（车辆工程专业论文）汽车半主动悬架系统的建模研究.pdf

中文摘耍 摘要 本文以国产菜微型车为研究对象，研究了萁动力学参数的提取，动力学模型 的建立。基于磁流变减振器建立了汽车半主动悬架系统，并根据最优控制理论进 行了控制仿真。主要研究工作包括以下乙个方面。 采用三神方法对汽车动力学参数进行提取。分别是试验法，三维建模法和图 纸查阅。在试验法中设计了专用的双簧倒立擢试验台，对发动机，车门和车椅等 复杂部件进行参数测试；利用u g 的三维模型对白车身，前后桥作参数提取；根 据试验报告获得了悬架的阻尼和嚣度参数，以及轮胎的剐度参数。再根搭空闷力 系质心坐标公式和力矩平移定理求得整车的动力学参数。最后针对二自由度l 4 模型、四自由度l ，2 车模型和七垂由度全车模型分别建立了相应的力学参数表。 磁流变减振器理论建模和试验建模的研究。本文提出的磁流变减振器的工作 模式为混合工作模式。基于平行板通道模型的流变学分析，提出了磁流变减振器 阻尼力的理论模型。基于b i n g h a r n 塑性模型提出了磁流变减振器阻尼力的实验模 型。根据试验数据对低速和高速段采用分段非线性回归拟合，拟合的仿真数学模 型能够比较真实的反映示功特性和速度特性。并对磁流变减振器的时滞现象进行 了分析，得出由于l r 电路的瞬态响应造成了时滞，可以采用电流驱动器的调节 来缩短响应时间。 引入磁流变减振器作为执行器，根据拉格朗日法建立了二、四、七自由度的 汽车半主动悬架系统动力学方程，在此基础上根据状态空间方法写出了状态方程 和输出方程。对不同模型的固有特性进行了分析比较。同时为了验证动力学参数 和模型的正确性，利用实车进行了道路试验。对车身的垂直，俯仰和侧倾三种运 动姿态进行了固有频率的参数识瓤。结果表观建立的整车动力学模型能反映真实 情况。 探讨了利用最优控制理论对基于磁流变减振器的半主动悬架系统进行控制仿 真的问题。针对二自由度i 4 车模型和七自由度整车模型，分别建立了随机最优 控制仿真系统。仿真结果表明，在设计控制规律时，应综合考虑各方面因素，合 理选择半主动悬架性能指标函数中的加权系数，控制运动响应，才能改善汽车平 顺性和操纵稳定性。 关键词：汽车动力学参数，试验，磁流变减振器，建模，半主动悬架，最优控制 英文摘要 a b s t r a c t b a s e do no n eh o m e m a d em i i l i c a r t h i s p a p e rr e s e a r c h e st h em e t h o dg e t t i n gt h e d y n a m i c sp a r a m e t e r so f a c a r ，a n dt h ew a ye s t a b l i s h i n gt h ed y n a m i c sm o d e l m o r e o v e r ， 饭s p a p e rd e s i g n s t h es e m i a c t i v es u s p e n s i o n s y s t e m b a s e do n m a g n e l o r h e o l o g i c a l ( m r ) f l u i d d a m p e r , a n ds i m u l a t e s i t a c c o r d i n gt ol i n e a r q u a d r a t i c ( l q ) o p t i m a ic o n t r o l t h e o r y t h ef o l l o w i n gf o u rs u b j e c t sa r em a i n l ys t u d i e d a d o p t i n g t h r e em e t h o d st og e tt h ed y n a m i c s p a r a m e t e r so f ac a r t h e r ea r et e s t ，3 d m o d e l i n ga n dr e f e r r i n gt od r a w i n g sr e s p e c t i v e l y i nt h et e s tm e t h o d ，as p e c i a ld o u b l e s p r i n gi n v e r t e d p e n d u l u mt e s tr i gi sd e s i g n e d ，w h i c hi su s e d t ot e s tt h e s ep a r a m e t e r so f e n g i n e ，d o o r sa n ds e a t s ；u s i n gt h e3 d m o d e l so fc a r - b o d y ，f r o n ta x l ea n dr e a ra x l et o g e tt h e i rp a r a m e t e r s ；a c c o r d i n g t ot h et e s tr e p o r t ，g e t t i n gt h ed a m p i n ga n ds t i f f n e s so f s u s p e n s i