阻尼值之间进行切换，连续可调半主动悬架中的阻尼系数在一定的范围内可以连续变化。其优点是消耗能量很小，阻尼变化响应快，但所需传感器较多。传感器振器被动悬架的简化模型示意图半主动悬架的简化模型示意图图1 1油罐图1 2 主动悬架的简化模型主动悬架由隔振弹簧、控制器和作动器组成，能使汽车在各种行驶工况下的乘坐舒适性和行驶安全性同时得到改善。它不仅能控制车身运动，如启动、加速、减速和制动时的俯仰运动，以及转向侧倾等，在高速公路、坏路面等载荷变化时，还能相应调节车身高度。主动悬架按其控制方式可分为状态反馈控制和决策控制两类。前者是根据系统2宁长安大学硕士学位论文的状态和激励来调节执行机构的输出，从而要求使用高速计算和高频响应的伺服元件，而后者则根据道路条件和车速来控制悬架系统的参数，整个系统接近于静态调节，因而可以采用低频响应元件来构成悬架系统的执行机构。主动悬架系统结构复杂、能耗大、成本高、且响应速度受到一定的限制，目前多用于排量较大的高档车型。1 2 2 车辆悬架的发展与研究现状1 9 3 4 年，o l l e y 发明了被动悬架的基本原理。被动悬架是迄今为止历史最悠久、应用最广泛的车辆悬架0 1 。1 9 4 5 年，g m 公司的e r p i e l 一l a b r o s s e l 在悬架设计中首先提出了主动悬架的思想，1 9 6 5 年w 0 o b s o n 和l r l a w t h e r 又作了类似的研究，s k i m i c a 和t h r o c k w e l l 、j m l a w t h e r 作了应用伺服机构作为主动元件的理论研究。早期研究采用的数学模型是忽略了非簧载质量和轮胎特性的单自由度系统。1 9 7 6 年a g t h 研究了两个自由度的车辆模型，并应用空间状态技术和线性最优控制理论来确定最优控制律。随后t h o m p s o n 和p e a r c e 把两自由度模型扩充成四自由度模型，并研究了对白噪声输入的响应。1 9 8 6 年r m c h a l a s s a n i 研究了整车模型的行驶性能。在2 0 世纪6 0 年代早期，许多人已经开始了一些基础的研究工作，但首先对主动悬架的基本思想和控制规律进行归纳和总结的是t h o m p s o n ，t h o m p s o n 证明了主动悬架系统对提高车辆性能的作用。目前，车辆主动悬架的研究在国内外，尤其在国外得到了广泛的开展，许多大学与汽车大型企业对主动悬架进行了理论和实践的研究，并取得了很好的效果。2 0 世纪8 0 年代初，关于车辆主动悬架系统的研究和开发成果得到了实现。1 9 8 2 年l o t u s 公司研制出有源主动悬架系统，瑞典v o l v o 公司在其车上安装了实验性的l o t u s 主动悬架系统1 9 8 9 年丰田c e l i a 车型上装置了主动油气悬架系统。尼桑、保时捷、福特、奔驰等公司均在其高级轿车上安装了各自开发的主动悬架系统乜1 。半主动悬架的研究工作始于1 9 7 3 年，由d a c r o s b y 和d c k a r n o p p 基于天棚阻尼的概念发明了半主动阻尼器。其生产应用始于8 0 年代，但它对悬架性能的改善是极有限的。1 9 7 5 年，m a r g o l i s 等人提出了“开关”控制的半主动悬架，它能产生较大的阻尼力，这种悬架已应用到实车上。通过改变弹簧刚度构成的半主动悬架由h u b b a r d 等人与1 9 7 6 年提出，弹簧刚度的改变是通过切换空气弹簧来实现。因此国外在8 0 年代就己经将空气弹簧悬架应用于各种车辆。1 9 8 6 年，k i mb r o u g h 在半主动悬架控制方法中引入了l y a p u n o v方法，改进了控制算法的稳定性。1 9 8 8 年，日产公司研制了一种“声纳”式半主动悬架，3第一章绪论它能通过声纳装置预测路面信息，及时调整悬架减振器的“柔和”、“适中”和“稳定”3 种状态。