（机械设计及理论专业论文）车辆半主动悬架动力学模型分析与控制研究.pdf

硕士学位论文 摘要 汽车作为一种交通工具已经融入到了大多数人的生活当中，其乘坐舒适性 和安全性是人们普遍关心的问题。悬架系统作为现代汽车的总成之一，对汽车 的行驶平顺性、操纵稳定性、通过性等多种性能都有很大影响，因此，悬架系 统性能优劣一直是汽车设计、研究人员非常关注的问题之一。 本文以1 4 车辆半主动悬架为研究对象，运用汽车动力学理论、现代控制 理论和方法，对悬架系统的动态特性进行探讨，建立悬架系统动力学模型和控 制系统的仿真模型。以车辆的行驶平顺性为主要控制目标，车身垂直加速度、 悬架动行程、车轮动载荷为具体评价参数，对模糊控制的半主动悬架系统进行 了不同路面激励下的计算机仿真和改进设计。 建立了整车动力学模型、半车动力学模型和1 4 车模型及各自的运动方程。 依据模型推导的前提条件和模型运动方程结构形式，推导了1 4 车模型取代半 车模型及整车模型来研究车辆振动的可行性条件，并通过实车参数验证条件的 正确性。在此基础上建立了半主动悬架系统动力学模型。 在对比研究现有控制理论并与实际控制对象相结合的基础上，选用模糊控 制作为半主动悬架控制的理论依据。对控制器的结构和流程进行合理设计，并 对仿真结果有较大影响的输入输出变量、量化因子、比例因子、清晰化函数等 的选取进行了合理设定。准确、有效的建立了模糊控制器。 运用m a t l a b s i m u l i n k 软件，建立模糊控制的半主动悬架系统仿真模型， 通过仿真得出b 、c 两种路面工况下被动悬架与模糊控制的半主动悬架的车身 加速度、悬架动行程、车轮动载荷时域仿真曲线。结果表明，不同路面激励下， 模糊控制的半主动悬架车身加速度均在很大程度上得到衰减，悬架动行程和车 轮动载荷也得到较好的控制，在改善车辆乘坐舒适性和操纵稳定性方面明显优 于被动悬架，证明该控制方法的优越性。 模型改进。针对本文控制对象，通过适当调整比例因子、量化因子及对清 晰化方法的研究，对原模糊控制器模型进行改进，在原有设定的车速下，以b 级路面进行仿真，结果表明改进后的悬架各项性能指标的峰值范围均得到不同 摘要 程度的减小，该悬架系统能够较好的改善汽车行驶平顺性，加强了操纵稳定性 和轮胎附着力。 本文运用动力学理论和控制理论对复杂、时变悬架系统进行研究，改善了 车辆的动态性能，这将为半主动悬架的实验研究及产品开发提供理论基础和数 值参考。 关键词：半主动悬架动力学模型模糊控制仿真优化 硕士学位论文 a b s t r a c t a u t o m o b i l e sh a v eg r a d u a l l yc o m ei n t om o s tp e o p l e sl i f e a sam e a n so f t r a n s p o r t a t i o n ，t h er i d ec o m f o r ta n ds e c u r i t yb e c o m ea ni s s u eo fg e n e r a li n t e r e s t s u s p e n s i o ns y s t e ma s o n eo fa s s e m b l yo ft h em o d e ma u t o m o b i l e s ，h a si m p o r t a n t e f f e c t so nt h er i d ec o m f o r t ，h a n d l i n gs t a b i l i t ya n dt r a f f i ca b i l i t yo fv e h i c l e t h e r e f o r e ， s u s p e n s i o np e r f o r m a n c e sh a v eb e e no n eo f t h eg r e a tc o n c e m sf o rc a rd e s i g n e r sa n d r e s e a r c h e r s t a k i n gs e m i a c t i v es u s p e n s i o no fq u a r t e r v e h i c l ea st h er e s e a r c ho b je c ti nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fs u s p e n s i o ns y s t e ma r es t u d i e d a n dt h e d y n a m i c sm o d e lo fs u s p e n s i o ns y s t e ma n ds i m u l a t i o nm o d e lo f c o n t r o ls y s t e