（机械设计及理论专业论文）电控空气悬架系统的fuzzypid控制研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 随着汽车工业的发展以及我国高速公路通车里程的增加，提高汽车高速行驶时 的平顺性、操纵稳定性以及提高轮胎对路面的接地性将成为我国汽车工业发展所面 临的重大课题。与钢板弹簧悬架车辆相比，空气悬架车辆不仅能提高乘坐舒适性， 还能改善轮胎接地性和车辆的操纵稳定性，减少车辆对路面的损坏，加强对货物的 保护。因此，对空气悬架进行研究是一项很有意义的工作。本文以空气悬架为研究 对象，对空气弹簧充放气特性和悬架控制方法进行了研究和探讨。 首先，对悬架性能的评价指标进行了介绍，接着建立了随机路面输入模型和两 自由度1 4 车辆模型，为空气悬架控制系统的开发打下了基础。 其次，分析空气弹簧充、放气特性，通过试验获取了空气弹簧刚度与电磁阀开 关时间的关系曲线，拟合出空气弹簧刚度与充、放气时间的关系函数；较深入地探 讨了空气弹簧高度、刚度和弹簧充放气时间之间的相互关系，为空气悬架控制系统 的开发提供依据。 再次，设计了f u z z y p l d 控制器，建立基于f u z z y p l d 控制的空气悬架的控制 系统，通过仿真发现施加了控制的空气悬架的性能指标一簧载质量垂直振动加速度 值得到了明显降低，证明此控制系统能很好的改善汽车行驶平顺性。 最后，在搭建的电控空气悬架实验台上，分别对被动空气悬架和施加了 f u z z v p i d 控制的空气悬架进行了室内台架试验。试验结果表明：施加控制的空气悬 架的簧载质量垂直振动加速度均方根值确实降低明显，所以此控制策略在试验台上 也具有较好的控制效果。 关键词：电控空气悬架，f u z z y p i d 控制，仿真，垂直振动加速度，台架试验 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n t0 fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dh i g h w a yc o n s t m c t i o ni nc h i n a ， i n c i e a s i n gt h ev e h i d ec o m f 0 r t ，h a n d l i n gs t a b i l i t ya n d i o a dh o l d j n ga b i l i t ya th i g hs p e e d b e c o m eo n eo fk e yp r o b l e m so fc h i n aa u t o m o b i l ei n d u s t n ec 0 m m e r c i a lv e h i c l ew i t h e ( ：a s ( e i e c t r o n i c o n t f o l l e da i rs u s p e n s j o n ) h 嬲b e t t e rp e r f 0 肺a n c ei nr i d ec o m f o n ，r o a d h o l d i n ga b i l j t y ，h 卸d l i n gs t a b i l i t y 卸dr o a dp r o l e n s i 伽h o md a m a 舀n gt h a nt h o s ew i t hl e a f s p r i n gs u s p e n s i o n s oi th a sg r e a ts i g n i f i c a n c et 0s t u d yt h ec o n t r o lo fa i rs u s p e n s i o n t h e p a p e ra i m e d a ta i rs u s p e n s i o na n dr e s e a r c h e do ns y s t e mc o n t r o la n da i rs p r i n ga i ri n f l a t i o n d e n a t i o nc h a r a c t e r s f i r s t l y t l l r e ep e o 加觚c ee v a l 岫t i o ni n d i c a t o r so fa i rs u s p e n s i o nw e r ei n t r o d u c e d ，a n d t h e nar a n d o mr o a di n p u tm o d e la n d1 4v e h i c l em o d e lw i t h 帆。