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汽车半主动悬架模糊控制研究 摘要 汽车行驶的舒适性和操纵稳定性这两项指标与汽车的悬架系统有着密切的 关系。传统的被动悬架的结构参数不能随外界条件的变化而变化，从而限制了 汽车性能的进一步提高，而半主动悬架的结构参数如阻尼、弹簧刚度等具有可 调性，因此能较好地满足车辆行驶的要求，同时与主动悬架相比，由于其结构 简单，价格低廉。因此受到车辆工程界的广泛重视。 本文以四自由度非线性汽车模型作为研究对象，在输入一定激励信号的情 况下，通过不同的加权因子改变模糊控制器的控制规则，用m a t l a b 软件进行性 能仿真，并比较模糊控制半主动悬架和被动悬架的工作情况；同时提出将基于 遗传算法的模糊控制策略应用于半主动悬架的控制中，并采用遗传算法来优化 模糊控制规则。结果表明：模糊控制能明显地减少车辆振动，提高车辆行驶平 顺性。最后进行了实车试验，表明所建数学模型正确，控制方法可行。 关键词：半主动悬架模糊控制遗传算法 s t u d yo nf u z z yc o n t i 0 lo fas e m i a c t i v ev b h i c l es u s p e n s i o n a b s t r a c t t h er i d ec o m f o n 锄dh a n d l i i l gs t a _ b i l i t yo ft l l ea m o m o b i l eh a v ec l o s er e l a d o 璐h i 口w i 也 m es u s p e n s i o ns y s t e m a ss m l c t l l r e 口a r 锄e t e r so ft r a d m o n a lp a s s i v es u s p e n s i o nc a nn o t a d a p t i v e l yc h a n g e 谢t l le x t e m a lc o n d i t i o 船，m ei n l p r o v 锄e n to fd y r l a m i cp e r f b 胁a n c e i s v e r yd i 伍c u l t h o w e v e r s m l c t i l r ep a r a m e t e r so fs e m i a c t i v es u s p e n s i o i l ，s u c h 嬲d a l n p i n s p r i i l gs t i 丘h e s sa n ds oo n ，a r ea d i u s t a b l e ，w h i c hc a ns e r v em en e e d sm u c hb e t t e r a tt h e s a m et i m e ，c o m p a r e d 谢t ha c t i v es u s p e n s i o 址t h es e l i a c t i v es u s p e n s i o nh 船s i m p l e s n u c n l r ea n dl a wp r i c e ，s oi ti sr e g a r d e dh i g h l ya n d 、i d e l y h 也ep 叩c r ，an o i l l i n e a rs u s p e n s i o nm o d e lo ff b l l r d e g r e ef h e d o mi ss e tu p u n d e r c e n a i ni n p u ts i 盟a l s ，t h ec o m r o ll a w so ff u z z yc o r l 仃o l l e ra r ea d j u s t e db yu s i n gd i 仃b r c n t w c i g h tc o e f n c i e n t sa n dm a t la _ bs o r w 盯ei su s e dt os i m u l a l et h ep e r f b m l a i l c e s a tt l l es a m e t i m e ，a n o t t l e r 凡z z yc o n t m lm e 协o db a s e do ng e n e t i ca i g o r i t l l mi si n t r o d u c e d 姐da p p l i e dt o t l l ec o m r o lo fs e m i a c t i v es u s 口e i l s i o n ，蚰dm eg e n e t i ca l g o r i t l l mi sa l s ou s e dt oo p t 主m i z et 1 1 e 如z z yc o n t