1 9 9 4 年，p r i n k o s 等人使用电流变和磁流变流体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。现在，半主动悬架在实车上的应用已较普遍，如雷鸟轿车上的程序控制系统( p r c ) ，卡迪拉克轿车的路感悬架系统( r s s ) ，丰田3 o 轿车的车身电子平衡系统等等n 1 。国内在半主动悬架系统的研究起步较晚，在深度和广度上不及国外，但是也进行了不少有意义的研究工作。1 9 8 8 年，章一鸣等在统计意义上对半主动悬架进行了最优控制，其控制律是离线得出的：1 9 9 6 年，方敏等对半主动悬架进行了自适应l q g 控制：1 9 9 7 年，周晓文等在k a r n o p p 天棚阻尼模型的基础上进行了最优控制：1 9 9 8 年，陈无畏等将神经网络自适应理论运用到半主动悬架上，两个神经网络，一个用于在线识别，一个用于控制；1 9 9 8 年，喻凡等将最优自适应算法应用于半主动悬架：1 9 9 9 年，余强等建立了半主动悬架的非连续模糊控制器n 。这些研究方法的提出和尝试，对我们的研究工作有着重要的指导和借鉴意义，为推动我国在汽车半主动悬架方面的深入研究作出了很大的贡献。1 3 悬架控制策略1 3 1 应用于车辆悬架系统的控制方法1 天棚阻尼控制策略1 9 7 4 年，美国d k a r n o p p 教授提出了天棚阻尼控制策略，它是一种半主动悬架的基本控制方法，在悬架的控制中被广泛应用，即在车身上施加一个正比例车身绝对速度的阻尼。实际上一般是在系统中增加一个产生主动作用力的元件来模拟“天棚”阻尼作用，可得类似的减振效果0 1 。2 开关控制方法k a r n o p p 教授提出了“o n o f f 半主动控制策略d ，与主动悬架相比，“o n o f f ”半主动控制策略的主要优点是需要的能量少，需要的能量仅用于改变阻尼器的“软”“硬”设置，作动器消耗振动能量。“o n o f f ”半主动控制策略所需测试仪器较少，控制算法简单，是目静应用在实际车辆上最多的方法。3 自适应控制方法悬架振动的自适应控制研究始于8 0 年代初。它主要用于受控对象及其参数存在严重不确定性的情况。由于车辆悬架系统的线性模型与实际悬架模型有误差，存在非线性4长安人学硕上学位论文和受控车辆结构参数变化( 例如簧载质量) ，基于线性时不变控制的车辆悬架系统当参数和工况变化时，控制参数不能相应变化，故性能下降。而自适应控制方法能使系统当参数发生变化时，做出控制决策去更新控制器的结构，参数或控制作用，以便在某种意义下使控制结果达到最优或次最优，或达到某个预定性能目标，其性能趋近于理想的系统。自适应控制可以随车辆各种不同的运行工况而作出反应，例如，通过采集测量到的路面数据，确定路面不平度的功率谱密度函数，以选择合适的弹簧刚度和阻尼系数，自适应悬架着重于随路面激励变化而适应的能力上。4 最优控制方法最优控制是半主动悬架控制中应用比较广泛的一种方法。通过建立半主动悬架系统的状态方程，考虑不同的性能指标并提出控制目标函数，来分析当汽车受到路面随机激励时，半主动悬架性能指标的最优控制方案。应用于车辆悬架控制系统的最优控制方法可以分为线性最优控制，h 最优控制和最优预报控制等三种。线性最优控制是建立在系统模型较为理想的基础上，采用受控对象的动态响应( 例如选取车身垂直加速度，悬架动挠度，车轮动载荷) 及控制输入量的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构动态稳定性条件下实现最优控制，把l q g ( li n e a r q u a d r a t i cg a u s s i a n 线性二次高斯型)控制理论应用于车辆悬架系统实现最优控制。