（车辆工程专业论文）汽车主动悬架模糊神经网络控制的研究.pdf

中国农业大学硕士学位论文摘要 摘要 悬架系统是汽车的重要组成部分，它的性能优劣对汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性有很大的 影响，为了提高悬架的性能，出现了主动悬架和半主动悬架等一系列的可控悬架为了实现对悬 架的控制，人们采用7 很多控制策略来实施对主动悬架的控制，取得了一定的效果本论文研究 自适应神经模糊推理系统( a n f i s ) 在主动悬架控制中的应用 本论文首先运用车辆动力学理论，建立了四分之一车体两自由度被动悬架和主动悬架系统的 动力学模型，同时考虑到路面扰动输入对悬架控制的重要影响，建立了积分白噪声形式的路面不 平度数学模型在此基础之上运用自适应神经模糊推理的原理研究了主动悬架的控制策略，设计 出了主动悬架的自适应神经模糊控制器然后，在m a t l a b s i m u l i n k 的仿真环境下搭建被动悬架和 主动悬架的仿真模型最后，对模型进行仿真，并对比了被动悬架和主动悬架的性能仿真结果 表明，基于自适应神经模糊理论的主动悬架控制器能够很好地抑制车身在垂直方向上的加速度， 能够改善悬架系统的性能 本文对主动悬架控制策略的研究，能够为汽车可控悬架系统的研制与开发提供参考 关键诃：主动悬架，a n f i s ，m a t l a b s i m u l i n k ，计算机仿真 中国农业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a so o ft h em o s ti m p o r t 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 l as y s t e md i r e c t l yi n f l u e n c e s d d ce o n f f o r t dh a n d i n gs t a b i l i t yo ft h ea u t o m o b i l e i no r d e rt oi m p r o v et h ed y l l l a m i ci k r f o r m a u e co f t h es u s p e n s i o n , _ s e r i e so fc o n l t o l l a b l es u s p e n s i o n s , s u c h 勰a c t i v e - s u s p e n s i o na n ds e r f - a c t i v e s u s p e n s i o na p p c a lf o re o n l r o l l i n gt h es t t s p e n s i o n , p e o p l et r i e d - l o to fs t r a t e g i e s ，a n dm a d e g r e a t a e l a i e v e m e n li nt h i sp a p e r , a d a p t i v en e u r a ln e t w o r k - f u z z yh f b r e n s y s t e mi su s e dt os t u d yt h e c o n t r o ls t r a t e g yo fa e t i v e - s m p e n s i o n 。 f i r s t l y , - v e h i c l ev i l n a t i o nm o d e lo f1 4b o d yw i t h2d e g r e e - o f - f r e e d o mi sc r e a t e d , w h i c hi sb a s e d o l lt h ev e h i c l ed y n a m i c st h e o r y c o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo ft h ei n p u td i s t t t r b a n c e , _ m a t h e m a t i c a l d e s c r i p t i o l io fr o a ds u r f a c ek r e g u l a r i t yi sc s t a b l i s l a e d , w h i c hi si h cm o d e lo fi * t c 掣- 8 w h i t en o i s e t h et h e o r yo ff u z z yl o g ka n dn e u r a ll q e t w o r ka mi n t r o d u c e df o rt h es t u d yo ft h ec o n t r o ls t r a t e g yo f a c t i v e - s u s p e n s i o n b yt h es t l l d y ，- a d a p t i v en e u r a ln e t w o