（车辆工程专业论文）基于dsp的半主动悬架模糊控制器的研究与开发.pdf

西华大学硕士学位论文 基于d s p 的半主动悬架模糊控制器的研究与开发 车辆工程专业 研究生高益财指导教师陈种 随着人们生活标准的提高，人们对汽车行驶的平顺性和操纵安全性提出了 更高的要求，传统的被动悬架逐渐难以满足要求。主动悬架系统虽然克服了被 动悬架的缺陷，但是其制造和使用成本高昂半主动悬架是介于传统被动悬架 和主动悬架之间的折中方案，有着结构简单，性能稳定，成本低廉的优点，并 能有效地降低车体的垂直振动加速度。因而半主动悬架成为近年来汽车新技术 的研究热点，得到了广泛的重视。 本课题研究内容是：对阻尼可调减振器进行仿真研究并在此基础上设计基 于d s p 的控制器。本文主要内容包括： 第一和第二章综述了汽车悬架的种类和半主动悬架的控制方法，并对他们 进行了优缺点的比较在第三章中应用流体力学的薄壁小孔理论，建立了阻尼 可调减振器的数学模型，作者通过仿真研究得到减振器的特性曲线在第四章， 进行l ，4 车辆模型的仿真研究，仿真结果为控制策略研究提供参考。第五章进行 控制策略的研究。作者首先利用m a l la b s l m u u n k 进行了p i d 控制，模糊控 制和模糊自适应控制的仿真，然后对仿真结果进行比较，采用了模糊自适应控 制作为控制器的控制策略。第六章介绍控制器设计，包括：步进电机选型和悬 架控制器的主控芯片的选型；控制器电路板的设计，包括电源电路，外围电路， 电机驱动电路等设计等并对电路板进行可靠性分析；控制软件开发，采用模糊 自适应控制策略开发了悬架d s p 控制器的控制程序，并在实验室进行了初步的 实验验证。 关键词：半主动悬架；减振器：模糊控制：d s p 西华大学硕士学位论文 f u z z yc o n t r o l l e rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f s e m i a c t i v es u s p e n s i o nb a s e do nd s p p o s t g r a d u a t e ：g a oy i e a i a d v i s o r ：c h e n c h o n g w i t ht h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d ，p e o p l en e e db e t t e rq u a l i t yo f t h ev e h i c l e sc o m f o r ta n dr i d i n gs t a b i l i t y i th a sb e c o m em o r ed i f f i c u l tf o rt 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 nt om e e tt h er e q u i r e m e n t s a c t i v e s u s p e n s i o no v e r c o m e st h e d i s a d v a n t a g e s ，h o w e v e r , t h ec o s to fm a n u f a c t u r ea n du i sh i g h s e m i - a c t i v e s u s p e n s i o ni sac o m p r i s es o l u t i o nb e t w e e nt h ep a s s i v es u s p e n s i o na n da c t i v e s u s p e n s i o n ，c o m p e r e dw i t ht h ea c t i v es u s p e n s i o n , i th a ss i m p l e rs t r u c t u r e , h i g h e r s t a b i l i t ya n dl o w e dc o s t a n di tc a na l s or e d u c et h ev e h i c l e su p r i g h ta c c e l e r a t i o n f o rt h i sr e a s o n ，t h er e s e a r c ho ns e m i a c t i v es u s p e n s i o na san e wt e c h n o l o g yh a s a t t r a c t e dm o r ea n dm o r e p e o p l e sa t t e n t i o n 1 n l ep a p e ra i m st od e s i g nt h ed s pc o n t r o l l e rb a s e do nt h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho n t h ed a m p i n ga d j u s t a b l