ma r e s e tu pw i t ht h ev e h i c l ed y n a m i ct h e o r ya n dm o d e mc o n t r o lt h e o r y r i d ec o m f o r ti s t a k e na sm a i nc o n t r o lo b je c t ，m e a n w h i l e ，b o d ya c c e l e r a t i o n ，s u s p e n s i o nw o r k i n g s p a c ea n dw h e e l sd y n a m i cl o a ds e r v ea st h es p e c i f i ce v a l u a t i o np a r a m e t e r s t h e s i m u l a t i o na n di m p r o v e m e n to ft h ef u z z yc o n t r o ls e m i - a c t i v es y s t e ma r em a d e u n d e r d i f f e r e n tr o a de x c i t a t i o n f u l lv e h i c l ed y n a m i cm o d e l ，h a l f - v e h i c l ed y n a m i cm o d e la n dq u a r t e rv e h i c l e d y n a m i cm o d e la n d t h e i rm o t i o ne q u a t i o na l ee s t a b l i s h e d t h ef e a s i b i l i t yc o n d i t i o n s o fv e h i c l ev i b r a t i o na r ei n f e r e db yc o m p a r i n gd y n a m i ce q u a t i o n so ff u l l v e h i c l e m o d e la n dh a l f - v e h i c l em o d e lw i t hd y n a m i ce q u a t i o n so fq u a r t e rv e h i c l em o d e l t h e c o n e c 廿l e s so ft h ec o n d i t i o n si sv e r i f i e dw i t hs u b s t a n t i a lv e h i c l ep a r a m e t e r s o nt h i s b a s i s ，s e m i a c t i v es u s p e n s i o nm o d e li sc r e a t e d am e t h o do ft h ef u z z yc o n t r o li ss e l e c t e da st h e o r e t i c a lb a s i so fs e m i 。a c t i v e s u s p l e n s i o nb a s e do nt h ep r e s e n tc o n t r o lt h e o r ya n da c t u a l c o n t r o lo b j e c t t h e s t r u c t u r ea n dp r o c e s so fc o n t r o l l e ra r er e a s o n a b l ed e s i g n e d ，a n ds o m ei n f l u e n c i n g f a c t o r sw h i c hh a v eg r e a te f f e c to ns i m u l a t i o nr e s u k s ，s u c ha si n p u t 。o u t p u tv a r i a b l e s ， q u a n t i z a t i o nf a c t o r , s c a l i n gf a c t o ra n dd e f u z z i f i c a t i o nf u n c t i o n ，a r es e tp r o p e r l y t h e f u z z yc o n t r o l l e ri sb u i l d e da c c u r a t e l ya n de f f e c t i v e l y i i i a b s t r a c t t h es i m u l a t i o nm o d e lo ff u z