o n a n dt h es t i f f n e s so f t y r e s t h e no b t a i n i n g t h ew h o l ec a rd y n a m i c sp a r a m e t e r s b a s e do nm a s sc e n t e rc o o r d i n a t e sf o r m u l ao f s p a c ef o r c es y s t e ma n dt o r q u et r a n s l a t i o n t h e o r e m f i n a l l y ，r e s p e c t i v e l yf o r m i n gd i f f e r e n td y n a m i c sp a r a m e t e r st a b l e sa c c o r d i n g t od i f f e r e n td e g r e eo ff r e e d o m ( d o f ) m o d e l s s t u d y o i lt h et h e o r e t i cm o d e l i n ga n de x p e r i m e n t a l m o d e l i n ga b o u tm rf l u i d d a m p e r i nt h i sp a p e r ，m rf l u i dd a m p e rw o r km o d e i sm i x e dm o d e b a s e do nt h e r h e o l o g ya n a l y s i sa b o u tp a r a l l e l p l a t em o d e l ，t h ed a m p i n g f o r c et h e o r e t i cm o d e lo fm r f l u i dd a m p e ri sb r o u g h tf o r w a r d b a s e do nb i n g h a mp l a s t i c i t ym o d e l ，t h ed a m p i n gf o r c e e x p e r i m e n t a lm o d e lo f m rf l u i dd a m p e ri sp u tf o r w a r d t a k i n gs u b s e c t i o nn o n l i n e a r r e g r e s st of i tt e s td a t au n d e rl o w a n dh i g hs p e e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h es i m u l a t i o n m o d e lc a nr e f l e c t t h e f o r c e d i s p l a c e m e n t a n d f o r c e v e l o c i t y c h a r a c t e r i s t i cw e l l f u r t h e r m o r e ，a n a l y z i n gt h et i m ef l a gp h e n o m e n ao f m rf l u i dd a m p e r ，a n dg e t t i n gt h e c o n c l u s i o nt h a ti tr e s u l t sf r o mt h et r a n s i e n ts t a t er e s p o n s eo fl rc k c u i ta n dt h er e s p o n s e t i m ec a nb ed e c r e a s e d b yu s i n g t h ec u r r e n td r i v e r u s i n gl a g r a n g em e t h o dt o c o n s t r u c t2 ，4 ，a n d7d o fa u t o m o b i l es e m i a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e mb a s e do nm r f l u i dd a m p e r o nt h eb a s i so fi t ，w r i t i n go u tt h es t a t e e q u a t i o na n do u t p u te q u a t i o na c c o r d i n g t os t a t es p a c em e t h o d m o r e o v e r ，a n a l y z i n gt h e i n h e r e n tc h a r a c t e r i s t i c sa c c o r d i n gt od i f f e r e n td o f m o d e l s a tt h es a m et i m e ，t h er o a d t e s ti sc a r r i