es h o c ka b r b e nn e m a j o rc o n t e n t sa r e a sf o l l o w i n g ： c h a p t e r so n e a n dt w os u m m a r i z et h ec a t e g o r i e so fs u s p e n s i o na n dt h ec o n t r o l m e t h o d so fs e m i a c t i v es u s p e n s i o n ，a n dc o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s b a s e do nb i n 【g h a mf l u i dm o d e lo ft h eh y d r o d y n a m i c st h e o r y , t h ep a p e ra t t e m p t st o e s t a b l i s ht h em a t h e m a t i cm o d e lo fd a m p i n ga d j u s t a b l es h o c ka b s o r b e ri nc h a p m r t h r e e a n dt h r o u g hs i m u l a t i o ns t u d y ，t h ea u t h o rg e t st h ec h a r a c t e r i s t i co l l n eo f d a m p i n ga d j u s t a b l es h o c ka b s o r b e r i nc h a p t e rf b u f ，t h er e s e a r c h e rc o n d u c t e dt h e r e s e a r c ho naq u a r t e rv e h i d e sm o d e l ，t h er e s u l eo fw h i c hm a ys u p p l yr e f e r e n c e st o t h ec o n t r o la l g o r i t h ms t u d y c h a p t e rf i v ei st h es t u d yo nt h ec o n t r o la l g o r i t h ms t u d y i nt h i sc h a p t e r ，t h er e s e a r c h e rf i r s tc o n d u c t e dt h es i m u l a t i o nr e s e a r c ho np i dc o n t r o l ， f u z z yc o n t r o la n da d a p t i v ef u z z yc o n t r o lw i t hm a t i _ a bs i m u l i n kt o o l b o x a n d t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no ft h er e s u l t s ，t h ea u t h o ra d o p t e dt h ea d a p t i v ef u z z yc o n t r o l a st h ec o n t r o ll a wo ft h ec o n t r o l l e ra tl a s t c h a p t e rs i xi n t r o d u c e st h ec o n t r o l l e r d e s i g n t h ec o n t r o l l e rd e s i g ni n c l u d e s ：t h es e l e c t i o no fs t e pm o t o ra n dt h es e l e c t i o n h 西华大学硕士学位论文 o ft h em a i nc p uo ft h es u s p e n s i o nc o n t r o l l e r ；t h ed e s i g na n dt h ea n a l y s i so ft h e r e l i a b i l i t yo ft h ep c b ，i n c l u d i n gp o w e rc i r c u i t ，p e r i p h e r a l c i r c u i ta n ds t e pm o t o r d r i v e rc i r c u i td e s i g n ；t h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o ls o f t w a r ew i t ht h ea d a p t i v ef u z z y c o n t r o lm e t h o d ，a n dt