仃e e d o md e g r e e sw e r e d e v e l o p e db yn e w t o n 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 ns y s t e md e v e l o p m e n e t s e c o n d l y ；a i rs p r i n ga i ri 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 ，a n dt h e nt h e r e l a t i o nc u r v e sw e r co b t a i n e db e t w e e ns t i 饷e s s ，h e i g h to fa i rs p r i n ga n do n o f ! ft i m eo f e l e c t r 0 - m a g n e t i cv a l v eb yt e s t t _ l l er e l a t i o nf u n c t i o nb e t w e e nt h e mw e r ef i to u t w h i c h m a d et h eb a s ef b ra i rs u s p e n s i o nb a s e do nf u z z y - p l dc o n t r o ls y s t e m t h i r d l y ；f u z z y - p i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e da n dt h ea i rs u s p e n s i o nc o n t r o ls y s t e m b a s e do nf u z z y p l dc o n t r o ls y s t e mw a se s t a b l i s h e d o n ep e r f b n n a n c ei n d i c a t o ro fa i r s u s p e n s i o n - - v e n i c a l v i b r a t i o na c c e l e r a t i o n0 f q u a l i t ) o n - s p r i n g c o u l db ef b u n dl o s s t h r o u g l la n a l y s i st os i m u l a t i n gm o d e lu n d e rc o n t m ls y s t e m ，s ov e h j c l er i d e c o m f o nw a s p r 0 v e db e t t e ru n d e rf u z z y p l dc o n t r o ls y s t e m l a s t l y ，a i rs u s p e n s i o np a s s i v et e s t a n di m p o s e df u z z y - p l dc 0 n t r o lt e s tw e r ep u t r c s p e c t i v e l yo nt h ee c a se x p e r i m e n t a ls t a g c t h et e s tr e s u l t ss h o wt h ec o n t r o l t a f g e t v e n i c a lv i b r a t i o na c c e l e r a t i o no fq u a l i t y - o n - s p r i n gr m sh a db e e nd e c r e a s e d t h e c o n c l u s i o nc o u l db ed r e wt h a tf u z z y p i dc o n t r o l t a c t i ct o o k0 na ne x c e l l e n tc o n t r o le 骶c t k e yw o r d s ：e c a s ，f u z z y p l dc o n t r o l ，s i m u l a t i o n ，a c c e l e r a t i 彻i nv e n i c a lv i b n t i ，t e s t n 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。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密一。 学位论文作者签名：汪栋 t 乏专轧 2 0 0 8 年6 月1 0 日 指导教师签名：江洪 多z 笃 2 0 0 8 年6 月1 0 日 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：汪栋 7 、沫 江苏大学硕士学位论文 1 1汽车空气悬架系统 1 1 1 悬架系统介绍 第一章绪论 悬架是汽车的重要总成之一，汽车悬架是车架( 或车身) 与车轴( 或车轮) 之间的弹 性联结装置的统称，主要由弹性元件( 如钢板弹簧、螺旋弹簧、空气弹簧) 、阻尼元 件( 减振器等) 和导向机构组成。其主要任务是传递作用在车轮和车身之间的一切力 和力矩，缓和路面传给车身的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽 车的行驶平顺性和操纵稳定性1 1 1 。