基于输出反馈的汽车电动助力转向与主动悬架系统集成控制研究.pdf

基于输出反馈的汽车电动助力转向与主动悬架系统集成控制研究捅要本文利用可测得输出反馈来设计控制策略，实现汽车电动助力转向系统( e p s ) 与主动悬架系统( a s s ) 的集成控制。首先，对1 4 汽车转向工况下悬架系统的运动特性进行了仿真研究：接着，建立了整车的转向与悬架综合模型，设计了一种l q g 控制策略，改善了车身横摆角速度、车身垂直加速度和车身侧倾角等的输出响应；再次，加入了汽车e p s 系统，建立了e p s 与a s s 综合模型，设计了输出反馈的随机次优控制策略，提高了转向时的轻便性、操纵稳定性、行驶平顺性和安全性；然后，采用输出反馈的最优滑模变结构控制策略，设计了e p s 与a s s 的集成控制系统并进行了仿真研究，结果表明所设计的集成控制策略不仅能提高操纵轻便而且能较好地抑制车身姿态变化；最后，详细介绍了集成控制器的单片机硬件电路设计和软件程序的流程，并进行多种工况下的道路试验，试验结果证明了所设计的集成控制器的有效性和可行性。关键词：电动助力转向系统主动悬架系统集成控制随机次优控制最优滑模变结构控制s t u d yo ni n t e g r a t e dc o n t r o lo fv e h i c l ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n ga n da c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mb a s e do no u t p u tf e e d b a c ka b s t r a e tt h ed i s s e r t a t i o na i m st or e a l i z et h ei n t e g r a t e dc o n t r o lo ft h ev e h i c l ee l e c t r i cp o w e rs t e e r i n ga n da c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mb a s e do nt h ec o n t r o ls c h e m eo fo u t p u tf e e d b a c k ，f i r s t l y , as i m u l e t i o no fal 4c a rd y n a m i cm o d e li sg i v e nu n d e rs t e e r i n gs i t u a t i o n s e c o n d l y ,b a s e do nt h ei n t e g r a t e dm o d e lo ft h es t e e r i n ga n da c t i v es u s p e n s i o np r e s e n t e d ，a l le x t e n s i v er e g u l a t o ro fa c t i v es u s p e n s i o nl q gc o n t r o li sd e s i g n e dt oc o m p l e t et h ec o n t r o lo ft h ey a wr a t e ，v e r t i c a la c c e l e r a t i o n ，p i t c ha n g l ea n dr o l la n g l eo f t h ec a rb o d y c o m b i n i n ga u t o m o t i v ee l e c t r i c a lp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ( e p s ) m o d e la n ds t e e r i n gm o d e lw i t ha c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m ( a s s ) ，af u l lc a rd y n a m i cm o d e li ss e tu p 。b a s e do nt h ei n t e g r a t e dm o d e l ，t h er a n d o ms u b o p t i m a li n t e g r a t e dc o n t r o lo f o u t p u tf e e d b a c ki sp r e s e n t e dt oc o n t r o lt h ee p sa n da s s t h ep r e s e n t e dc o n t r o ls c h e m ei m p r o v e sv e h i c l em a n e u v e r a b i l i t y , h a n d l i n g ，s a f e t ya n dr i d ep e r f o r m a n c e t h i r d l nt h eo p t i m a lv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o ls c h e m ei sp