（车辆工程专业论文）空气悬架主动控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 悬架是车辆重要组成部分之一，其对车辆行驶的平顺性、操纵稳定性等 都有着重要的影响，所以长期以来人们一直致力于改善悬架的性能。装有主 动空气悬架的车辆不仅提高了乘坐舒适性，还改善了轮胎接地性和车辆的操 纵稳定性，减少了车辆对路面的损坏，加强了对货物的保护。因此，对主动 空气悬架的控制研究成了一项很有意义的工作。 首先，在查阅大量关于空气弹簧和空气悬架研究文献的基础之上，系统 地分析了国内外空气悬架的研究现状。同时，分析了空气弹簧充、放气特性， 为空气悬架主动控制器的设计提供了依据。 其次，建立了随机路面输入模型，并运用牛顿定律建立了1 4 车辆二自由 度空气悬架动力学模型和整车七自由度空气悬架动力学模型。 再次，由于控制方法是整个主动! ! 气悬架控制技术的核心，对主动空气 悬架的特性有着举足轻重的影响。所以本文根据汽车主动空气悬架系统的动 态特性，设计了最优控制器和模糊p i d 控制器。运用m a t l a b 软件对这两种 控制方法下的系统进行仿真分析。结果表明，与被动空气悬架相比配有最优 控制器的主动空气悬架系统和配有模糊p i d 控制器的主动空气悬架系统明显 提高了车辆行驶平顺性和操纵稳定性。这说明空气悬架系统所加入的最优控 制器和模糊p i d 控制器是合理的、可行的和科学的。 最后，为了检验加入最优控制器后空气悬架性能与仿真研究的结果是否 一致，设计了装有最优控制的1 4 车辆二自由度主动空气悬架试验台。试验结 果表明，装有最优控制器的主动空气悬架系统与被动空气悬架系统相比其簧 载质量的垂直加速度有明显降低。试验结果与仿真结果的统一进一步说明本 文所设计的最优控制器是合理的、可行的。 关键词：空气悬架，建模，最优控制，模糊p i d 控制，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 so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r to fv e h i c l e ，w h i c hh a sg r e a ti n f l u e n c eo nv e h i c l e p e r f o r m a n c eo fr i d eq u a l i t ya n dh a n d i n gs t a b i l i t y , s om u c ha t t e n t i o nh a sb e e np a i dt oi m p r o v e s u s p e n s i o nc h a r a c t e r i s t i c s a c t i v ea i rs u s p e n s i o nh a sb e t t e rp e r f o r m a n c ei nf i d ec o m f o r t ，r o a d h o l d i n ga b i l i t y , h a n d l i n gs t a b i l i t y , d a m a g eo fr o a da n dp r o t e c t i o no fg o o d s o ，i ti sv e r yi m p o r t a n t t or e s e a r c ho nt h ec o n t r o lo fa c t i v ea i rs u s p e n s i o n f i r s t l y , t h ep a p e rh a sm a d eas y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h es t a t u so ft h ed e v e l o p m e n ta n d r e s e a r c ho ft h ep n e u m a t i cs u s p e n s i o nh o m ea n da b r o a d ，b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v er e a d i n go i l t h er e l a t i v el i t e r a t u r e s m e a w h i l e ，a i rs p r i n gi n f l a t i o na n dd e f l a t i o nc h a r a c t e r sw e r ea n a l y z e d ， w h i c hm a d et h eb a s ef o ra i rs u s p e n s i o nb a s e do na c t i v ec o n t r o ls y s t e m s e c o n d l y , ar a n d o mr o a di n p u tm o d e lw a sd e v e l o p e d ，a n dt h e nt h eo n e q u a r t