m ll a w s t h e i l t h er e s u l t sa r ec o m p 甜e d 趾d 也ep e r f b m l a i l c e sa r ea n a l y z e d b e t w e e np 嬲s i v es u s p e i l s i o na 1 1 ds e m i - a c t i v e 跚s p e n s i o n 、v i t l ld i 髓豫呲c o n 订0 1m e t h o d s t h e r e s u l t ss h o w 也e 矗l z z vc o m r o l l e rc a nc l e a r l yr e d u c et h ev i b 枷o na n di m p r o v et h ef i d e 口e r f b m 锄c e a tl 硒t ，t l l er c a le x p e r i m e i l t 埘血s e m i a c t i v ea i l dp a s s i v es u s p e n s i o n s 趾e c a r r i e do u t 趾dm er e s u l t sd r o v et 1 1 a tt l l em a t h e m a t i cm o d e li sc o r r e c t ，a n dt 1 1 ec o t r 0 1 s 妇c e g y l sp r a c a l k e yw o r d s ： s e m i - a c t i v es u s p e 璐i o n f i l z 巧c o n n d i g c n e t i ca 1 9 0 m h n l 插图清单 图卜1 被动悬架 图卜2 全主动悬架 图卜3 半主动悬架 图2 一l 四自由度汽车半主动悬架的振动模型 图2 2 半主动悬架非线性系统受控模型 图2 3 汽车半主动悬架非线性系统控制仿真模型 图3 1 常规反馈控制系统方框图 图3 2 控制器的基本结构 图3 3 模糊控制系统结构 图3 4 半主动悬架模糊控制系统仿真模型 图3 5 隶属度函数 图3 6 被动悬架汽车仿真模型 图3 7 前轮路面位移激励 图3 8 被动悬架垂直加速度输出响应 图3 9 模糊控制半主动悬架( 口= 0 6 2 5 ) 图3 1 0 模糊控制半主动悬架( q = o 4 ，口：= o 6 ) 图3 1 1 控制力信号u 的曲线 图3 1 2 被动悬架动挠度曲线 图3 1 3 被动悬架动载荷曲线 图3 1 4 模糊控制半主动悬架动挠度曲线 图3 1 5 模糊控制半主动悬架动载荷曲线 图3 一1 6 采用三角形凸块作为脉冲输入 图3 1 7 路面输入为脉冲信号时的车身俯仰加速度响应 图4 1 遗传算法的一般流程图 图4 2 遗传算法的流程图 图4 3 优化前半主动悬架垂直加速度响应 图4 4 优化后半主动悬架垂直加速度响应 图4 5 控制力信号u 的曲线 图4 6 优化前半主动悬架动挠度曲线 图4 7 优化前半主动悬架动载荷曲线 图4 8 优化后半主动悬架动挠度曲线 图4 9 优化后半主动悬架动载荷曲线 图4 1 0 路面输入为脉冲信号时的车身俯仰加速度响应 图5 一l 半主动悬架控制系统结构示意图 0 0 0他坞坫埔孔船孔船旱昌嬲嬲盟约约凹四约弘船如们札们虬铊 图5 2a d 转换结果的存储形式 图5 3 数据采集与处理主程序框图 图5 4 控制表存储形式 图5 5模糊控制算法子程序 图5 6自制的可调阻尼减振器外形图 图5 7装车后的可调阻尼减振器( 上部) 图5 8装车后的可调阻尼减振器( 下部) 图5 9 试验车照片 图5 1 0 试验现场图 图5 1 1j x l 型加速度校准仪 图5 1 2d h f 一8 型电荷放大器 图5 1 3f y 7 5 型逆变器 图5 1 4 放置在后桥处的加速度传感器 图5 一1 5 随机路面试验结果 图5 1 6 过凸块试验结果图 4 4 4 5 4 6 4 7 4 8 4 8 4 8 4 8 4 8 5 0 5 0 5 0 5 0 5 1 5 1 表格清单 表卜1 不同悬架系统的性能分析3 表3 1 模糊控制规则( a = o 5 ) 2 5 表3 2 模糊控制规则( 口= o 6 2 5 ) 2 6 表3 3 模糊控制规则( 口= 0 7 5 ) 2 6 表3 4 模糊控制规则( = 0 4 ，口，= o 6 ) 2 7 表3 5 模型参数2 7 表3 6 车身垂直加速度、动挠度、动载荷仿真结果3 0 表4 1 遗传算法参数3 9 表4 2 优化前模糊控制规则3 9 表4 3 优化后模糊控制规则3 9 表4 4 优化前后仿真结果4 1 表5 1 对应关系表4 4 表5 2 试验车型参数4 9 表5 3 试验数据标定处理结果的对照表5 