r e s e n t e d ，t h es i m u t e t i o nr e s u l t sc o n f i r mt h a tt h ec o n t r o ls c h e m en o to n l yc a r li m p r o v et h em a n e u v e r a b i l i t y , b u ta l s oc a nc o n t r o lt h ep o s i t i o no ft h e 孙瓯f i n a l l y , t h e 鑫s s e r t a t i o np a r t i c u l a r l yi n t r o d u c e st h ep r o c e s so fd e s i g n i n gm es c mh a r d w a r ea n ds o , w a r e ，t h e nt h et e s t sa r ec a r r i e do u tu n d e rd i f f e r e n ts i t u a t i o n s ，t h et e s tr e s u l t sp r o v et h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i 婶o f t h ei n t e g r a t e dc o n t r o l l e r sa n dt h a tt h em o d e l sa r ec o r r e c t k e y w o r d s ：e l e c t r i cp o w e rs t e e r i n ga c t i v es u s p e n s i o ns y 髓e mi n t e g r a t e dc o n t r o lr a n d o ms u b o p t i m a lc o n t r o lo p t i m a lv a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o l合肥工业大学本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合裾工业大学硕士学位论文质量要求。答辩委员会签名( 工作单位、职称)主席：委员：簿爨：即嘲。黼磁1 每秒畏彩搬鼢羰聋习己? 致纱】伦胁二戈敖眨仑阮。大旋寺霎历环捌锄必置别稚今缈抄争别敖纪露1 - 1盟1 - 2图1 - 3图卜4图1 - 5踅l 一8图2 一l图2 - 2图2 3图2 - 4密3 - 1整3 - 2图3 - 3图4 1图4 - 2图5 - 1霞5 - 2罄5 - 3图5 - 4图5 - 5图5 - 6图5 - 7塑6 - t圈6 - 2图6 - 3图6 - 4圈6 - 5闺6 - 6爨6 - 7图6 - 8圈6 9图6 1 0图6 - 1 l疆6 - 1 2插图清单鬟裁控到愿想示意溷，电动助力转向系统结构朦邂图3被动懋架5垒主动惹絮。s後圭秘悬黎一5拳主动悬絮5转向王况下的1 4 汽车动力学摸型7转向工况下1 4 汽车悬架特性仿真模型1 1工况1 仿冀结采+ 1 2工况2 仿真缩梁1 3转蠢与悬絮系统综台模型，1 5扩聂熬l q g 调节器结构2 0l q g 控铡仿真结果翅“2 2输出反馈随机次优控制效果时域仿舆结果图3 3输出反馈随机次优控制效聚频域仿真结果醚3 3爨爱馕二淤不稳定系统糟鞔邃”3 5正反馈二阶不稳定系绫楣辕遍“3 s分为嬲个隧蚋攘乎嚣3 6一弛二除游模的榻轨避3 7切换谣上三种点的特髋3 8输出反馈滑模变结构控锖i 器的结构框图t t4 0输密爱馈缀谯潼模变缭擒控利效暴蕊粪结果圈4 8汽车e p s 每a s s 集戒羧铡系统结秘蹶瑷溷4 7p 8 7 c 5 9 1 蘩脚豳5 0f e t 桥式电路图5 l电动机驱动的信带电路图5 l报警好与继嘏器鬻动惫黯糊“5 2可调减攘器旁路控带l 闽蚕5 2臻尔抟感嚣髂号捻测媳路豳，5 2s i 系列步进电机驱动嚣接线圈- 5 3c a n 总线电路原理图5 4集成控制器的硬件电路原理图5 s集成控箭器照片5 6集残控铡程廖滚稷捶黧s 8图6 1 3图7 - i壅7 - 2图7 - 3图7 - 4图7 - 5蚕7 - 6图7 - 7图7 - 8匿7 - 9图7 - 1 0图7 1 1图7 - 1 2霆7 一1 3图7 1 4图7 1 5图7 - 1 s霭7 - 1 7图7 - 1 8图7 一1 9图7 2 0蓬7 2 l图7 - 2 2a d 中断服务程序流程图5 9自制的可调阻尼减振器外形图6 1整车试骏掩潮幕统戆鼷强6 2试验车照片6 2试验现场圈6 2d s p sv 5 。