z yc o n t r o ls e m i - a c t i v es u s p e n s i o ni se s t a b l i s h e d w i t hm a t l a b s i m u l i n k t i m ed o m a i ns i m u l a t i o nc u r v e so ft h eb o d ya c c e l e r a t i o n ， s u s p e n s i o nw o r k i n gs p a c ea n dw h e e l sd y n a m i cl o a do ff u z z yc o n t r o ls e m i a c t i v e s u s p e n s i o na n dp a s s i v es u s p e n s i o nu n d e rb ，cg r a d e sr o a dc o n d i t i o n sa r ed e r i v e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef u z z yc o n t r o ls e m i - a c t i v es u s p e n s i o nr e d u c e sl a r g e l yb o d y a c c e l e r a t i o n a n ds u s p e n s i o nw o r k i n gs p a c ea n dw h e e l s d y n a m i cl o a da rew e l l c o n t r o l l e d t h ep e r f o r m a n c e so fs e m i a c t i v e s u s p e n s i o ne x c e lt h a to ft r a d i t i o n a l p a s s i v es u s p e n s i o ni nr e s p e c to fr i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n gs t a b i l i t yu n d e rd i f f e r e n t r o a de x c i t a t i o n t h ec o n c l u s i o n sp r o v et h ea d v a n t a g eo ft h ef u z z yc o n t r o l s t r a t e g y f i n a l l y , t h es i m u l a t i o nm o d e li si m p r o v e d a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lo b j e c to f t h et h e s i s ，t h ef u z z yc o n t r o l l e ri s i m p r o v e db ya d j u s t i n gq u a n t i z a t i o nf a c t o ra n d s c a l i n gf a c t o ra n ds t u d y i n gf u r t h e rd e f u z z i f i c a t i o nf u n c t i o n t h es i m u l a t i o ni s p e r f o r m e da to r i g i n a la u t o m o b i l es p e e db a s e do nbg r a d er o a ds u r f a c e t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ep e a kr a n g e so ft h e o p t i m i z e dp e r f o r m a n c ei n d e x e sh a v eb e e n d e c r e a s e da n dt h es u s p e n s i o n s y s t e mh a sw e l li m p r o v e dt h er i d ec o m f o r ta n d h a n d l i n gs t a b i l i t y t h et i r e sa d h e s i o nf o r c ei ss t r e n g t h e n e d mt h ep a p e r , t h ec o m p l e xa n dt i m e - v a r y i n gs u s p e n