目标函数为状态向量和控制向量的二次型的线性系统最优反馈控制是车辆悬架系统主动和半主动控制最常用的控制方法。但是最优控制器难以适应系统参数的不确定性h 卜。h o o 控制方法是一种基于鲁棒控制的优化控制方法，h 控制是设计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值的一种最优控制法。它考虑系统中更多变量的影响为了模拟由于车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系数以及车辆结构高频柔度模态等变化不确定的误差，应用h o o 控制方法可实现车辆悬架振动控制具有较强的鲁棒性。预见控制是在反馈基础上进行悬架预测控制研究的控制方法。这种控制方法可提前检测到前方道路的状况和变化。预见控制悬架是整个汽车悬架的综合控制系统。这种控制策略必须预先扫描路面和了解车辆载荷情况，因此实用性受到一定限制。进入9 0 年代以来，智能控制的研究在工程中的应用发展迅速。智能控制系统具有学习、适应、组织功能，借助于人的经验知识和直觉推理可以进行有效的控制。5 神经网络控制神经网络控制是种非线性控制方法。通过建立神经网络模型，可以逼近任意非线5第一章绪论性函数，并具有自适应学习，并行分布处理和较强的鲁棒性、容错性等特点，因此适于汽车悬架这样复杂的非线性系统的建模和控制。6 模糊控制方法模糊控制对非线性系统有较好的适应性，它属于智能控制的范畴。自9 0 年代以来，模糊控制方法就被应用在车辆半主动悬架系统中。由于具有超调小，鲁棒性强、能够克服非线性因素等特点，因而模糊控制对复杂系统是一种有效的控制策略。模糊控制的控制过程中含有许多人的控制经验和知识，与人的智能行为相似。因此半主动悬架可以根据预定的目标及模糊控制策略来改变悬架的特性，以达到在当前工况下的最佳性能。模糊控制器是半主动悬架控制的核心，它对输入扰动、系统参数变化及结构变化有很强的适应性n 2 1 。1 3 2 当前汽车悬架系统振动控制的主要问题智能悬架研究虽然多年，并且在实车上得到了一定应用，但是仍然存在下列技术问题：1 执行器技术问题：由于目前所使用的执行器一般采用电液伺服系统和机械调节，存在着结构复杂，成本高，响应速度慢，工作频带窄，动作不平稳等缺陷，执行器技术已成为智能悬架发展的瓶颈，近年出现的可控流体技术，包括电流变技术和磁流变技术，为可控阻尼的减振器设计提供了新的思路。2 传感器技术问题：用于测量汽车悬架振动参数的传感器仍然存在测量精度、易用性、抗干扰能力、制造成本和使用寿命方面的问题，开发高精度，高可靠性，高集成度，低成本，可复用的新型传感器对提高智能悬架性能有重要意义。3 控制方法问题：尽管已经提出了多种控制理论，但它们或是建立在各种假设的基础之上的，与实际工况差异很大，或是计算复杂，收敛慢，实时性差，无法应用于实车，因此有必要对汽车悬架控制理论做进一步探索和研究。4 制造成本和使用成本问题：主动悬架不仅硬件制造成本昂贵，而且控制过程所消耗的能量较大，而半主动悬架与之相比，能量消耗小，结构简单，成本低廉，可靠性高，并且性能与主动悬架相近。所以，在今后一段时期内半主动悬架仍将是智能悬架的主要发展方向。6长安大学硕上学位论文1 4 本课题研究的内容与方法针对以上情况本课题的研究内容与方法为：1 总结了汽车悬架系统和其控制问题的研究进展，提出了本文研究的主要对象为基于模糊控制的半主动悬架系统。2 研究了汽车悬架系统的建模问题，并建立了七自由度车辆悬架系统动力学模型。3 选用具有实际应用价值的模糊控制方法，根据其控制原理设计了车辆半主动悬架输出反馈控制系统。4 利用m a t l a b 6 5 + s i m u l i n k 软件，对半主动悬架模糊控制系统进行了模拟仿真。并在此基础上，对悬架性能做出评价，分析了该控制系统的稳定性问题。