r k - 嘞l l f f c r e n c es y s t e mc o n t r o l l e ri s a c s i g n l c d t l a i r d l y , t h e e m u l a t i o n a l m o d e l o f a c t i v e - s u s p e n s i o na n d p a s s i v e s u s p e n s i o na n d e s t a b l i s h e d i n m a r l a b $ i m u l i 丑k f t e ft h a t , t h ed y n a m i ce m u l a t i o n a lc a l c u l a t i o n 如i nm a t l a b , a n d a n a l y s i so f a u t o m o b i l el , c a o r m mb e t w e e nt h ei e t i v ca n dp a s s i v cs u s p e n s i o ns y s t e mh a sm a d e ；w i t ht h e e m u l a f i o n a lc a l l a f i o n , t h ec o n c l u s i o n 啪b cm a d e1 5f o l l o w s ：t h ea c t i v es 唧i o nw i 血a d a p t i v e l 、l c t t r a ln e t w o r k - f u z z yi n f e r e n c es y s t e mc o i l t r o l l e ri m p r o v et h ef i d ec o m f o r ta n ds t a b i l i t yo ft h e a u t o m o b i l c t h c p a p e r w h i c hs t u d r t h e e o a t r o ls t r a t e g y b y a d a p d v e n e u r a l n e t w o r k - f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m c a n b e 量r e f e z c l a 馐o f r c s e a i e l a 砌d e v d o p m e n t o f c o n t r o l l a b l e s 雌m i o n s k e ! r w o r d s ：a c t i v e - s u s p e m i o n ，a n f i s ，m a t l a b s i m u l i n k ，e o m l m t e rs i m u l a t i o a n 独7 创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了朗 确的说明并表示了谢意 研究生签名塘、 ，i 冬 时间：六句年s 为孑) 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 时间：舢7 年期；7 日 时间：u 一7 年j 调；f 日 交了 海衣 众朗 名名 签签 生师 究 研导 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 汽车自1 9 世纪末诞生以来，已经历了一百多年的发展随着汽车工业的不断发展壮大，汽车 工业在世界经济发展中的地位日益突出如今汽车工业成为各国的支柱产业，并对世界经济的发 展和社会的进步产生巨大的作用和深远的影响汽车是当前世界上最主要的交通工具之一，任何 其它的交通工具都无法完全取代它汽车的广泛应用，也使得人们对汽车的安全性和舒适性有越 来越高的要求因此，对汽车各个系统的研究和改进也不断地深入和发展，汽车悬架系统的研究 就是其中十分重要的部分 1 ；1 汽车悬架系统概述1 悬架是车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间全部传力联接装置的总称，它是汽车行驶系 的主要部件之一，是汽车的重要组成部分，它对于汽车的乘坐舒适性，操纵稳定性、行驶平顺性、 动力性能、制动性能都有着极大的影响，直接关系到汽车性能的优劣传统的悬架由弹性元件， 减振装置和导向机构等三部分组成，如图1 - i 所示三个部分作用分别是缓冲、减振和导向此 外，在轿车和小客车上，为防止车身在转向情况下发生过大的横向倾斜，在悬架中还装设了辅助 弹性元件即横向稳定器它们共同的任务是传递车轮与车架之间各种力和力矩 图1 一l 汽车悬架结构固 随着人们对于汽车的要求越来越高，传统悬架开始不能满足人们对于汽车平顺性以及乘坐舒 适性的要求与此同时，科学技术的不断进步也为新型悬架的产生创造了技术条件因此，在人 们需求的驱动和技术进步的支持下，主动悬架应运而生 目前，汽车悬架从控制力的角度可分为被动悬架、半主动恳架和主动悬架三大类。 