s i o ns y s t e mi sr e s e a r c h e d w i t hd y n a m i c sa n dc o n t r o lt h e o r yt oi m p r o v et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f v e h i c l e s i tp r o v i d e ss o m et h e o r e t i ca n dn u m e r i c a lr e f e r e n c ef o re x p e r i m e n t a lr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to fv e h i c l es e m i - a c t i v es u s p e n s i o n k e y w o r d s ：s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ；d y n a m i cm o d e l ；f u z z y c o n t r o l ； s i m u l a t i o n ；e v a l u a t i o n ；o p t i m i z a t i o n 硕士学位论文 目录 摘要i j i 。】b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 选题背景1 1 2 车辆悬架系统概述1 1 2 1 悬架介绍1 1 2 2 悬架的结构2 1 2 3 悬架类型3 1 2 4 悬架系统的性能对比5 1 3 车辆悬架的研究历史一6 1 3 1 悬架发展历史6 1 3 2 半主动悬架发展历史7 1 4 课题研究的意义8 1 5 本文主要研究内容9 第2 章车辆平顺性评价方法概述1 1 2 1 研究平顺性的意义1 1 2 2 人体对振动的响应及评价方法1 1 2 2 1 人体对振动的反映特性1 1 2 2 2 人体受振评价标准1 2 2 3 汽车平顺性评价方法1 3 2 3 1 平顺性评价方法1 3 2 3 2i s 0 2 6 31 评价标准13 2 4 悬架系统对车辆性能的影响分析1 5 2 5 本章小结1 7 第3 章半主动悬架动力学模型推导与路面模型建立1 8 3 1 汽车振动系统1 8 3 2 动力学模型的建立1 9 目录 3 2 1 整车模型及其运动方程的建立2 0 3 2 2 半车模型及其运动方程的建立2 2 3 2 31 4 车模型及其运动方程的建立2 3 3 3 模型简化条件推导2 4 3 4 半主动悬架动力学模型建立2 5 3 5 路面不平度统计特性2 7 3 5 1 路面平整度评价指标2 8 3 5 2 路面不平度功率谱密度2 8 3 5 3 空间频率功率谱密度化为时间频率功率谱密度3 0 3 5 4 随机路面模型31 3 6 本章小结3 2 第4 章半主动悬架模糊控制系统研究3 4 4 1 半主动悬架控制策略概述3 4 4 2 控制方法比较3 6 4 3 模糊控制的发展及特点3 6 4 4 模糊理论基础3 7 4 4 1 模糊集合与隶属函数3 7 4 4 2 模糊关系及运算3 9 4 4 3 模糊向清晰的转换4 0 4 5 模糊控制器设计4 3 4 5 1 模糊控制器的结构4 3 4 5 2 模糊控制器设计流程4 4 4 6 半主动悬架模糊控制器设计4 5 4 6 1m a m d a n i 型模糊控制器4 5 4 6 2 设计步骤4 6 4 7 本章小结5 2 第5 章仿真建模、结果分析及改进5 4 5 1 计算机仿真概述5 4 5 2m a t l a b 仿真平台5 4 硕士学位论文 5 2 1m a t l a b 与s i m u l i n k 5 5 5 2 2m a t l a b 仿真方法5 5 5 3 半主动悬架模糊控制的实现5 5 5 3 1 半主动悬架仿真模型5 5 5 3 2 模糊控制器与s i m u l i n k 连接5 6 5 3 3 系统仿真模型的建立5 9 5 4 仿真结果分析6 0 5 4 1b 级路面下仿真分析6 0 5 4 2c 级路面下仿真分析6 2 5 4 3 结论6 4 5 5 控制系统改进6 4 5 6 本章小结6 6 第6 章总结与展望6 7 6 1 全文总结6 7 6 2 展望6 8 参考文献6 9 攻读硕士学位期间发表论文7 4 致谢。7 5 v i i 硕士学位论丈 1 1 选题背景 第1 章绪论 随着经济的不断发展，汽车作为现代交通工具越来越普及，汽车工业在经 济中的地位也在不断地提高。汽车工业的飞速发展及人们生活水平的不断提高 使汽车成为我们日常生活不可分割的一部分，同时也成为拉动经济增长的主要 力量【1 】 2 】。