7第一二章半主动悬架数学模型的建立第二章半主动悬架数学模型的建立2 1 汽车路面系统模型的建立当把汽车近似作为线性系统处理时，掌握了输入的路面不平度功率谱以及车辆系统的频响函数，就可以求出各响应物理量的功率谱，用来分析振动系统参数对各响应物理量的影响和评价车辆的行驶平顺性和行驶安全性状态。2 1 1 路面不平度的功率谱分析悬架在时域或者频域内的性能，首先要得到路面的随机输入。通常把路面相对于基准平面的高度q ，沿道路走向长度，的变化q ( ，) ，称为路面纵断面曲线或不平度函数( 如图2 1 ) n5 1 。qq ( i ) _ ，岷、0基准平面i测量得到的大量路面不平度随机数据，通常在计算机上进行处理，得到路面不平度的功率谱密度q o ) 或方差等统计特性参数。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来描述其统计特性。这反映在1 9 8 4 年国际标准化组织在文件i s o t c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案 和国内由长春汽车研究所起草制定的g b 7 0 3 1 车辆振动输入路面平度表示标准之中n4 1 ，两个文件均建议路面功率谱密度g 口0 ) 用下式作为拟合表达式：g 。c 以，= g 。c ，z 。，( 云) 一wc 2 ，其中：，l 空间频率( 聊4 ) ，它是波长a 的倒数，表示每米长度中包括几个波长；，l 。参考空问频率，= 0 切；8长安大学硕t 学位论文瓯( 咒。) 参考空间频率下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为，1 2 垅；，1 3 ；频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定了路面功率谱密度的频率结构。上述两个文件还提出了按路面功率谱密度把路面的不平度分为8 级，如表2 1 ( 分级路面谱的频率指数形= 2 ) 。表2 1 路面不平度8 级分类标准路面g q ( ，l o ) = 1 0 。m 3 ( ，l ot0 切一1 )( 1 0 - 3 优) ( o 0 l 切一1 以_ ，j + ( 一后，l 一后j 2 一后j 3 + 后，4 b 6 + 七，1 z 以+ 七，l 工 ，l + 七，3 x ，3 + 足，4 石。4( 2 1 9 )( 2 2 0 )( 2 2 1 )( 2 2 2 )( 2 2 3 )，p 务。卜( e 。一e 。如：一( c j ，+ e ：k 2 p + 【( 一e ，+ e 。 ，+ ( e 。一g ：k r ，扫+ ，+ e ：k 一缸，+ e 。k 一c 。嘁- + e ，嘁，+ e 拟。s + e 艇w ( 2 2 4 )+ 【( 一七，。一七，。谚2 一伍，。+ 屯：k 2 】9 + 【( 一t ，+ 七，4 眵o + ( 一忌，。一忌。：x fk+ 酝，+ 七，：k 一仅，+ 七，。如k 。+ 忌，6 ，+ 足，肛。4痧；【( c ，一c 。k f ，+ ( 一c ，+ e 。渗f ，p 一【( e ，+ c ： ；+ ( c j ，+ g 4 p 切+ 【( 一c ，。一e ： ，+ ( 一e ，+ c ，) f 二k = c ，1 f ，名。，一c ，戈以+ c ，乇戈w 3 一c ，4 f ，戈w ( 2 2 5 )+ k ，。一七，：k f ，+ ( 一七，+ 七，。) b o 】9 一k ，+ 忌，：) | ；+ 仅，+ 足，。 ；扫+ 【- q ，l + 足，2 ，+ ( 一七，3 + 七，4 l ，k 6 + 七叫f ，石。l + 七蛆f ，x 。2 + 七，c o x 。3 一庀，x w 4聊。# ，1 一一e l 口扫+ e ，妒+ c 0 南一c ：# o 。一赶t 口口+ 七，妒+ 七，一驭，一七，。h 。+ 屯，g 。