e dt h r o u g hf o rv a l i d a t i n gt h ed y n a m i c sp a r a m e t e r sa n dm o d e l t h en a t u r a l f r e q u e n c i e so fs p r u n gm a s sh e a v e ，p i t c ha n d r o l la c c e l e r a t i o na r ei d e n t i f i e d t h er e s u l t s h o w st h a tt h ew h o l ec a rd y n a m i c sm o d e lc a nr e f l e c tt h er e a lv e h i c l ec o n d i t i o n ， i 重庆大学硕士学位论文 d i s c u s s i n gt h ep r o b l e mh o w t ou s el q o p t i m a lc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ea u t o m o b i l e s e m i a c t i v es u s p e n s i o nb a s e do nm rf l u i dd a m p e r b a s e do n q u a r t e r c a ra n dw h o l e c a r m o d e l s ，t h e s t o c h a s t i c o p t i m a l c o n t r o l s y s t e m s a r e d e s i g n e d r e s p e c t i v e l y t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a to n l yc o m p r e h e n s i v e l yc o n s i d e re a c hf a c t o ra n d r a t i o n a l l y s e l e c tt h ew e i g h tp a r a m e t e r so ft h es e m i a c t i v es u s p e n s i o np e r f o r m a n c e t a r g e tf i m c t i o n ， c a nt h e r i d i n gq u a l i t ya n ds t e e r i n gc o n t r o l l a b i l i t yb ei m p r o v e d k e y w o r d s ：a u t o m o b i l ed y n a m i c sp a r a m e t e r s ，t e s t ，m rf l u i dd a m p e r ，m o d e l i n g ， s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ，l qo p t i m a lc o n t r o l 1 绪论 l 绪论 1 1 概述 汽车振动是影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性的重要因素。汽车减振主要使 用悬架系统，它一般由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。因此设计优良的悬架系统， 对提高汽车产品质量有着极其重要的意义。在设计汽车悬架时要同时考虑多种因 素，例如平顺性，操纵稳定性，悬架工作行程，静态变化，重量，成本和可靠性 等等。其中最主要的3 个因素分别是：平顺性，操纵稳定性以及悬架工作行程。 通常，这些悬架性能因素可以通过改变悬架刚度和阻尼来调节。但是，这些特性 在本质上是相互矛盾的。例如为了支撑车身重量并随路面运动时，要求悬架具 有高阻尼系数的“硬”悬架。而隔离随机路面不平度对汽车的扰动应具有低阻尼 系数的“软”悬架。但是在低阻尼情况下，车身又容易出现共振振幅过大现象。 这些矛盾使常规被动悬架性能的改善受到了很大的限制。这主要是因为被动 悬架的弹性和阻尼参数不能随外部状态的改变面相应改变。即使采用优化方法来 设计，也只能把其性能改善到一定的程度；即在设计点处为最优。为了克服被动 悬架的这一缺陷，许多研究者应用新技术、新材料并与控制理论、计算机技术相 结合开发实旌了机、电、液一体化可控悬架系统。因此，根据悬架系统可控性可 分为被动悬架、半主动悬架、主动悬架。一般被动悬架包括弹簧和减振器，其中 弹簧和减振器主要用来支撑悬架簧载质量的静载荷和动态响应特性，减振器在振 动中还消耗能量而起减振作用。因此，被动悬架减振器设计及与弹簧刚度、质量 的匹配是人们研究的重点。半主动悬架其组成与结构和被动悬架有类似之处，但 不同之处是其减振器的阻尼系数能在一定范围内实时主动调节或承载弹簧的刚度 也是可变的。半主动悬架刚度和阻尼的调节策略及实现是研究的关键。一般情况 下，阻尼或刚度的改变由机、电、液复合控制方法来实现。主动悬架是由弹性元 件和力发生器组成。