h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n tf o rv a l i d a t i o nh a sb e e nd o n e a tt h e i a b 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 ：s h o c ka b s o r b e r ；f u z z y c o n t r o l ：d s p 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包括其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包括为获得西华大学或其他教育机构的学位 论文或证书所使用过的材料。与我一起工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在导师的指导下取得的，论文 成果归西华大学所有，特此声明! 学位论文作者签名乐洛呦砷年，月3 。日 别磁各mf 日 - 7 5 西华大学硕士学位论文 1 引言 1 1 汽车悬架概述 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。汽车 悬架对汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性都有很大的影响，因此，汽车悬架系统 的设计必须满足行驶平顺性和操纵稳定性的要求。【1 l 悬架主要由弹簧，减振器和导向机构三部分组成，上述三个组成部分分别 起缓冲、导向和减振作用，并相互协调以保证车辆的性能。弹簧用来承受并传 递垂直载荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击了；导向机构使车轮按一 定运动轨迹相对车身跳动，同时也有传递力的作用；减振器用来吸收悬架振动 的能量，并转化为热量耗散掉，使振动迅速衰减。在有的轿车或客车上，为防 止车身在转向等情况下发生过大的横向倾斜，在悬架系统中设置横向稳定杆， 目的是提高侧倾角刚度，使车辆具有不足转向特性，从而改善车辆的操纵稳定 性和行驶平顺性。1 1 0 1 2 汽车悬架的分类及性能比较 当前汽车悬架按工作原理不同可分为被动悬架( p a s s i v es u s p e n s i o n ) 、半主 动悬架( s e m i a c t i v es u s p e n s i o n ) 及主动悬架( a c t i v es u s p e n s i o n ) 三种【3 1 ( 1 ) 被动悬架 被动悬架由弹性元件和不可变参数的减振器组成，汽车绝大多数装有由弹 簧和减振器组成的机械式悬架。如图1 1 所示。 被动悬架没有外部能量输入，弹簧刚度和减振器阻尼系数均不可调。由于 参数不能任意选择和调节，只能在特定工况下达到最优，缺少对变载荷、变车速、 不可预测路况的适应性限制了被动悬架系统性能的进一步提高。硬阻尼的悬架 能保证良好的操纵稳定性，但将更多的路面输入传递给车身当汽车低速行驶 1 西华大学硕士学位论文 在凸凹路面或高速直线行驶时，悬架很硬，驾驶员会对这种不舒服生厌或者造 成货物损坏。软阻尼的悬架使乘座舒适，但它却降低了转弯稳定性、机动性或 斜坡倒车的稳定性。【4 l 设计好一个好的被动悬架在某种程度上优化了乘座舒适性和操纵稳定性， 但这种折衷不能消除。被动悬架的阻尼折衷曲线如图1 2 所示。1 2 1 蜂瑶诤鼍 f k1 - 1 t h e s k e t c h m a p o f p n s s w es u s p e n s i o n l 兰l1 - 1 被动息架示意图 f i g l 0 2t h ec o m p r o m i s eo f p a s s i v es u s p e n s i o nc l a m p i n g 图1 - 2 被动悬架的阻尼折衷 ( 2 ) 主动悬架 主动悬架是一个动力驱动系统，包括测量系统，控制中心、能量源和执行 器四个部分，其原理是测量系统通过传感器获得车辆振动信息，传递给控制中 心进行处理，进而由控制中心发出指令给能量源产生控制力，再由执行器进行 控制，衰减悬架的振动，使悬架总是处于最佳减振状态。由于主动悬架结构复 杂，成本高，需要很大的能量消耗，它的发展受到了一定的制约，只在少数高 级轿车中有所应用。1 6 】 图1 3 为主动悬架的力学模型。其中u 代表力发生器。主动悬架不仅能在启 动、加城速和制动、转向侧倾等行驶工况实时地调节车身运动，而且在高速公 路、坏路面行驶或车辆载荷变化时还能相应调节车身高度，从而使汽车在各种 行驶条件下的乘坐舒适性和行驶安全性同时得到改善。川 2 +。一 西华大学硕士学位论文 u f i g1 - 3q u a r t e rc a l m o d e lo fa c t i v e s u s p e n s i o n 图1 - 31 4 车体主动悬架的力学模型 油气式主动悬架工作原理如图1 - 4 ( a ) 所示，由一个电液比例阀( 针阀) 和一 个机械式压力伺服滑阀构成压力控制阀。