朋w w 2一一cs p 6 + cs f 审+ cs i b cs j w 2 一ks 8 + ks f 爷+ 屯咕一化：一t ：b o ：+ 屯2 ：胁w 3 x w 3| cs 争6 + c3 f 审+ cs 羹b cs 3 文一ks 争e + k s f 币+ 七，矗一k ，一七，b ，+ 屯咯。1 5( 2 2 6 )( 2 2 7 )( 2 2 8 )b一l以幽嵋3渖奄。c 卜+萼妾如卜胀第二章半主动悬架数学模型的建立m w 囊w 4 - p e ( js 4 f 审+ cs 4 支b cs 4 i w 4 _ ks 4 b 8 + k s f 够1 2 2 9 )+ 足j 4 一忙r 4 一七j 4 虹w 4 + 七f 4 x 2 4( 2 2 3 ) ( 2 2 9 ) 即是七自由度整车动力学微分方程。选取q ；k g 。x 9 2石9 3z = b 6口妒工。l工。2工。3。】r 为输入向量，。】r 为输出向量，则上述方程可进一步转化为如下形式： mp + c 弦+ k k = k ，切其中： m 】、【c 】、 k 】分别为7 7 质量、阻尼、刚度矩阵， k ， 为7 4 轮胎刚度矩阵。具体取值如下：【c 】=c s l + cs 2 + c s 3 + cs 4一( e 。+ e ：+ ( e 3 + c j 。) 6( c ，1 一c ，2 ) ，+ ( c 3 一c ，4 ) f ，一e 。一c ，2一c ，3一e 。( c ，1 一c ，2 ) f f + ( c ，3 一c ：4 弦，( 一e 。+ e 2 如f ，+ ( c ，3 + e 4 涉( e 。一c ：) f ，+ ( e ，一e 。) f ，一c j l f ，c j 2 f ，一c ，3 f ，cs 乒f一( e ，+ e 2 + ( c 3 + c 。) 6( e 。+ e ：p 2 + ( c 3 + e 。弘2( 一c n + c ，2 ) 口f ，+ ( e 3 一c 。4 ) 6 f ，cs pc s 2 口一cs 多一c ；一c ne 1 口一cs 毒|e 。0ooe 2c 5 2 口cs 4 foc ：oo1 6一e 3一c ，声一cs r00c 30一e 。一cs pcs 毒r0o0e 。长安大学顾十学位论文【k 】=k s i + ks 2 + k s 3 + ks 4一( j 0 。+ j i ( ，2 ) 口+ ( 蜒3 + j 0 。) 6( k 。一k z ) ，+ ( k 3 一k 。mk ，一k 2一k 3一ks i( k 。一k ：) f ，+ ( k ，一k 。弘，( 一墨。+ k 2 ) 口f ，+ ( k 3 + k 。涉( k 。一k ：) f ，+ ( k ，一k 。弘，一ks fk 5 乒fks 善rks rk ，】一000o0o七，o0七，o00 oo0o0000000七，0o七，一( k 。+ k ：+ ( k 3 + k 。涉( k ，+ k ：) 口2 + ( k 3 + k 。) 6 2( 一k 。+ k 2 ) 口，+ ( k 3 一k 4 ) 6 f ，k ，k ：k s 3ks 4一k 。墨l 口一ks 1 fk t l + k noo0一k ：k j 2 口ks 叠f0k t 2 + k 1 2ook 3一k s 多一k s i 。0ok t 3 + k s 30一k s 4一k s 扫k s 乒r000k 1 4 + k s i2 2 3 悬架系统的性能评价指标车辆悬架的两个主要功能是保证车辆良好的乘坐舒适性和行驶安全性。悬架在执行该功能的同时，还必须将悬架行程控制在允许的限度内，并满足在载荷变化、加速、制动、转弯时对车身姿态的要求。对于一个给定的悬架系统，其性能可用3 个基本参数来进行定量评价。( 1 ) 车身垂直加速度有许多种方法来描述乘座舒适性。