这种力发生器一般是液压缸，由外部油泵供给能量，产生由 控制信号确定的力。 目前，在这三种悬架系统中，被动悬架已广泛使用在各种汽车上，但其性能 如前所述，不能满足汽车各项1 眭能需要。主动悬架在理论上来说，能兼顾各种动 力学要求，可以实现理想悬架的控制目标，符合汽车发展的趋势，但能量消耗 大，成本高，结构复杂。这些都成为制约主动悬架发展的瓶颈。而半主动悬架系 统的性能可达到接近主动悬架的性能，且不需要外部能源，制造成本低。因此， 半主动悬架是近期最有可能走向市场的新兴技术。 重庆大学硕士学位论文 自然科学基金项目典型智能机械系统的若干基础性研究的子课题自适应结构 的研究就是着眼于此，欲设计出智能材料减振器和控制器的半主动悬架系统并应 用于实车。而本课题作为自适应结构研究的一部分，将重点研究汽车半主动悬架 系统的建模。 1 。2 国内外研究现状 1 ，2 1 汽车主动、半主动悬架系统的发展及现状 上世纪5 0 年代，t h o m s o n 首先将主动悬架的思想在试验中实现。f e d e r s p i e i 和l a b r o s s e 于1 9 5 4 年制造的主动悬架系统在法国c i t r o e n2 c v 的车上做了实车试 验”1 。其液压系统控制阀由车轮上下跳动产生的摆杆来调节。1 9 6 5 年，o b s e n 和 a l l e n 在主动悬架上试图用惯眭来测量加速度和驱动液压阀。八十年代，电子技 术的应用使主动悬架得以真正实现。1 9 8 2 年，瑞典v o l v o 公司在轿车v o l v o 7 4 0 上安装了试验性的l o t u s 主动悬架，开辟了应用主动控制概念改变车辆动力 学性能的新的研究领域。1 9 8 3 年，t o y o t a 在s o a r e r 车上使用电控主动悬架。1 9 8 4 年，l o t u s 汽车公司发明了全主动悬架专利，并实际应用在赛车上。8 0 年代以 来，传感器技术及计算机技术的发展，推动主动悬架有了很大的发展3 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1 。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”1 ，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 年代就已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 曲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，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 。19 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噼s s ) ，丰 田3 0 轿车的车身电子平衡系统等等。 车辆悬架系统研究的一个值得注意的发展趋势是集成化。将垂直、侧倾和俯 仰等三个方向的控制系统集成化。另外是将被动控制、半主动控制和主动控制相 结合，将各自的优点互补，在不同频段应用不同的控制方法。更高层次的改进是 将a b s t c s 等控制系统与悬架控制系统集成化，即组成汽车动力学控制集成系 统。 2 i 绪论 1 2 2 汽车半主动悬架系统的研究 通常，半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根 据需要进行调节控制的悬架”1 。目前，半主动悬架研究主要集中在调节减振器的 阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测到的汽车行 驶状况和道路条件的变化以及车身的加速度，由e c u 根据控制策略发出脉冲控 制信号，实现对减振器阻尼系数的有级可调或无级可调。因此现阶段，国内外有 关这一领域的研究主要包括：( 1 ) 可调阻尼减振器的设计；( 2 ) 半主动悬架控制策 略的研究。而无论是减振器的设计还是控制策略的研究都需要以整车几何模型和 动力学模型为前提和研究基础。而建立几何模型与动力学模型必须提取研究对象 的几何参数，质量参数与运动学参数，然后，建立实车的整车几何模型并在此基 础上再斩取整车的各种动力学模型。鉴于本人的研究工作重点是实车模型建立和 参数的提取，因此欲对这以上三个方面的研究现状作一简要阐述。 1 22 1 汽车动力学模型和参数提取研究 汽车质心和转动惯量等质量参数一般可以由实验法和经验公式计算而得。 汽车质心，目前国内外采用实验法较多，如摇摆法、重量反应法”、倾斜试 验台测试法”1 、悬挂法、零位法。摇摆法就是将汽车支撑在某一支点摆动， 记录摆动周期，便可计算出其质心高度，同时也得到了转动惯量。这种摆动只能 在微幅下振动，否则误差将变得很大。同时由于支撑刀口通常是个弧面，摆动时 就会作往复式移动。这样得到的周期也是会有误差。而重量反应法是利用汽车抬 高不同角度，前后轴重的变化来计算出质心。不过压扳弹簧变形和轮胎变形都会 引起质心偏移。倾斜试验台测试法是将汽车固定在倾斜试验台上，使其中心线与 试验台保持平行，试验台倾斜至某一角度，根据受力关系建立方程求出质心高 度。它的误差与重量反应法类似。