1 被动悬架 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 被动悬架即传统式的悬架，被动悬架概念是在1 9 3 4 年由o h e y 提出的它通常是指结构上只包 括弹簧和阻尼器( 减振器) 的系统由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为被动悬架- 这种悬架系统的阻尼和刚度参数一旦确定，在车辆行驶过程中就无法随外部状态变化而改变目 前在汽车上仍普遍采用被动悬架传统的被动悬架虽然结构简单，造价低廉且不消耗外部能源， 但由于悬架参数固定，不能随路况改变，只能针对某种特定工况，进行参数优化设计，故限制7 悬架参数的取值范围，具有较大的局限性所以传统被动悬架难以实现乘坐舒适性和操纵稳定性 的完美结合随着汽车速度的提高，对汽车悬架的性能也提出了越来越高的要求在这种情况下 可控智能悬架系统应运而生基于电子控制的智能悬架系统主动悬架，半主动悬架等得到了 迅速发展并逐渐在轿车上应用 2 半主动悬架 半主动悬架系统的概念出现得较晚，它的概念于1 9 7 3 被d 屯c r o s b y 和d cl c a r 印首次提 出半主动悬架是指悬架弹性元性刚度和减振器阻尼力之一可根据需要进行调节的悬架，其目的 在于以接近被动悬架的造价和复杂程度来提供接近主动悬架的性能一般地，由于汽车悬架弹性 元件需承载车身的静载荷，。因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难，所以对半主动悬 架的研究目前大多数都只限于阻尼控制问题，利用合适的控制规律，它可提供介于主动悬架和被 动悬架之间的性能半主动悬架除了需要少量能量驱动电磁阀外，并不需要外加动力源，是一种 性能提高和设计简单的折衷根据阻尼系数是连续可调还是离散可调，半主动悬架又可以分为连 续可控式和分级可控式它们的区别是连续可控式中的阻尼系数在一定的变化范围内可以连续调 节，而分级可控式中只有几种阻尼系数可供选择切换 3 主动悬架 主动悬架的思想诞生于1 9 5 5 年，由g i l 公司的f e d e r s p l e 撇提出并最先应用到雪铁龙2 c v 车型上”1 9 6 5 年，r o c k w e l l 与m i 探讨了伺服机械作主动动力吸振器的原理，为车辆主动悬 架控制系统的设计提供了理论指导设计主动悬架意图正是为了避免被动悬架中的一些矛盾原 则，它利用可控的具有随机调节参数和信号处理能力的元件代替传统悬架的元件，来达到改善汽 车行驶安全性和平顺性的目的 1 2 主动悬架系统的组成 主动悬架系统由电子控制单元( e c u ) 及其运行的控制算法，传感器和执行机构三大部分组 成 主动悬架系统中的电子控制单元是整个系统的信息处理和管理中心，它能够接收来自各传感 器的信号，并依据特定的数据处理方法和控制规律，决定执行机构采取何种操作，并将控制信号 反馈到执行部分。利用对执行机构输出的控制，改变车身的运动状态，来返刨预定的车辆性能要 求( 如隔振，减振等) 在控制悬架的过程中，电子控制单元中运行的控制雉法( 包括控制器设 计、模型辨识以及状态估计等) 是决定主动悬架系统控制质量的艾键；而执行部分的工作特性， 尤其是执行机构能否及时准确地执行电子控制单元输出的控制指令，则是恳颦系统控制成败的决 定性因素。 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 国内外主动悬架发展状况 1 3 1 国内外主动悬架的理论研究 主动悬架控制理论实质上是经典控制理论、现代控制理论与汽车动力学理论相结合的产物 1 9 5 5 年， f e d e r s p i e l l a b r o s s e 教授首次提出主动悬架的概念，w e s t i n g h o u s e 在1 9 6 5 年也进行了 相似的研究在2 0 世纪6 0 9 代早期，许多人已经开始了一些基本的研究工作，在过去的几十年中， 国内外许多学者在主动悬架控制理论方面进行了大量的研究国外有影响的学者有k a m o p p ， t h o m p s o n 。c m l l a 和l a n g l o i s 等人研究的控制理论内容涉及天棚阻尼控制理论，随机最优控制理 论。变结构控制理论，预瞄控制理论等随着现代控制理论的发展与渗透，自适应控制理论，模 糊控制。h 控制理论，神经网络控制等也日显其优越性但t h o m p s o n 首先完善总结了主动悬 架的基本思想和控制律他证明了。全主动”悬架系统对提高车辆性能的作用 从8 0 年代中期开始，我国的北京理工大学，重庆大学，吉林工业大学等高校在主动悬架方面 展开研究，进行了有价值的探索何渝生等将l 目g 最优控制理论应用于主动悬架；张志谊等提出 的h 无穷控制方法表明，与一般宽频范围的控制率不同，全主动和半主动在低频段的控制效果 尤为明显；陆优将灰色理论用于主动悬架控制策略的研究“1 ；丁科等人对主动悬架的神经网络控 制进行了研究“ 目前发展最迅速的控制策略是智能控制：模糊控制和神经网络控制模糊控制方法具有调节 输入变量的组合、隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能，计算机仿真结果表明该方法更有 效神经网络是一个由大量处理单元组成的高度并行的非线性动力系统，它能进行数据融合、学 习适应性和并行处理，研究表明它比传统控制有更好的性能 总的来说。