e rt w o d e g r e e a n dv e h i c l es e v e n - f r e e d o md y n a m i ca n dm a t h e m a t i cm o d e l sb yn e w t o n t h r i d l y , c o n t r o ls t r a t e g i e s ，w h i c ha r et h ek e r n e lo ft e c h n o l o g yf o ra c t i v ea i rs u s p e n s i o n c o n t r o ls y s t e m ，h a v eg r e a ti n f l u e n c eo nt h es u s p e n s i o np e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , l o r c o n t r o l l e ra n df u z z y - p i dc o n t r o l l e r , w h i c ha r eb a s e do nt h ec o n t r o lt h o r ya n dt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fa i rs u s p e n s i o n ，w e r ed e s i g n e d t h e nu s et h es o f t w a r em a t l a bt os i m u l a t ea n d a n a l y z e a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s ，c o m p a r e dw i t hp a s s i v ea i rs u s p e n s i o n ，a c t i v ea i r s u s p e n s i o ni m p r o v e st h ef i d ec o m f o r ta n dm a n e u v e r a b l es t a b i l i t yg r e a t l yo ft h ea u t o m o b i l e t h e n ，ac o n c l u s i o nb e e ng o tt h a tl o rc o n t r o ls t r a t e g ya n df u z z y p i dc o n t r o ls t r a t e g ya r e r e a s o n a b l e ，f e a s i b l ea n ds c i e n t i f i c l a s t l y , at e s ts y s t e mf o rt h eq u a r t e r - v e h i c l ea i rs u s p e n s i o nm o d e lu n d e rl o rc o n t r o l l e rw a s d e s i g n e d f r o mt h ee x p e r i m e n ts y s t e m ，t h ec o h e r e n c eo f t h ea i rs u s p e n s i o np e r f o r m a n c eb e t w e e n t h et e s tc o n d i t i o na n dt h es i m u l a t i o nc a nb ev a l i d a t e d t h er e s u l to ft h ee x p e r i m e n th a si n d i c a t e d t h a tt h ev e r t i c a lv i b r a t i o na c c e l e r a t i o no ft h ec a rb o d yh a sb e e nr e d u c e do b v i o u s l ya n dt h ea i r s u s p e n s i o nu n d e rl o r c o n t r o l l e rh a sg r e a te f f e c to nd e b a s i n gt h ev e r t i c a lv i b r a t i o n k e yw o r d s ：a i rs u s p e n s i o n ，m o d e l i n g , i o rc o n t r o l ，f u z z y - p i dc o n t r o l ，e x p e r i m e n t 江苏大学学位论文版权使用授权书 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。 保密厂 ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密一。 