电子控制空气悬架还能在路面不平度和载荷变化时 有理想的运动特性，进一步提高汽车的平顺性、操纵稳定性和轮胎接地性。 按工作原理不同，悬架可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三种1 2 1 ，如图1 1 所示。 “破动乏艰b ，手工劝罡= 聚e 、土移e 慧 所1 一非簧载质量；优2 一簧栽质量；七一悬架刚度；c 一被动悬架阻尼； c 一半主动悬架可变阻尼；厂一主动悬架作动力 图1 1 车辆1 4 ( 被动、半主动、主动) 悬架模型 被动悬架的弹簧刚度和减振器阻尼系数等参数固定不变，结构简单、无需控制和 输入能量、成本低、可靠性高。但其刚度和阻尼系数不能随车辆运行工况的变化而进 行调节，难以满足越来越高的平顺性和操纵稳定性的要求。它是传统的弹簧阻尼系统， 在理论研究中被认为悬架参数不变的线性系统。有的被动悬架还装有补偿悬架静载变 化的水平调节机构，人们对被动悬架的设计已积累了相当丰富的经验，因其设计简单、 价格低廉，目前仍然是汽车中应用最广泛的悬架形式。然而，由于被动悬架弹簧刚度 和减振器阻尼系数等参数不能调节，它只能在一个循环周期内储存能量( 比如用弹簧) 江苏大学硕士学位论文 或消耗能量( 用阻尼器) ，因此对于行驶工况经常变化的汽车而言，往往不能满足性 能要求。传统的被动悬架设计无法很好地满足人们对汽行驶平顺性和操纵稳定性的要 求，这一直是设计师无法解决的问题。 随着汽车工业的发展，对汽车平顺性和操纵稳定性的要求的提高，很多发达国家 致力于研究基于振动主动控制的主动半主动悬架系统。主动悬架的概念由g m 公司的 e r i s p i e l 和l a b r o s s e 最早于1 9 5 4 年提出的，1 9 6 5 年w o o b s o n 和l r l a w t h e r 又 作了类似的研究。主动悬架是用一个力发生器，即作动器，替代被动悬架系统中的弹 簧阻尼元件的新型悬架系统，其控制器可根据测量系统的状态变量计算出悬架应该产 生的力，作动器可以实时跟踪所需控制力的大小和相位，形成悬架控制力的闭环系统。 主动悬架的一个重要特点就是它能产生任何形式的控制力，因此可以使用各种控制方 法对其进行控制，以使车辆达到最佳的行驶性能。国内外学者在车辆主动悬架控制方 面已作了大量的理论研究工作，尤其是近十年来，随着主动悬架在高档轿车的实际应 用，有关其控制方法的研究更加引起学术界和工程界关注，应用的控制研究方法几乎 涉及到控制理论的所有的分支。与传统的被动悬架不同，主动悬架能根据检测到的车 辆和环境状态，主动及时地调整和产生适当的作动力，使悬架总是处于最优的减振状 态，从而兼顾行驶平顺性和安全性的要求。另外主动悬架还可以调节车身高度，从而 提高车辆在坏路和无路上的通过性。但主动悬架结构复杂、能耗大、成本高，目前主 要应用在高级轿车和赛车上。 半主动悬架是介于主动悬架和被动悬架之间的一种悬架，它只能改变一个悬架参 数( 刚度或阻尼) ，而且所需能耗较小，结构比主动悬架简单、价格低廉且性能优良， 半主动悬架兼顾了被动悬架与主动悬架的特点，减振性能接近主动悬架；半主动悬架 的概念是由c r o a b y 等人于2 0 世纪7 0 年代提出来的，主要思想是控制器按照一定的 控制策略调节悬架系统的刚度或阻尼系数，从而使车辆在不同路况下都能获得较好的 平顺性和操纵稳定性。其结构较简单、成本较低，同时又克服了被动悬架参数不能调 节的缺点，因此有着广泛的应用前景。目前半主动悬架主要有刚度调节和阻尼调节两 种形式，前者主要有电子控制空气悬架等，后者主要有基于可调阻尼减振器、磁流变 减振器等的半主动悬架。 通过以上分析对比可得：半主动悬架兼备被动悬架和主动悬架的优点，减振性能 接近主动悬架：刚度或阻尼能在一定范围内变化，改善了车辆的平顺性和操纵稳定性； 2 江苏大学硕士学位论文 控制较简单，可靠性较高，成本和能耗相对主动悬架较低，因此性价比最高，应用f ； 景最广泛。 1 1 2国外空气悬架系统的发展状况 空气悬架自空气弹簧诞生起始，空气弹簧作为空气悬架中的关键部件，它的发 展一定程度上决定了空气悬架的发展。1 8 4 7 年j o h nl e w i s 在美国申请了空气弹簧第 一个专利( u s 4 9 6 5 ) 。1 9 0 1 年出现了空气弹簧最早应用于有轨电车悬架的专利 ( u s 6 7 3 0 1 1 ) 。1 9 0 8 年g e o r g eb a n c r o f t 申报了第一个汽车悬架空气弹簧专利 ( u s 9 8 0 1 3 8 ) ，且于1 9 1 0 年获得授权。 由于生产空气弹簧的橡胶材料质量问题等原因，早期的空气弹簧专利没有得到 商业应用，随着2 0 世纪3 0 年代纤维( 帘线) 叠层橡胶制作技术的出现，空气弹簧 才走上快速发展的轨道。1 9 3 4 年，空气弹簧诞生于凡士通轮胎和橡胶公司 ( f i r e s t o n e ) 。1 9 4 4 年，通用汽车公司与凡世通公司合作，第一次将空气弹簧悬架 安装在客车上进行试验。试验结果显示空气弹簧悬架系统的内在优越性。此后，通用 汽车公司经过大量的产品研制r 丌发工作，于1 9 5 3 年开始试生产装有空气弹簧悬架的 客车。