0 数据分析仪( 前视图) t6 3d s p sv 5 0 数攥努辑 殳( 爱裰圈) 6 3v g 全固态蕊直陀螺仪6 3j x 一1 型加速度校准仪6 3d h f 一8 型魄蒋放大器6 3f y 7 5 墼逆变器6 3装车后的e p s 、测力转向盘6 4装车后的e p s 布置图6 4装车轰豹可调隧霆壤辍器( 上裁) 6 4装车后的可调阻尼减板器( 下部) 6 4放置在后桥处的加速度传感器6 4放置在车聪中部的陀螺仪驰集或控镧器一6 4试验所用的电荷放大器、蓄电池等设备6 4随机路面试验结果图6 5过遗覆凸淡试验结慕圈6 6蛇行试验结粟鹜6 78 字型试骚结果图”6 7表2 - 1表2 2表2 - 3表3 一l表3 2表4 一l表4 2表4 3表5 - 1表5 2表7 - 1表7 - 2表格清单转向工况下1 4 汽车悬架特性仿真参数工况1 仿真结果工况2 仿真结果l q g 控制器加权矩阵取值表被动悬架与主动悬架均方根的比较结果典型参数表输出反馈随机次优控制加权矩阵取值表- -输出反馈随机次优控制效果比较表输出反馈最优滑模变结构控制加权矩阵取值表输出反馈最优滑模变结构控制效果均方根比较表试验车型参数试验数据标定处理结果的均方根比较表“挖挖趴n钉孔甜诣眈明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冤成果，也不包含为获得金匿王、业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。学位论文作者签名：签字日期：矿州r 年中月j 日刘 毒学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解金魍工业太堂有关保留、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，允许论文被查阅和借阅。本人授权金星王些太堂可以将学位论文的全部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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)j学位论文作者签名：ji ；毛导师签名：移声移7签字日期：秽年4 月；日学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：电话邮编签字日耖甲护致谢在磺论文完成之嚣，鼗罄炎要感落我敬爱懿导烬王瘩褒副教授、陈无畏教授和王其东教授以及谭继锦副教授。导薅们渊博的知议、严谨的治举态度、高尚的晶质和诲人不倦的学者风度使我终身滩忘；导师们有如父爱般的关心与爱护、鞭策与鼓励使我在学习中得到了巨大的动力和勇气；导师们对科学真理豹无瓣蕊 砉与投入、魏著与奉熬深深逮影璃箱激孺蓑我。 夔瓣不莰楚传授我辩学技术知识的导师，同时还是教授我人生观、价值观的懿师益友。我鼹感谢我的父母，他们不仅给与我物质上的支持，而且给予哉精神上鼓励，在我迷茫与圃顿时是镶们以浓浓的亲 擎抚慰我，奁我取得成功时是传们警醒我戏骄戒躁继续努力；感谢汤筠筠对我豢黻采豹信经、支耪帮鼗融。求学路上，泶人们的殷殷之情是我奋斗的源泉。最聪要感谢徐建中、王荣贵、沈国清等老师对我试验过程中的指寻与帮助，感谢罄明、姜武华、王鳆曼、谗张红、徐嫡、赵君瓣、辕黎辩、应稳杰、磐海涛、乔碉侠、张彦翔、胡芳、辩墙成、孙扁璃、初长宝、李碧春、受勃夫、姜竹胜、汪文龙、李明红、李进、汪洪波在我的课题研究和论文写作期间给予我的帮助。感谢我的网学吴伟岸、顾勤林、袭瓣永、邹海斌、梅奋永、谷叶水、王远、予景飞绘予鼗夔瘩发秘蓣韵。感谢所有关心貔、爱护我的人们!作者：刘立强2 0 0 5 年3 其第一章绪论1 1汽车鬃成控制技术1 1 1汽窜集成控制思想电子控劁拄拳在汽率上豹应用最晕始于7 0 年代，主要为7 潢足法魏对撵赦裟燃涵漕耗瓣隈裁。嚣瓣，电子技术毫广泛应嗣予汽车控镧巾，为提鑫翠辆乘坐舒适性、行驶安全性和操纵稳定性，各种电予控制技术在汽车底盘中于姆到了巨大的发展和广泛的应用。例如防抱残制动系统( a b s ) 、驱动力控制系统( t c s ) 、疆耱转囱系绞( 4 w s ) 、烹凌愚絮系绫( a s s ) 班及魄动韵力转囊系统( e p s ) 等，它们的研究和应用给汽车发展带来了划时代的变化，汽车的动力性、搡缀稳定性、轻便性、行驶安全蚀、燃油经济性和对环境的改善都得到了大幅度掇商。但是，上述餐个控制予系统都是针对提高车辆某一项性能指标，丽整车性能的绳毫粼袄赣予蚤令予系统懿耱溪工撵。霾霭，汽霉( 特鬟是汽车底盘) 嶷残控制成为现代车辆动力学控制研究的热点“1 。系统工程中的一个黧要原则是释个子系统的性能简单相加，并不能达到优纯整体性能豹强的，这对汽车控制也是如此。众掰援知，汽肇是个复杂的系统，各个予系统之间羲辩立又统一。驮缀囱来番，把任德个子系统变为可控的，那么这种控制会对汽车的各个使用性能产生影响。从横向来看，多个可控子系统并存，他们之间必然存在着棚亘协调问鼷。当各个子系统按各自不间的蠖能撂蠢遴行饶囊二控剩黪，这些可按予系统装麓攀叠翔著不缝获提良好瓣综台性能，若某子控制系统的增益提离，以获得更好性能时，那么它对其它予系统的间接影响也大大增强。从系统工程的观点来猎，任何事物都是相互联系的，因此考虑问题，必须研究各子系统间相互制约和棚互影响，媳就是说要从憨体馥、褶关鲮主薅凌汽事鹅控稍闽蘧。为避免攀狻控翻静囊要于虢，鼓致簿整车动力学特性，必须深入研究各可控予系统间相甄制约、相互影响和相互协调问题，进行主动集成控制。此外，为实现资源和数据共享，提高系统的功能价格魄，也应赣麓系统集成化粒方向发鼹。因此可以说集戒控制簸是按调控铡”3 。汽车底癜包括转向、鏊粱和割动予系统。汽牵底盘集成羧潮愚想可由瀚】一l米解释。如图所示，往往会出现这样的情况，即通过控制系统a 虽使车辆性能a 大幅度上升，但性能b 却受控制a 的影响，相反的稍有降低。这对控制子系绫转来说毽怒强弹豹。黧象蕈缝蟪撼羧割子系统a 和控裁予系统b 组合焱起( a + b ) ，那么性能a 和b 地向量和，眈单独控制的场合还小。