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汽车主动悬架建模与分析【14200字】【优秀机械毕业设计论文】

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参考资料

车辆主动悬架控制器的仿真设计.pdf---(点击预览)

汽车主动悬架建模试验.pdf---(点击预览)

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开题报告_05汽服1w_张杰_.doc---(点击预览)

利用MATLAB的汽车主动悬架动力学仿真.pdf---(点击预览)

主动悬架在MATLAB上的模拟仿真.pdf---(点击预览)

主动悬架LQG控制器设计.pdf---(点击预览)

MATLAB仿真的汽车主动悬架与被动悬架的研究.pdf---(点击预览)

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关键词：: 汽车主动悬架建模分析优秀优良机械毕业设计论文

资源描述：

文档包括:
说明书一份，34页，14200字左右。
开题报告一份。

汽车主动悬架建模与分析

摘要：悬架系统是保证车辆乘坐舒适性和行驶安全性的重要部件之一。传统的被动悬架由于参数一经确定就不能改变，汽车在不同的工况下运行时很难协调好乘坐舒适性和行驶安全性之间的矛盾。主动悬架可由外界输入或汽车本身姿态的变化动态自适应调节刚度或阻尼，保证悬架系统始终能工作在最优状态下，从而有效改善车辆的乘坐舒适性和行驶安全性。
本设计采用LQG最优控制策略对主动悬架进行控制，利用MATLAB软件搭建主动与被动悬架动力学模型，并进行仿真计算分析，结果表明，与传统的被动悬架系统相比，通过LQG控制后主动悬架车身垂直加速度的标准差下降了52%，较好提高了汽车的行驶平顺性，为主动悬架系统的工程实际应用奠定一定的基础。
关键词：汽车；主动悬架；LQG控制；MATLAB;仿真

Automotive Modeling and Analysis of Active Suspension

Abstract: The suspension system is one of the important parts to ensure that vehicles traveling comfort and safety. As a result of the traditional parameters of the passive suspension can not be changed once these are identified, it is difficult to coordinate the conflict between the travel comfort and safety when the cars running on different operating conditions. Active Suspension by external input or changes in vehicle posture adaptive dynamic stiffness or damping to ensure the suspension system will always be able to work in optimal conditions, so as to effectively improve vehicle ride comfort and driving safety.
The design of LQG optimal control strategy for active suspension control, the use of MATLAB software to build active and passive suspension dynamics model, simulation and analysis results show that compared with the traditional passive suspension system, through the LQG control’s active suspension after the body of the standard deviation of vertical acceleration decreased by 52%, It’s better to improved the car‘s driving comfort, lay a foundation for the active suspension system for the practical application of engineering.
Key words: Automobile; Active suspension; LQG control; MATLAB; Simulation

第1章绪论 1
1.1选题背景 1
1.2车辆悬架概述 1
1.2.1悬架的组成 1
1.2.2汽车性能与悬架的关系 2
1.2.3悬架的发展 2
1.2.4几种悬架性能的比较 5
1.2.5主动悬架的发展趋势 7
1.2.6主动悬架的技术现状 7
1.3主动悬架系统的控制理论和方法 7
1.3.1最优控制 8
1.3.2自适应控制策略 9
1.3.3范数最优控制策略 9
1.3.4预见控制 9
1.3.5模糊控制和神经网络控制策略 10

1.4本课题研究的主要内容、方法及意义 10
1.4.1主要内容 10
1.4.2研究意义 11

第2章主动悬架动力学模型 12
2.1路面模型 13
2.2悬架系统动力学模型 15
2.2.1 主动悬架动力学模型 15
2.2.2 被动悬架动力学模型 17

第3章 LQG控制器的设计 20
3.1主动悬架LQG控制原理 20
3.2主动悬架LQG控制系统设计 20

第4章模拟仿真分析 23
4.1路面模型的仿真 23
4.2主动悬架在MATLAB上的仿真实现 24
4.3 SIMULINK仿真模型 25
4.4悬架系统仿真对比分析 25