学位论文作者签名：序专，五乒厂 2 0 1 0 年6 日| 指导教师签名： 2 0 1 0 年6 窍f 凋 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，均己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： 风，主付 2 0 1 0 年6 月帕 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 车辆悬架系统是车身与轮胎之间一切传递力的连接装置的总称。汽车行驶中，路面的 凸起或凹坑都会使作用于车轮上的垂直反力起伏波动，产生振动与冲击；在加减速、转弯 以及制动时，产生的倾覆力和侧倾力可使车身做俯仰运动和侧倾运动。这些振动与冲击经 悬架系统传到车身严重影响了车辆的平顺性和操纵稳定性，降低了汽车零部件的寿命。为 了将车辆的振动冲击控制在最低水平，一方面应提高道路铺装率，减小路面凹凸不平度。 另一方面除采用弹性的轮胎以外，还必须设计性能优良的悬架系统，隔离路面不平引起的 振动【1 】【2 】。因此悬架系统的设计成为了车辆设计中的重要研究课题之一。空气悬架具有独 特的性能和很强的适应能力，因此被广泛应用在车辆悬架领域。 1 2 汽车空气悬架发展历史及现状 1 2 1 国外发展历史及现状 空气弹簧诞生于1 9 世纪中叶，有专利记载在1 8 4 7 年j o h nl e w i s 申请了空气弹簧的发 明专利【3 1 。早期的空气弹簧主要用于机械设备隔振。空气弹簧最初是在1 9 0 1 年在车辆上 作为悬架元件使用的。第一个装有空气弹簧的汽车产品出现在1 9 1 4 年，是由发明家g e o r g e w e s t i n g h o u s e 设计制造的。但由于生产空气弹簧的橡胶材料质量问题等原因，早期的空气 弹簧并没有得到商业应用。直到上个世纪中叶，随着合成人造橡胶的出现，才使空气弹簧 在车辆上得到了真正的应用。1 9 4 7 年美国首先在普尔曼车上使用了空气弹簧。随后1 9 5 3 年通用汽车公司生产的豪华大客车使用了其与f i r e s t o n e 公司合作研发的以空气弹簧为主要 减振元件的悬架系统，使得空气弹簧进入了个蓬勃发展的阶段【4 】o 早期的空气悬架是由空气弹簧与钢板弹簧组成的复合悬架，钢板弹簧不仅起导向作 用，也兼起一部分弹性元件的作用。这种悬架型式结构简单，便于在客车上改装，但较难 达到理想的弹性特性。针对复合悬架的不足，后来开发了几乎承受全部车身载荷的被动空 气悬架。进入2 0 世纪八十年，随着车辆行驶速度的不断提高，人们对乘坐舒适性和安全 性也提出了更高的要求。1 9 8 4 年福特汽车公司在c o n t i n e n t a lm a r kv i i 型上成功地应用了电 子控制空气悬架系统【5 】o 从此空气悬架进入了电子控制时代。 目前，空气悬架在国外高档车上已经被广泛应用，在高速客车和豪华城市客车上的使 江苏大学硕士学位论文 用率已达到1 0 0 ，在中、重型货车以及挂车上的使用率也超过8 0 ，如美国的f o r d 、德 国的b e n z 、m a n 、n e o p l a n 、瑞典的v o i v o 、法国的雷诺、日本的尼桑、日野、五十铃、 三菱等。同时部分高级轿车上也采用了空气弹簧悬架，如美国的林肯、德国的b e n z 3 0 0 s e 和b e n z 6 0 0 等。在一些特种车辆( 如对防震性要求高的仪表车、救护车及要求带高度调节 器的集装箱运输车) 上，空气悬架应用更为广泛。目前汽车工业发达国家己形成几大空气 悬架和空气弹簧生产厂家，如美国的n e w a y 、r i d e w e l l 、f i r e s t o n e 、g o o dy e a r 和德国的 s a f 、b p w 等【6 1 。 1 2 2 国内发展历史与现状 我国早在2 0 世纪5 0 年代就开始对空气弹簧进行研究。1 9 5 7 年，长春汽车研究所与 f 化工部橡胶工业研究所合作制造出我国第一辆装备空气悬架的载重汽车，此后又相继设计 了公共汽车、火车列车等车辆的空气悬架1 7 1 1 8 1 1 9 。 在这一阶段中，我国共研制出1 0 余种空气弹簧气囊和3 种高度控制阀。但是，由于 没能解决空气弹簧的一些关键技术问题，如空气弹簧的特性理论问题、整个系统的密封性 问题、悬架的稳定性问题、橡胶气囊寿命偏低的问题、高度控制阀的泄漏问题等。所以国 产空气悬架始终没能得到广泛应用。 2 0 世纪9 0 年代，国内开始少量使用空气悬架，主要应用于高档豪华客车上。其主要 方式为采用进口空气悬架装车使用，如北方车辆制造厂、厦门金龙联合汽车公司等客车厂。 同时，也有一些外资企业在中国进行空气悬架的生产和销售，如美国的n e w a y 公司、德 国的s a f 公司等。近几年来空气悬架的应用开始向中高档客车发展。据统计，2 0 0 5 年在 全国销售的8 万多辆大、中型客车中，配制空气悬架的客车已占总量的8 左右【1 0 1 。所以 目前总的来看，在我国，空气悬架系统还处于仿制或者直接购买产品阶段【1 1 1 ，国内科研人 员正在不断地对空气悬架展开理论研究，同时对空气悬架与整车的匹配技术，空气弹簧的 设计和制造技术，空气悬架导向机构设计以及空气悬架系统的控制技术进行深入、细致地 研究。 