悬挂法是根据物体自由悬挂时质心必须通过悬 挂点垂直平面的原理。但对于大型车辆很难实现，此时车辆悬挂后变形很大，测 试精度无法保证，因而很少使用此方法。零位法是根据平衡物体的质心位于通过 支撑线垂直平面的原理。不过此方法需要专业设备，普及率低。而测试汽车转动 惯量，除了上文所述的摇摆法，还可以用三线扭摆法，不过汽车质量大，测试时 有一定的危险性。此外还可以用激振法“”，就是对车体某一方向进行主动激 振，通过测定激振点的力的变化计算得到相应方向的转动惯量。 而经验公式法是在没有相应的实验设备和实验数据的情况下，利用一些经验 公式来计算汽车的转动惯量。但精度不高。 此外随着c a d 软件的发展，利用三维建模来测试汽车质心和转动惯量也是 个有效的方法u 。但这对建模的精度要求很高，尤其是尺寸和装配位置。 重庆大学硕士学位论文 汽车作为一个复杂的多自由度振动系统，定量分析和评价平顺性的关键在于 建立理想的动力学模型。一般有1 ，4 车的2 自由度模型，包括簧上质量和簧下质 量的垂直运动：1 2 车的4 自由度模型，包括前后轴的2 个簧下质量的垂直运动， 车身的垂直运动以及俯仰垂直运动“”，还有添加两个座椅的6 自由度模型和再 添加发动机的8 自由度模型“”；全车的7 自由度模型，包括前后轴的4 个簧下 质量的垂直运动和车身的垂直，俯仰，侧倾运动“5 1 ，此外有再加一个座椅的8 自由度模型“”，以及包括悬挂上系统( 车架和发动机) 的六个自由度、前后桥的 平动和转动共四个自由度以及座椅和人体共三个自由度的1 3 自由度模型 。总 之针对不同的车型、模型精度和控制要求可以采取不同的动力学模型。 1 2 2 2 基于电、磁流变液的半主动悬架控制技术 作为半主动悬架控制的执行器减振器要求能自动调节悬架阻尼特性，一般可 以通过调节减振器阻尼通道的有效面积和调节阻尼液的流动特性来实现，但前者 结构复杂成本高，而后者结构较为简单主要是利用可控流体( 如磁流变液 1 1 9 1 ，电流变液n 0 1 ) 的流变效应，对减振器的阻尼力实施控制。电流变液体通常 是指由不导电的母液和均匀分布其中的电介质微粒组成，在外加电场作用下，液 体的粘性会随电场强度的增加而明显增大。当电场强度达到某一临界值时，它会 发生相变而迅速固化。该过程具有可逆性，其响应时间在毫秒级之内。电、磁流 变液的研究始于1 9 4 7 年w i n s l o w 的正式报道。但应用方面的研究在近年来才展 开。电流变液阻尼器已用于汽车悬架实验中，结果表明其控制简单，能达到改进 悬架性能的效果。但因其剪切强度较低，抗污染能力差，距离实用还有一段距离 【2 i 】 2 2 1 o 而磁流变液是由微米级的磁性粒子分散在合适的液体载体中形成的悬浮液， 在外加磁场作用下，其中的磁性微粒沿磁场方向排列成有序结构，使得液体的粘 度和屈服应力发生显著变化。磁流变的研究工作可追溯到4 0 年代美国国家标准 局r a b i n o w 所做的工作呓3 1 。磁流变液是非牛顿液体，其剪切应力是由液体的粘 性和屈服应力组成。通常，流变特性的改变表现为动态屈服应力随磁场强度的增 加而增加，并且这种变化是可逆的。通过对外加磁场强弱的控制，可在毫秒级时 间内改变液体的流变力学特性，使其由液态变为半固态。在通常情况下，由于磁 流变液体中磁性颗粒粉末本身具有固有磁距，磁流变液体的剪切应力大约比电流 变液体的剪切应力要大一个数量级，可达5 0 1 0 0 k p a 。磁流变液体的剪切应力具 有对温度的优良稳定性和对不纯介质的不敏感性，使其可在大多数工况下应用。 同时，磁流变液体可通过施加低电压、大电流来控制磁场强度的强弱，相对于电 流变液体施加高电压、小电流来控制电场强度的强弱，它更安全和易于应用。虽 然磁流变液体的响应时间略大于电流变液体，但可满足大部分工程要求。 4 1 绪论 美国l o r d 公司已研制出用于车辆座椅及结构抗震用的磁流变减振器阻们。 s p e n c e r 等人采用试验建模建立了磁流变液减振器的b o u c e w e n 滞回模型 2 5 1 。d y k e 等人基于b o u c e w e n 滞耐模型试验研究了在不同控制策略下，磁流变 液阻尼器控制的三层建筑结构的抗震性能。g z y a o 等人根据b o u c e w e n 模型研 究了基于磁流变减振器的汽车半主动悬架的性能n ”。而国内在这方面的研究还 处于起步阶段，但也取得了一定的成果，如重庆大学廖昌荣等人研制成的磁流变 减振器已用于样车试验“阳。 1 2 23 汽车主动半主动悬架控制策略研究 汽车主动半主动悬架控制策略方法较多。从经典控制理论，现代控制理论到 智能控制理论，许多学者对汽车悬架系统的控制方法进行了深入的研究，得出了 一些与汽车悬架系统相适应的实用控制策略。 1 9 7 4 年，k a r n o p p 提出了天棚阻尼控制方法n 。即在车身上施加一个正比例 车身绝对速度的阻尼。通过合理选择有关参数，可彻底清楚系统共振现象。但天 棚阻尼控制只解决了悬架系统的舒适性而没有很好解决操纵稳定性问题。为了近 似实现理想的天棚阻尼，k a m o p p 又提出了“o n o f f 半主动控制策略。“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。研究表明，悬架的频响在高频段与主动 悬架较近，在低频段比被动阻尼优越。