基于有关振动对人体影响的试验结果而得出的结论可知，垂直加速度的均方根值与试验参加者表明的舒适感觉成线性关系，因此，最简单的方法是计算乘员座椅位置的垂直加速度的均方根值。有关这方面研究在七十年代国外己进行了系列研究。国际标准化协会在综合大量资料的基础上，提出了“人体全身承受振动的评价指南( i s o2 6 3 卜1 ) ”，该标准用频率加权加速度的均方根值给出了在1 7第二章半主动悬架数学模型的建立0 5 8 0 h z 振动频率范围内人体对振动反应的三种不同的感觉界限，即暴露极限，疲劳一降低工作效率界限，舒适降低界限。随着承受振动持续的时间加长，感觉界限允许的加速度值下降。由此标准可知，人最敏感的频率范围，对于垂直振动是4 1 2 5 h z ，在4 8 h z这个频率范围内，人的内脏器官产生共振：对于水平振动是2 h z 以下。其评价方法中最简单方法和最常用方法是总体的加速度均方根值评价方法。因此车身垂直加速度，是评价汽车平顺性的主要指标n 9 1 。( 2 ) 悬架弹簧动挠度悬架弹簧动挠度，即悬架悬挂质量与非悬挂质量之间的相对位移。当以加速度加权均方根值最小作为悬架系统的单一评价指标时，得出的解是不符合实际的。因为此时要求作用于悬架的力等于悬挂质量惯性力，其加速度恒等于零，从而要求悬架的工作空间足够大。事实上，悬架的工作空间是受到限制的，悬架有允许的最大压缩行程，即限位行程。弹簧动挠度与限位行程应适当配合，否则会增加行驶中撞击限位的概率，使行驶平顺性变坏，而且动挠度过大也会影响汽车的操纵稳定性。因此，考虑悬挂质量加速度最小作为评价指标时至少要附加一个悬架工作空间的约束。( 3 ) 轮胎动载荷轮胎动载荷，即轮胎对路面作用力的动载荷。轮胎的无阻尼共振频率接近于8 一1 8 h z 。在此频率下工作，轮胎的法向力在其静平衡点变化剧烈，当动载变化的幅值大于静载的时候，就会出现轮胎法向载荷小于零的情况，此时车轮会跳离地面，将失去纵向和侧向的附着力，使行驶安全性( 操纵稳定性) 恶化。因此，非悬挂质量变形或车轮对路面的作用力通常作为评价悬架系统行驶安全性的一种指标。对于特殊的重型车辆，若车轮的动载过大，对道路的损伤会加剧，为了能使车辆对路面损伤减轻，还必须控制轮胎对路面的动载荷大小。车辆悬架系统的各项性能之间往往是相互矛盾的。以上指标之问的选择与侧重程度不同，得出的悬架系统参数也不一致，在进行平顺性分析时，要对汽车振动系统的这三个振动响应量进行统计计算，以综合进行评价悬架系统的性能。因此，本文将车身垂直振动加速度作为研究的重点评价指标。在保证车辆平顺性有较好的控制效果同时，考虑车辆操纵的稳定性，又增加了悬架动行程和车身位移作为综合评价指标，以全面对比研究悬架半主动控制策略和被动悬架的区别，以确定较佳的方案。1 8长安人学硕上学位论文2 3 本章小结本章给出了路面不平度的功率谱密度以及空间频率功率谱密度与时问频率功率谱密度的转化公式，并详细分析了它们之间的关系。在对仿真计算精度及参数测定等因素的综合考虑下以及根据本文所研究内容，选取建立了三维七自由度汽车动力学模型，详细的推导了模型的运动方程，并且确定车身垂直振动加速度作为模型的重点评价指标，又增加了悬架动行程和车身位移作为综合评价指标。为以后章节的仿真分析提供了依据。1 9第二章半主动悬架数学模型的建立第三章半主动悬架系统的模糊控制模糊逻辑首先由l a z a d e h 于2 0 世纪6 0 年代引入。1 9 7 3 年，他给出用模糊语言进行系统描述的方法和模糊推理的理论基础，使模糊控制的应用成为可能。1 9 7 4 年，英国伦敦大学教授e h m a m d a n i 和他的学生在q u e e nm a r y 学院首次应用模糊逻辑，实现了蒸汽机的模糊控制试验，取得了优于常规调节器的控制品质。经过几十年的发展，模糊控制理论己经形成一个比较完整的体系并在各个领域都取得了成功的应用。在我国，模糊控制理论的研究始于1 9 7 9 年，中国科学家已在国内外知名刊物上发表了数千篇研究学术论文，如今我国已成为世界公认的模糊理论研究的大国之一乜引。