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得盒胆王些盍堂或其他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明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字 徽秀如 签字日期：年月日 妒j 譬砷 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金a b 王些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 目b 王些盍堂可以将学位论文的全部或部分论文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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：徽宠出v 导师签名： 毒乏受 签字日期：器卵签字醐。年朋加吣譬州 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 致谢 当论文完稿之际，我首先要真诚的感谢尊敬的导师陈无畏教授，是导师高深 的学术造诣，严谨的治学态度，忘我的工作热情，耐心细致的指导，才使我的论文 得以顺利完成。导师对待学术工作一丝不苟，锲而不舍的精神，对待科研事业顽 强、执著的奉献精神，是一份宝贵的精神财富，将鼓舞和激励我在今后的工作 和学习中不断进取、不断追求。 同时我要感谢王启瑞副教授、王其东教授和姜武华老师，在我进行课题研 究期间，给予我的指导和帮助：以及汽车教研室的其他老师在此期间给予我的 关心和帮助。 我感谢郁明博士在百忙之中给予我的热情帮助，感谢徐娟、刘立强、乔明 侠、胡芳、陈黎卿、梅奋永、赵君卿、时培成、孙海涛等同学在我的课题研究 中给我的启发和帮助。同时特别要感谢他们，在我进行论文写作和整理过程中， 帮我借阅图书，查找资料，使我的论文能如期完成。 我还要感谢我的单位一一安徽省汽车工业学校的领导和同事，在近三年的 时间里，给予我提供的方便和照顾，使我能够在兼顾工作的同时，能有更多的 时间和精力去完成自己的学业。 我也要感谢我的亲人，在我紧张繁忙的学习期间给予我的关怀、帮助、支 持和理解。 最后我还要对师母潘丽军老师表示衷心的感谢和深深的敬意，是潘老师的 鼓励和鞭策给了我战胜困难的勇气和信心。 感谢所有关心过我，帮助过我的老师、同学和朋友。 作者：张彦如 2 0 0 5 年4 月2 9 日 第一章绪论 1 1 汽车悬架的功用及发展概况 1 1 1 汽车悬架的功用 悬架是现代汽车上的重要总成之一，它是车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车 轮) 之间的一切传力装置的总称。其主要功用是把路面作用于车轮上的垂直反力 ( 支承力) 、纵向反力( 牵引力和制动力) 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，缓和由不平路面传给车体的冲击载荷，衰减冲 击载荷引起的承载系统的振动；同时要导向车身与车轮的运动，决定车轮定 位：在汽车侧倾或俯仰时，悬架要能及时控制车身姿态，以保证汽车的正常行 驶。因此，汽车悬架系统的设计必须满足行驶平顺性( r i d ec o m f o r t ) 和操纵稳定 性( h a n d l i n gs t a b i l i t y ) 的要求。 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汽车的平顺 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。其中垂 直力保证了车身的质量最终由地面承担，纵向力保证了汽车的启动、制动、前 进和倒退，侧向力保证了汽车的曲线运动。 汽车在行驶时，路面的不平度会激起汽车的振动。当这种振动达到一定程 度时，将使乘客感到不舒适或使运载货物损坏，同时，由于车轮与路面之间的 动载荷，还会影响到它们的附着效果。另外，汽车由于加速、制动、转向等还 会引起车身姿态发生变化( 俯仰和侧倾) ，也会使乘客感到不舒适。所以汽车的 振动是影响汽车行驶性能的重要因素，它不仅降低汽车的行驶平顺性，而且还 影响汽车的安全性和操纵稳定性。因此，当汽车在不平路面上行驶时，研究车 辆的受力和振动情况，采取有效措施抑制车身振动，对改善车辆的乘座舒适性 和操纵稳定性，具有重要的意义。 为减少汽车振动，一方面要改善路面质量，减少振动的来源；另一方面要 求汽车对路面不平度有良好的隔振特性。车辆的减振系统一般包括轮胎、悬架 和座椅三个环节，其中，起重要作用的是由弹性元件和阻尼元件构成的悬架系 统。 1 1 2 被动悬架 目前我国车辆主要还是采用被动悬架( p a s s i v es u s p e n s i o n ) 。其两自由度系 统模型如图1 1 所示。