1 3 电子控制空气悬架简介 1 3 1 电控空气悬架概述 电子控制空气悬架( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l k , da i rs u s p e n s i o n ，e c a s ) 是近几年发展起 来的一种新型主动控制空气悬架，如图1 1 。在车辆运行过程中，连接空气弹簧与储气筒 的电磁阀根据e c u 发出的实时控制信号为空气弹簧进行充放气调节，使车辆时刻处在最 2 江苏走学硕士学位论文 佳的运行状态。与传统的机械控制式空气悬架相比，电子控制空气惑絮具有以f 优点【1 枷i ： 有效抑制车辆急加速、制动时产生的俯仰运动和转向时产生的侧倾运动，保持车身 姿态平衡； 有良好的升降功能和高度的灵活性，满足法规和乘员的要求； 具有故障自诊断功能和故障记忆功能，方便维修； 减少了空气消耗，在车辆行驶过程中无空气消耗； 由于使用了大截面的进( 出) 气口而使所有控制过程变得非常迅速，实时有效； 安装容易，对于电磁阀组件，每一气囊只需一根气管，再加上一根到储气筒的气管。 蒿雾瓣一 “)( b ) 圈1i电控空气悬禁系统示毒图 1 控制嚣2 电磁阉3 车身高度传毒；4 空气弹簧5 控制终端6 战掘嚣 7 空气压缩机8 速度传感嚣9 后轴1 0 前轴 132e c a 8 的发展历程 在e c a s 出现以前，装有空气悬架的大客车为便于乘客上下车以及提高车辆的通过性， 已经能够通过充放气改变空气弹簧高度，使停车时悬架下降减小汽车离地间隙。这种空气 悬架系统非常简单，其主要由空气压缩机、阀门、弹簧、气室( 气囊) 、减振器所组成。 车辆高度直接靠阀门控制气室的空气流进流出来调整，这时e c a s 已初见端倪。 1 9 6 2 年，c a d f l l a c 就开发了一种空气弹簧和螺旋弹簧并联的b c a s 系统，用于乘用车 后轴1 1 4 1 。1 9 7 6 年h u b b 缸d 和m 缸g o l i a 提出了弹簧刚度可调的半主动空气悬架系统的概念， 这为e c a s 的发展插上了腾飞的翅膀。随后，f 0 r d 开发了仅用空气弹簧承载的e c a s ，成 功配簧于c o n t i n e n 诅lm a a 车型的后悬架上。为了进一步提高车辆的操纵稳定性和行驶 平顺性1 9 8 6 年t o y o t a 公司在$ o 扯e r 和l e x u sl s 4 0 0 g 1 5 】车上前后悬架均采用e c a s ， 并且其刚度可在“软，和“硬，之间调节，4 个减振器可以一起在“软”、“中，和硬呻调节。后 来，其他研究人员进一步改进b c a s 性能，将4 个减振器阻尼同时控制改成独立控制，而且 阻尼调节范围进一步扩大，即由“软”、“中”和“硬”3 级政成“硬”、“正常”、“软” 和“舒适”4 级。 随着e c a s 技术成熟，它的功能越来越全，使用范围也越来越广。1 9 8 9 年，r 卸g er o v 盱 3 。尚咝 江苏大学硕士学位论文 成为第一个配置e c a s 的四轮驱动车，这不仅使其具备了非同寻常的公路驾驶舒适性，还 拥有了无与伦比的越野性能。另外，该e c a s 还开创了兼容车身升降技术的先河，例如在 ? 驶速度超过8 0k m ，h 时，车身高度会自动降低，以提高其行驶稳定性并降低风阻和油耗： 在越野路况驾驶员可以增加车身高度，以提高车辆的通过性。 图12 臭迪从s 系统囤1 3 奔驰a ir 地t i cd c 系统 2 0 0 2 年梅赛德斯- 奔驰在a d a p t i v ed a m p i n gs y s t e mi i 基础上研发了自适应阻尼的 e c a s 系统( a i r m a t i c d cs y s 把m ) ，并应用于新e 缴轿车上。2 0 0 6 年，新a u d i a s l 采用了 根据e c a s 原理设计的自动调整悬架系统( a u 幻m a f i c d j u s t m gs u s p c n s i o n ，a a s ) oa a s 依靠连续可变阻尼控制器对悬架阻尼的适时调节减少了车辆在行驶中的晃动，改善了车辆 操纵稳定性和乘座舒适性。另外a a s 还具有悬架自动升降功能，其可以根据车辆行驶速 度以及路况适时调整车身离地阃隙，提高了车辆的运动性和通过性【圳。另外，路虎揽胜的 电子气压减振系统和大众辉腾a i r m o f i o n 的电子空气悬架系统也是利用了e c a s 原理。 目前，e c a s 在欧美发达国家的大客车、载重汽车和高档乘用车上已得到广泛应用，各 大著名汽车生产企业均有自己的相关产品，而国内只有小部分高档客车( 如苏州盒龙) 、极 少高档轿车( 2 0 0 6 年国产新a u d i a 6 和a u d i a s ) 在引进、消化、吸收的基础上已经开始安 装e c a s 系统。可以预见e c a s 这一先进的空气悬架系统在不久的将来会在国产汽车上 越来越普及l m 。 