一直以来人们都在追求汽车动力性及经济性，然而汽车的操纵稳定性 和平顺性是汽车系统动力学中最基本的组成部分。尤其是汽车的平顺性( 舒适 性) 问题，它是同类汽车在市场竞争中的一项重要性能指标，因此，对汽车平 顺性的研究工作，越来越受到人们的重视。如何提高汽车的平顺性将成为人们 关注的热点问题。汽车平顺性主要是指保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲 击环境对乘员舒适性的影响在一定界限之内，对载货汽车及其上的货物保持完 好的性能。 悬架作为现代汽车的重要组成部分，它对汽车的行驶平顺性、操作稳定性 有着重要的影响。当路面不平度激起汽车的振动达到一定程度时，乘客会感到 不舒适，严重的振动还会影响汽车的行驶速度，产生噪声污染。较软的悬架能 够提高车辆行驶平顺性，降低振动；较硬的悬架能减少车轮与车身间的相对行 程，获得良好的附着力，对提高车辆行驶安全性有益处。因此，一个具有良好 综合性能的悬架系统，对提高汽车的平顺性和操纵稳定性有着重要的意义，这 将成为现代汽车研究中的重要课题之一。 1 2 车辆悬架系统概述 1 2 1 悬架介绍 悬架是车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间一切传力连接装置的 总称。它的作用是把路面作用于车轮上的垂直反力( 支承力) 、纵向反力( 驱动 力和制动力) 和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架( 或承载式车 身) 上，吸收和缓和由不平路面传给车体的冲击载荷，以保证汽车的正常行驶 第1 章绪论 c 3 ；同时它还能够衰减由于弹性系统引起的振动，使汽车在行驶中保持稳定的 姿势，改善操纵稳定性；当车轮相对于车架和车身跳动时，车轮( 特别是转动 轮) 的运动轨迹应符合一定的要求，否则对汽车的某些行驶性能产生不利的影 响 3 3 1 4 。因此，悬架中的传力构件还承担着使车轮按一定轨迹相对于车架和车 身跳动的任务，同时还起导向作用【5 】。 汽车车架( 或车身) 若直接安装于车桥( 或车轮) 上，会产生由于道路不 平，地面冲击使货物和人会感到十分不舒服，这恰恰是因为没有悬架装置的原 因。 汽车行驶中，路面的不平坦、凸起、凹坑使作用于车轮上的垂直反力起伏 波动，产生振动和冲击。汽车的减震一般包括轮胎、悬架和座椅三个环节，其 中，悬架系统起主要作用。 1 2 2 悬架的结构 现代汽车的悬架尽管有各种不同的结构形式，但一般都由弹性元件、减振 器和导向机构( 纵、横向推力杆) 等三部分组成，如图1 1 所示。另外，还铺 设有缓冲块和横向稳定器。这三部分分别起缓冲，减振和导向的作用，然而三 则的共同任务是传力。 图1 - 1 汽车悬架组成图 f i g 1 1a u t o m o t i v es u s p e n s i o nc o m p o s i t i o n 弹性元件用于传递垂向力，并缓和由路面不平度引起的冲击和振动。从轿 车上来讲，弹性元件多指螺旋弹簧，它只承受垂直载荷，缓和及抑制不平路面 对车体的冲击，具有占用空间小，质量小，无需润滑的优点，但由于本身没有 摩擦而起不到减振作用。减振器一般指液力减振器，作用是加速衰减车身的振 硕士学位论文 动，它是悬架机构中最精密和复杂的机械件。导向机构指车架上下摆臂等叉形 刚架、转向节等元件，用来传递纵向力，侧向力及力矩，并保证车轮相对于车 架( 或车身) 有确定的相对运动规律。 1 2 3 悬架类型 ( 1 ) 车辆悬架按导向装置的形式可以分两大类：非独立悬架和独立悬架 6 】。 非独立悬架如图1 2 ( a ) 所示，其结构特点是两侧的车轮由一根整体式车 桥相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬架与车架( 或车身) 连接。当一侧车轮 因道路不平而发生跳动时，必然引起另一侧车轮在汽车横向平面内发生摆动， 故称为非独立悬架。 独立悬架如图1 2 ( b ) 所示，其机构特点是车桥做成断开的，每一侧的车 轮可以单独地通过弹性悬架与车架( 或车身) 连接，两侧车轮可以单独跳动， 互不影响，故称为独立悬架。 ( a ) 非独立悬架 ( b ) 独立悬架 图1 - 2 非独立悬架与独立悬架示意图 f i g 1 - 2d i a g r a mo f n o n - i n d e p e n d e n ts u s p e n s i o na n di n d e p e n d e n ts u s p e n s i o n ( 2 ) 悬架按控制力或者所需外部提供能量多少，可分被动悬架、半主动悬 架和主动悬架三种类型。这三种形式的简化模型如图1 3 所示。 图中：m l 为非簧载质量；m 2 为簧载质量；k l 为轮胎刚度；k z 为悬架刚 度：c 2 为阻尼器；u 为力发生器。 