系统建模的合理化，控制理论复杂化和控制过程的实用有效化是当今主动悬架开 发研究的一大特点，这些研究极大地丰富了汽车悬架控制的理论基础，极大地推动了主动悬架在 汽车上应用的进程 1 3 1 国内外主动悬架的应用 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早在1 9 8 2 年，英国 l o t u s 公司首次实现了理论到实践的突破，研制了l o t u s 电液主动悬架”；瑞典v o l v o 公司在1 9 8 6 年的7 4 0 轿车上采用了实验性的l o t u s 主动悬架系统；1 9 9 0 年日本的丰田( t o y o t a ) 公司在了款 新车c e l i c a 上安装了。有限带宽”主动悬架系统；1 9 9 1 年有尼桑( n i s s a n ) 公司在l n f m i t y q 4 5 上安 装了全主动悬架系统此外，保时捷、福特、奔驰、标致一雪铁龙等公司均在其高级轿车上装备 有各自开发的主动悬架系统。其中，最引人注意的是奔驰公司的a b c ( a c t i v e b o d y c o n t r 0 1 ) 系统， 可算是相对先进的主动悬架系统的代表 在军用车辆方面，由于越野和高速行驶的需要，所以使用主动悬架的愿望更为迫切英国甲 在7 0 年代，就在“蝎”式轻型坦克上实验了”液压件公司研制的液力机械主动悬架系统”l o t u s 公司与美国陆军坦克自动乍司令部( t a c o m ) 和t e l e d y n e 大陆车辆公司( 1 m ) 联合组成小组。盘 1 9 9 2 年1 0 月把一种简化的主动悬架装置安装在h u m m e r “蜂鸟”轮式车辆上，最人限度地提高f 3 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 在崎岖不平路面上的行驶速度 相对于国外来说，我国对于主动悬架的研究起步较晚，还处于理论探索与数值模拟阶段，相 应的试验验证比较少，还没有进入产品研制开发阶段 1 4 本课题研究的目的和意义 汽车的悬架包含多种力的共同作用，决定着车辆的稳定性、舒适性和安全性，是汽车十分关 键的部件之一随着汽车结构和功能的不断改进和完善，研究汽车振动，设计新型悬架系统，将 振动控制到最低水平是提高汽车品质的重要措施目前，汽车悬架系统已进入到利用电子控制器 进行控制的时代运用较优的控制方法，得到高性能的减振效果，且使能耗尽可能的低，是汽车 悬架系统发展的主要方向因此，本论文将从控制策略的角度探讨如何改进现有的控制算法。能 为提高主动系统的控制性能提供理论参考 另一方面，由于汽车工业是国民经济支柱产业，我国国民经济和社会发展第十一个五年规划 纲要已将汽车工业作为一个发展的重点，并在纲要中指出t 我们要“增强汽车工业自主创新能力， 加快发展拥有自主知识产权的汽车发动机、汽车电子、关键总成及零部件发挥骨干企业作用， 提高自主品牌乘用车市场占有率”所以，对于主动悬架控制策略的研究不仅具有理论上的价值， 而且适应了我们国家汽车工业的发展需求，具有现实的意义 1 5 本课题的主要研究内容 本文采用模糊控制理论和神经网络理论相结合的方法，对主动悬架的控制进行研究，通过 l i a t l a b s i 1 i r i l 【进行仿真实验本论文的主要研究内容如下： 1 建立汽车振动的数学模型 选定研究的实际车型，根据所选车型的实际情况，运用车辆动力学的原理，对悬架系统进行 简化，建立两自由度被动悬架系统和主动悬架系统的数学模型 2 建立随机路面输入模型 路面扰动输入对悬架控制有着重要影响，通过建立积分白噪声形式的路面不平度的数学模型 作为随机路面输入的仿真模型同时，为分析悬架系统对不同路面的响应情况，建立多种不同路 面等级和不同车速的随机路面输入，全面评析控制策略所能取得的控制效果 3 设计主动悬架控制器 结合经典控制理论和现代控制理论，运用模糊神经网络的原理研究主动悬架的控制策略，设 计出主动悬架的控制器 4 对悬架进行仿真 在m a t l a b s i m u l i n k 仿真环境中构建被动悬架和主动悬架的仿真模型，并以积分白噪声形式的 路面不平度的数学模型作为随机路面输入，并为上动恳架模型加入控制器模块，进行仿真，并观 察仿真结果 5 仿真结果分析 4 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 对比主动悬架和被动悬架的车身加速度、悬架动挠度和车轮变形( 对应车轮动载荷) 这三个 主要评价指标，对不同路况时域输出进行分析和比较，归纳总结出利用该控制策略设计的主动悬 架控制器的优缺点以及所能达到的性能改善的程度 。 5 中国农业大学硕士学位论文 第二章汽车悬架系统的数学模型 第二章汽车悬架系统的数学模型 2 1 悬架性能的评价 汽车悬架性能的评价指标主要是车身振动的加速度，悬架的动挠度、轮胎的动载荷加速度 反映车辆行驶的平顺性悬架的动挠度影响车辆的重心高度及悬架结构尺寸，所以悬架的动挠度 只能在给定的尺寸内变化( f h 定位块行程决定) 当悬架的动挠度超出限位行程时就会撞击限位 块，使平顺性变坏要求悬架的动挠度在限位行程内车轮与路面问的动载荷影响车轮与路面的 附着效果，由此影响汽车的操纵稳定性，故悬架工作时希望汽车始终随地面运动本文以车身的 加速度，悬架的动挠度。