13 3e “s 系统的组成 e c a s 系统一般有以下几大部分组成( 见图1 4 ) ：弹性元件( 主要指橡胶空气弹簧) ，电 子控制系统( 包括e c u 、传感器等) 执行机构( 电磁阀) ，阻尼元件( 主要是液力减振器) ，t 路系统( 主要有空气压缩机、干燥剂、储气筒和管路等) ，机械结构总成圆括导向杆系、横 向稳定丰t 、缓冲限位块等v ”】。 江苏大学硕士学位论文 田i4 电控空气悬幕郜分元件 1 弹性元件 弹性元件主要是指空气弹簧部分，其将在下文中详细叙述，此处从略。 2 电子控制系统 电子控制单元( e l 黜血c c o n l , o l u n i t ，e c u ) 是e c a s 控制系统中的核心部件，根据各 种传感器信号和悬架控制开关所确定的工作模式，e c u 控制减振器的阻尼力，悬架刚度和 车身高度。 车身加速度传感器的作用是感测车身垂直加速度，并将它转换成电子信号输 系统控 制装置中。 压力传感器用于测量空气弹簧中的压力，并将空气弹簧中的压力值转换成电子信号输 入系统控制装置中。 3 执行机构 电磁阀是e c a s 中主要的执行元件。e c a s 中的电磁阀为膜片式二次开阀的先导电磁 阀，其阀体主要由副阀和主阀组成。 4 阻尼元件 空气悬架中使用的阻尼元件是种高性能减振器，主要是限制向下行程和防止空气弹 簧与底座分离。一般多用双向筒式液压减振器，其内部装有行程限位装置。 5 气路系统 空气压缩机用来产生提供车身高度调节所需的压缩空气。 6 机械结构总成 导向传力机构是空气弹簧悬架中的重要部件，包括纵向推力杆、横向推力杆、连接座 以及橡胶衬套等。导向传力机构主要有承受汽车的纵向力、侧向力和力矩的作用。 5 江苏走学硕士学位论文 横向稳定器可防止车身发生过大的横向倾斜和横向角振动，提高汽车抗侧倾能力，增 大悬架的横向角刚度，调整了自d 后悬架侧倾角刚度比值，可使汽车具有不足转向特性，改 善汽车的操纵稳定性。 缓冲块的作用是避免车架和车桥或导向丰t 件之间的刚性冲击。 14 空气弹簧 141 空气弹簧结构与分类 空气弹簧( 如图1 5 和1 6 所示) 是精密设计的橡胶纤维波纹管具有良好的力学特性， 本身并不提供力或支樟载荷，而是通过空气压缩机向其内部冲入压缩空气来实现罩的传递 和弹性作用。 围l5 空气弹簧囤16 橡胶气囊 空气弹簧工作内压一般为0 4 加6 m p a ，适应于4 0c 一+ 7 0c 的温度变化，并能抗磷化 物质、酸碱溶剂和臭氧等的侵蚀。高强度纤维硫化于高质量的胶层之间，形成空7 弹簧的 骨架，气囊特别柔软且具有高度的舫破损能力，这取决于纤维的帘线角度、帘线密度和帘 线强度。钢丝圈经过硫化嵌入空气气囊两端，以提高气囊的结构强度【”i 。另外空气弹簧具 有优良的弹性特点，用在车辆悬架系统中可以大大改善车辆的动力性能，从而显著提高车 辆运行平顺性。 ，篷垩蘧 净刊 飞e 二窜 a ：i t 日舄 一- r 面一 b 虞式c0 嘴- 戈 图17 喜类空气弹簧 空气弹簧按结构可分为囊式( 图1 7 a ) 、膜式( 囤17 b ) 和混合式( 图1 7 c ) 三种【铷。 囊式空气弹簧根据行程要求一般设计成单曲、双曲和 曲( 图18 ) ，需要时也一叮以设 江苏是学硕士学位论文 计成四曲或五曲以上。汽车上常用的囊式空气弹簧为双曲式。囊式空气弹簧具有以下特点。 ( 1 ) 由于底部没有活塞，囊式空气弹簧的标准高度可比膜式空气弹簧低。 ( 2 ) 有效承压面积变化率在工作时较大，弹簧的刚度较大、固有频率较高。 一 一， 图18 疽曲囊式空气弹簧圉1 _ 9 鹿式空气弹簧解剖围 。安袭糠柱。蛆台i 拄。暗墀母。空气 口。尊板 。气to 鹱斗垫o * 塞。活塞螺钉。环藿 膜式空气弹簧( 圈1 9 ) 的结构是在盖扳和底座之间放置一个圆柱形橡胶气囊，通过 气囊挠曲变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧在其正常的工作范围内，有效面积变化率较小， 因此其刚度较低易于得到较低的固有频率。另外可以通过改变活塞底座的形状和利用活 塞底座的空心内腔增加出储气空间，优化其刚度特性从而获得理想的非线性特性。膜式空 气弹簧由于其结构简单、刚度较大、寿命较长、制造方便，故在客车和火车上得到了广泛 的应用。 混合式空气弹簧兼有膜式空气弹簧与囊式空气弹簧的特点，它的气垂上部与囊式气囊 上部基本相同，下部则与膜式气囊类似，混合式空气弹簧运动时在活塞的表面滚动。 142 空气弹簧理论特性分析 空气弹簧是空气悬架系统中重要的弹性元件，其刚度特性、频率特性和阻尼特性直接 影响空气悬架系统的隔振性能。从理论上深八分析其特性，并重点分析影响它们的各种因 素，对于指导空气弹簧的设计有十分重要的理论意义。现将空气弹簧特性1 2 l 】总结如下： ( 1 ) 空气弹簧刚度和高度可调。空气弹簧具有刚度随气囊压力和辅助气室容积以及 底座形状的变化而改变的特点。因此可以根据需要将空气弹簧设计成具有理想刚度特性的 形式吲。 从图1l o a 可以看出，金属弹簧悬架的静挠度随载荷增加而增大，而空气悬架的静挠 度在所有载荷条件下几乎保持不变；从图1 1 0 b 可以看出，金属弹簧悬架的自振频率随载 荷变化而变化较大而空气悬架的白振频率在所有载荷条件下基本保持不变。 