第1 章绪论 1 2 j l 皿1 l1 弛 l l 轩：j l 赴 1己寄u 甄1 l 手1 ( a ) 被动悬架( b ) 半主动悬架( c ) 主动悬架 图i - 3 悬架系统示意图 f i g 1 3t h ed i a g r a mo fs u s p e n s i o ns y s t e m 被动悬架如图1 3 ( a ) 所示，主要由弹性支承( 弹簧装置) 和阻尼器( 车 辆减震器) 组成，无外部能量输入，其弹簧刚度和减振器阻尼系数是不可调节 的，在汽车行驶过程中无法随外部路面状况而改变，只能保证在一种特定路面 和速度下达到性能最优折中。然而这种悬架的结构简单，性能稳定，经过不断 改进和发展，现在技术已经相当成熟。但是由于平顺性和操纵稳定性对悬架参 数的要求不一样，因此，这种传统的被动悬架已经不能满足汽车工业的发展。 目前许多研究者应用新材料、新技术并与先进的控制理论、微处理器技术相结 合开发了机、电、液一体化的可控悬架系统，即半主动悬架系统和主动悬架系 统。 半主动悬架简化模型如图1 3 ( b ) 所示。由可变特性弹簧和减振器组成， 目前应用较多的是基于阻尼可调减振器的半主动悬架。其基本工作原理是根据 簧上质量相对车轮的速度响应和加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律 调节可调减振器的阻尼力。半主动悬架突破了被动悬架系统只能在某种工况下 达到最优的局限，并可以根据路面的激励和车身的响应对悬架的阻尼系数进行 自适应调整，以改善悬架的振动特性，从而使车身的振动控制在一定的范围内。 半主动悬架按阻尼级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阻尼值之间进行切换，也就是说， 可以根据路面条件( 好路或坏路) 和汽车的行驶状态( 转弯或制动) 等，来调 节悬架的阻尼级，使悬架适应外界环境的变化，从而可较大幅度的提高汽车的 行驶平顺性和操纵稳定性。连续可调半主动悬架是根据汽车行驶的路面条件和 行驶状态，对悬架系统的阻尼在一定的范围内可以无级调节。 硕士学位论文 主动悬架由弹性元件和一个力发生器组成，如图1 3 ( c ) 所示。这种力发 生器一般是由外部油泵供给能量，产生由控制信号确定的力，即根据车身的速 度等反馈信号，按照一定的控制规律产生力。主动悬架是一种有源控制悬架， 可以根据路况及车辆行驶条件的变化，主动改变悬架的刚度和阻尼系数，达到 汽车乘坐舒适性和行驶安全性同时得到改善的作用。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。 主动悬架控制效果优于被动、半主动悬架，但系统结构复杂，需要独立的 外加能源，能耗大、成本高、实现起来较复杂，并带来工艺及安装问题，目前 来说，在理论上实现起来还有一定的难度 _ 7 1 。 1 2 4 悬架系统的性能对比 被动悬架系统是一个独立的机械装置，结构最简单；半主动悬架与被动悬 架的不同在于其减振器阻尼或弹性元件的刚度可以实时调节，控制器根据传感 器从车身及底盘等处获取信息，调节减振器阻尼或弹性元件的弹性，实现半主 动悬架系统的功能；而主动悬架系统根据传感器提供的信息，完全由作动器实 现其对振动的控制作用。 三种悬架系统的性能对比如表1 1 所示。 表1 1 悬架系统性能对比 t a b l e 1 1p e r f o r m a n c e sc o m p a r i s o no fs u s p e n s i o ns y s t e m 可以看出，半主动悬架同时具有主动悬架、被动悬架的特征，且在更多方 面保留有被动悬架的固有特征。其性能可以达到和主动悬架性能相一致的程度， 但成本却接近于被动悬架，而且其消耗的能量却远小于主动悬架系统。因此， 第1 章绪论 半主动悬架具有较广阔的应用前景，近年来国际上对半主动悬架的研究也非常 积极。 另外半主动悬架还具有以下优点： ( 1 ) 半主动悬架系统以闭环的方式控制阻尼力，包括传感器、电子控制装 置，以及调制阻尼力的伺服阀，在这一方面类似主动悬架。 ( 2 ) 可以采用各种可能的控制策略，如天棚阻尼控制、简单线性反馈控制、 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) ， 这也类似主动悬架。 ( 3 ) 半主动悬架本质上是可调阻尼系统，它可以产生任何期望的阻尼力替 代被动阻尼力。 ( 4 ) 半主动悬架仅有电控装置和驱动机构要消耗能量，因而消耗的能量小， 系统结构简单、造价低。 1 3 车辆悬架的研究历史 1 3 1 悬架发展历史 随着汽车工程技术和现代控制理论的进步，汽车悬架技术得到广泛深入和 研究。基于振动控制的主动半主动悬架系统的研究和应用得到了迅猛发展，代 表了现代悬架系统发展的方向。 