但依靠集成控青( a b ) 可以消除相互间的不利影响，并可以慢车辆达到大于向量之和络出的性能，这就爨集成控制思想。援划棼至能a图i l 集成控制思想不慧斟i 1 2 汽率簇成控制技术的发展现状终为汽车动力学控翻豹熟点一一汽车集袋控露，特剽是汽车底鑫集成控裁技术的研究鼹到国内外众多学者的熏视，近年来融有不少学者进行了这方面的研究工作。重努：荚溷c r a n f i e l du n i v e r s i t y 豹r + s h a r p 教授提爨了蒸于援露馋瘸弱多目标优化和集成控捌“1 ，用于底盘系统的生动控制中。网本德岛丈学的t y o s h i m u r a 和y e m o t o 威耀模糊维理桃审l ，邋遴a s s 和转两系统的集成控依l ，改善了汽车的操纵性和平顺性。“。日本国防大学的m h a r a d a 和h h a r a d a 分析了警汽车转弯鞠在不平鼹瑟雩亍驶嚣雩，主渤悬檠鄹转翻系静髑囱稳定性，游爱l q g接剁繁略靼驾驶员控制模型亲挺巍整车豹稳定性“，。翔姗大学绐克利分校豹e l i m 和j h e d r i c k 槛分析汽车侧向和切向运渤耦合关系的基础上，设计了滑攮控剑器以提离汽车性能”3 。日本事鄹公司的e o n o 和k 。t a k a n a m i 等运用l 综合法( 一种鲁棒控制方法) 实现汽车转向和俦渤的集成控制”1 。美国邋餍汽车公司豹￥，g h o n e i m 积箨。l i n 等羧箨汽车霹稳囊镶瓣基本鬟袋，提出了跑铡微分控制和状态反馈控制两种策略，实现a b s ( 制动防抱死) 和a s r ( 驱动控制)瓣集成控稍圣筝蠲。镳罄攀者a t r 鑫c h t l e r 设诗了拿包揍a b s a s r 秘a s s 等在内的集成控制系统，并加上驾驶员控制模型，以实现汽率蘧向、侧向和纵向的有效控锖旷。国内：汽车的集成控制方面的研究报道逐不太多，尚处于初步理论研究阶段，文献 9 掇密了采瑟转海帮锈翻系数联合秘调主动控懿，缀好逮酸蘩了汽车戆动力学特瞧；文献【l o 设计了一转霉辆控制系绞浆集成搿发系统，将模拟诗算、实时硬件仿真和蜜车试验结合在一起，提商了控制系统的实用性和有效性；文皴 1 l3 提出了一季申蕊于遗传算法和l q g 控制的象成优化半主动悬架缀构翻控制参数的方法。转向系与戆架系麓汽车瘫蠹中嚣个堇要熬予系统，二者淫麓壹接影璃汽车的操纵稳定性、行驶平顺性和安众性等综合性能。随汽车电予技术的发展，汽奄奄魂鹫力转淘系绞与主动悬桨系缓戏为疆究戆热点。毽鼗，本文戳嗽渤瓒力2转向系统与主动悬架系统为例，研究二者之间的相互影响，依据汽车集成控制思想，设计集成控制策略来协调二者共同工作，希望同时提高汽车的操纵稳定性、操纵轻便性、行驶平顺性和安全性等综合性能。本文研究的原理和方法可推广至汽车其它系统的集成控制中，从而进一步提高整车综合性能。1 2电动助力转向系统( e p $ )电动助力转向系统( e 1 e c t r i cp o w e rs t e e r i n gs y s t e m ，简称e p s ) ，是汽车电子化发展的成果之一，因与液压助力转向系统( h y d r a u l i cp o w e rs t e e r i n g ，简称h p s ) 相比有系统的零件数目相对较少，装配性能好，能提高主动安全性，节约燃料，有利于环保等许多优点，所以在各国汽车制造业中得到普遍重视，已部分取代传统的液压助力转向，也是当今汽车电子控制系统的研究热点。1 2 1e p $ 的构成和基本工作原理图1 2 电动助力转向系统结构原理图电动动力转巍系统蟾基本组戏包括转矩技感器、车速建感嚣、电予控制单元( e c u ) 、电动机和减速机构等，如图1 - 2 所示。它是一种直接依靠电动机提供辘秘转矩蠡冬助力转逡系统，转麓传感器与转逡辘( 小意轮籀) 连接农一趣，当转向轴转动时，转矩传感器把输入轴和输出轴在搬杆作用下产生的相对转幼霞移交成奄信警传泠e c u ，e c u 禳擐车速传感嚣稻转觚传感器靛穰号凌宠电动板的助力电流大小和旋转方向。因此它可以很容易的实现在车速不同时提供不问的韵力效采，僳证汽牮在低速幸亍驶时轻後灵活，高游行骚辩稳定可靠。1 2 2e p s 的研究与应用现状电动助力转向技术日趋完善，其应稍范围已经从最初的微型轿车向更大艇轿车和齑用车方向发展。电动助力转向囊身的特点，使其特别适用于低排放汽车( l e v ) 、混合动力汽车( h e v ) 、燃料电池汽车( f c e v ) 、电幼汽车( e v ) 。而这瞪太“e ￥”汽车将撼戏未来汽擎发鼹豹主传，嚣越电动助力转向具有i 常广闼的应用前景，国内外汽车企业对电动助力转向的研究与应用非常重视。国外：1 9 8 8 年2 月日本铃木公司首次在其c e r v o 车上装备电动助力转向，随后还用在其a l t o 车上。在此之后，电动助力转向技术如雨后春笋般得到迅速发展。日本的大发汽车公司、三菱汽车公司，本田汽车公司，美国的d e l p h i汽车系统公司、t r w 公司，德国的z f 公司，都相继研制出各自的电动助力转向系统。如大发汽车公司的m i r a 车、三菱汽公司的m i n ic a 车都装备了电动助力转向系统；本田汽车公司的a c c o r d 车目前已经选装电动助力转向；d e l p h i 汽车系统公司已经为大众的p o l o 、欧宝的3 1 8 i 以及菲亚特的p u n t o 开发出电动助力转向。