江苏大学硕士学位论文 璇 罐 觏 薹 空在 挠度；：日 多 钢板! - - 满袭 | ， 多 一萝 设 计 妻 i 申张 一空袭橱扳弹簧静挠度一 压缩 一空载空气弹簧当量静挠度一 图1 1 1 空气弹簧和钢板弹簧的载荷一位移关系曲线图 ( 3 ) 空气弹簧隔振性能好。空气弹簧以压缩空气为工作介质，空气与橡胶的内摩擦 都很小，其固有频率较低，很难传递高频振动。所以对于一般的振源，采用空气弹簧作为 隔振元件的隔振系统能将大多数振动干扰隔离掉。 1 5 空气悬架主动控制方法概述 1 5 1 控制理论发展概述 从上世纪初，特别是第二次世界大战以来，控制理论与控制技术得到了迅速发展，而 8 江苏大学硕士学位论文 电子计算机的更新换代，更加推动了控制理论不断向前发展。控制理论的发展主要经历了 三个阶段：以p i d 控制为代表的“经典控制理论时期、以最优控制为代表的“现代控制 理论”时期、以模糊控制和神经网络控制为主导的“智能控制理论 时期1 2 4 2 s 。 1 经典控制理论 上世纪2 0 6 0 年代为“经典控制理论”时期。经典控制理论主要采用时域、根轨迹、 频域分析的方法，适用于单输入单输出系统。所研究的系统大多是线性定常系统，对非线 性系统，分析采用的相平面法一般不超过两个变量。利用误差信号进行反馈控制是经典控 制理论的主要特征。实际控制系统中的典型应用就是p i d 控制器。 2 现代控制理论 上世纪6 0 8 0 年代为“现代控制理论 时期。经典控制理论中的高阶微分方程可转化 为一阶微分方程组，用以描述系统的动态过程，即“状态空间法。状态空间描述为现代 控制理论的基础。该方法可以解决多输入多输出问题，系统既可以是线性、定常的，也可 以是非线性、时变的。现代控制理论的主要研究内容包括三个方面：多变量线性系统理论、 最优控制及最优估计理论和系统辨识理论。对系统的数学模型进行分析，以数学模型为基 础，设计出控制器，是现代控制理论的主要特 e 。 3 智能控制理论 上世纪8 0 年代至今，控制理论向着“大系统理论 、“智能控制”、“非线性系统理论 的方向发展。一般认为智能控制是具有人工智能、控制和运筹学的三元结构，是在对人类 智能活动及其控制与信息传递过程进行研究分析的基础上，研制具有某些仿人智能特征的 工程控制与信息处理系统，能自动、智能地实现系统动态性能的控制方法。在经典控制理 论和现代控制理论的实际应用中，遇到不少难题，例如在当实际系统中存在不确定性、不 完全性、模糊性、时变性、非线性时，一般很难获得精确的数学模型。而智能控制理论分 析和设计重点不再放在对传统控制器的数学描述、计算和处理上，而是放在智能机模型中 对非数学模型的描述、对符号和环境的识别和对知识库和推理机的开发和设计上。可见智 能控制是人工智能、控制论、运筹学、信息论等学科的交叉，是控制理论发展的高级阶段。 经典控制、现代控制和智能控制是相互渗透结合、共同发展的。 1 5 2 控制方法( 理论) 比较 随着控制理论、控制方法以及计算机技术的迅速发展，空气主动悬架系统的控制理论 和控制方法成为研究的重点【1 5 】。早在1 9 8 4 年，& j s t e i n 发表了利用前馈与反馈相结合的 “天棚 控制理论( s k yh o o d ) ，采用比例压力控制阀控制空气弹簧，并用计算机模拟和假 9 江苏大学硕士学位论文 人试验相结合的方法对座椅上假人的垂直振动响应进行研究【5 】o 目前，针对主动空气悬架控制理论的研究主要是在现代控制理论和智能控制理论两个 方面，而对空气悬架控制方法的研究主要集中在p i d 控制、天棚阻尼控制、最优控制、预 测控制、自适应控制、模糊控制、神经网络控制以及复合控制等方面 2 9 _ 3 6 。 这些控制方法的特点见表1 1 所示。 表1 1 各种控制方法对比表 控制理论与控制方法优点缺点 经 结构简单 控制过程需要具 典 稳定性好 控 p i d 控制体的数学模型 制 工作可靠 理 且模型不能改变或漂移 论调整方便 线性控制结构简单、直观方便 难于解决多输入一多输出系统 非线性控制稳定性好、可自持振荡 需要外加特殊条件 现 有畸变现象 代 最优控制 具有比较满意的计算量大 控 制 ( 如h o o 控制、天 增益储备、相角储备要求精确数学模型 理 论棚控制、预测控制) 以及非线性容限对系统硬件要求高 效果较好计算量大 自适应控制 实时性强稳定性差 灵活性好自我学习速度慢 神经网络控制 智 容错性大稳定性差 能 结构简单自适应差能力 控 模糊控制 制 节省资源精确性低 理 论 集成控制 精度高 控制过程复杂 ( 如模糊p i d 控制)灵活性好 其中，最优控制以其强大的分支得到了较广泛的应用，然而由于车辆的非线性、不确 定性与构造最优控制器需要对系统准确建模相矛盾，最优控制实际难以达到理想的控制要 求。同样，单纯的自适应控制或神经网络控制为达到目标往往导致运算量大、实时性差。 模糊控制由于无需精确的数学模型，因此成为迅速发展的一种新型控制方法。但模糊控制 1 0 江苏大学硕士学位论文 器参数一经确定就不能改变，这对于时变的、非线性悬架系统，会造成模糊控制规则粗糙， 控制效果也难以达到最优。