这就是商用汽车采用空气悬架的开始。 2 0 世纪5 0 年代中叶，美国固特异轮胎和橡胶公司( g o o d y e a r ) 研制出膜式空气 弹簧。1 9 5 8 年，美国的奇姆西( g m c ) 公司生产了装有空气弹簧悬架的牵引车，英国生 产了装有空气弹簧悬架的1 2 1 5 吨挂车。意大利、英国、法国及同本等国家相继对汽 车空气悬架作了应用研究。 实用的空气弹簧诞生后，在随后的几十年里，空气弹簧的理论和试验研究得到 了广泛的重视，并取得了很大的进展。国际上掀起了空气弹簧及其相关应用研究的热 潮。 美国的j r e v a n s 等人对空气弹簧在火车上的应用作了深入的研究，并在1 9 7 0 年进行了空气弹簧垂直特性试验，建立空气弹簧垂直动态特性模型。空气弹簧的侧向 特性试验于1 9 9 4 年完成，在较宽频带内和大幅值条件下，测量了空气弹簧在不同载 荷下的侧向力和变形，并用正弦波和锯齿波输入来观察速度对侧向特性的影响。美国 j o h nw o o d r o o f f e 通过试验分别评价了装有空气弹簧悬架和钢板弹簧悬架的重型载货 汽车路面附着性和行驶平顺性。随后，德国的a 1 fh 0 m e y e r 等人采用有限元法优化了 3 江苏大学硕士学位论文 空气弹簧结构，提出了空气弹簧设计的新思想【3 1 。 对空气弹簧研究越深，采用空气悬架的汽车发展越迅速。1 9 9 2 年欧洲重型载重 车只有3 2 采用空气悬架，到1 9 9 8 年这一比例已经达到6 5 ，采用空气悬架的拖挂车 则从1 9 9 2 年的6 5 发展到1 9 9 8 年的8 2 ；国外8 5 重型货车采用空气悬架，如美国 的f o r d ，德国的m a n 、b e n z 、日本的i s u z u 、m i t s u b i s h i ，瑞典的v o l v o 等。目前欧 洲客车和载客列车几乎全部采用空气悬架，在日本1 0 0 的载客列车及5 0 以上的客车 使用空气悬架【4 】；空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升，许多中高级轿车也 逐步安装使用空气悬架系统。在一些特种车辆上( 如对防震要求较高的仪表车、救护 车、特种军用车等) ，空气悬架几乎是唯一选择。目前在汽车工业发达的国家已形成 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1 5 j 。 2 0 世纪8 0 年代，为了使汽车的悬架特性与行驶道路状况相适应，保证车辆的行 驶平顺性和操纵稳定性，在传统空气悬架系统的基础上加上电子控制单元( e c u ) ，构 成电子控制空气悬架系统( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r 0 1 1 e da i rs u s p e n s i o ns y s t e m ，简 称e c a s ) 。如今许多高级轿车，例如奔驰的b e n zs 级，宝马的b m w7 系列，大众的 p h a e t o n 、a u d ia 8 ，通用的c a d i l l a c 系列，福特的l i n c 0 1 n 系列，丰田的l e x u s 系 列中的很多车型安装了电子控制空气悬架系统l 锄】。 国外汽车悬架的发展，经历了“钢板弹簧一气囊复合式悬架一被动式空气悬架一 主动式空气悬架( 即e c a s 电控空气悬架系统) 过程【9 。1 0 l 。主动式空气悬架应用电子 控制系统，使传统空气悬架系统的性能得到很大改善，汽车在各种路面、各种工况条 件下都能实现主动调节、主动控制，并增加许多辅助功能( 如故障诊断功能等) 。目 前，e c a s 在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用。 1 1 3国内空气悬架系统的发展状况 我国二十世纪五十年代开始对空气弹簧进行研究1 1 1 1 。1 9 5 7 年，长春汽车研究所 与化工部橡胶工业研究所合作制造出我国第一辆装有空气悬架的载重汽车1 1 2 j 。1 9 5 8 年，长春汽车研究所在北京、天津、上海等地设计和协助设计了公共汽车、无轨电车 以及轨道车辆等多种车辆的空气悬架。】9 5 8 年底汽车研究所和北京交通运输局基本 建设处一起完成了高度控制阀的设计，这种高度控制阀由车门的开关信号来控制车身 4 江苏大学硕士学位论文 高度。八十年代初长春汽车研究所再次进行空气悬架的研究，并为武汉客车制造厂、 瓦房店客车厂、四平客车厂等企业设计了空气悬架，当时车身自振频率可降低到 1 1 1 2 h z ，平均车速提高了1 7 。悬架质量也比同车型的钢板弹簧悬架减轻了5 0 6 0 公斤。九十年代，国内客车厂纷纷从国外购置空气悬架及空气悬架底盘，对其产 品进行技术改造，以提高其产品的技术含量，抢占国内高挡客车市场。如北方车辆制 造厂、厦门金龙联合汽车公司、西安飞机制造厂、安凯汽车股份有限公司、亚星客车 集团公司和丹东汽车制造厂等。同时国内各大汽车厂、研究所、大专院校也对空气悬 架进行开发设计和理论研究。