t r w 的电动助力转向已经装备在f o r df i e s t a 和m a z d a3 2 3 f 等轿车上。随着高级轿车对转向系统提出的性能上的更高要求，近几年国外开发出了更为成熟的电动助力转向系统，用于凌志、皇冠等高档轿车。该装置优于普通液压动力转向器，在不同车速下可通过e c u 自动调节转向盘的操作力，在低速行驶或车辆在原位时，驾驶员只需用较小的操作力就能灵活进行转向；而在高速行驶时，则自动控制使操纵力适度增大，实现操纵的稳定性。d e l p h i 汽车系统公司，1 9 9 8 年开发了全新的电动助力转向系统，它可分别在齿条、齿轮或转向轴上施加助力。英国汽车制造商l u c a s 公司，1 9 9 8 年研制的电动助力转向系统投入批量生产，该装置最大优点是燃油附加损耗极低，只有手动式的o 5 ，相比之下，电动液压助力系统的损耗为2 ，全液压助力系统损耗为8 。国内：对于汽车e p s 有许多相关报道，文献 1 2 介绍了日本富士重工开发的二种新型电子控制电动助力转向一电子控制电动泵助力转向系统和电子控制电机助力转向系统；文献 1 3 中介绍了一种智能电动式电子控制动力转向系统，该系统实时检测人力作用在转向盘上力矩的值，根据车速等环境因素控制交流感应电机以便自动按一定比例输出最佳的转矩，该系统转矩随动响应速度快。国内科研院校( 如吉林大学、清华大学、合肥工业大学等高校) 对电动助力转向及其控制系统进行了大量研究，取得了一定的研究成果“”。但是，其动力学特性、控制策略与整车性能之间关系等方面尚需深入进行，特别是以上文献中都是以单纯的e p s 模型为研究对象，不考虑汽车转向时悬架运动状态对系统的影响。然而，在汽车转向的过程中悬架必对其有运动影响。这时，该模型显然不够准确，从而导致所设计的控制器性能不够完善。1 3 主动悬架系统( a s s )悬架是是现代汽车上的重要总成之一，它把车体和车轴( 或车轮) 弹性的连接起来，冀主要任务是传递终熙在车轮移车体之闼豹一切力翻力矩，芽缓秘由不平路面传给车体的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动，以僳诞汽车豹正卷行驶。汽攀在霉亍驶翡，当路悉不平黢激超汽车懿振动遮到一定程度时，将使乘客感到不舒适或遴载货物损坏。同时，由于车轮与路预之间的动裁蔫，逐会影嫡至l 宅稻豹辩着效栗，鬻悉魂会影稳翻汽车貔搽缀毪、安全程4及对路面的破坏。另外，悬架性能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及影响行车安全。因此，研究车辆振动，将其控制在最低水平，对改善车辆的乘座舒适性、操纵稳定性，具有重要的意义”“。冈了丁jb 封研口回z专nj 臣固覃甲k 篙量生如因寻丁圈回豳由熏k t毒k t图1 - 3 被动悬架图卜4 全主动悬架图1 _ 5 慢主动悬架图卜6 半主动悬架m s 一簧载质量m u 一非簧载质量k s - 悬架弹簧刚度k t 一轮胎刚度c 一定值阻尼g - 可调阻尼a 一作动器目前汽车上大多采用传统的被动式悬架( p a s s i v es u s p e n s i o l l ) ，主要幽弹靛元传窝錾藏元傍撬或。蘩嚣塞交疫系统攘囊絮鞠1 - 3 瑟示。这耪悬檠系统懿刚度和阻尼参数，是按经验设计或优化方法选择的，然而由于汽车行驶平顺性和操纵稳定性对悬架系统怒相互矛盾的”“，所以要闷时满足两项性能的要求就必须进行一定的辑衷，旦一经选定后，在汽车行驶过程中，其懋架特性参数无法憨汽车浆运行工凌稻激凝静交纯露避行调节。霞诧，其躐掇瞧我的遂一步提高受到限制。为此人们也提出过一些淑进的方法，但这些方法并不能从根本上消除被动悬架的缺陷。为了克服被动懋架的缺陷，人们开始寻求更能满足性能要求懿薪型悬絮系统。1 9 5 4 年，g 疆公镯e r s p i e l l a b r o s s e 在懋絮设计中罄建援国了主动悬絮的思想“。主动悬架靛是由在悬梁系统中采用肖源或无源可控制的元件组成个闭环控制系统，根掘车辆的运动状态和和当前激励的大小主动作出反应，以搠制车体的运动，使懋架始终处于摄优减振状态，它的最大特纛簸是毙校撵癸雾辕入载本身状态懿黛豫瑟透行囊劫谖苇。这糖基絮系绞麓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。主动悬架按其工作方式的不同，w 分为全主动( f u l l ya c t i r e ) 、慢主动( s l o wa c t i v e ) 翻半主动( s e m i a c t i v e ) 三大类，虫疆圈卜4 图l 一6 所示。获中半主动悬檠又可分为阻筵蠢级可调和隰恧连续可调嚣静类鍪”。在磅究中人们发现，主动悬架的性能明驻优于被动懋架。尽管全主动悬架性能非常优越，但结构复杂，造价昂贵，一般仅限于在聚华轿车和客车上使用，所以其应用范围较小。漫主动憋絮因其在3 - 6 h z 的低频范强内工搀，一般在铁鼹车辆、公熬汽率和赛车上应厢较多“。半主动悬架融予结构简单，在工作中消耗能量穰小，控制易于实现，造价低廉，并且性能指标与全主动悬架相近，融在很多中档轿车中得到应用。在后面论文的内容中，我们使用的实际上都是半主动悬架，但广义豹秣之兔荛凌爨檠。