当路面激励频率较低( 2 h z 以下) 时， 由计算机对控制阀的线圈施加电流使针阀打开，在控制周的出口处即产生一个 与之成比例的输出电压，通过控制油压缸内的油压以控制汽车的振动；当路面 激励频率适中( 2 7 h z ) 时，主要由滑阀的机械反馈功能对油压缸内的油压进 行伺服控制，从而进行车体减振；当激励频率较高( 7 h z 以上) 时，则利用与 油压缸连通的气体弹簧室吸收振动能量而达到减振。图1 - 4 ( b ) 所示为奔驰轿车上 的 1 油泵；2 油阀：3 控制棚：4 针阀；5 线圈； 6 加速度传感器；7 油压缸；8 气体弹簧室 ( a ) o i la n dg a ss u s p e n s i o n ( a ) 油气悬架 f i g1 - 4 a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m 幽1 4 主动悬架系统 一3 p ) a i rs u s p e n s i o n o ) 空气式悬架 西华人学硕士学位论文 型。 主动悬架系统结构复杂、能耗大、成本高，目前仅用于排量较大的高档车 ( 3 ) 半主动悬架 半主动悬架与主动悬架结构相似，只是半主动悬架用可调刚度的弹性元件 或是可调阻尼的减振器代替主动悬架的力发生器。 阻尼可调半主动悬架根据汽车行驶时的工况，改变减振器的节流口面积或 调节节流阀丌度来调节液力减振器的阻尼，以改善悬架的振动特性图1 5 ( a ) 是半主动悬架减振器阻尼可调的原理图。减振器回转阀上有三个油孔，活塞杆 上有两个通孔，从而可以在大、中、小三档之间转换衰减力。当选阻力小档时， 回转阀上的a 、c 油孔关闭，仅靠单向阀起衰减作用。阻尼力调节特性曲线如图 1 - 5 ( b ) 所示。 瀛爹邋 掣 t 疑 4 誓 曩 a - a _ i 事8 - 8 一一 c - c 一一 结辋原理明 特性缱 f i g1 - 5t h es k e t c hm a p o fa d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c ka b s o r b e r 图1 - 5 可调阻尼力减振器示意图 半主动悬架控制器从传感器接收速度、位移和加速度等信号，按事先存储 的各种行驶条件下最佳弹簧和减振器参数指令来计算出相应的阻尼值，给出控 制信号到减振器回转阀，经控制阀杆调节阀门，使节流孔阻尼变化。唧 半主动悬架具有结构简单，成本较低，基本不需要消耗能量等优点，而对 车身振动的抑制效果在一定程度上却可以接近主动悬架，优于被动悬架。 1 3 汽车悬架系统的发展及现状 ( 1 ) 主动悬架 4 西华大学硕士学位论文 1 9 5 4 年，g m 公司的r s p c l l a b r o s s e 悬架设计中首先提出了主动悬架的思 想。1 9 6 5 年，w o o b s o n 和l r l a w t h e r 又做了类似的研究，t h r o c k w e l l ， j m l a w t h e 和s k i m i c a 作了伺服机构为主动元件的理论研究在2 0 世纪6 0 年 代早期，许多人已经开始了一些基础的研究工作，但首先对主动悬架的基本思 想和控制规律进行归纳和总结的是t h o m p s o n ，t h o m p s o n 证明了主动悬架系统 对提高车辆性能的作用。2 0 世纪8 0 年代初，关于车辆主动悬架系统的研究和开 发成果得到了实现。1 9 8 2 年l o t u s 公司研制出有源主动悬架系统，瑞典v o l v o 公 司在其车上安装了实验性的l o t u s 主动悬架系统。1 9 8 9 年丰田c e l i a 车型上装置了 主动油气悬架系统。尼桑、保时捷、福特、奔驰等公司均在其高级轿车上安装 了各自丌发的主动悬架系统。1 1 0 m l l ( 2 ) 半主动悬架 半主动悬架的概念首先p a c r o s b y 和k a m o p p 于1 9 7 3 年提出，k a m o p p 还提出 天棚阻尼控制模型和实现方法。直到2 0 世纪8 0 年代初期才有试验性的产品问世 随着电子技术和计算机技术的发展，半主动悬架逐步从实验室走向工厂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， 1 9 8 3 年日本丰田汽车公 司丌发了具有3 种减振工况的“开关”式半主动悬架，并应用于t o y o 协s o a r e r 2 8 0 g t 型轿车上1 9 8 6 年，k i mbr o u g h 在半主动悬架控制方法中引入了 l y a p a n o v 方法，改进了控制算法的稳定性1 9 8 8 年日本日产公司首次将“声纳” 式半主动悬架系统应用于m a x i m a s 轿车上，它可预测路面信息，悬架减振器有 “柔和”、“适中”和“稳定”3 种选择状态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运用。1 9 9 4 年，p f i n k o s 等人使用电流 变和磁流变体作为工作介质，研究了新型半主动悬架系统。