车轮变形( 对应动载荷) 的均方根值作为对悬架性能的评价标准主观 上我们希望此三项指标尽可能的低但这三个判据在客观上存在矛盾，对于传统的被动悬架而言， 这种矛盾更加突出因为他们对悬架特性的要求是不同的，从行驶平顺性考虑，希望刚度较小； 考虑到悬架静挠度对外部负载变化的敏感性，要求悬架较硬，以减少静挠度或动挠度随载荷过大 地变化；而方向控制和稳定性，则要求悬架阻尼和刚度都比较大，以获得良好的路面附着和支承 性能 2 2 汽车悬架系统模型的选取 2 ，2 1 常用汽车悬架模型 建立汽车悬架的力学模型是进行汽车悬架系统仿真和控制策略研究的基础悬架系统作为一 个复杂的多自由度。质量一刚度一阻尼”振动系统，对其动力学特性进行精确的描述和分析是非 常困难的但是，长期以来的大量研究表明。根据研究内容的出发点不同，分析的侧重点和研究 的目的不同，可采取不同的简化方法建立不同的系统动力学模型，这样既简化研究对象，方便分 析计算，又突出问题本质，满足分析计算正确性，有效性的要求常用的基本汽车模型包括一维 四分之一车辆模型、二维二分之一车辆模型和三维整车模型其中，在进行悬架的概念设计和控 制理论研究时。通常采用一维四分之一车辆模型，它能较好的体现垂直振动的问题；而在研究前 后悬架间的参数匹配关系和车身的垂直方向与纵向的运动藕合时，采用二维二分之一车辆模型， 它较好的体现垂直跳动和俯仰变化的问题；当在需要从总体上较全面地把握车辆运动响应或控制 的综合质量时，采用三维整车模型，它完整的体现了垂直跳动，俯仰变化以及侧倾的问题 四分之一车辆模型虽然没有包括汽车的整体几何信息，也无法用它来研究汽车俯仰振动及侧 倾振动，但它包含了实际问题中的绝大部分基本特征，例如负载变化和悬架系统受力的信息等 因此四分之一车辆模型是最简单而有效的模型，在保持正确有效的前提下，它能减少系统描述参 数，减少系统运行参数的数譬利于控制规律的探索，所以四分之一车辆模型是最理想的选择 1 2 2 四分之一车辆模型的简化御 6 中国农业大学硕士学位论文 第二章汽车悬架系统的数学模型 对于行驶速度较高的车辆系统，属于一种多自由度的复杂振动系统从研究的目的出发，需 要对实际车辆系统进行简化针对实际车辆系统，作如下假设： ( 1 ) 左右车轮受到的不平度垂直激励是一样的，车辆对其纵轴线左右对称，即车辆不存在侧 倾振动，没有侧向位移，没有横摆振动 ( 2 ) 将乘员与车身视为车身系统，且不考虑发动机和传动系对车身的影响；将车身系统视为 刚性簧上质量车身的联系质量为零，车身简化后的前后两部分质量是彼此独立的 ( 3 ) 车轴和与其相联的主轮视为簧下质量，车轮在中心线上与路面为点接触 ( 4 ) 由于轮胎阻尼相对于车辆减振器的阻尼来说，小到可以忽略，因此只考虑轮胎的刚度作 用 田2 - 1 四自由度汽车平面模型 根据假设。可将车辆视为4 个自由度的平面模型，如图2 1 所示，在这个模型中，由于轮胎阻 尼较小而与以忽略，同时把质量埘2 ，转动惯量为，t 的车身按动力学等效条件分解为前轴上，后 轴上及质心c 上的三个集中质量辨2 ，、m 2 及m 2 这三个质量由无质量的刚性杆连接，它们的 大小由下述三个条件决定： ( 1 ) 总质量保持不变 肼2 ，+ 册2 r + 用- m 2 ( 2 一1 ) ( 2 )质心位置保持不变 m2lam2，b-0(2-2) ( 3 ) 转动惯量的值保持不变 - 肌2 p ；- m 2 a 2 + ， ”b 2 ( 2 3 ) 式中，p 为绕横轴y 的回转半径；口，b 为乍身质嚣部分的质心至前、后轴的距离 由式( 2 1 ) 、式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) 得出二个集中质量分别为： 7 中国农业大学硕士学位论文第二章汽车悬架系统的数学模型 鸭，吧差 7 。兹 吨。一台 ( 2 - 4 ) 式中，l 为轴距j 通常| 令? 譬，称之为悬挂质量分配系数 由式( 2 - 4 ) 可以看出，当一1 时，联系质量k - 0 根据统计，大部分汽车的一0 8 - 1 2 ， 即接近1 在1 的情况下，前、后轴上方车身部分的集中质量m 2 ，m 2 , 的垂直方向的运动是 相互独立的因此当前轮遇到路面不平度而引起振动时，质量m 2 1 运动，而质量m 2 ，不运动；反 之亦然由此，我们便可将车辆简化为二自由度的四分之一车辆模型 1 2 3 汽车基本参数的确定 要进行汽车主动悬架控制的研究，必须要选定一个确定的研究对象，即选定一种车型这样 才能针对所选择的研究对象的基本特征进行主动悬架仿真，并可以方便地将其仿真结果与其被动 悬架相比较，观察控制是否有效，是否能达到预定的目的 由于车型的原始参数对于仿真结果的可靠性，真实性有着重要影响。