近年来，国内外众多学者关于主动悬架、半主动悬架的控制技术开展了大量研究，旨在提高汽车的行驶平顺性，取得了可喜的成果”“0 3 。如文献 3 5 ，3 6 就主动悬架的1 4 车辆2 自由度模型，分别用神经网络自适应控制和v o f b ( v a r i a b l es t r u c t u r ec o n t r o lo u t p u tf e e d b a c kb a c k s t e p p i n g ) 控制两种不同的方法对车身的振动加以控制，取得了很好的效果；文献 3 7 中则考虑了发动机、座椅和乘客等多种因素的影响，建立了一个多自由度车辆模型，并对其进行控制衰减了车身振动。但是，这些研究中多是就汽车直线行驶状态下悬架的1 4 汽车二自由度模型进行的，未涉及到转向效应。事实上，在汽车行驶的闭环系统中，驾驶员经常通过操纵转向盘进行( 角或力) 输入“，从而来满足汽车不同行驶工况要求，即汽车经常处于不同程度的转向状态。所以有必要建立转向与悬架的综合模型，研究转向对悬架的影响，进而对其进行集成控制。同时，汽车a s s 作为一种可由外界输入和汽车本身状态的变化来进行动态自适应调节的悬架系统，不但应减少车身振动，改善汽车行驶平顺性，而且要抑制车身姿态变化( 如侧倾、横摆、俯仰) ，以保证汽车在转弯路段和高速行驶时的操纵稳定性和行驶安全性。1 4 研究豳的和内容1 4 1研究目的t 。扶爨论上分辑转囱与爨架之阀豹穰互影螭，建立转巍与悬絮魏练合模型，进而建立汽翠e p s 与a s s 的综合模型，并运用可测得的输出最作为反馈信惠，设诗鬃残控翎繁酶，班实理e p s 与a s s 豹秘疆王维，蕊褥汽车具有良好的操纵稳定性、辍便性、行驶平顺性和安全性等综合性能；2 设计汽车e p s 与a s s 集成控帮l 系统，并遴行实牵道貉试验，在多穗工猿下，验证所设计的集成控制系统的有效性。3 研究汽车e p s 与a s s 集成控南方法，隘馕使萁原理和方法可被借蕊，并推广至汽车其它系统的集成控制中。1 4 2 研究内容1 汽车转囱时悬架系统的运动分辑；2 转向与悬架系统的集成控制研究；3 。基予遮飒次钱羧裂豹汽车e p s 与a s s 豹集成控划璎究；4 基于输出反馈滑模变结构控制的汽车e p s 与a s s 的集成控制研究；5 e p s 与a s s 集成控裁器( 较硬锌) 设计；6 实率道路试验：7 结论和建议。62 1引言第二章汽车转向时悬架系统的运动分析本章从研究转向对悬架系统影响的角度出发，建立考虑转向的1 4 汽车三自由度模型。在不同车轮转角输入和不同给定车速等行驶工况下，对悬架系统的动力学特性进行仿真计算，以分析转角、车速对轮胎侧偏力、车身垂直加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷的影响，以及后三者之间的关系。同时，讨论所建模型的优缺点，提出进一步研究的方向。2 2系统数学模型的建立2 2 11 4 汽车量自由魔模整豢汽车在路蘑行驶融，驾驶员通过改变节气门位置域制勘压力来控制车轮上转斑和转速( 国，) ，以获得期望的前进速度( u ) 。同时，驾驶员适时转动转囱盘，隰调憝车孝彦测德角度( 占) ，从面获得理想数横肉速度( y ) 。路瑟不平度随时间的变化( v ，) 会影响车轮上的瞬时载荷( n ) ，引起车轮和车身振动，并菠憨桨变形，霹瓣又影璃黍搬餐遥牲。麴爰悬絮是可激控铡戆，那么热在悬架上的控制力( 厶。) 可影响率轮上的瞬时法向载荷，车轮和车身的振动速度( r ，v 。 ，珏及懋粲交形( 。 。由j 迦霹蒜，汽举 睾鸯一令系统，它静羧锚变艟有埘，占，工。，系统的状态变量有u 、v 、u 、k 、吼、n ，而系统所受的外界干扰是v 。车辆综合控铺斡嚣的跫台鬻控稍输，久戮获褥鬻望静输密。为了获得擎辆的媛佳控制，商必要研究把输入和输出联系在一起的车辆模型。本章通过改进g m a s t i n u 等人提出的综合控制用的车辆系统模型“，建立了考虑转向的l 4 汽攀三自由度模型。手儿、。j 一_ x图2 - 1 转向工况下的1 4 汽车渤力学模鍪7取汽车的右前半部模型( 见图2 - 1 ) 。图中，m 为1 4 汽车整车质量，m 是悬挂质量，也是非悬挂质量。u 为车辆的纵向前进速度，y 为转向时的横向速度，国：为车身横摆角速度。c 是作用在车轮上的侧向力，耳。是作用在悬挂质量上的等效侧倾干扰力。t 是悬架总刚度系数，t 是轮胎刚度系数，c 。是减振器阻尼系数。h 、k 分别为悬挂质量和非悬挂质量的振动速度，v 是路面随机激励速度。转向时车速较低，则对系统直接应用牛顿定律，可导出如下系统运动微分方程。l 4 汽车的转向运动方程m ( y + ：u ) = f o悬挂质量垂直运动方程m 汴。= k , q ，+ c 。4 ，一f c d非悬挂质量垂直运动方程m p 。= k 以，一c 国。十k t q l其中宣，= k u( 2 1 )( 2 - 2 )( 2 3 )( 2 - 4 )口，= 一v 。( 2 - 5 )式中吼一悬架瓣直变形，单位为m ；吼一轮胎瓣直交形，单位为m 。侧向力f c 与车轮转角别瞧正比，由下式给比“1t ：c 。f j 一翻且( 2 - 6 )t = c n f j 一也u ) l 且n o( 6 )式中乞一侧偏掰度，单位为n r a d ，一轮骀纳法肉力，单位为n ；n 一车轮静载荷，单能为n 。n = n + n o( 2 - ? )式中一轮胎的动载旖，单位为n 。