2 0 0 2 年，采用美国 德尔福( d c l p h i ) 公司磁流变减振器的m a g n e r i d e 半主动悬架系统应用在c a d i l l a c s e v i l l e s t s 高档车上，此悬架系统能根据行驶情况自动改变减振阻尼i 垃廿l 1 4 本课题研究内容和意义 1 4 1 研究内容 ( 1 ) 减振器的数学模型的建立及仿真 ( 2 ) 1 4 , 悬架的数学模型的建立及仿真 一5 西华犬学硕士学位论文 ( 3 ) 半主动悬架控制策略研究 ( 4 ) 半主动悬架控制器硬件的研制 ( 5 ) 半主动悬架控制程序的设计 本课题来源于四川省车辆工程重点学科建设项目，项目编号为； s z d 0 4 1 0 2 。 1 4 2 研究意叉 汽车振动是影响汽车性能的重要因素，这种振动会严重影响汽车的平顺性 和操纵稳定性以及汽车零部件的疲劳寿命。另外。严重的汽车振动还会影响汽 车的行驶速度和产生噪音。因此设计优良的悬架系统，对提高汽车产品的质量 有着极其重要的意义。半主动悬架具有结构相对简单、可靠性好，同时控制性 能接近主动悬架，所以具有更好的发展前景和更合适我国的汽车工业的状况。 减振器是汽车悬架中的关键部件，通过对减振器和悬架建立数学模型，应 用仿真技术可以加快研制的速度和质量。目前我国半主动悬架控制器研制多数 处于理论研究，有些算法只能在理论上可行，实际操作很困难。因此设计一种 实用的控制算法和控制电路很有必要。 6 西华大学硕士学位论文 2 汽车半主动悬架工作原理及控制方法 2 1 半主动悬架参数调节方式 半主动悬架参数调节方式有：调节悬架弹性元件刚度，调节减振器阻尼力， 或两者均可根据需要进行调节 2 1 1 调节弹性元件的刚度” 改变弹簧刚度在目前只有通过切换空气弹簧或油气弹簧来实现。国外，早 在2 0 世纪8 0 年代就已将空气悬架广泛用于拖拉机和牵引车，我国也有在载货车 上成功应用空气悬架的例子，为弹簧刚度控制在国内的实现奠定了基础。另外， 法国雪铁龙轿车有应用可自动调节悬架刚度和阻尼的半主动油气悬架的例子 由于空气弹簧和油气弹簧组件的高精度要求及寿命低、成本高等因素，应用的 比较少图2 1 为空气弹簧 f i g 2 。1a i rs p r i n g 圈2 - 1 空气弹簧 2 1 2 调节减振器的阻尼系数“” 目前。半主动悬架研究主要集中在调节减振器阻尼系数方面。阻尼力可调减 振器分为有级和无级两种形式 ( 1 ) 有级可调减振器 实际上是在减振结构上采用简单控制阀，通过开启，关闭控制阀的阀门，使 阻尼在几个离散的阻尼值之间实现快速切换( 切换时间通常为l o - 2 0 m s ) ，使减 振器阻尼在“软、中、硬”三档之阃变化。其机构见图1 5 虽其结构及控制原 理简单，但其在适应汽车行驶工况、道路及外界条件变化方面有一定局限性 国内丌展半主动减振器有级可调研究较早的单位是北京理工大学，设计了 三级可调减振器，并作了台架试验；吉林大学研制了电磁阀控制的阻尼可调减 振器；t 1 6 1 7 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 无级可调减振器 无级可调减振器的阻尼调节可采用以下两种方式： ( a ) 节流孔径调节 通过步进电机驱动减振器阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变 阻尼。国内江苏大学周立开，陈龙等人研制了用步进电机驱动转阀进行阻尼无 级调节的减振器。 1 7 1 ( b ) 电磁流变液粘性调节 使用粘度连续可调的电流变液体或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼 无级变化。其中电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如粘度、剪 切强度等发生显著变化，因此，将其作为减振液，只需改变其外部施加的电场 强度，便可使电流变液体秸度得以改变。根据流体力学原理。液体粘度越大， 运动时产生的摩擦阻力越大。f 1 8 l 国际上目前已成功开发出商用电流变阻尼器的机构衬1 9 】：德 虱b a y e r 公司， 美国l 0 r d 公司；在磁流变阻尼器开发方面，美国l d r d 公司，德国b a s f 公司等已 有商业产品问世由于在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定度等性能方面， 磁流变液均优于电流变液。因此，磁流变液阻尼器是一种更具发展前景的可控减 振环节。 2 2 半主动悬架的控制方法 目前大多数半主动悬架系统是仅对减振器的阻尼进行实时控制和调节，其 本质就是通过传感器实时测量车辆的运行环境和车身状态，把这些数据传给微 处理器计算出当前最佳阻尼，并用微处理器控制步进电机调节减振器阻尼，使 之达到理想阻尼的大小，从而改善车辆的性能，其关键技术之一是悬架的控制 策略。在半主动悬架提出的3 0 多年时间里，各国学者都尝试着用不同的控制方 法以达到控制的稳定性和有效性。目前应用于车辆悬架控制系统的控制方法主 要有最优控制、自适应控制以及基于模糊控制和神经网络控制的智能控制等三 类控制方法。