传统的被动悬架一般由参数固定的弹簧和减振器组成， 其弹簧的弹性特性和减振器的阻尼特性不能随着车辆运行工况的变化而进行调 节，而且各元件在工作时不消耗外界能源，故称为被动悬架。它的结构简单， 性能可靠，经过不断改进，现在已基本研究成熟。然而，汽车在行驶过程中， 其平顺性和操纵稳定性对悬架参数的要求是不同的，要想同时兼顾两者是很困 难的，即使经过优化，也只能使它在特定的车速和路面下才能达到最佳。所以， 悬架的特性参数一经选定，就无法随汽车运行的工况和激励的变化而进行调节， 故其减振性能的进一步提高也就会受到限制。直到今天，如何协调平顺性和操 纵稳定性之间的关系，仍是悬架设计中的重点和难点之一。 为了克服被动悬架存在的缺点，人们尝试了很多方法，如采用非线性变刚 度弹簧，虽然取得了一定的效果，但是仍不能从根本上消除上述的缺陷。改善 悬架性能的根本出发点在于改善悬架对车轮和车身的作用力，这可以从改变悬 架刚度或阻尼或同时改变两者入手。于是主动、半主动悬架的研究就逐步开始 了。 1 1 3 主动半主动悬架 随着汽车车速的进一步提高，人们对汽车乘座舒适性也提出了更高的要求。 为了克服被动悬架的缺陷，人们开始寻求更能满足性能要求的新型悬架系统。 1 9 5 4 年，g m 公司e r s p i e l l a b r o s s e 在悬架设计中首先提出了主动悬架的思想2 1 。 主动悬架的基本原理是用可调刚度的弹簧或可调阻尼的减振器组成的悬架系 统，该系统采用有源或无源可控制的元件组成了一个闭环控制系统，它可以根 据车辆预测的激励和簧载质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律 调节可调弹簧和可调阻尼器的参数，以抑制车体的运动，使悬架始终处于最优 减振状态。 主动悬架的特点就是能够根据外界的输入或车辆本身状态的变化进行动态 自适应调节。这种悬架系统为在根本上改善汽车悬架系统的性能，提供了一条 崭新的途径。 图1 2 为两自由度的全主动悬架系统( f u l l ya c t i v es u s p e n s i o n ) 。该系统是由 f e d e r s p i e l 1 a b r o s s e 在1 9 7 5 年发明的1 。它主要由一个可控的电液作动器组成。 作动器相当于一个力发生器，可根据车身质量的速度响应等反馈信号，按照一 定的控制规律产生作用力。它可替代被动悬架中的弹簧和减振器，可以任意变 更刚度以及阻尼系数。全主动悬架的最大优点是具有高度的自适应性，可很好 地满足不同环境的要求( 如不同道路条件和行驶速度等) 。这种装置所要求的控 制目标是实现一个最佳的隔振系统，而且不需要对系统作较大的改变。另外又 因为该悬架系统还能控制车轮的频率范围( 1 0 1 5 h z ) ，因其响应特性很快，所以 又把该悬架系统称为“快”主动系统。这种系统功率消耗很大，一般达到1 0 k w 左右，另外传感器的需用量也很多( 如行程传感器、加速度传感器、力传感器及 某种情况下的压力传感器等) 。因而尽管全主动悬架的性能非常优越，但由于它 的结构相当复杂，而且造价也较为昂贵，一般仅限于在豪华轿车和客车上使用， 所以其应用范围较小。 与主动悬架相比，半主动悬架系统没有力发生器，它是通过输入少量控制 能量来调节减振器的液力阻力，改善悬架的振动特性，图l - 3 为两自由度的半 2 主动悬架系统( s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ) 。 半主动悬架控制的研究始于1 9 7 4 年美国加州大学戴维斯分校k a m o p p 的研 究工作1 。该系统主要由弹性元件与可调阻尼器构成，此可调阻尼器在其力的 产生方面非常相似于被动悬架中的阻尼器，但其阻尼系数是根据车身质量的垂 直加速度，簧载质量与非簧载质量的相对位移等反馈信号，按照一定的控制规 律而瞬态变化的，因此其减振效果又接近于全主动悬架。但由于半主动悬架中 弹簧刚度为一定值，所以它的自适应性能要稍逊于全主动悬架。其中半主动悬 架又可分为阻尼有级可调( o n 一0 f d 和阻尼连续可调( c o n t i n u o u s ) 两种类型6 1 。 早甲匝网早甲 b 举q皂鼙啦 毒k t芝k t毒心 小 c 小 图1 1 被动悬架 m s 一簧载质量 图l - 2 全主动悬架 m u 一非簧载质量 图1 3 半主动悬架 k 一悬架弹簧刚度 c l 一定值阻尼c 厂可调阻尼l a 一轮胎刚度a 一作动器 表1 1不同悬架系统的性能分析 悬架被动半主动悬架系统全主动 名称悬架系统开关型连续型悬架系统 调节元件普通减振器可调阻尼可调阻尼液压系统和 减振器减振器串联硬弹簧 作用原理阻尼不变 阻尼 阻尼连续可调调节车身 有级可调与车轮间的作用力 控制方法手动或自动电、液自动电、液自动 频率范围 1 0 h z盟o h z 1 5 h z 能量消耗很小很小很大 改善横向动 小 中大 力学特性 改善垂直动 小 中 大 力学特性 成本最小小中大 f f j冱 jl j 彤 阻尼器 特性曲线 r v 彳。 