因此车型的原始参数的 来源必须要十分可靠本文选用的是j e t t g t x 轿车的主要参数 ( 1 ) 整车结构参数“” 襄2 , j 虮t lq d ( 整车结构参数 ( 2 ) 整车质量分布1 j e r t g t x 轿车为前置动力前驱动型式，将差速器和主减速器总成以及前减震器，前悬架弹 簧的质量平均分配给前轴非悬挂质量和悬挂质量，将后桥总成和后减震器、后悬挂弹簧的质量平 均分配给后轴非悬挂质量和悬挂质量，并视前、后轴非悬挣质量质心分别位于前、后轴中点，悬 拌质颦质心的横向、纵向坐标与整车质心相同，经测量、计算的整印整备质量状态质量分布参数 如表2 2 所示。 8 中国农业大学硕士学位论文第二章汽车悬架系统的数学模型 襄2 _ 2 整车质量分布 c 3 ) 悬架元件参数 j e t t ag t x 轿车前悬架为麦弗逊式独立悬架，后悬架为扭力梁式非独立悬架，前、后悬架的 悬架弹簧刚度分别为1 6 5 n r a m 和1 1 2 n r a m 由于以上的参数均为整车的参数，因此要利用以上数据通过计算才能得到化间后的车身参 数求解如下： 由式( 2 - 3 ) 求得车身绕y 轴的转动惯量为：c - 1 4 2 6 2 6 4 k g m 2 、 车身绕】，轴的回转半径为：p ：- 1 5 8 9 m 2 由# 擘求出悬挂质量分配系数为g 1 1 0 7 ，满足了简化地要求，因此该车可以简化成二 a b 自由度的四分之一车辆模型 由此，以3 e t i ag t x 轿车前悬架为仿真对象，通过计算得到其四分之一车辆模型仿真数据如 表2 门所示 襄2 - 3j e l t a6 t x 轿车四分之一汽车模型参敷 2 3 汽车悬架系统模型的建立 2 3 1 被动悬架系统模型的建立 根据前一节的简化原理首先建立装有被动悬架的汽车的四分之一车辆模型被动悬架结构 原理如图2 - 2 所示。 图中： 1 悬持质鼙，k g 9 中国农业大学硕士学位论文 第二章汽车悬架系统的数学模型 1 2 悬挂质量，k g 毛轮胎刚度，n m 悬挂刚度，n m ， 葺车轮垂直位移坐标( 坐标原点选在各 一自的平衡位置) ： 矗车身垂直位移坐标( 坐标原点选在各 自的平衡位置) 随机路面输入 c 为悬架阻尼系数 这个二自由度系统的运动方程为： 聊2 娩r o l l - - 七2 ( x 2 一】回一c ( 圣2 一j 1 ) m l i f i - 七2 ( 石2 一j n ) + c ( 圣2 一j 1 ) 一七1 0 1 一工o ) 选取如下状态变量： x im x 2 - x l ，x 2 - j 2 z ，- x n - x o , x 4 - 血 田2 - 21 4 被动悬桨原理匪 它们分别为悬架动挠度、车身垂直速度、车轮变形、车轮垂直速度 由式( 2 - 5 ) 和式( 2 - 6 ) 得到它们的微分方程如下： x t i i x 2 一z 萱：- 一丝z - 一三( r z x ) x 3 - x , - 矗( f ) 毫坠x ，坠x 3 + 三呸t x 3 所以状态方程为： j 一爿- z + 曰碗( f ) y - c 其中a 1 1 b 1 - o 七2 m 2 0 七2 m l o 0 1 0 1 c m 2 0 c 开n c l - o 0 0 七l m 1 1o o1 0 0 0 0 1 c m 2 1 c 肌1 0o 0o 1o 01 0 ( 硝) ( 2 - 6 ) ( 二7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 中国农业大学硕士学位论文第二章汽车悬架系统的数学模型 4 系统矩阵日扰动矩阵 c l 输出矩阵z 状态向量 y 嘞出向量 根据上述数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 中可以状态方程的形式搭建被动悬架的仿真模型 2 3 2 主动悬架系统模型的建立 根据汽车的简化原理，同样可以得到装有主动悬架 的汽车的四分之一车辆模型，其结构原理如图2 - 3 所示 图中： 鸭非悬挂质量，蚝 鸭。_ 景挂质量，k g ，t 轮胎刚度，l q m 悬挂刚度，n m 葺二一车轮垂直位移坐标( 坐标原点选在各 自的平衡位置) 车身垂直位移坐标( 坐标原点选在各 自的平衡位置) 随机路面输入 “作动器发出的力 这个二自由度系统的运动方程为： m 绩2 一七2 0 2 一工1 ) + “o ) m 1 最七2 ( x 2 一j 1 ) 一七鼽一工o ) 一“( f ) 同样，选取如下状态变量： x l x 2 - x b x 2 - j 2 , x 3 - x l - x o , x 4 - 膏l 田2 - 3i 4 主动悬架原理田 它们分别表示悬架动挠度、车身垂直速度、车轮变形，车轮垂直速度 由式( 2 - 5 ) 和式( 2 - 6 ) 得到它们的微分方程如下 x l - x 2 一z 萱：。一旦x 。