但是由于种种原因，这些研究成果的产业转化率非常低， 导致许多有价值的研究没能继续坚持和深入下去，使我国汽车悬架技术的研究和应用 与欧美等发达国家相比明显落后。 近几年，随着高档客车制造技术的引进，加上国家对客车等级划分标准的要求， 空气悬架才开始逐步应用起来。目前空气悬架主要集中应用在高级客车上，但是受多 方面因素的制约，空气悬架的配置率仍然很低，基本上还属于“导入”阶段。据不完 全统计，国内数量相对较大的应用主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、金华 青年、济南重汽、扬州亚星、一汽客车、东风杭汽等规模较大的客车、载重车及底盘 厂家【6 1 。此外，国内其它一些客车厂家都是以选装国外空气悬架产品为主。 在空气悬架的自主研发方面，由于国内已经能够生产优质的空气悬架部件，以 此为支撑，部分汽车厂已经开始自行设计符合中国道路状况和车辆实际条件的空气悬 架产品，并选装国内部件以降低成本。 国内涉及空气悬架生产与研究的公司为数众多，但真正拥有空气悬架系统设计 开发制造能力的寥寥无几，规模也十分有限。自制空气悬架系统也是引进国外技术生 产，没有自主知识产权。据相关报道今后1 5 2 0 年内是空气弹簧悬架在国内的大力 发展阶段。因此开发具有自主知识产权、国产的空气悬架十分迫切。目前国内具有代 理性质但无实际设计能力的公司居多，其中主要以代理美国、德国、韩国、日本产品 为主，公司规模一般不大，产品有限。由于代理公司主要是以追求经营利润为导向， 对匹配设计等技术环节往往存在先天不足，导致汽车厂家出现问题时无法及时解决， 影响被代理产品的声誉及市场，因此国外的制造公司也纷纷开始以不同的方式直接介 入中国市圳1 3 1 。近年来，我国高速公路的迅速发展和运输量的增加以及对高性能客车 的需求，都对汽车的平顺性、操纵稳定性及接地性提出了更高的要求。此外随着针对 江苏大学硕士学位论文 重型载货汽车对路面破坏机理的研究和认识的进一步加深，限制超载逐步在国内各地 受到重视，空气悬架客车将逐渐得到广泛的应用。2 0 0 2 年7 月，交通部颁布实施营 运客车类型划分及等级评定( j t t 3 2 5 2 0 0 2 ) 行业标准，新颁布实施的标准里面对大 中型客车配置悬架类型作了规定，其中高级大中型客车必须采用空气悬架。同时，汽 车控制系统的智能化程度越来越高，电子控制空气悬架将成为未来发展的必然趋势。 这都为空气悬架产品的推广使用创造了一个良好的外部环境。 1 1 4电控空气悬架简介 卤 1 5 图1 2 电控空气悬架系统示意图 1 控制器( e c u ) 2 电磁阀3 车身高度传感器4 空气弹簧5 控制终端( r e m o t ec o n t r o lu n i t ) 6 减振器7 空气压缩机8 速度传感器9 后轴1o 前轴 e c a s ( e l e c t r o n i c c o n t f o l l e da i rs u s p e n s i o n ) ，即电子控制空气悬架。它是一个高 度集合的模块化设计产品，主要由电子控制单元( e c u ) 、电磁阀、高度传感器、气 囊等部件组成( 图1 2 ) 。它的基本工作原理是高度传感器负责检测车辆高度( 车架和 车桥间的距离) 的变化，并把这一信息传递给e c u ，除高度信息外，e c u 还接受其 它的输入信息，如车速信息、制动信息、车门信息和供气压力信息等，然后e c u 综 合所有的输入信息，判断当前车辆状态按照其内部的控制逻辑，激发电磁阀工作，电 磁阀实现对各个气囊的充放气调节。空气悬架的e c u 根据各种传感器输入的信号， 利用其内部所存储的控制算法对输入的信号进行分析运算后输出控制信号，使空气悬 架的执行机构( 主要是电磁阀) 准确地动作，及时改变空气悬架的刚度以及车身高度， 保证汽车行驶过程中的操纵稳定性和乘坐舒适性。其各项控制功能如表1 1 所示。 6 爹 、一 一 、6、娶一9 口r 、 甲，t 江苏大学硕士学位论文 表1 1电子控制空气悬架系统的功能 控制项目功 能 使弹簧刚度和减振阻尼变成“硬”状态。该项控制能抑制侧倾，使汽车的 防侧倾控制 姿势变化减至最小，以改善操纵性 使弹簧刚度和减振阻尼变成“硬”状态。该项控制能抑制汽车制动“点” 防“点”头控制 头，使汽车的姿势变化减至最小 使弹簧刚度和减振阻尼变成“硬”状态。该项控制能抑制汽车加速时后 防后仰控制 仰，使汽车的姿势变化减至最小 使弹簧刚度变成“硬”状态和使减振阻尼变成“中”状态。该项控制能改善 高车速控制 汽车高速行驶时的稳定性和操纵性 使弹簧刚度和减振阻尼视需要变成“中”或“软”状态，以抑制汽车车身在 不平整道路控制 悬架上下跳动，改善汽车在不平坦道路上行驶时的乘坐舒适性 使弹簧刚度和减振阻尼变成“中”或“软”状态。它能抑制汽车在不平坦道 颠动控制 路上行驶时的颠动 使弹簧刚度和减振阻尼变成“中”或“软”状态。该项控制能抑制汽车在不 跳振控制 平坦道路上行驶时的上下跳振 1 2 控制理论介绍 对空气悬架的控制主要分为机械式和电子控制式，传统的机械式控制方法主要 是通过高度阀来实现车身高度的调整。