“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，是目前应用在实际车辆上最多的方法“1 。 以经典控制理论为基础的p i d 控制不需要了解被控对象的数学模型，只要根 据经验进行调节器参数在线调整，即可取得满意的结果，不足的是对被控对象参 数变化比较敏感。 最优控制方法是应用“极大值原理”和“动态规划”等最优性原理，按照控 制对象的动态特性，选择一个容许控制，使得被控对象按照技术要求运动，并使 给定的性能指标达到最优值。目标函数为状态向量和控制向量的二次型的线性系 统最优反馈控制是汽车悬架系统主动和半主动控制最常用的控制方法。目标函数 的权重矩阵的取值反映了不同控制性能之间的重视程度，文献【5 】从不同角度讨论 了权重系数对汽车悬架系统的性能指标影响规律。正确选择权重系数是悬架控制 设计的一个重要问题。此外最优控制方法根据反馈状态可分为全状态反馈、部分 状态反馈和输出状态反馈。全状态反馈要求测试的状态变量多，目前多为理论分 析和仿真；部分状态反馈需要设计不同状态观测器，由于只要测量部分状态，实 用性较强。根据控制的目的和方法不同，在汽车悬架系统上应用的最优控制有线 性最优控制、h 。最优控制和最优预见控制等。 重庆大学硕士学位论文 线性最优控制是建立在系统较为理想的模型基础上，采用受控对象的状态响 应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构在动态稳定条件下 实现最优控制。 h 。最优控制方法是通过设计控制器，在确保闭环系统各回路稳定的条件 下，使相对于干扰的输出取最小的一种最优控制方法。 最优预见控制方法是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，将测量 的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。 自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的。自适应控制方法可以 自动检测系统的参数变化，从而时刻保持系统的性能指标为最优。应用于汽车悬 架振动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。自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整定相结合的控制 方法。模型参考自适应控制的原理是：当外界激励条件和自身参数状态发生变化 时，被控汽车的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采用自适应控制的汽 车悬架减振器在德国大众汽车公司的汽车底盘上得到了应用。 模戡控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法，其最大特点是允许控制对 象没有精确的数学模型，使用语言变量代替数字变量，在控制过程中包含有大量 人的控制经验和知识，与人的智能行为相似。自9 0 年代以来，模糊控制方法被 应用在汽车悬架系统中。日本德岛大学芳村敏夫教授把模糊理论应用于汽车悬架 半主动和主动控制系统，采用模糊推理分别构成半主动和主动控制规则，进行计 算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动，其结果证实了采用模糊控制方 法的有效性。合肥工业大学方锡邦等人将模糊控制技术应用于汽车半主动控制悬 架“8 1 。在实车应用过程中，振动性能明显优于被动悬架。 人工神经网络是生物学中脑神经网络的某种抽象、简化和模拟，它是由大量 类似人脑神经元的基本信息处理单元通过广泛连接而构成的高度非线性超大规模 连续时间动力系统，反映了人脑功能的若干基本特性。作为一种并行分布式处理 系统，它具有自动知识获得、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推广能力。 故在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。 1 3 本文研究的目的及内容 1 3 1 研究的目的 汽车的振动控翩是汽车设计的一个重要研究内容，涉及到汽车的平顺性和操 纵稳定性，悬架系统是汽车振动系统的一个重要子系统，其振动传递特性对汽车 性能有很大影响。因此设计性能良好的悬架系统以减少路面激励的振动传递从而 提高汽车的平顺性和操纵稳定性是汽车振动控制研究的重要课题。 6 l 绪论 由于悬架承担着两个相互矛盾的任务，因此传统的被动悬架的应用受到了许 多限制，已不能适应现代车辆的发展需要。为了提高汽车的乘座舒适性，操纵稳 定性，引了主动悬架技术。主动悬架通过采用力发生器取代被动悬架的弹性和阻 尼元件，可以实现理想悬架的控制目标，但能量消耗大，成本高，结构复杂，其 应用场合受到了限制。而应用可变刚度和可变阻尼的半主动振动控制技术，综合 了被动控制和主动控制的优点，不需要外部能源，制造成本低，同时具有主动控 制的适应性和接近主动控制的性能而倍受关注。因此，半主动悬架有潜在的工业 应用前景。 自然科学基金项目典型智能机械系统的若干基础性研究的子课题自适应结构 的研究就是设计出智能材料减振器和控制器以建构半主动悬架系统并应用于实 车。