主动悬架的概念是由f e d e r s p i e ll a b r o s s e 于1 9 5 4 年提出来的，首先使主动 悬架的基本思想和控制律得到完善总结的是t h o m p s o n ，他证明了全主动悬架系 统对提高车辆性能的作用。2 0 世纪8 0 年代初，车辆主动悬架统的研究和开发 成果得到了实现，日产和丰田公司的液力主动控制系统，证明了主动悬架系统 使车辆的整体性能有了很大提高。但是，由于主动悬架结构复杂、能耗高，其 发展受到了限制。 7 0 年代初，r o s s b y 和k a m o p 首先提出了半主动悬架的概念 引。尽管其发 展历史只有短短的3 0 几年，但因其结构简单、造价低廉，性能接近于主动悬架 而受到车辆工程界的广泛重视。日本丰田汽车公司早在1 9 8 3 年就将半主动悬架 应用于轿车上【9 】。日本的三菱汽车公司和日产汽车公司分别在8 0 年代中后期， 在本公司生产的轿车上采用了电子控制主动悬架。 硕士学位论文 在理论研究方面，近期内的大多数论文和著作的中心论题主要集中在控制 策略以及控制器的设计上，其根本目的是为了适应在车速提高的前提下，如何 提高整个系统的响应速度，实现最优控制，适应外部激励频率提高的趋势。 一些文章也提到了控制方法的应用。韩波等研究了汽车主动悬架的自适应 和自校正控制的策略和算法，控制器的设计采用了随机线性最优控制理论，在 控制算法上提出了自适应算法和自校正算法【i 们。 贾小平、v g a v r i l o s k i 等根据汽车半主动悬架的基本结构，通过力学分析建 立了系统模型 1 1 】。为了克服实际控制系统的动态行为的不确定性，重庆大学李 以农等，采用自适应的控制策略，通过使用模型参数递推辨识，以车身垂直加 速度及控制信号构成的二次型指标，实现了汽车半主动悬架的自适应随机最优 控制【1 2 】 1 3 1 。 在控制策略方面，针对不同的问题提出了不同的方法。缪赞等提出了自适 应的控制策略【1 4 】 1 5 1 ，刘华等提出了智能控制策略。这些控制策略有效的提高了 控制性能和汽车行驶的平顺性【16 】 1 7 】。 另外周继铭等人采用了1 4 车模型对天棚阻尼器和主动悬架的动力学特性 进行了分析，讨论了微分几何法和反馈线性化法的应用。舒红宇等用一个简单 的二自由度的汽车模型对主动悬架进行数值分析，通过计算机模拟用频率和频 谱响应的方法对振动性能进行研究。由于阻尼系数在连续系统中的变化不如在 开关半主动悬架系统中那么敏感，所以采用连续半主动悬架能使瞬态响应的稳 定时间得以改善【1 8 】。 1 3 2 半主动悬架发展历史 半主动悬架比主动悬架出现的晚一些，从2 0 世纪8 0 年代中期以来，有关 汽车半主动悬架系统的文献和研究成果每年都有报道，比较有影响的学者有 k a m o p p 、m a r g o l i s 、t h o m p s o n 和e 1 m a d a n y 等，他们的研究，极大地丰富了汽 车半主动悬架的控制理论，有力地推进了半主动悬架系统在车辆工程中的应用。 随着电子技术和计算机技术的飞速发展，半主动悬架也逐步发展起来，并 在概念车和部分豪华商用轿车上装备了各种电控主动和半主动悬架系统。1 9 8 8 年，日本日产公司首次将声纳 式半主动悬架应用于m a x i m a 轿车_ l z t 2 0 1 ，它 可预测路面信息，悬架减振器具有“柔和”、“适中”和“稳定 三种选择状态。 第1 章绪论 2 0 世纪9 0 年代以后，研究的显著特点是新型智能材料在半主动悬架上的 应用。1 9 9 4 年和2 0 0 2 年美国和德国研制了电流变和磁流变体作为工作介质的 新型半主动悬架系统，是一种能自动识别道路状况的半主动悬架系统自动 连续调节阻尼控制系统。据称，这一系统不仅可以装配在赛车上，还可以安装 在其他高级轿车上。 国内对半主动悬架的研究主要集中在变阻尼的半主动悬架上。有改变阻尼 介质粘稠度实，还有改变阻尼孔的大小实现变阻尼的。其中，吉林工业大学、 北京理工大学和重庆大学等高等院校开展了许多有价值的研究，做了大量有探 索性的工作，取得了不少有价值的成果 2 1 】 2 2 1 2 3 】。其中，北京理工大学的章一鸣 采用了四分之一悬架模型对半主动悬架的阻尼控制进行理论探讨，曾志华利用 三级可调减振器，根据序列决策控制方法对悬架系统进行控制实验，吉林工业 大学的李祁对汽车姿态半主动控制的研究成果。这些研究工作为开发智能悬架 系统奠定了坚实的技术和理论基础【2 4 】。 汽车半主动悬架的实际系统具有一定的不确定性，主要来自路面激励随机 扰动输入，传感器的测量噪声以及悬架模型参数的不确定性。而神经网络、模 糊数学、自适应控制和计算机科学相结合的具有人工智能的新一代的控制理论， 不仅降低对汽车模型的精度要求，而且大大的提高了控制系统的稳定性，改善 了汽车行驶的平顺性【i9 1 。