i z l l 2 2 1p i d 控制 8 西华大学硕士学位论文 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。 2 2 2 线性最优控制 由于地面对车辆的激励是一个随机的过程，所以悬架最优控制的理论基础 是线性随机最优控制理论，它通过建立系统的状态方程提出控制目标和加权系 数，再应用控制理论求解所设目标下的最优控制规律图 最优控制算法需要全状态反馈，完全测量所有的反馈信号所需传感器多， 造价较高；此外，所设计的最优控制器的实际控制效果完全取决于所选用的加 权矩阵，要合理的选取加权矩阵，必须充分了解悬架的工作特点，各项性能指 标的制约关系以及设计意图，因此合理选择加权系数比较困难，需反复调试线 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，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达到预定的性能要求，所以最优控制方法在半 主动悬架控制系统中应用很少。l 明 2 2 3 天棚阻尼器控制方法 半主动悬架最早的控制方法是由美国d k a m 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，褥到了广泛的应用，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。1 2 4 1 1 2 5 1 9 西华大学硕士学位论文 2 2 4 自适应控制 实际悬架工作工程中，至少有两个参数是大范围变化的，如汽车的装载质 量，特别是货车，在空载和满载时变化较大。轮胎的刚度，在充气和未充气时 也变化较大。参数的变化对性能的影响较大。采用自适应控制可以根据工况调 整控制器的参数，使性能保持最佳。 自适应控制方法有自校正控制和模型参考自适应控制：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 应控制是在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 改善车辆的行驶特性，在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用1 捌 2 2 5 模糊控制 模糊理论是美国的自动控制理论专家z a d a h 教授于2 0 世纪6 0 年代初期在 f u z z ys e t s 和 f u z z ya l g o r i t h m 等著作中首先提出，从此，模糊逻辑成为 人们研究的一个热门课题。 最早取得应用成果的是1 9 7 4 年英国伦敦大学教授e h m a m d a n i ，首先利用 模糊控制语句组成的模糊控制器应用于锅炉和汽轮机的运行控制，在实验室中 获得成功。此后，模糊控制在化工、机械、冶金、工业炉窖、水处理、食品生 产等多个领域中得到应用。模糊控制充分显示了在大规模系统、多目标系统、 非线性系统以及无适当传感器可检测的系统中的良好应用效果。 我国模糊控制理论及应用的研究工作是从1 9 7 9 年开始的，大多数是在著名 的高等院校和研究所中进行理论研究。如对模糊控制系统的结构、模糊推理算 法、自学习和自组织模糊控制器，以及模糊控制稳定性问题等的研究，而其成 果主要集中于工业炉窖方面，如退火炉、电弧冶炼炉、水泥窖以及造纸机的控 制等。【s 1 z a d a h 教授认为经典控制论过于强调精确性反而无法处理复杂的系统，当 一个系统复杂性增大时。人们能使它精确化的能力将降低，当达到一定阙值时， 复杂性与精确性将相互排斥，也就是i ；毛，在多变量，非线性，时变的大系统中， 系统的复杂性与人类要求的精确性之间形成了尖锐矛盾因此要想精确的描述 1 0 - 西华大学硕士学位论文 复杂对象与系统得任何物理现象和运动状态，实际上已经是不可能的。关键是 使准确和简明之间取得平衡，而使问题的描述具有实际意义这种描述的模糊 性对问题的求解并非有害，却能高效率的对复杂事件做出正确无误的判断和处 理。因此，模糊控制理论的研究与应用在现代自动控制领域中有着重要的地位 和意义。模糊控制已广泛应用于家用电器，摄像，水泥窑控制、地铁操作、汽 车换档，减振等系统中。 模糊控制是自9 0 年代以来被应用在车辆悬架系统中的新型控制方法，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，这 样在控制过程中就包含有大量人的控制经验和知识，即与人的智能行为相似， 从而提高了理论的可行性。模糊控制器的输入量和输出量均必须有自然语言的 形式描述，而不是以数值形式给出在日本德岛大学芳村敏夫教授同时把模糊 理论应用于车辆悬架半主动和主动控制系统，基于三质量四自由度动力学模型， 在随机激励作用下，用语言变量表示s m 控制模式，采用模糊推理分别构成半主 动和主动控制的模糊控制规则，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日本名古屋大学桥山智 训等采用g a ( g e n e t i ca l g o r i t h m 遗传算法) 设计车辆悬架半主动系统的模糊控制 器，国内合肥工业大学方锡邦等人在汽车半主动控制悬架中应用了模糊控制技 术，实验证明了它的振动性能明显优于被动悬架，江苏大学陈龙教授将自适应 控制和模糊控制相结合的自学习模糊控制技术应用于悬架方面的研究。