本课题作为自适应结构研究的一部分，研究目的就是建立实车的几何模型和 动力学方程，并引入磁流变减振器作为执行器，为控制策略的实旌提供控制仿真 平台。 1 3 2 研究的内容 针对以上的研究目的，本文的研究内容为： 1 )汽车力学参数的提取。采用图纸查阅法、实验法、三维建模法、计算法 等综合方法来提取汽车力学参数。特别在实验法中建立专门的实验台， 应用双簧倒立摆方法对不规则的零部件进行参数提取。 2 )磁流变( m r ) 减振器模型的建立。根据工作方式建立理论模型，根据试 验数据拟合阻尼力，建立试验模型。并在此基础上研究控制电路的作动 时滞问题。 3 )动力学摸型的建立。基于磁流变减振器针对1 4 车，l 2 车和全车分别建 立2 自由度，4 自由度，7 自由度的动力学模型。分析各模型的固有特 性，并评价各模型的适用性。 4 1汽车半主动悬架的仿真分析。利用种控制算法分别对有、无m r 减振 器的动力学模型进行仿真分析，以此说明引入m r 减振器对半主动悬架 建模的意义。 一 ! 壅王垫垄堂至塑塑堡墼 2 汽车动力学参数的提取 2 1 引言 为了研究汽车半主动悬架系统对于汽车平顺性的影响，必须建立合适的动力 学模型。汽车是一个复杂的多自由度振动系统，而任何控制系统的设计都依靠于 描述真实系统的数学模型的准确性。自由度取得越多理论上就越逼近真实系统。 但计算前要求测定的有关参数也就越多， 测量误差会给计算结果带来较大的误差。 由于测试设备及手段的局限性，产生的 因此在对汽车振动系统的频率响应的研 究中，人们常将汽车简化为二自由度l 4 汽车模型，四自由度l ，2 汽车模型和七自 由度全车模型。但无论何种模型，都需要测定汽车相关的力学参数，如簧上、簧 下质量，质心位置，转动惯量，刚度和阻尼等。而根据现有的相关文献，这些力 学参数往往取的是针对某一车型的参考值。而本文的研究是基于国产某微车模 型，因此必须获得此车的实泓参数。 2 ，2 汽车动力学参数提取方法介绍 汽车的动力学参数包括质量、质心位露、转动惯量、刚度和阻尼等。汽车动 力学参数的提取有多种方法。般可以由试验法和经验公式计算两锝。质量般 可以由磅秤获得。而针对汽车质心，目前国内外采用试验法较多，如摇摆法、重 量反应法、倾斜试验台测试法坤1 、悬挂法、零位法“0 1 。测试汽车转动惯量， 除了上文所述的摇摆法，还可以用三线扭摆法。此外还可以用激振法“”以及振 动偏频测量技术。 丽经验公式法是在没有相应的试验设备和试验数据的情况下，利用一些经验 公式来计算汽车的转动惯量。但精度不高。 此外随着c a d 软件的发展，利用三维建模来测试汽车质心和转动惯量也是 个有效的方法u 2 1 。但这对建模的精度要求很高，尤其是尺寸和装配位置。 刚度和阻尼一般参考设计资料和实验数据。 结合我们现有的参考资料，拥有车身的白车身三维模型，前后桥的三维模 型，和现有的试验条件，没有专用的汽车动力学参数测试台，我们拟综合采用试 验法、图纸查阅法、c a d 三维建摸法和计算法来提取实车的动力学参数。发动机 变速箱总成、车门、车椅等采用振动试验法提取参数；车身，前后桥，车轮等采 用图纸查阅和三维实体模型提取参数；得到以上参数后，建立空间力系来计算簧 下、簧上质量、质心位置和转动惯量。而刚度、阻尼参考汽车公司的实验报告。 重庆大学硕士学位论文 以下按试验、建模和计算三个部分分别介绍汽车质量、质心位置和转动惯量的提 取。 2 3 基于试验法的发动机总成、车门和车椅的参数测试 发动机总成，车门是由不同材质，形状复杂的零部件组成的组合形体，其质 心参数几乎不可能用解析方法进行计算。如果采用c a d 建模也很难十分准确地 描述发动机和车门的结构以及质量分布。故般采用试验方法进行测量。而车椅 形状基本对称，利用试验方法测量也比较方便。 在众多试验方法中，采用质量周期法测试质心位置和转动惯量能较好地解决 发动机总成、车门和车椅的质量参数的测试问题，且测试方便，精度较高。因此 本文根据质量周期法，设计出双簧倒立摆试验台来测试发动机、车门和车椅的质 心位置和转动惯量。 2 3 1 试验台的测试原理 双簧倒立摆试验台是利用质量周期法原理设计的，基本原理类似于复摆，利 用刚体本身重力作用而绕一轴作微摆动。”，图2 1 是原理简图。 图2 1 双簧倒立摆装置不意图 f i g2 1d o u b l es p r i n gi n v e r t e d - p e n d u l u m 试验台支撑在刀口上，由两边弹簧保持其平衡位置，把试验台上的被测物体 用夹具固定在试验台上，形成一个单自由度振动系统b 们。首先从设计的角度出 发，不考虑系统阻尼，认为整个试验台是一个保守系统，在试验过程中只作微幅 振动，此时设s i n 0z0 ，即系统所受的各种力只与位移成线性关系，而忽略可能 出现的高阶微小量。设两侧的支撑弹簧刚度相同，根据力偶平衡条件，建立如下 微分方程式： 【f ，+ j y + ，( ho + 而g ) 2 0 + 2 k r2 一脚p g hp 一1 2 1 ，g ( h o + 占。) 臼= 0 ( 2 1 ) 式中，k 一弹簧刚度( n r n ) ，r 一弹簧中心线至刀口距离( m ) ，i 。一试 验台绕刀口轴线的转动惯量( k g m 2 ) ，i s 一被测物体绕y 轴的转动惯量 ( k g t o2 ) ，1 7 1 。