+ 竺q m 2 m s j ，一z 一矗( f ) 膏，旦x ，一旦石，竺q j 拜lm l r i l l 所有的状态方程为： 膏- a z x + 口碗( f ) + j m ( f ) y - c 2 z ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 - 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) 中国农业大学硕士学位论文第二章汽车悬架系统的数学模型 其中： b 2 - c 2 - o101 一旦ooo 朋2 0001 旦o 旦o 0 0 - 1 0 l0 o1 0 0 0 0 0 o o 0 10 01 4 系统矩阵 c 2 输出矩阵 l ，一输出向量 ， o 1 辨2 o 一1 辨l 岛扰动矩阵 z 状态向量 f 控制矩阵 根据上述数学模型，在m a t l a b s i m u l i n k 中可以状态方程的形式搭建主动悬架的仿真模型 2 4 随机路面模型的建立嗍 汽车行驶时，由路面不平以及发动机、传动系和车轮等旋转部件激发汽车的振动描述路面 的方法可以分为冲击和振动两个方面冲击来自路面突变。即路面的凸起和凹坑，例如水泥路面 的凸起接缝、横过道路的水沟、桥梁与道路的不良连接处以及与公路交叉的铁轨等这些冲击障 碍可以用主要几何尺寸来描述，其相对作用时间短、强度大对冲击的描述往往用阶跃、矩形脉 冲，三角形波或正弦波去代替实际凸起和凹坑由于受冲击时，轮胎的性能变化比较复杂，往往 难以精确描述振动来自于持续的小的不平整路面时，这种接近平稳随机的路面的平整状态比较 均匀，例如一般的沥青路面、砂石路面，这些路面的特性可以用统计特性来描述 通常，路面不平是汽车振动的基本输入本文讨论的主动悬架的控制也是针对由r 路面不平 引起的汽车振动的控制，以达剑提高汽车平顺性的目的 2 4 1 路面不平度的功率谱密度 通常把路面相对基准平向的高度留沿道路走向的长度，的变化q ( ，) ，称为路面纵向断面曲 线或路砥不平度函数简称路咖不平度，如图2 - 4 所示。 中国农业大学硕士学位论文 第二章汽车悬架系统的数学模型 q 一，。、l - 、“。 咱e 围2 一路面纵断面曲线 作为汽车振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度描述其统计特性国内外大量的 统计测量说明，在通常情形下，道路纵剖面高度曲线服从高斯分布在不同的路段测量，很难得 到两个完全相同的路面轮廓曲线( 或不平度函数) 通常把测量得到的大量路面不平度随机数据， 经数据处理得到路面功率谱密度 根据国际标准化组织1 9 8 4 年在文件i s o t x l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的。路面不平度表示方法草案” 和我国长春汽车研究所起草制定的g b7 0 3 1 车辆振动输入路面平度表示 ，可以用以下式子 作为路面功率谱密g 伪) 的拟合表达式： 岛o ) - 6 q ( n o x 勺1 ( 2 - 1 5 ) n o 式中，万一为空问频率，它是波长a 的倒数，表示每米长度中包括几个波长，单位m 一； 一为参考空间频率，- 0 1 棚一； g ( ) 一为参考频率下的路面功率谱密度值，称为路面不平度系数，单位为n o ； 形一为频率指数，是双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面功率谱密度的频率结构 衰2 3 路面不平度8 级分类标准 根据功率谱密度把路面的不平度分为8 级。表2 3 规定了各级路面不平度系数g ( ) 的几何平 均值，分级路面谱的频率指数w 一2 据统计。我国高等级公路路面谱基本上在 、b 、c - - - 级范 围之内，但b 、c 级路面占的比重较人。因此本文主要以b ，c 级路面作为仿真的输入 上述路面功率谱密度g 0 ) 指的是垂直何移功率谱密度，还可以采用速度功率谱密度国o ) 1 3 中国农业大学硕士学位论文第二章汽车悬架系统的数学模型 和加速度功率诺密度国o ) 来补充说明路面不平度的统计特性伍0 ) ( 单位为l m - 1a m ) 和 岛o ) ( 单位为小_ 2 肼4i m - 1 ) 与g 0 ) 的关系如下： 岛o ) - ( 2 删) 2 g 1 0 ) 岛o ) - ( 2 朋) g o ) 当频率指数w 一2 是，将式( 2 - 1 5 ) 表达的g o ) 代入式( 2 - 1 6 ) 得到i 岛0 ) - ( 加1 0 ) 2 g | ) 显然，此时路面速度功率谱密度幅值在整个频率范围为一常数，即为一。白噪声0 小只与不平度系数g 帆) 有关 ， 2 4 2 空间功率谱与时间功率谱的转化关系 ( 2 - 1 6 ) 。 一( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 幅值大 对汽车振动系统的输入除了路面不平度，还有车速的因素根据车速p ，将空间频率功率谱 密度g o ) 换算为时间功率谱密度g l ( ，) 当汽车以一定的车速v ( 坍j ) 驶过空间频率厅( m - 1 ) 的路面不平度时输入的时间频率，o 1 ) 是n 与v 的乘积，即： fi埘(2-19) 式( 2 - 1 8 ) 关系表示在图2 - 5 上，时间频 率的带宽与相应的空间频率的带宽，l 的 关系为： ，一v a n( 2 - 2 0 ) 可见，当空间频率n 或a n 带宽一定时， 时间频率，与带宽v 随车速y 成正比变化 功率谱密度的定义是单位频带内的。 