悬架对车辆的平顺性、操纵稳定性等多种使用性能都有很大的影响。半主动悬架中，阻尼可控的减振器是依据调节减振器阻尼通道的有效面积或调节减振器阻尼油的流动特性进行设计的。由于悬架弹性元件和阻尼元件不同程度地具有非线性特性，因此车辆悬架是一典型的非线性系统。在研究悬架的主动与半主动控制问题中，大多数研究者将悬架系统近似为线性系统进行研究，采用常规的控制方法，因此，研究结果存在很大的局限性。进入2 0 世纪9 0 年代，车辆悬架非线性特性已成为国内外研究的重点，采用非线性控制方法研究悬架的主动与半主动控制问题也成为一个热点。众多研究表明，考虑悬架系统的非线性特性及控制具有重要的理论与实际意义。目前的控制系统采用的方法主要有基于大量实验的逻辑门控制、p i d 控制以及基于数学模型的状态控制和最优控制，前两种方法控制参数一旦确定，控制逻辑就被固定下来，后一种方法是将非线性模型局部线性化，控制效果依靠数学模型的精度。由于悬架系统的非线性和时变性，运用经典和现代控制理论设计控制器显得十分复杂，而采用模糊控制的方法来研究车辆悬架系统，很大程度上解决了系统非线性的难题，控制的实时性好。经典的和现代的控制理论控制方式共同点是在控制系统设计时必须建立被控对象的数学模型，而很多实际系统往往难以建立精确的数学模型。为了解决这一问题，七十年代初人们在模糊集合概念的基础上提出了模糊控制技术乜。目前模糊控制器己应用于动力资源、人工智能、交通管理、炉温控制、污水处理、机器人控制等许多领域，显示出模糊控制的巨大优越性。模糊控制能够很好解决传统控制方法用数学模型无法精确描述的问题和无法用数学模型描述的问题，使模糊控制具有很大的优越性和广阔的前途。2 0长安大学硕十学位论文本文基于前人的研究成果和悬架的非线性特性，将模糊控制方法应用于半主动悬架的控制中。下面将从模糊控制的基本原理入手，逐步介绍半主动悬架模糊控制器的建立过程。3 1 模糊控制的基本原理模糊控制是以模糊数学为基础，以模糊集合表示变量，由模糊逻辑运算推理判决的一种高级控制策略，是现代智能控制理论的一个分支口。模糊控制是通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的经验形式化、模型化，变成计算机可以接受的控制模型，让计算机代替人来进行有效的控制。模糊控制的基本原理如图3 1 所示，其核心部分为模糊控制器，如图中虚线框中部分所示。模糊控制器的模糊推理部分由计算机的程序实现，微机通过采样获取被控制量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号e ( 在此取误差反馈) 。一般误差信号e 作为模糊控制器的输入量。把误差信号e 的精确量进行模糊化变成模糊量e ，误差e 的模糊量可用响应的模糊语言表示。至此，得到了误差e 的模糊语言集合的一个子集e ( e实际是一个模糊向量) 。再由e 和模糊控制规则r ( 模糊关系) 根据推理合成规则进行决策，得到模糊控制量u ，作用于被控对象上。：。一一。一。一。4 。：图3 1 模糊控制系统结构图图中u 为对象输入，y 为对象输出，r 为参考输入，e 为误差。具体来说模糊控制器由以下四部分组成：( 1 ) 输入模糊化接口：这部分的作用是将输入的精确量转化成模糊量，它首先对输入量进行尺度变换，将它们从原来的物理量论域转换到模糊控制器所需要的论域内，然后对变换后的输入量进行模糊化处理，使其从精确量变为模糊量，并用相应的模糊集合来表示。在这一部分中也包括了对输入量的预处理，如进行滤波以减少噪音的影响，提取输入量的特征值或关键信息以简化模糊控制器的结构或减轻控制器计算负担等。( 2 ) 知识库：由数据库和规则库组成。数据库主要包括各语言变量的隶属度函数，输2 1第二章半主动悬架数学模型的建克入输出变换因子等。