一v 团 一v 几种悬架的比较结果见表1 - l ，从以上不同悬架系统的分析研究和下表中可 以看出，全主动半主动悬架的性能明显优于被动悬架。而半主动悬架由于结构 简单，可靠性较高，在工作中消耗能量很小，控制易于实现，造价低廉，并且 性能指标与全主动悬架相近，因此受到车辆工程界的广泛重视，已在很多中高 档轿车中得到了应用。 1 2 半主动悬架控制技术的研究和应用 随着科学技术的不断进步和发展，以及计算机领域的广泛应用，车辆半主 动悬架的研究在国内外都在大量的开展，许多高校与大型汽车企业对半主动悬 架进行了理论和实践的研究，并取得了良好的效果。对半主动悬架的研究主要 从两方面展开：是如何根据研究对象去确定半主动悬架的动力学模型并实施 控制；二是控制方法的设计。同样一个数学模型，采用不同的控制规律，最终 所得到的悬架特性往往是不一样的。因此，如何合理选择研究对象的数学模型 以及针对悬架特性采用合适的控制方法，是半主动悬架研究的一个重要内容。 1 2 1 半主动悬架控制技术的研究 以下介绍目前半主动悬架常用的控制方法和特点以及发展动态。 一天棚控制原理订以1 半主动悬架最早的控制方法是由美国d k 枷o p p 教授提出的天棚控制理 论，它的逻辑思想基于：假设减振器接在一个固定点和簧载质量之间，称为“天 棚阻尼器”。它直接作用于簧载质量，可以大幅度降低簧载质量的振动。天棚控 制原理由于其控制算法简单，作为经典的悬架控制理论，得到了广泛的应用， 但是天棚阻尼控制只解决了悬架系统的舒适性而没有很好地解决操纵稳定性问 题，同时，它还需要测量簧载质量的绝对速度和非簧载质量之间的相对速度作 为输入信息，而由于绝对速度不太容易取得，因此这也成了该研究方法的主要 缺陷。 二最优控制方法9 卅 最优控制问题是指在被控对象的初始条件及参数已知的情况下，在所有可 能的控制规律中寻求一种最优的控制规律，使评价系统工作优劣的性能指标达 到最佳。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。 1 线性最优控制 它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，同时保证受控结构动态稳定性条件下实现最 优控制。研究时一般选取车身垂直加速度，悬架动挠度，车轮动载荷及控制变 量作为主要性能指标。 4 线性最优控制方法在系统建模时忽略了高阶动态环节，如车架、轮胎的高 阶模态以及减振器、传感器的动态特性等，所得到的控制参数是根据确定的系 统参数计算出来的，仅能对理想的数学模型保证预期的性能。当系统参数变化 到一定程度时，就会使系统变得不稳定，控制参数不再使性能指标最优，有时 甚至会使悬架性能恶化。实际的悬架系统是含有许多不确定因素的非线性、时 变、高阶动力系统，难以用定常反馈系统得到预定的性能要求，所以此方法在 半主动悬架系统中应用很少。 2 。h 。控制1 2 1 h 。最优控制是8 0 年代出现的理论，是目前解决鲁棒性问题较为成功且比 较完善的理论体系。车辆悬架h 。最优控制的基本思想是：引入了悬架系统中激 励至误差信号传递函数即灵敏度函数的范数作为评价这类干扰影响的指标。它 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 取极小的一种最优控制方法。该方法可以减少由于车身质量、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误差的影响，应用h 。控制 方法可实现车辆悬架系统具有较强的鲁棒性n 。 上海交通大学傅志方等人用h 。方法设计了双线性系统的控制器，通过频域 整形以及抗干扰设计给出了半主动悬架控制器设计的新途径“6 1 。 3 最优预报控制 它是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，控制策略是把所测量 的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。预先估计路面的激励，现在通常 有两种方法：一种是利用预测传感器( 指可测定路面高程差的红外线或超声波 探测仪) ；另一种是将前轮垂直运动的信息用于悬架的预测当中。a h a c 对一个 二自由度的汽车模型实施了最优预报控制，并在时域和频域中考察了由预报信 息引起的舒适性、车辆接地性以及悬架工作空间和能量消耗等参数的改变。结 论显示，应用预报控制不仅改善了行驶乘座质量，而且降低了控制所消耗的能 量n 。 荷兰的r g m h u i s m a n 和f 。e v e l d p a u s 等人基于最优控制理论，设计 应用带有预测的连续时间控制策略，控制对象为两自由度的牵引车全主动悬架， 控制目标为簧载质量的振动加速度，考虑路面为阶跃输入时，与被动悬架相比 较，控制耳标有了较大幅度地降低”。 