功率”( 均方根值) ，故空间频率功率谱密度 可以表示为： g ”要器鲁 协z ， 式中， 为路面功率谱密度在频带厶玎内 包含的“功率 兰 、 、 羹 霍 譬 羹长jj i l l 竺! ：i譬 鞫 辜驰抖分强育纂事后 ? v 嘴爿 身诊耍有藏l ， _勺 2 ， lt il 壁闻奠事a t n t l 图2 - 5 不同车速下，时问频率与空问频率的关系 在某一车速y 下，与空间频带a n 相应的时间频带可内所包含的不平度垂直位移的谐量成分 相同，其“功率”仍为0 * ，2 。，因此换算的时间频率功率谱密度可以表示为： 叫) 躲争 ( 2 2 2 ) 将式( 2 1 9 ) 、式( 2 - 1 8 ) 代入上式，得到g q 0 ) 与( 玉( ，) 的换算公式： g ( ，) 1 g e ( n ) ( 2 2 3 ) l ， 1 4 啉 m b 掉 ： 中国农业大学硕士学位论文第二章汽车悬架系统的数学模塑 将式( 2 - 1 5 ) 、式( 2 - 1 9 ) 关系代入式( 2 - 2 3 ) ，得到时间频率路面功率谱密度( b ( ，) ( 单位 为坍2 s 一一t n 2 j ) 表达式，当一2 时，可得： g ( ，) - 吾g 。o 。x 4 g ；o 。| 2 7 p 。 2 4 ) 国标g b7 0 3 1 车辆振动输入路面平度表示 还给出了时间频率的不平度垂直速度 口( f ) d q ( f ) 出和加速度牙p ) - d 2 q ( t ) e t 2 的功率普密度6 舀( ，) ( 单位为册2 ，j ) 和g ( ，) ( 单 位为埘2 s 3 ) 与位移功率谱密度的关系式：? 岛( ，) - ( 纫，) 2 q ( ，) - 轫毽) 咖 ( 2 - 2 5 ) 鳅，) - ( 豺，) 4 g | ( ，) - l 缸4 g | 魄埔矿2 ( 2 - 2 6 ) 很明显，其中时间频率的不平度垂直速度圣o ) - 由( t ) d t 的功率谱密度g t ( ，) 与车速y 成正 比，这将极大方便在m a n a b 中建立不同车速。不同路面状况下的随机路面输入 2 4 3 随机路面输入的模型 产生随机路面不平度时间轮廓常有两种方法，即由一白噪声通过一个积分器产生或者由一白 噪声通过成形滤波器产生 当路面不平度功率谱为式( 2 1 5 ) 时，取w 2 ，则它的垂直速度功率谱由式( 2 - 2 5 ) 表示 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 4 石2 g ( ) ，l 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 筇q ( 刀) v 的白噪声通过一积分器产生即： o ) 一2 石n 0 4 g q ( n o ) vr 呻渺 ( 2 2 7 ) ， 其中：嘶) 为白噪声 利用式上式，在m a t l a b s i m u l i n k 的仿真环境下很容易实现路面谱的仿真模型 中国农业大学硕士学位论文第三章模糊控制理论基础 第三章模糊控制理论基础 3 1 概述”羽 1 9 世纪末，德国数学家g c o n t o r 建立了经典集合的概念，c o n t o r 创立的集合论是现代数学的 基础在经典理论中，集合定义为在论域范围内具有某种属性的、确定的、彼此间可以区别的事 物的全体，组成集合的事物称为集合的元素或者元论域内的全体事物构成一个特殊的集合全体， 论域中的元素与集合的关系可以用特征函数来表达它是具有精确边界的集合，是以逻辑真值为 ”他1 的数学逻辑为基础尽管它已经成为数学和计算科学中的重要工具，但是它却不能够反映 具有抽象和不精确特征的人类思想和概念的本质，比如。多、。少”。个子高”等等模糊的概 念和现象 j 模糊逻辑为解决现实中无法用传统的二值逻辑解决的大量的模糊现象提供了途径模糊逻辑 通过模仿人的思维推理方式来表示和分析不确定、不精确信息它是通过模糊集合和隶属度来工 作的模糊逻辑本身并不是。模糊”的逻辑，而是用来对模糊现象进行处理以达到消除模糊的逻 辑，所以实际上模糊逻辑是一种精确解决不精确、不完全信息的方法。它最大的特点就是用它可 以比较自然地处理人的概念 1 9 6 4 年美国c a l i f o r n i au n i v 的l a z a d c h 教授把经典集合与j l u k a s i e w i c z 的多值逻辑融为一 体，第一个创立了模糊集合理论1 9 7 4 年，英国o u nm a n yc o l l e g e 的e 1 i m a m d a n i 教授首先将 模糊逻辑应用到蒸汽发电机的压力和速度控制中，取得了比常规的p i d 控制更好的结果随后不 久，丹麦的e l s m i t h 公司于1 9 8 0 年成功地将模糊控制应用到水泥窖的自动控制中，为模糊理论的 实际应用开创了先河此后，模糊理论的应用特别是在工业控制中的应用，得到了迅速的发展 在日本，日立公司将其研制的地铁自动操作模糊控制系统投入到仙台市的地铁运行中；三菱公司 开发了电梯群运行的管理系统；松下公司推出了全自动的模糊洗衣机，电饭锅等家用电器美国 在模糊控制方面的研究仅次于日本，休斯敦的约翰逊宇航中心把模糊逻辑应用于航天飞行器的对 接和姿态控制，位于华盛顿特区的n a s a 格达特宇航中心把模