因此，本文在建立了空气悬架数学模型的基础上，为全面对比 主动空气悬架和被动空气悬架，设计了主动空气悬架的最优控制器和模糊p i d 控制器。 1 6 本文研究思路与主要研究内容 1 。6 1 本文研究思路 首先，提出了主动空气悬架1 4 车辆二自由度简化模型和整车七自由度简化模型。其 次，为研究主动空气悬架的优越性分别设计了二自由度主动空气悬架和七自由度主动空气 悬架最优控制器。再次，在分析各种控制方法的基础上，根据各控制策略的复杂性和本身 的不完善特点，将经典控制理论和智能控制理论相结合，分别设计了二自由度主动空气悬 架和七自由度主动空气悬架的模糊p i d 控制器。通过仿真分析得出与被动空气悬架相比， 主动空气悬架在改善车辆行驶平顺性和提高车辆操纵稳定性方面有明显优越性。最后，设 计了最优控制下的二自由度空气悬架试验台，通过实验进一步验证了主动空气悬架在综合 性能上要优于被动空气悬架。 1 6 2 本文主要研究内容 本文共分六章，主要内容如下： 第一章：分析国内外空气动悬架研究现状及存在的问题，提出本选题背景，分析课题 研究的必要性和意义，确立研究思路及主要内容。 第二章：建立1 4 车辆二自由度空气主动悬架模型、整车七自由度主动空气悬架模型 以及路面输入模型，为主动空气悬架及其控制系统分析设计提供理论依据。 第三章：介绍最优控制基本理论，并根据第二章建立的空气悬架和道路的数学模型， 分别设计了二自由度主动空气悬架和七自由度主动空气悬架的最优控制器。通过仿真分析 得出了最优控制下的空气悬架的优势。 第四章：介绍了p i d 控制和模糊控制的基本理论，分别设计了二自由度主动空气悬架 和七自由度主动空气悬架的模糊p i d 控制器，通过仿真计算验证该控制策略的有效性。 第五章：主动空气悬架试验研究。设计二自由度最优控制的主动空气悬架试验系统， 并进行室内台架试验，分析车辆的动态响应，验证主动空气悬架动力学建模、计算、分析 与控制的正确性和有效性，为主动空气悬架工程应用研究提供指导。 第六章：对全文进行了总结并展望下一步研究工作。 江苏大学硕士学位论文 第二章系统建模及车辆平顺性评价方法概述 2 1 路面模型 2 1 1 随机路面描述 车辆在粗糙路面上行驶的过程中受到路面不平度的影响会产生垂向振动。路面不平度 函数是指路面相对基准平面的位移g 沿水平距离，的变化g ( j ) p 7 1 ，如图2 1 所示： l o cl ut 氐1 o ， 图2 1 路面纵断面曲线 弋心 羹心八h 塞慕淞 娥娥 3- j o 、= = = 二s = = = 笃心、： 、一。兰玲八、 。卧： 图2 2 路面不平度分级图 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。国际 标准化组织1 9 8 4 年在文件i s o f l c 1 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案 和国家 标准g b 7 0 3 1 中都建议路面功率谱密度q ( ，z ) 用下式作为拟合表达式： g 目( 厅) = g g o o ) m 疗o ) ( 2 1 ) 式中：刀一空间频率( m 1 ) ，它是波长五的倒数，表示每米长度中包含波长数； n o 一参考空间频率( m 。1 ) ，一般取= 0 1 ； g 。q o ) 一路面不平度系数( m 2 m 。1 ) ，表示参考空间频率下路面谱值； w 一频率指数，是双对数坐标上斜线的斜率，通常取w = 2 。 按照路面功率谱大小可把路面分为8 级，见图2 2 和表2 1 ，同时表中还列出了各级路 面不平度系数g 。q o ) 的范围和0 0 1 1 m - 1 以 2 8 3 m _ 1 范围内路面不平度响应均方根值 ( ) 的几何平均值，其中分级路面谱的频率指数w = 2 。 另外，根据图2 2 ( 阴影面积为原联邦德国1 9 8 3 年公路路面谱分布范围) 可以看出路 面功率谱密度q ( 刀) 随空间频率刀的增大或波长兄的减小而变小。当= 2 时，g g ( 刀) 与名2 1 2 江苏大学硕士学位论文 成正比，q ( 疗) 是不平度幅值的均方值谱密度，故q ( 刀) 又与不平度幅值的平方成正比， 所以不平度幅值吼大致与波长彳成正比。据统计，我国高等级公路路面谱基本在a 、b 、c 三级范围之内，其中b 、c 级路面占的比重较大。 表2 。1 路面不平度分级标准 路面 q ( n o ) 0 0 巧m 3 ) ( n o = o 1 m j ) ( 1 0 。m ) ( o 0 1 1 m 。1 万 2 8 3 m 。1 ) 等级 下限几何平均值上限下限几何平均值上限 a81 63 22 6 93 8 15 3 8 b3 2 6 4 1 2 85 3 87 6 11 0 7 7 c1 2 82 5 65 1 21 0 7 71 5 2 32 1 5 3 d5 1 21 0 2 42 0 4 82 1 5 33 0 4 54 3 0 6 e2 0 4 84 0 9 68 1 9 24 3 0 66 0 9 08 6 1 3 f8 1 9 21 6 3 8 43 2 7 6 88 6 1 31 2 1 8 01 7 2 2 6 g3 2 7 6 86 5 5 3 61 3 1 0 7 21 7 2 2 62 4 3 6 13 4 4 5 2 h1 3 1 0 7 22 6 2 1 4 45 2 4 2 8 83 4 4 5 24 8 7 2 26 8 9 0 4 除了以式( 2 1 ) 表示的路面不平度位移功率谱外，还可通过换算，以路面的垂直速度、 加速度来描述路面不平度的统计特性，它们与位移功率谱之间的关系为： g 4 g ) = ( 2 翮) 2 g 。