= 毛氆( 2 - 8 )公式( 2 - 6 ) 可线性化为c 吒卜纠+ c 。a o 瓦n2 - 9 )式中一平衡状态下的侧偏角，单位为r a d 。在侧向力c 的作用下，车身发生侧倾，侧倾运动使悬穗质量m 。产斑垂直g方向的加速度，相当于在悬挂质量m 。上作用一等效干扰力e 。= 竽( 2 _ 1 0 )式中b 一1 2 轮距，单位为i n ；h 一质心高度，单位为m ；l 一系统绕x 轴的侧倾转动惯量，单位为k g m 2 。设汽车在较低速且无侧偏角行驶，则横摆角速度，为“2u f iz2 t式中三一轴距，单位为m 。考虑小侧倾角情况，悬架总刚度系数等效为t 岛+ 等式中k t 一悬架线刚度系数，单位为n m ；吒一横向稳定杆角刚度系数，单位为n 。m t a d 。取系统的状态向量为x = 【vv 。kq 。q t r取系统的输入向量为“= 8 ( 0式中占( r ) 一车轮转角，单位为r a d 。取系统的外界干扰为v j o ) = w o )即将路面激励速度v ，o ) 近似为白噪声w o )式( 2 - 1 ) 至( 2 - 1 3 ) 经整理可得系统的状态方程：文：a x + b u4 - g w式中a =一c 。m u6 巳l u0o0o0oqc ，k t 屯m 。m 。m 。m ；b lc 。一c ，k jk 口m ，mum ，ms b |一1l00一l0取系统的输出变量为则系统的输出方程为0y = 【v ，q ，吼ry = c x9b =oo( 2 1 1 )( 2 一1 2 )( 2 1 3 )( 2 一1 4 )g =( 2 一1 5 )鐾台一蛾一姚土帆。一一式中c = o101 2 2 2 道路模型当把汽车近似作为线性系统处理时，掌握了输入的路面不平度功率谱以及车辆系统的频响函数，就可以求出各响应物理量的功率谱，用来分析振动系统参数对各响应物理量的影响和评价平顺性。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。这反映在1 9 8 4 年国际准标化协会在文件i s o 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”和国内由长春汽车研究所起草制定的“车辆振动输入一路面平度表示方法”标准中，两个文件均建议路面功率谱密度瓯( ) 用下式作为拟合表达式”啪) _ g ( n o ( 2 - 1 6 )式中月一空间频率，单位i l l ；一参考空阉频率，= o 1 m ；q ( ) 一参考空间频率押。下的路薤谱值，称为路嚣不平度系数，单位m 2 i t l - t ；w 一频率指数，为双对数坐标，j 二斜线的斜率，它决定路丽谱的频率结构，常取w = 2 。当汽车以一定车速u ( 单位为m s ) 驶过空间频率为栉的路面不平度时，输入戆霹耀频率f ( 擎短为s - i ) 是f = u n( 2 1 7 )由此得到g q ( ，) 与瓯( h ) 的换算式g q ( f ) 2 言q ( ) ( 2 - 1 8 )将( 2 1 7 ) 、( 2 - 1 8 ) 式代入( 2 - 1 6 ) 式得时阔频率谱密度的表达式，当w = 2 时，考畛西1 纸榭n2 = g ( n o ) n 0 2 笋由此撂剥孵闽频率豹不乎康萋直速度尊( ) = 由( 3 - 8 ( 3 - 9 )( 3 - 1 0 )( 3 - 1 1 )( 3 一1 2 )( 3 一1 3 )( 3 一1 4 )卢一侧偏角加速度，单位为r a d s ：l 、，。、l 一车身侧倾、俯仰、横摆转动惯量，单位为k g m 2 ；、口一侧倾角速度、俯仰角速度，单位为r a d s ；、0 一侧倾角加速度、俯仰角加速度，单位为r a d s ；玺、j j 。，一悬挂质量质心垂直速度、悬挂质量在四个车轮处垂直速度、非悬挂质量垂直速度、路面速度，单位为r a d s ；z ，、：。、乞，一悬挂质量质，t l , 垂直加速度、悬挂质量在四个车轮处的垂直加速度、非悬挂质量垂直加速度，单位为r a d s 。3 2 3轮胎模型在小转角条件下，轮胎特性可认为是线性”“，在此考虑侧倾影响，则有：f v i = k l a l = 毛( 占一一= 生+ e ，矿)( 3 1 5 )e 2 = 如啦：如( 丝一声+ 露庐)( 3 1 6 )“式中k l 、k 2 一前、后轮胎侧偏刚度，单位为n m ；a ，、1 2 2 一前、后轮胎侧偏角，单位为r a d ；j 一前轮转角，单位为r a d ：e ，、e ，一前、后侧倾转向系数。3 2 4 路面模型采用一个滤波白噪声作为路面输入模型“：j 口= - 2 删0 z + 2 7 r 眦g 0 “( i = 1 , 2 ，3 ，4 )( 3 - 1 7 )式中g 0 一路面不平度系数，m ：c y c l e ：一均值为零的g a u s s 白噪声：五一下截止频率，h z 。综合以上转向模型、整车悬架模型、轮胎模型和路面模型，取系统的状态变量为x = ：矽0j j 。：j 乞4 铂铴铂旁庐毒弓白奄材则系统状态方程和输出方程可写成j x ( f ) = 似( f ) + 丑u ( f ) + f w ( t )( 3 - 1 8 )l i ，( f ) = c x ( t ) + v ( f )式中u ( f ) 一控制输入矩阵，= ) _ ，i p ) 石( f ) 工纠；w ( t ) - - g a u s s 白噪声输入矩阵，= 【w 1 0 ) w 2 嵋w 4 ( f ) t ：v ( f ) 一测量白噪声。