中南工业大学刘少君用高速的开关阀进行了台架试验，所用的控制逻辑是 天棚阻尼、最优控制和最优预见控制，试验在单一频率的正弦激励下进行，取 得了一定的效果n 。 三自适应控制2 0 2 3 1 自适应控制是指系统的输入和干扰发生较大范围的变化时所设计的系统 能够自动适应环境，调节系统参数或控制策略，使系统仍能达到设计的要求。 白适应控制所处理的是具有“不确定性”的系统。它通过对随机变量性能 的观测和辨识，设法降低这种不确定性。按自适应的设计方法，根据辨识所得 的过程信息，可作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，或达到某个预期性能目标。就悬架 而言，由于其影响参数众多，且相互间还有耦合，其中一些参数还有时变，因 此，该方法具有一定的优越性。从仿真计算结果中可以证明这种方法是行之有 效的，但算法较复杂，对系统的要求较高。 应用于车辆悬架振动控制的自适应控制方法主要有自校正控制( s e l f t u n i n g c o m r o ls y s t e m ) 和模型参考自适应控制( m o d e lr e f e r e n c ea d a p t i v ec o n t r 0 1 s y s t e m ) 两类控制策略。 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系统采用了一个被称为参考模型的辅助系统，加 到可调系统的指令同时也是参考模型的输入量，模型的输出量可用来确定期望 的性能指标。它应用于汽车减振系统的原理是当外界激励条件和车辆自身参数 状态发生变化时，被控车辆的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。 采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统可以较好地改善车辆的行驶特 性，这在德国大众公司的底盘上得到了应用。 美国a k r o n 大学的y u e h j a w 和l i ny i q i n gl u 等设计的是一个模型参考自 校正模糊控制器，第一个控制器执行对簧载质量加速度的主要控制，而第二个 控制器则根据实际情况调整有关参数“”。 北京理工大学硕士曾志华、金达锋设计了阻尼连续可调的减振器，进行了 可调阻尼减振器的特性实验，并以汽车二自由度简化模型为被控对象，分别利 用m c s 5 l 单片机以及i b m p c x t 微机为控制器进行了模拟汽车模型的自适应 控制台架实验，取得了较好的实验效果n 扣2 釉。他们的研究重点在于可调阻尼 减振器的设计方面，对悬架自适应控制系统的控制方法，控制机理涉及较少。 四模糊控制2 9 以们 自1 9 6 5 年美国的自动控制理论专家l a z a d e h 首次提出模糊集合的概念以 来，模糊集合理论得到了飞速的发展，劳在很多领域获得了应用，特别在控制 中的应用尤为引人注目。模糊系统不仅在工业控制中获得了很大的成功，而且 也已扩展到了很多其他领域。 由于模糊控制主要是模仿人的控制经验，而不是依赖于控制对象的模型， 因此，模糊控制实现了人的某种智能，所以也把它称之为一种智能控制。模糊 控制不需要准确的控制对象模型，它是以大量的经验知识为基础，主要依赖于 模糊规则和模糊变量的隶属度函数，而无需知道输入和输出之间的数学依存关 系。其控制模型可以逼近任意的连续函数，控制逻辑简洁有效，非常适合于悬 架系统的控制。近年来许多研究人员和工程师用模糊控制的方法对车辆悬架进 6 行了大量的研究，对提高汽车的平顺性，减少车辆的振动起到了一定的成效。 自9 0 年代以后，模糊控制方法被逐步应用在车辆悬架系统的控制中。具有 代表性的是日本德岛大学芳村敏夫教授的研究工作h 3 2 1 ，他把模糊理论应用 于车辆悬架半主动和主动控制系统，基于四自由度动力学模型，通过计算机模 拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动，其结果证明了采用模糊控制方法的 有效性。 印度工学院的m v c r a o 设计了一种主动悬架系统的可调节式模糊逻辑控 制器，这个基于规则的控制器可以根据实时采集的车身垂直加速度及其变化率 修改隶属度函数中的各个参数。通过仿真和实验验证了它的有效性n ”。 模糊控制方法在半主动悬架系统中的应用效果比常规控制方法有效，特别 是基于专家知识和经验的模糊控制正逐步成为解决具有非线性、复杂和不确定 性因素的有效方法，其在硬件方面的研究也取得了许多成果，出现了许多成形 的产品。y o s h i m u r a 等人研制了一种基于模糊推理的，带有可调减振器的汽车 半主动悬架，其工作原理是：调整减振器产生的阻尼力，使车辆质心加速度的 均方值在悬架动行程和轮胎动变形容许的条件下最小，其中悬架的动行程和其 时间系数作为模糊控制的输入变量，可调减振器固定在前桥和后桥上，它们之 间参数的区别由前后轮的延时而定，模拟结果显示出该方案对汽车加速性能有 很大的改善3 4 1 。