电子控制空气悬架的工作原理是利用橡胶空气 弹簧作为弹性元件，空气弹簧内部的压缩空气反作用力作为悬架支撑力，弹簧刚度可 根据载荷、路况和车辆运行工况由电控单元进行控制，以提高汽车的行驶平顺性、操 纵稳定性和轮胎接地性。 目前应用于汽车悬架的控制策略主要有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。 其中，应用较广泛的是最优控制，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 7 江苏大学硕士学位论文 制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。本文取长补短，选取f u z z y p i d 控制算法进行控 制。 袁1 2 悬架控制技术 控制策略特点 p l d 控制最早发展起来的控制策略之一，算法简单、鲁棒性好，参数易调整且可靠性高。 天棚控制能有效减小簧载质量加速度，试验效果较好，效果接近最优。 以悬架动行程作为约束条件，取加速度和动载荷的加权平方和作为性能评价指 最优控制标，通过黎卡提方程解出最优的控制，使安全性和舒适性得到良好的折中，需 要精确的数学模型，实践中很难实现。 采用硬件或软件的方法，提前预测或测量前方的路况，把测量的状态变量反馈 预测控制 给前后控制器实现最优控制 自适应系统的输入和干扰发生较大范围的变化时，能够根据自动调节系统参数或控制 控制策略，效果较好，算法比较复杂，而且对系统的要求也比较高。 以大量的经验知识为基础，不需精确数学模型，处理非线性系统效果好，可以 模糊控制根据以车身加速度、车轮动载荷和它们的偏差等作为输入，对减振器阻尼实现 控制。 1 3 本文研究的意义和主要内容 汽车悬架的性能将影响汽车的操纵稳定性和行驶平顺性，在悬架设计中不可能 同时使上述性能指标都达到最优。参数设计中往往是在保证操纵稳定性的前提下，尽 可能改善汽车行驶平顺性，或者是将悬架设计成主动控制悬架，使其能根据不同的载 荷、不同的行驶工况来自动调节悬架参数( 刚度、阻尼) 。电子控制空气悬架系统采 用高度传感器和电磁阀来代替机械式高度调节阀，同时增设e c u 控制单元，通过各种 传感器检测出汽车行驶状态参数，使用合适的控制算法，通过对气囊内的压力的调整， 保证空气悬架具有最佳的刚度，改善汽车行驶平顺性和操纵稳定性，同时可以考虑车 辆对路面破坏的影响。它对于提高整车技术含量，缩小我国在高档客车和重型货车制 造方面与国外的差距具有重要的现实意义。 8 江苏大学硕士学位论文 论文结合浙江省科技厅重大科技专项重点项目“电子控制空气悬架系统的开发 应用 ( 计划编号：2 0 0 6 c 1 1 0 8 9 ) ，建立了1 4 车辆模型，并通过仿真分析验证模型的 正确性；对空气弹簧高度刚度和空气弹簧充放气进行了较深入的探讨，最后对空气悬 架系统的控制方法进行研究，设计开发了基于f u z z y p i d 控制策略的控制器，并在 1 4 台架上进行了试验验证。本课题的主要内容概括为三个部分： ( 1 ) 建立了两自由度1 4 车辆模型。在对路面模型和汽车悬架系统动力学特性 研究的基础上建立空气悬架的1 4 车辆振动模型。 ( 2 ) 通过空气弹簧特性试验得到了空气弹簧刚度和电磁阀开关时间、高度和电 磁阀开关时间的关系。根据曲线拟合得出空气弹簧刚度、高度与充、放气时间的关系 函数，为电控空气悬架控制系统的开发与研究提供了控制依据。同时分析了试验中存 在的问题，为进一步完善试验提供了参考。 ( 3 ) f u z z y p i d 控制器设计及空气悬架台架试验。设计了基于f u z z y p i d 控制 的电子控制空气悬架的控制系统并应用f u z z y p i d 控制策略对空气悬架系统进行了 研究。搭建1 4 台架实验台，从试验结果上分析f u z z y p i d 控制策略对悬架性能的影 响，验证仿真模型的正确性。通过对比，结果表明施加了f u z z y p i d 控制的空气悬架 能有效地降低簧载质量垂直方向加速度均方根值，从而改善平顺性。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章悬架性能评价指标及车辆模型建立 2 1悬架性能评价指标 车辆在行驶过程中，乘员对车身( 或座椅) 加速度在不同频率下的感受是不一 样的，乘员身体各个部位的感受也是不一样的，但总体来说，车身( 座椅) 加速度减 小，平顺性提高，乘员舒适性变好。减小车身( 或座椅) 加速度是空气悬架平顺性研 究的首要目标。 轮胎在车辆行驶过程中承受静载荷和动载荷的作用，轮胎动载荷的方向是交变 的，方向向下时，轮胎对地面的附着能力增加，但极大地增加了路面负荷，路面友好 性变坏；方向向上时，轮胎对地面附着能力下降，甚至出现轮胎脱离地面的情况，这 是一种非常危险的情况。 空气悬架在保证较好的乘坐舒适性和较小的车轮动载荷的同时，还必须将悬架 动行程控制在允许范围内，并能满足根据车辆载荷变化、加速、制动、转弯等工况对 车身姿态动态调整的要求。 综上，评价车辆悬架性能的好坏就取决于：簧载质量垂直振动加速度( 行驶平 顺性) 、车轮动载荷( 轮胎接地性) 和悬架动行程( 操纵稳定性) 。 