被测物体质量( k g ) ，脚。一试验台质量( k g ) ，一试验 1 0 2 汽车动力学参数的提取 台台面至刀口的距离( m ) ，以一被测物体质心距试验台的距离( 1 3 ) 验台质心距刀口的距离( m ) ，g 重力加速度( m s 2 ) 。 由式( 2 1 ) 可得系统固有周期为 r 嘲f i ( r 生2 - m 生p g h 型p - 竺m ! ，g ( 垡h o + b e , ) ( 2 2 ) 由式( 2 2 ) 可知，维持微幅振动的条件为： 2 k r 2 m p g h p 十r r g ( h o + h f ) ( 2 3 ) 试验台系统设计、制造和标定后，其参数j ，n 孓，h ，风，k ，r 等已知，而试验 时测定了被测物体的质量m 。和振动周期t ，则( 2 2 ) 式只有两个未知量，吃。故 改变某些参数进行两次测量，联立求解，就能得到i y , h ，。本试验台利用附加块改 变i ，( ，h ，也相应变化) ，进行两次测量得到振动周期五，五，则由( 2 2 ) 式 可得 以：塑筹掣一风 ( 2 4 ) “8 越g ( 霹一千) 。 2 未了i n , 一砜占( h o + 乓) 卜巩( 乩+ 唾) 2 一j ，- ( 2 ，5 ) 式中， n = 2 m 2 一哗1 9 日计 ( 2 6 ) m = 2 k r 2 一码2 9 h ，2 ( 2 7 ) 2 3 2 试验台参数标定基本原理 由( 2 4 ) 、( 2 5 ) 式可知，要利用试验台测t t i 的周期计算出质心高度h 。和转动惯 量，必须知道n ，2 ，砜，风，j 出j ，：。其中m ，用高精度台秤测得，日。用直尺测 量，而n ，2 中包含的参数以及j j ，：，由于试验台本身结构的复杂性不易准 确测得。在试验台安装完毕后，可以用标定的方法确定。 用已知m 。，由小j - 。的标定块测试试验台振动系统的周期为五，用已知 巩：，毽：，k 的标定块测试试验台振动系统的周期为瓦，分别代入( 2 2 ) 式得 j 一+ + ( 日o + ) 2 = 。刍 “一烈日0 + ) 】 ( 2 8 ) j ，+ 0 + ( 塌+ 也z ) 2 = 万1 2 m 一巩2 甙岛+ 以z ) 】 ( 2 9 ) 联立( 2 8 ) 与( 2 9 ) 解得 n ：塑吐堕篙些塑塑+ 壁盟笔掣 铲吾【n _ 州巩坞卅铲g ( h o 坞) 2 ( 2 io ) ( 2 i i ) 重庆大学硕士学位论文 同理，当附加块变成耳：，：，耳：时，用同样的方法测得试验台振动系统的周期为 五和r 4 ，可得 锄型正一0 ) + n k ( 强+ ) 2 一码( + ) 2 】 霹譬 k = 嘉【n 一巩甙风+ ) 卜白一g ( 风+ 也。) 。 通过以上的四次标定，就可测定出l ，2 ，7 阳四个标定常数。 2 3 ，3 试验台标定数据及分析 试验台参数标定对选用两组标定块，其质量参数如表2 1 所示。 表2 i 标定块质量参数 t a b l e2 1t h em a s sp a r a m e t e r so f c a l i b r a t i o nb l o c k ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 在试验过程中发现所测的周期随着振幅的衰减而呈现下降的趋势，如图2 2 所示。 1)379l l1 31 51 l y2 1 孙2 5 酬啦发簟 图2 22 个和4 个标定块带附加块周期趋势图 f i g2 2 t h ep e r i o d t r e n d m a p o f t w oa n d f o u r c a l i b r a t i o nb l o c k s i n c l u d i n ga d d i t i o n a lb l o c k s 根据振动力学基本理论分析，试验台振幅衰减说明实际系统中存在阻尼。据 试验台结构设计分析，系统阻尼主要是刀口与导轨槽的库仑摩擦阻尼。同时试验 台的振动周期随振幅的减小而下降，说明试验台系统具有不等时性。 2 ，3 4 试验台系统振动机理分析 2 ，3 ，4 ，1 振动系统的周期不等时性分析 从系统振动基本原理分析，当不考虑系统阻尼时，所设计的试验台系统是个 保守系统。利用相平面法分析b ： 保守系统的自由振动，其动力学方程为： 肘，f 神= 0f 2 】4 ) 1 2 卜 2 汽车动力学参数的提取 设y = x ，起始条件为：t = 0 ：0 ) = 岛，_ y ( o ) = y 9 ，则( 2 1 4 ) 式变化为 ；少+ 1 暇曲= ev ( x ) = i o f ( x ) d x ( 2 1 5 ) 其中，砷为保守系统的势能，是个积分常数；e = ( 螺2 ) + v ( x o ) 为系统的总机 械能。 对( 2 1 5 ) 式分离变量后沿封闭相轨迹积分，得到 耻j 而南“( 2 1 6 ) 由此可见，一般情况下瓦随初始条件的不同而变化，只有线性保守系统，它 的积分总为常数，因而其周期与初始条件无关。 根据上述原理，建立试验台系统的能量积分式为 岛= 去j p t p 2 + 去【i y + f & ( h 。十6 9 ) 2 2 o 1 7 ) & = a k 群+ 琏