可以预见智能控制策略将在汽车半主动悬架系统以及 许多领域中得到广泛的应用。 由此可见，半主动悬架系统己经受到了国内外汽车工业界的高度重视。而 当今电子技术、非线性理论、人工智能等先进技术的蓬勃发展，给半主动悬架 系统提供了更为广阔的研究和应用的空间。 1 4 课题研究的意义 无论是当前还是将来汽车都将是世界的主要交通工具，我国汽车工业已经 完成历史性的转变，成为经济支柱产业。与此同时，人们对于汽车的舒适性、 安全性要求也越来越高，因此，研究汽车振动，将振动控制到最低水平是提高 现代汽车质量的重要措施。 平顺性是现代汽车的一个重要性能，平顺性主要是根据乘坐者舒适度来评 硕士学位论文 价的，所以又叫乘坐舒适性。悬架系统属于操控装置的一部分，其性能的好坏 直接影响乘员的舒适度。悬架系统也是提高车辆平顺性和操纵稳定性的关键组 成，好的悬架系统不仅仅能提高汽车的平顺性，还能保证汽车的操纵稳定性。 因此，汽车悬架系统的研究和开发成了车辆动力学与控制领域的前沿课题，研 究悬架技术对改善汽车综合性能具有重要意义。 1 5 本文主要研究内容 车辆悬架系统与车辆的行驶平顺性和操纵稳定性有很大关系。本文主要运 用动力学理论和模糊控制理论及m a t l a b s i m u l i n k 软件对所建立的1 4 车辆半 主动悬架模糊控制系统模型进行仿真，并进一步优化仿真结果。这对于改善车 辆的整体性能有重要意义。 第1 章，绪论。主要对悬架结构、类型及三种悬架的优缺点等进行说明， 同时阐述了悬架的发展历史、国内外学者对其所做的研究。论述课题的背景， 对本文主要研究内容作出总结。 第2 章，车辆平顺性评价方法概述。对车辆平顺性的研究意义、评价方法、 人体受振评价标准进行概述。引出悬架性能的好坏对提高车辆平顺性和操纵稳 定性所起的作用，详细分析了悬架性能评价指标对车辆的影响。 第3 章，半主动悬架动力学模型推导与路面模型建立。建立了整车动力学 模型、半车动力学模型、1 4 车模型并推导了它们的运动方程，建立了积分白噪 声b 、c 级路面仿真模型；比较分析半车模型和1 4 车模型的运动方程，得出 1 4 车悬架模型代替半车模型及整车模型的条件及可行性。在此基础上建立了半 主动悬架系统动力学模型。 第4 章，半主动悬架模糊控制系统研究。通过分析比较目前常用的几种控 制策略，结合本文研究重点，选择模糊控制作为本文的控制方法。然后，根据 控制对象及驾驶员的实际驾驶经验建立模糊控制规则，从而建立车辆半主动悬 架模糊控制器。 第5 章，悬架控制系统计算机建模、仿真与优化。以1 4 半主动悬架模型 为仿真对象，以第四章建立的模糊控制器为理论基础，建立半主动悬架和被动 悬架的仿真模型；对模糊控制的半主动悬架和被动悬架模型运行仿真，对比分 第1 章绪论 析两种工况仿真结果，并进一步优化仿真，得出结论。 第6 章，全文总结和展望。对课题所做工作进行总结并得出主要结论，对 研究的不足提出建议。 硕士学位论文 第2 章车辆平顺性评价方法概述 2 1 研究平顺性的意义 行驶平顺性主要根据乘坐者的舒适程度来评价，所以也称为乘坐舒适性 2 5 1 。 汽车作为一个复杂的多质量振动系统，其车身通过悬架的弹性元件与车桥 连接，而车桥又通过弹性轮胎与道路接触，其它如发动机、驾驶室等也是以橡 胶垫固定于车架上。汽车行驶时，由于路面不平度以及发动机与传动轴等激振 作用时，将激起汽车的振动，使乘员处于振动环境之中，影响着乘员的舒适性、 工作效能和身体健康。 汽车的各项性能是相互影响的，汽车行驶平顺性也影响着其它性能的发挥。 在汽车行驶过程中，如果行驶平顺性太差，强烈振动产生的动载会冲击汽车的 零部件，加速零部件的磨损，降低零部件的疲劳寿命。汽车的强烈振动还会使 车轮跳离地面，影响汽车的动力性、制动性以及操纵稳定性。为了减小汽车振 动，驾驶员必须放慢车速，使得运输效率降低。汽车的低速行驶又会导致燃油 燃烧不充分，使燃油经济性变差，排放性能也变差。 因此，改善汽车行驶平顺性，减少汽车行驶时的振动，具有十分重要的现 实意义【2 6 1 。 2 2 人体对振动的响应及评价方法 2 2 1 人体对振动的反映特性 人体对其所受到的振动的反应尤其复杂，机械振动对人体的影响，取决于 振动的频率、强度、作用方向和持续时间，而且每个人的心里和身体素质不同， 故对振动的敏感程度有很大差异。 乘坐质量是车内振动最主要的衡量指标 2 7 1 。各种振动源将振动传递到座椅、 方向盘和地板，车内的顾客会感受到这些振动。地板的振动反应了车体本身的 特征，同时又是对椅子的振动输入，了解它们的结构振动特性对提高人体是舒 适性非常重要。 第2 章车辆平顺性评价方法概述 另外人体对振动的响应还可以按照健康状况、舒适程度、工作效能、主观 感觉等各种不同的方式分类。 2 2 2 人体受振评价标准 1 9 7 4 年，国际标准化组织( i s o ) 在综合大量有关人体全身振动研究成果 的基础