2 1 1 平顺性的评价 由于人体对振动反应的复杂性，自二十世纪三十年代以来，尽管各国在这方面 进行了许多研究，但还没有得到公认的和理想的评价指标和界限。 就“人体对路面车辆振动的反应而言，有两种评价方法：主观评价法和客观 评价法。主观评价是人对汽车平顺性最直接的评价方法。该法是根据有一定经验的试 车人员对汽车振动的直观感受进行统计分析并对车辆进行评价，根据评价结果简单地 改变如汽车悬架参数来提高汽车的平顺性。但是对评价结果的描述具有模糊性和不确 定性，导致难以对汽车平顺性进行定量、准确的评价分析，还需要专门评价人员进行。 客观评价方法以具体量值的概念对汽车平顺性进行评价，主要考虑车辆的隔振 性能，以机械振动的各物理量( 如振幅、频率、加速度等) 作为评价指标，通过测量 1 0 江苏大学硕士学位论文 传递到人体的振动量的大小，确定影响人体舒适性的程度。由于它借助于测量仪器完 成对随机振动数据的采样、记录，在专用数据处理机上进行数据处理，故可较为客观 的确定汽车平顺性。该平顺性方法排除了人的个体差异，从而可以比较准确、合理地 评价分析汽车的平顺性。 客观评价方法根据优化准则和目标函数选择不同，总结出的评价方法和准则较 有影响的是d i e c k m a n 的k 系数法1 1 4 1 ，j a n e w a y 准则【15 1 ，两者的实验都是在振动台上 以正弦振动形式输入的，难以用它们评价随机承受的汽车平顺性；p r a d k o 和l e e 提 出了吸收功率法( a b s o r b e dp o w e r ) 【1 6 1 ，“吸收功率为一数量值，输入给人体各方 向的吸收功率可以直接相加；国际标准化组织1 9 7 4 年颁布了i s 0 2 6 3 l 的最初版本一 一人体承受全身震动评价指南1 1 7 】，推荐了l 3 倍频带评价方法、总加权值评价方 法目前被普遍采用【1 & 2 0 】；g r i f f i n 教授在多年实验研究的基础上提出“总体乘坐值法 【2 1 】( 1 9 8 6 ) ，该法被国际标准化组织采纳，以此为依据发布了i s 0 2 6 3 1 c d 一1 9 9 l 委员 会草案。该法较为全面，适用场合较广。下面分别对主要方法加以介绍。 ( 1 ) 吸收功率法 吸收功率法是根据人体的解剖学特性并且建立在人体的能量输入率的基础之上 的。人体是有阻尼的弹性物体，在人体与座椅的交互作用中产生了能量的传递和流动。 这种方法是用人体振动系统内部所吸收的能量多少即平均功率来评价人体乘坐舒适 性。吸收功率法有两个特点：其一是这种方法是用物理量( 瓦特) 来表示指标，易测 量且直观；第二是此方法的指标是标量，在不同的轴上测量可综合成一个单值。 ( 2 ) l 3 倍频带评价法和总加权值评价法 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，也取 决于个人的心理和生理状态，所以尽管研究人员在振动对人体影响方面做了许多研究 工作，但目前仍没有公认的评价指标与允许的界限。i s 0 2 6 3 1 标准1 2 2 2 3 】推荐值均以实 验数据为依据，被实验者承受垂向、横向和纵向的不同频率范围内的正弦波振动，根 据得到的实验数据，以3 个推荐指标1 2 4 】来表征加速度界限值。这三个指标是： 暴露极限( t e d ) ：人体可以承受振动量的上限，如超过此界限，可能损害人体 健康； 疲劳一工效降低界限( t f d ) ：该指标与人能保持工作效能有关，在此界限内， 能保证驾驶员正常的驾驶和工作； 江苏大学硕士学位论文 舒适降低界限( t c d ) ：保持良好感觉与舒适性界限。 这些界限值均以1 8 0 h z 振动频率范围内不同暴露时间下的加速度的均方根值 ( r m s ) 来表示，该值的计算方法就是l 3 倍频带评价法和总加权值评价法。 1 ) 1 3 倍频带分别评价法 用这个方法进行评价，主要考查各频率成份的加速度均方根值是否都在1 3 倍频 带的加速度均方根值“疲劳一降低界限”限值之内，侧重于要求传至人体的振动 能量在频率的分布上不要过于集中，尤其在人体最敏感的频率范围内不要有突出的尖 峰。 2 ) 总加权值评价法 总加权值评价方法认为各频率振动相互联系，对人体产生影响的主要用1 8 0 h z ，2 0 个l 3 倍频带加权加速度均方根值分量的平方和根值总加权加速度均 方根值来评价。 ( 3 ) 总体乘坐值法 i s 0 2 6 3 1 标准推荐的l 3 倍频带评价方法、总加权值评价方法存在如下问题： 疲劳工效降低指标只能与某些特定作业有关，即与手的控制和视觉灵敏 程度等相关的作业有关。此外，无法说明疲劳工效降低与受振时间的关联程度，因为 任何作业能力的丧失都是瞬时的； 界限曲线中均未定义1 h z 以下的情况，而实际上对许多车辆来说人体对该范 围内的振动分量反应显著； 在长时间暴露的情况下，对时间因素的过多依赖似乎是不现实的； 该标准中不包括角振动的评价方法。 因此国际标准化组织对i s 0 2 6 3 1 进行了修订，形成了最新的i s 0 2 6 3 卜1 ：1 9 9 7 ( e ) 标准，该标准采用了总体乘坐值法对以上问题进行改善。 