已经取 得了明显的成绩。1 2 7 j 1 2 8 l 【2 9 l 2 2 6 神经网络控制 神经网络是一个由大量处理单元所组成的高度并行的非线性动力系统。具 有很强的非线性映射能力，是非线性问题处理和解决时交系统问题的有效手段。 也是系统辨识和控制的重要工具，是近年来非常活跃的研究领域。其特点是可 学习性和并行性神经网络是一种变结构系统，能完成对环境的适应过程和对 外界事物的学习过程，因而可通过学习和训练进行自组织以适应不同的信息处 理要求。但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 西华大学硕士学位论文 神经网络控制多以与其它控制方法相结合构成复合控制模式，才能获得更好的 实际应用成果。【刈 2 3 半主动悬架未来发展趋势 ( 1 ) 性能可靠而且廉价。 ( 2 ) 复合控制策略。由于每种半主动悬架的控制策略均各有利弊，因此， 对控制器进行性能优化，各种控制策略的复合成为必然。 ( 3 ) 电流变和磁流交可控减振器的实用性研制。 ( 4 ) 控制器的智能化。具有“路面感应”，控制器能白行根据路况及外部 输入确定最佳控制参数，调节悬架系统弹簧刚度和阻尼力，使汽车乘坐舒适性、 操纵稳定性均处于最佳状态。 2 4 本章小结 半主动悬架具有能量消耗小，结构简单，成本低廉，可靠性高，对半主动 悬架的研究是近几年来的热点。半主动悬架特点概括起来有如下几点： ( 1 ) 半主动系统包括传感器、e c u ，以及阻尼调节执行机构，以闭环方式 来控制阻尼力： ( 2 ) 可采用各种控制簧论，如天棚阻尼控制，线性最优控制，相对控制， 自适应控制，模糊控制，以及多种控制方法的综合； ( 3 ) 对半主动悬架的控制方式有两种：一为对悬架弹簧刚度的控制。二为 对减振器阻尼力控制。 1 2 西华大学硕士学位论文 3 阻尼可调减振器的性能分析与仿真 3 1 阻尼可调减振器的机械结构及工作原理 本实验室自行研制的阻尼可调减振器如图3 1 所示 1 贮液筒2 底阀3 工作缸4 活塞5 转阀6 活塞杆7 控制杆8 肪尘套 9 密封躅l o 电机固定板1 1 电机罩1 2 步进电机1 3 伸张腔1 4 贮液腔1 5 压缩腔 f i g3 - 1t h es h - u c t n r eo ft h ea d j u s t a b l ed a m p i n gs h o c ka b s o r b e r 图3 1 可调阻尼减振器结构图 此减振器除和被动式减振器一样具有压缩阀、伸张阀、流通阀和补偿阀四 个阀外，还增加了转阀和步进电机驱动装置 步迸电机( 1 2 ) 与控制杆( 7 ) 相连，控制秆( 7 ) 和活塞杆( 6 ) 上开有大 小不同的阻尼孔，采用步进电机驱动控制杆转动，能得到五种不同的阻尼系数， 从而实现阻尼的有级调节 3 2 阻尼可调减振器工作特性b ” 3 2 1 战振器的外特性 是指减振器伴随( 相对) 运动的位移或者相对运动的速度，与相应产生的工 作阻力之问的关系，通常指的是示功图和速度特性 ( 1 ) 减振器的示功特性 减振器的示功特性是指减振器往复运动过程中阻尼力与减振器活塞位移之 间的关系 ( 2 ) 减振器的速度特性 1 3 - 凶华大学硕士学位论文 减振器中的阻力f 与减振器活塞速度v 之间的关系。 3 2 2 减振器的内特性 减振器的内特性指的是减振器具体的内部机构特性，减振器的阻尼力主要 靠活塞阀系统和底阀系统上的各个阀门相互配合产生的。减振器的外特性是通 过内特性来实现的。减振器的内特性用工作液作用于阀系形成的压力差( p ) 和 通过阀系统的流量( q ) 的关系来表征的，即：a p = f ( q ) 。 3 3 减振器的匹配啪1 设计减振器时应当满足的基本要求是，在使用期间保证汽车行驶平顺性的 性能稳定。即便减振器本身的性能再好，也只有通过其与悬架刚度和悬架质量 良好的匹配才能发挥悬架的应有作用。也就是要选择好相对阻尼系数作为减 振器的性能，示功图和速度特性的品质决定了它与悬架系统的匹配质量。 根据振动理论和工程经验，悬架阻尼的匹配关系可由下式确定 亭。喜；o 2 0 4 5 ( 3 。1 ) 2 、k m 式中，宇为悬架系统阻尼比( 无量纲) ，c 为悬架减振器的阻尼系数( 1 ( 1 q ，m s 。1 ) ， k 为悬架刚度( k n m ) ，m 为悬架质量( 1 ( g ) 。 3 4 阻尼可调减振器的驱动电机 阻尼可调减振器采用的驱动电机为步进电机。选择步进电机式的原因是； 驱动电路简单，控制简单。本设计采用成都步进电机有限公司生产的d m 4 2 0 5 a 型两帽混合式步进电机，驱动采用该公司的d m d 4 0 2 型驱动模块。 