规则库包括用语言变量所描述的一整套模糊规则，由于模糊规则一般来源于专家知识，所以规则库反映了此具体应用领域内的控制经验和知识。知识库是模糊控制系统比不可缺的基础。( 3 ) 模糊推理机：模糊推理机是模糊控制系统的核心，它具有模拟人的基于模糊概念的推理能力。模糊推理机运用知识库内的模糊规则，按照模糊逻辑中的蕴涵关系以及各种模糊推理方法进行模糊推理。所以，模糊系统中的知识库和推理机是紧密结合的。( 4 ) 解模糊接口：由于在实际的应用中，最后用于控制的输出都是确定的精确量，所以模糊推理所得的模糊量并不是直接参与控制，而需要进行一定的变换，输出解模糊接口的功能就是这样。首先，它将输出的模糊量按照一定的规则变换成在同一论域内的精确量，然后对这个精确量进行尺度变换，成为实际控制量论域内的值。3 2 模糊控制器的设计方法3 2 1 模糊控制器的结构设计要确定哪些能变量作为输出变量和输入变量，是模糊控制器设计的第一步：在模糊控制器设计中选择被控对象的输出和参考输入之间的误差和误差变化率( 或误差变化)作为输入量，被控对象的控制量即为控制器的输出量。3 2 2 设计模糊控制器控制规则a 确定模糊控制规则是设计模糊控制系统的重要环节之一，确定方法有以下几种【2 5 ( 1 ) 根据控制专家和优秀操作人员知识，经验设计模糊控制规则：( 2 ) 根据现场操作人员的操作动作和操作数据建立控制规则：( 3 ) 对复杂系统或系统采用现场调试得到合适的控制规则：( 4 ) 由已知数据，经验或其它信息出控制过程的模糊模型，进而建立控制规则。b 模糊控制规则类型包括：( 1 ) 结论为模糊集合的控制规则：( 2 ) 结论为实数值的控制规则：( 3 ) 结论为线性函数的模糊控制规则的形式。3 2 3 设计模糊推理的方法模糊推理是模糊控制算法，它是模糊控制器的重要部分。按控制量的计算方法可分2 2长安大学硕上学位论文为两类乜们：( 1 ) 在线计算方法这种方法是在系统控制过程中按控制规则，由被测过程量在线计算出响应的控制量。( 2 ) 查表计算法这种方法是根据模糊控制规则事先离线计算出过程量在各种情况下的一组控制量，形成模糊控制表。在整个控制过程中控制量的计算就转化为由被测过程量的控制表中，直接查取对应的控制量。设计模糊推理的方法时根据控制过程实际需要选择适当的方法。3 2 4 解模糊化方法解模糊化是将模糊响应转化为精确响应的重要环节，一般情况下有三种方法。完成模糊判决的方法较多，方法的选取与隶属度函数的形状选择、推理方法的选择都是相关的，常用的判决方法有以下三种：( 1 ) 最大隶属度法选择模糊子集中隶属度最大的元素作为控制量，即取所有规则推理结果的模糊集合中隶属度最大的那个元素作为输出值乜2 1 ，即：。 ) 一m a x ( ， ) ，：o ) ，j c l 。 ) ) ，则。似) 就是对应的精度控制量u( 2 ) 中位数判决法中位数判决法时取模糊隶属度函数曲线与横坐标围成面积的重心为模糊推理最终输出值乜，即”嚣对于具有m 个输出量化级数的离散论域情况：t o t )“o 一号- 一荟t t )与最大隶属度法相比，中位数判决法具有更平滑的输出推理控制。即对应于输入信号的2 3第二章半主动悬架数学模型的建立微小变化，其推理的最终输出一般也会发生一定的变化，且这种变化明显比最大隶属度函数法要平衡。( 3 ) 加权平均法加权平均法的最终输出值是由下式决定的p o2这里的系数t 的选择要根据实际情况而定。不同的系数就决定系统有不同的响应特性。当系数包取为儿( 肛；) 时，即取隶属度函数值，就转化为重心法。在模糊逻辑控制中，可以选择和调整该系数来改善系统的响应特性。上述三种方法各有优缺点，最大隶属度法简单易行、使用方便，实时性好，但是利用信息少：中位数法利用信息多，但计算了大：加权平均法有公式可用，利用信息较多，实际中应用比较广泛。3 3 半主动悬架系统的模糊控制器的设计根据汽车悬架控制系统特点，首先选用最能反应汽车悬架运动