但是模糊控制存在的不足之处是控制模型的建立需要大量的试 验，由于被控对象的复杂性，人对事物的认识有一个渐进的过程，人为的选择 往往缺乏准确性、系统性，而造成控制器的设计无法保证有最优的控制性能。 五神经网络控制b 弘” 神经网络的研究从4 0 年代开始，至今已有近6 0 年的历史了。1 9 8 7 年6 月 在美国圣地亚哥召开了第一届世界神经网络会议，标志着神经网络研究在世界 范围内形成了高潮。之后，神经网络的研究得到了迅猛的发展，1 9 8 9 年我国在 广州召开了全国第一届神经网络信号处理会议，9 0 年我国八个一级学会联台 在北京召开了神经网络首届全国学术会议，此后，每年都有此类相关会议召开。 因此，无论是国内还是国外，神经网络的研究受到空前的关注，并引起了许多 领域研究人员的极大的兴趣。 从本质上看，神经网络是一种不依赖模型的自适应函数估计器，它不需要 知道输入和输出之间存在着怎样的数学关系，即给定一个输入，可以得到一个 输出。它是以对信息的分布式存贮和并行处理为基础，具有自组织、自学习的 功能，在很多方面更接近人对信息的处理，具有模拟人的形象思维的能力，反 映了人脑功能的若干基本特性，但它并不是人脑的逼真描述，而只是它的某种 抽象、简化和模拟。 鉴于神经网络的特点，在控制系统中采用这一工具对难以精确描述的复杂 的非线性对象进行建模，或充当控制器，或优化计算，或进行推理，或故障诊 7 断等以及同时兼有上述某种功能的适应组合，都能发挥重要的作用。神经网络 是一个由大量处理单元( 神经元) 所组成的高度并行的非线性动力系统，其特 点是可学习性和巨量并行性，故在车辆悬架振动控制中有广泛的应用前景。 m o f a na 等把神经网络控制方法用于非线性悬架动力系统的识别和实施最优控 制日。研究表明用神经网络控制的非线性悬架系统，和用传统的l q 调节器控 制的悬架相比，具有更好的性能。此外，还可以应用神经网络理论设计车辆主 动悬架系统的动力补偿器型控制器。 日本的m o r a na n t o n i o 和n a g a im a s a o 将神经网络控制应用于主动悬架 上，通过神经观测器辨识出悬架的逆动力学特性f c h a r a c r e r i s t i c so fi n v e r s e d y n a m i c s ) ，从而在此基础上，神经控制器采用非线性最优控制策略对悬架进行 控制，减小汽车振动，但它们只是通过计算机仿真结果验证了此控制策略的正 确性，并没有进行实际试验”。 但是神经网络不适于表达基于规则的知识，需要较长的训练时间，因此， 神经网络须与其他控制方法相结合构成复合控制模式，才能具有更大的实际应 用。 南京建筑工程学院张庙康教授采用模糊系统和神经网络相结合的方法研究 车辆半主动悬架控制系统。基于悬架半主动控制的k a r n o p p 和s m 方法，应用 模糊推理和i f t h e n 产生式规则，通过隶属度传递法则进行控制知识的处理， 同时引入网络，对汽车单质量的半主动悬架振动系统进行分析，以车身垂直振 动加速度及其变化率组合的评价函数最小为目标，采用优化层间权重的学习算 法求解，其计算机模拟结果证明了该半主动振动控制方法的优越性”。 合肥工业大学机械汽车学院陈无畏教授等人对汽车半主动悬架非线性特 性，多年来进行了潜心的研究，提出了自适应模糊控制策略、自适应神经网络 控制策略，通过仿真计算，达到了预期的控制效果，并且进行了台架试验，其 试验结果也表明了半主动悬架的优良减振性能”4 ”。 北京理工大学管继富、侯朝桢等入针对二自由度1 ，4 车辆，提出了基于神 经网络的自适应模糊控制策略，设计的神经网络系统能根据振动响应的方差递 推结果来辨识车体的振动情况。实时调节模糊控制器的量化因子，使模糊控制 器对路面的变化具有自适应的能力1 。 六遗传算法和模糊控制、神经网络控制的融合 在优化理论中新近发展的遗传算法是一种全局随机寻优算法，它模拟生物 进化的过程，来逐步达到最好的结果，已在许多领域中获得了应用。 1 遗传算法在模糊控制中的应用 模糊控制是用关于推理对象的知识和语言描述韵一组模糊条件语句，模糊 推理虽然是一种善于表现知识的推理方法，但它没有本质地获得知识的能力。 将遗传算法和模糊控制相融合。能赋予模糊推理知识获得能力，适于对给予的 数据自动地构成推理机构。 将遗传算法应用于模糊推理时，根据应用的情况可分为三类：应用在模糊 规则的前件；应用在模糊规则的后件；同时应用在模糊规则的前件及后件。 2 遗传算法在神经网络控制中的应用 神经网络用于控制系统，多采用多层前向神经网络模型，当采用b p 学习 算法时，由于需要提供教师信号对网络训练，对时变系统这种训练难以达到很 高精度。此外，由于b p 算法采用梯度法难免出现局部最小问题。为此，采用 遗传算法学习神经网络连接权，不仅发挥神经网络具有广泛映射能力，而且由 于采用遗传算法也使网络具有快速收敛以及增强式学习能力。 