最新的i s 0 2 6 3 1 1 ：1 9 9 7 ( e ) 标准，将基本频率范围扩展至0 5 8 0 h z ，规定了图2 1 所示的人体坐姿受振模型。在进行平顺性评价时，它除了考虑座椅支撑面处输入点3 个方向的线振动，还考虑该点3 个方向的角振动，以及座椅靠背和脚支撑面两个输入 点各3 个方向的线振动，共3 个输入点1 2 个轴向的振动。 1 2 江苏大学硕士学位论文 图2 1 人体坐姿受振模型 总体乘坐值法是迄今为止较全面、适用场合教广的振动舒适性评价方法。由于它 涉及的自由度数目较多，具体应用时偏复杂。 2 1 2 轮胎接地性和操纵稳定性的评价 车辆的轮胎接地性主要取决于轮胎对路面的附着力，要保证行驶安全，必然要求 尽量不脱离附着，且附着力应尽量保持稳定。此项指标常用轮胎与地面间的动载荷系 数岛来评价1 2 5 ，2 6 】： 尻一阱o o 浯， b 、局分别表示车轮与地面的静、动载荷，其中只= + ，乃= 屯( 乙一吼) 。 基于对车轮模型简化的假设，岛可以进一步写成： 岛譬高i 气一研l 1 0 0 ( 2 - 2 ) l 般认为车辆在行驶过程中车轮的静载荷和轮胎刚度不变，因此可以通过观察轮 胎动载荷或轮胎变形量的变化来评价轮胎的接地性( 参数、乙、 甄等见本章2 3 节) 。在文献 2 7 2 8 中，使用车轮载荷和悬架动行程均方根值作为 轮胎接地性和操纵稳定性的度量，按照轮胎9 9 7 ( 3o 原则) 的时间不离地的原则， 柬确定车轮动态位移的均方根目标值。 江苏大学硕士学位论文 2 1 3 综合评价 以上这些评价方法仅仅涉及了行驶平顺性和轮胎接地性及操纵稳定性这一对矛 盾中的某一个方面，并没有对这一对不可调和的矛盾做出总体的综合评价。文献 2 9 3 0 给出了一种综合评价方法，即利用车轮动载荷、簧上质量垂直振动加速度和悬架 动行程的加权平方根值； j = 三辜 z ；+ g t c 乙一g ，2 + 目z c 乙一乙，2 b c 2 3 ， 其中吼表示轮胎动位移的加权系数，9 2 表示悬架动行程的加权系数，车身加速 度的加权系数为1 。调整吼和q 2 的大小，可以调整控制输入对( 乙一绋) 和( 一乙) 的影响，即可以调整车辆悬架的控制要素，来较好地协调车辆的性能。 本文就悬架的评价进行简化处理，轮胎动载荷和悬架动行程一定，将簧载质量的 垂直振动加速度性能作为悬架的主要研究指标。 2 2 随机路面输入模型 汽车在实际行驶过程中受到如路面不平度、侧向风等诸多外界因素的影响，本文 只考虑路面不平度的影响。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q ( ，) 1 4 1 ，如图2 2 所示： l i ( ：l ，lo i o ， 图2 2 路面纵断面曲线 1 4 图2 3 路面不平度分级图 篡 4 4 4 t 4 4 4 坩 时 旧 m 蚶 m 拊一i(1-邑、一so倒伸舞阱唇黪捌 江苏大学硕士学位论文 在测量不平度时，司以用水准仪或者专门的路面计来得到路面纵断面上的不平度 值。测量得到的大量路面不平度随机数据，通常在计算机上进行处理，得到路面不平 度的功率谱密度q ( 咒) 或者方差等统计特性参数。 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描述其统计特性。国 际标准化组织1 9 8 4 年在文件i s 0 t c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出的“路面不平度表示方法草案” 和国内长春汽车研究所起草制定的g b 7 0 3 1 车辆振动输入一路面不平度表示标准中 都建议路面功率谱密度q ( ，1 ) 用下式作为拟合表达式： 晰喇一 浯4 ， 式中，忍空间频率即波长a 的倒数，表示每米长度中包含的波数，单位m ； 参考空间频率，= 0 1 m ； q ( ) 参考空间频率疗。下的路面功率密度谱值，称为路面不平度系数， 单位m 2 m 1 = m 3 ； 频率指数，为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。 按路面功率谱密度可把路面不平度分为8 级，表2 1 规定了各级路面不平度系数 q ( ) 的几何平均值，分级路面谱的频率指数形= 2 。表上还列出了 o 0 1 h 一1 咒 2 8 3 坍一1 范围路面不平度响应均方根值日刖( ) 的几何平均值。 表2 1 路面不平度分级标准 路面 q ( ) ( 1 0 “m 3 ) ( 刀。= o h i l 以) ( 1 0 。3 m ) ( 0 0 1 1 m 。1 厅 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 1 5 3 8 b 3 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 3 2 1 5 3 d 5 1 2 1 0 2 4 2 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 f 8 1 9 2 1 6 3 8 43 2 7 6 8 8 6 1 31 2