3 5 阻尼可调减振器的数学建模与计算机仿真 3 5 1 阻尼可调减振器结构简图 减振器的结构示意图如图3 - 2 1 4 西华大学硕士学位论文 ( a ) t h es k e t c h m a p o f r e b o u n ds t r o k e ( b ) t h es k e t c h m a p o f c o m p r e s s i o ns t r o k e ( a ) 拉伸行程示意幽( b ) 压缩行程示意图 f i g 3 - 2 t h es k e t c hm a po f s h o c ka b s o r b e r 图3 - 2 减振器的示意图 p 1 - - 活塞上腔的油液压力 p 2 一活塞下腔的油液压力 p 3 储液腔的油液压力 其中压力单位为p a ，面积单位为m 2 减振器在拉伸行程时，流通阀档片与活塞杆之间并没有完全关闭，形成4 个很小的方形阻尼孔，起节流作用。在压缩行程时，挡片完全打开，不起节流 作用。 3 5 2 阻尼可调减振器的数学模型 减振器阻尼特性是决定汽车悬架性能好坏的关键因素为了确定减振器阻 尼力与可调节流口的面积关系，通过对减振器的内部结构特征建立数学模型， 来模拟计算出减振器阻尼力随位移及速度的变化特性而实际上，减振器内部 的油液流动情况十分复杂，阻尼孔形式多样，妻完全通过理论分析建立与实际 情况相符的数学模型很困难的。因此在建立数学模型时候进行了简化处理 我们在建立数学模型之前，先进行如下假设：1 3 3 l 1 不考虑活塞与缸壁之间的泄漏，油液理想的通过阻尼孔 2 不考虑温度变化对油液粘度的影响 1 5 西华大学硕士学位论文 3 不计压力变化引起的系统刚性构件的弹性变形： 4 忽略不计节流过程中产生的油气泡所耗用油液的质量； 5 不计工作油液重力势能的影响； 6 被研究封闭区域内同一瞬时的压力处处相等。 ( 1 ) 拉伸行程数学模型 如图3 2 ( a ) 所示，此减振器在拉伸阶段时，起节流作用的是流通阀上4 个方 形阻尼孔、转阀上2 个可调阻尼孔和控制杆上4 个直径1 r a m 的常通孔 ( a ) 转阀阻尼孔的数学模型 根掘流体力学理论知识，当小孔的流通长度l 和孔径d 之比i d d o 5 时 称为薄壁小孔。通过薄壁小孔的流量可以用下式表示：1 3 1 j q ：啦乎仇 ( 3 - 2 ) 式中 q ，一流经薄壁小孔( 转阀阻尼孔) 的流量 流量系数，无单位 a ，一可调孔日的截面面积( m 2 ) p 一液体密度( k 咖3 ) p z 一转阀阻尼口两端的压差 n ，一起阻尼作用的阻尼孔个数 本减振器的转阀的阻尼孔属于薄壁小孔，可采用公式( 3 2 ) 计算流过阻尼孔 的流量，l = ( 3 4 ) d ，此时的流量系数p = o 8 0 - - 0 8 2 。 ( b ) 常通孔的数学模型 此常通孔属于薄壁小孔，因此可计算出常通孔的流量 式中 q c 啦厍仇 ( 3 - 3 ) q c 一流经薄壁小孔( 转阀阻尼孔) 的流量 1 6 - 鹾华大学硕士学位论文 乒一流量系数 a c 一常通孔的截面面积( m 2 ) p 一液体密度( k g m 2 ) p c 一常通孑l 两端的压差 一常通孔个数 ( c ) 方形阻尼孔的流量： 油液在方形阻尼孔中的流动可以近似为薄壁小孔，由流体力学可得： q ，= 以等 ( 3 4 ) 式中： q f 通过方形阻尼孔的流量 a p , 方形阻尼孔两端的压差 油液的动力粘度 4 方形阻尼孔的截面积 n ，方形阻尼孔数 由于流过方形阻尼孔的流量为流过常转阀阻尼孔的流量和流过常通孔的流 量之和，即q f q z + q c 拉伸工况下，认为底阀座上的补偿阀充分打开，低速时不起节流作用，高 速时节流作用也极其微小，可近似认为1 2 = p 3 转阀阻尼孔和常通孔都是位于控制杆上，转阀阻尼孔和常通孔两端的压差 相同，所以bt p c 活塞两端的压差：n 一 2 一a p z + p f t p c + p f 。 在拉伸阶段不考虑油液泄漏，认为油液全部从活塞上油腔经转阀阻尼孔、 常通孔和方形阻尼孔流入活塞下油腔即有： q f = q z + q c 。一如) 矿( 3 - 5 ) 其中： v 一为活塞运动速度 1 7 - 两华大学硕士学位论文 a 。活塞端面积 a 。活塞杆面积 出上面所述可得到方程组 q ：= a ：挚 a 。- p 彳。孚仉 q f 一弘a f 0 型争狂f p z1 p c o f q z + q c 一( 么一a c ) v p 1 一尸2 p 24 - a p p a p c + p f 卜瓮群 卜糕形 将q z 、q c 代入上式可得： 必。墼l 唑y ： 2 肛2 ( 也n z + 如n c ) 2 p f = 警群矿 尸1一p2=pz+pf=f业2，,2(aznz+4cnc)z+警群)矿 由流体力学可得拉伸阶段的阻尼力瓦： e 一( 爿盯一彳。) ( p 1 一p 2 ) - 学。乙i ：丙：_ 丽1 1 & ( 3 7 ) ( 3 - 8 ) ( 3 9 ) ( 3 - l o ) + j 一v 2 2 2 a f “p ( 3 - 1 1 ) 西华大学硕士学位论文 ( 2 ) 压缩行程数学模型 压缩行程的节流形式与拉伸行程的节流形式不同。如图3 1 1 所示，当减振 器处于被压缩状态时，