遗传算法和模糊控制以及神经网络控制相融合的研究也有很多。如日本名 古屋大学桥山智训等2 1 采用遗传算法设计车辆悬架半主动系统的模糊控制黯， 计算机模拟结果显示结合遗传算法的模糊推理方法比常规方法更有效。 东南大学的侯光钰、张为公以车辆a b s 的控制为研究对象，采用1 ，4 的车 辆系统模型，在模糊控制策略的基础上，尝试采用遗传算法来优化模糊控制器 的隶属度函数的分布。仿真结果表明，用遗传算法优化模糊控制器能够收到良 好的效果，而且可以克服依赖专家经验进行模糊控制器设计的不足3 1 。 合肥工业大学朱婉玲等人建立了二自由度半主动悬架线性系统模型，通过 基于遗传算法和l q g 控制的集成优化仿真研究，表明半主动悬架系统在集成优化 后相对于未集成优化的系统可以明显改善系统的动态响应，而且系统的优化结 果是全局较优的，并进行了台架试验，结果表明集成优化系统较未集成优化系 统具有很好的减振性能钔。 除了上述介绍的几种汽车悬架常用的控制方法以外，还有其它一些控制方 法如鲁棒控制( r o b u s tc o n t r 0 1 ) 等，在此不再一一详述。 另外，目前研究人员已开始寻求悬架控制系统与a b s ( 防抱制动系统) 、4 w s ( 四轮转向系统) 、4 w d ( 四轮驱动系统) 等的融合，形成“智能底盘”，以达 到资源共享，整合功能，提高性能，降低成本的目的。 1 2 2 实际应用方面 有关主动悬架的应用实例也不少。由于主动悬架的成本相对较高，因此国 内的汽车公司应用实例还很少见，这主要集中在国外的一些大的汽车公司。 近年来，丰田、现代、雪铁龙、日产等国外的一些大汽车公司已成功地将 电控式主动悬架、半主动悬架制成产品，应用到实际车辆上。如法国雪铁龙豪 华轿车，韩国现代汽车公司生产的新型s 0 n a l 限高档型轿车，高档的尼桑轿车 等等。日本丰田在s o a r e r 中型轿车上首先应用了阻尼有级可调的半主动悬架 系统，并将最初的三级阻尼可调发展为多级阻尼可调，扩大了选择的范围，提 高安全性1 0 ，提高平顺性7 左右。其优点是能在坏路面条件下，或转弯、 制动时将阻尼调节到很大，使行驶安全性大幅度提高。 另外，全主动悬架系统已在高速赛车上进行了试验，预计全主动悬架的应 用可能大幅度推动赛车的发展。在8 0 年代初的一辆赛车上试验证明：其弯道行 驶横向加速度可以达到8 9 ，而且具有较小的离地间隙。如在被动系统要达到同 样水平，则弹簧刚度至少要提高五倍以上，而且由空气动力学系统引起车身摇 摆，只能通过增加阻尼来减小”。 如今市场上的日产无限、陆虎、奔驰、丰田和凯迪拉克等汽车上至少装备 了一个能根据实际工况进行软硬调节的悬架部件，而且系统一般通过多个传感 器采集车辆各方向的振动速度、加速度、位移信号，以及转向、制动、加速等 信号来调控悬架的软硬、车身姿态以及车身高度等，从而使悬架的综合性能达 到大幅度提高。 1 3 本课题研究的目的和意义及主要内容 1 3 1 目的和意义 汽车振动是影响行驶平顺性的主要因素。合理地设计汽车减振系统，可很 好地改善其行驶平顺性。汽车减振系统主要采用由弹性和阻尼元件构成的悬架。 传统的被动悬架其基本结构及设计理论已基本发展成熟，再想提高汽车性能的 潜力已经很小了，进入9 0 年代利用电子技术改进汽车工业及其产品己成为世界 各汽车厂家面临的重大课题，而汽车主动悬架、半主动悬架的研究开发就是其 中一个重要项目。尤其是阻尼可调的半主动悬架，由于结构简单，耗能很小， 可根据汽车行驶状态和道路激励大小主动作出响应，以保持悬架系统始终处于 最优状态，其性能接近于全主动悬架，因此成为人们开发研究的重点产品。随 着半主动悬架的进一步研究与发展，成本将进一步降低，其应用前景更为广阔。 1 3 2 主要内容 本文研究的主要内容为： 1 建立四自由度1 2 汽车半主动悬架系统的非线性数学模型。 2 采用模糊逻辑控制的方法，设计不同调整因子的模糊控制器，然后利用 控制仿真软件m a t l a b s i m u l i i l k 进行计算机仿真。 3 基于遗传算法的模糊控制器设计，并进行计算机仿真。 4 研制以8 0 9 8 单片机为主控元件的半主动悬架模糊控制系统，进行控制 系统的软、硬件设计；并将采用模糊控制的半主动悬架系统装车，进行道路行 驶实验。通过与被动悬架的试验结果比较，分析验证模糊控制半主动悬架的实 际控制效果。 1 0 第二章建立系统数学模型 对汽车的研究，是围绕“道路一车辆一人”所构成的系统来进行的。因此， 在进行控制系统的研究之前，其首要问题是要建立系统的振动模型，道路模型 和响应评价标准。 2 1 悬架系统的控制特性分析 控制对象的主要特性是选择合适控制方法的依据，悬架系统作为控制对象 具有以下一些特点： 1 不确定性 决定悬架系统特性的参数有很多，国外曾有学者建立了含有8 1 个参数的悬 架模型，但即使这样，仍有一些影响因素没有充分考虑进去，而常规的简化应 用模型所考虑的就更少了，这些在建立模型时忽略的因素，是否在系