式中a ：a a ，b = a 2 - 1 b i ，f = 4 2 - 1 e ，c 取单位阵a2 =，n “00000000i ，00000000，。0o00000000000000m 。00o00000”200000000。，0000000om 。40000e0o0000000000000000000000000一m 。h u000000oe0000e00000o00o00000000000000000000000000oo0000e00000000式嚣o oooo oooooo ooooo2 f j 叼o o 000 00 0 00 0 00 0 o0oo00 0 o00 0 00 00 0 o 0 00000000 00 0 00000000七然蛙麟塑二垒oooooo0ooo0o0o0m ”oooo0oo0oo00一地+ 幽)0oo6 eb q一峨000。o 各一b ko8盘一o000 一q0000le00le如一如等w0o0qqko00080e800o0一m 。h0o0o0000000，ie0000o000：一吖。et z 挚z00o0地。冬一一如。o斋一岛一屯驾= 整耵00罨嘲b0oo0006 0o00：一g f一掰“+ oooo0oo0o0o0oo00o0oo ，0oeoooo000o00ee0oo ；000eeo00o0oooo ooo ，o0000o0o0oo o0o0e00 ，o00oo00o00e000oo 轻o 0oo00o00oo0000o0o0 ”o0o0o0oo9000o0000o ，ooooeo0oe oooo0oo o000oo00o000oooo0o 0o0000o000ooe0o0o l000 # 00ooo00ooo000ol000o0o00oo8吨。鱼群。雌oo 州。砘。耆。乓r_，。寺州。：。学繁：。生砰毛。吨ooo e8 由o fi6。岫。呐吨噶吨。叫嘲鹎雌。惝。夏i e f + i t e 。咄j - b k i e ?00鲁女，d 一垒2 dk 扎鲁葺吨d0000k + 姆一纠1 代l + t 。)0#000003 3l o g 控制器设计霆。=002 a c l 一2 b c ，000o0002 鸽十岛)00000o2 a k ，l 一2 眠，0k nt 2r 。1，4o00000一莲+ ，o00000000000000i ：0000000000002 矾00本章的研究中采用熬予观测器的l o g ( 线性二次型g a u s s ) 控制。可以看出戏( 3 1 8 ) 状态空闻中食鸾5 个输入变量，两愚絮控翻力石，五，五，五楚霞疆进行控制的，如果使用单纯的l q g 方法进行控制，则需要找出艿与石， ，六， 的关系，然后进行叠加计算，输入变量减为4 个，这样做不但麻烦，计算量丈，覆显教祭也不努。蒸予鳇，本文袋翅一释罄遮黥( 扩燕懿) l o g 调节嚣汹j ，000o0o00o000dk。oo 静oooo 壤一。o。oo。o。域。一o98oooo 蛰owoooo06oe8o 叫d080叫0，oo0o0oo6ooo “oooeo o ，eoooooo叫oooooooeo，o；ooooeoowo ooooooo“o；ooooot 神oo0oo00oeo0o0oo00o蕻结构如图3 2 所示。这种调节器的优点在于它允许系统有控制输入( 五，正，磊，兵) 和已妇车轮转角输入( 艿) 嚣类竣入嶷量。誊实遗臻，这耱方泫不仅方便简单，而且能得到良好的控制效果。系圈3 - 2 扩震懿l q g 调节嚣缨鞠瓣予辩磁突状态交翔攘銎，w ( t ) 麓夔掇予撬竣入，f 为蘧掇溺量噤声，溪誊畿为零均蓬瓣g a u s s 鑫啜声过摆，乎豫虽不程关，郅鸯琰磁) = 君窜) ；= o 磷瞬) 扩法琶e v q ) v 7 器) = 嚣。e 妒8 汐7 窜) ；= o练台考虑汽零在转岛遥程豹攥级稳定性、纾鞍安全毪帮平暝穗，主要豹牲能豢标畜：貘摆螽速度m ：、车赛垂塞魏遮凌。、车身翻额受器牵努鼹稼筠毋。强憩，l q g 控裁器竣诗中懿毪戆臻橱歹静菇骥矮受速度、事尝垂豢麓速囊、车赛铡颓囊秘褥 霉翅豹热投平方和匏积分傻，表示麴下歹= 嚣激，搿；2 + g ：毒2 + g 。2 十飘0 2 扭；式孛虽、q ：、镌、繇一穰摇角遮凌、攀赛蘩塞热速度、车身翻颓受、车身祷 辔楚鹣热投系数。将上式写戏舞下筵薄彩式j = 互 ? 区7 q x + u r 露移羹# 式孛q 一对凝态变爨熬热蔽矩薅；露一簸入变藿数龛鬟投矮簿。梗摇l o g 阚题靛分离覆理，l q g 润瑟爵分勰为两个子勰趱求瓣。1 罄先烈蠲k a l m a n 滤波疆淫，褥瑙最饶售诗器瓣竣态方纛。令雪与舅器) 分剽麓麸态肉量然计毽秘售诗诿蓑馕，善( f ) 舞默态囱攫豹理论蓬，剿煮x 器) = x ) 一x ( )经德诗误差平方秘的熬望篷最夸，帮鸯露【x7 ) x = m i n其最优估计器的动态方程为x ( t ) = a x ( t ) + b u ( f ) + l y ( t ) 一c x ( t ) = ( a l c ) x ( t ) + b u ( t ) + l y ( t )式中k a l m a n 滤波器增益矩阵l = p o c 。r o 一。其中e o 为以下r i c