g ) ( 2 2 ) g 面g ) = ( 2 册) 4 g 。g ) ( 2 3 ) 式中 g 幸g ) 一速度功率谱g 40 ) 一加速度功率谱 当频率指数w = 2 时，将式( 2 1 玳a ( 2 2 ) 得： g 4 g ) = 2 7 1 1 。) 2 g g b 。) ( 2 4 ) 此时路面速度功率谱值在整个频率范围内为一常数，即为一白噪声。速度功率谱幅值 大小仅与g 。o 。) 有关，所以有时用它计算分析会更为方便。 函数g 。o ) 描述路面的统计特性，仅与路面距离和表面不平度有关，而与车速无关。 为了分析方便，通常把空间频谱函数转换为时间频谱函数。设车速为1 ，则空间和时间谱 之间的转换关系为： 如) = 掣， 【厂= 惭 式中：厂一时间频率) ； 江苏大学硕士学位论文 将式( 2 1 蛾入式( 2 5 ) 得： g 知e 1 g 鲰 ( 玎 ， 当w - 2 时，式( 2 6 ) 表示为： g q ( ，) = 疗；g 军g 。) 告 ( 2 7 ) 将式( 2 5 ) 代入式( 2 2 ) 幂1 1 ( 2 3 ) 得到时间频域内的路面不平度垂直速度和加速度的谱密度公式 为： g 口( ，) = ( 2 万) 2g 。( f ) = 4 z v 2 g 。g 。如；v ( 2 8 ) g ；( 厂) = ( 2 万) 4 g 。( 厂) = 1 6 万4 g q g 。k ；厂2 y ( 2 9 ) r v j - j 于式( 2 8 ) ，当车速是定值时，谱密度为常数4 万2 g 。g 。) ，于是路面垂直位移输入可 由谱密度为拥。柝瓣的白噪声通过积分产：生，由式( 2 1 0 ) 描述： z 。( f ) = 2 # n o 厮f 国( f 砂 ( 2 1 0 ) 式中缈o ) 为单位白噪声。 为了能更真实地反映路面谱在低频范围内近似为水平的现实情况【3 1 。4 】，呵以在路面谱 模型中引入一个下截止频率兀，得到： q ( 厂) = 刀；g 口瓴7 万2i g 。( ，) f 2 盯2 ( 2 1 1 ) 同样，低通滤波传递函数g 口( j 缈) 为： 叩咖絮( = 2 万f o ) ( 2 1 2 ) q ( 彩) = 羔等( = ( 2 由( 2 1 0 ) 得出路面不平度位移时域表达式为： 乙o ) = - 2 # f o z q ( t ) + d r n o 、g q ( n o ) v a ) ( t ) ( 2 1 3 ) 本文研究内容中的路面输入模型采用滤波刍噪声，式( 2 1 3 ) m a t l a b s i m u l i n k q b 实现仿 真的框图如图2 3 所示。车辆在b 级路面以速度7 2 k m h 彳t 驶时，仿真得到路面垂直位移时域 信号如图2 4 所示。 1 4 江苏大学硕士学位论文 图2 3 滤波白噪声仿真框图 2 1 2 四轮车辆路面输入 图2 4 车速7 2 k m 1 、b 级路面位移输入 以通过上节内容确定，然后通过轮辙之间的相关性来确定其它车轮轮辙的速度谱。 g，l：31815+02063s+00108s2 ( 2 1 4 ) l23223+059s+00327s2 佯l 1 一垒s + 翼s 2 g 3 l2 毒誊 仁1 5 ) 21 2 邑簿旧蹿辑卅 江苏大学硕士学位论文 图2 5b 级路面7 2 k m h 车辆各轮路面激励输入 2 2 主动空气悬架系统建模 建立系统模型的实质是利用物理参数描述外界输入、系统本身和系统输出之间的关 系。从理论上讲建立的模型自由度越多就越接近汽车的实际情况，但考虑到汽车是一个复 杂的振动系统，所以车辆模型的简化程度及其自由度数的选取应根据车型、车辆系统的结 构形式、悬架系统类型及分析问题的需要进行适当的简化。目前，常采用二自由度的1 4 车模型，四自由度1 2 侧倾，俯仰模型及七自由度整车模型。空气悬架系统为非线性动力 系统，系统本身参数较多，且相互问耦合较强，难以建立精确的数学模型。本文在一定建 模条件的基础上，建立了1 4 车体二自由度模型和整车七自由度模型。在分析车体垂直振 动的同时，还考虑了俯仰振动和侧倾运动对乘坐舒适性的影响。然后利用所建立的数学模 型，从理论上对被动空气悬架系统和主动空气悬架系统的动力学特性进行了分析。 2 2 2 二自由度1 4 模型 为方便研究，本文在参照某车型的空气悬架，构建了空气悬架系统的1 4 车辆振动模 型，包括簧上质量和簧下质量两个自由度。建模过程中做了如下假设： 本文主要分析车身固有频率小于1 5 h z 时的车辆动力学特性，所以簧载质量和非簧 载质量皆可简化为刚体，且其垂直振动相互独立； 空气悬架在工作过程中，不与缓冲块碰撞； 1 6 江苏大学硕士学位论文