第5章结论与展望 31
5.1结论 30
5.2进一步研究与展望 30

参考文献 32
致谢 34

毕业设计（论文）开题报告
一、课题的意义目的
主动悬架是一种可较好兼顾乘坐舒适性和操纵稳定性的悬架系统，是汽车悬架系统未来的发展趋势，已经成为了汽车工程师们面临的新课题。
主动悬架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，本设计将建立主动悬架的动力学模型，研究LQG控制策略研究主动悬架系统的控制，通过改变主动悬架作动器的作用力，以减少车身垂直加速度的变化，提高汽车平顺性，并保证在弯曲路段和高速行驶时的操纵稳定性。对于改善汽车的动力学性能具有重要意义，为主动悬架系统的工程实际应用奠定一定的基础。
二、任务分析
1. 设计主动悬架控制系统框图；
2．确定主动悬架控制策略；
3．搭建主动悬架控制系统模型；
三、设计方案
分析主动悬架结构特点，在simulink中建立主动悬架模型，设计主动悬架控制系统框图，确定主动悬架控制策略，搭建主动悬架控制系统模型，采用仿真软件MATLAB6.5仿真计算，给出车身垂直加速度图。
四、预期成果
根据搜集整理的各种主动悬架方面的资料绘制主动悬架控制系统框图，在matlab中建立主动悬架控制系统模型，并进行仿真计算，将LQG控制的车辆的平顺性能与传统的被动系统进行对比分析，绘出车身垂直加速度图形。
五、进度安排
2008.12.01-2008.12.31 搜集主动悬架方面资料，学习matlab，完成开题
2009.01.01-2009.03.31 确定主动悬架控制策略，搭建主动悬架控制系统模型
2009.04.01-2009.05.31 仿真计算，给出车身垂直加速度图
20090.06.01-2009.06.15 写设计说明书，答辩
六、参考文献
［1］郭晓潞．半主动悬架与整车性能匹配[D]．上海:同济大学，1998．
［2］方子帆，邓兆祥，郑玲．汽车半主动悬架系统研究进展[J]．重庆大学学报．2003(1)：104～108．
［3］刘飞．半主动悬架系统与车辆性能的协调研究[D]．镇江：江苏大学，2003．
［4］李静．车辆悬架阻尼控制与可调减振器的研制[D]．吉林:吉林工业大学, 2000．
［5］余强等．汽车悬架控制技术的发展[J]．汽车技术．1994(9)：1～6．
［6］王世明等．半主动悬架及其控制[J]．汽车技术．1999(12):1～3．
［7］朱敏杰．汽车半主动悬架的智能控制研究[D]．合肥：合肥工业大学，1999．
［8］张庙康等．车辆悬架振动控制系统研究的进展[J]．振动、测试与诊断．1997(1)：7～15．
［9］刘少军，钟掘，郭淑娟．最优预见控制设计及在汽车主动悬架控制中的应用[J]．中南工业大学学报，1997(2)：174～177．
［10］喻凡，郭孔辉．车辆悬架的最优自适应与自校正控制[J]．汽车工程，1998(4)：193～205．
［11］陈志林．汽车主动悬架系统的渐进稳定自适应控制[J]．清华大学学报(自然科学版)．1997 (12)：106～110．
［12］肖寒松．汽车半主动悬架的自适应控制研究[D]．合肥：安徽工学院，1996．
［13］吴乐．汽车半主动悬架的模糊逻辑控制研究[D]．合肥：合肥工业大学，1998．
［14］陈龙，李德超，薛念文，周孔亢．基于模糊控制理论的自适应模糊控制半主动悬架研究[J]．农业工程学报，2001(6)：9～12．
［15］余志生.汽车理论(4版)[M].北京:机械工业出版社,2006.

指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）。

该课题涉及悬架、控制理论和matlab等多方面知识，具有一定的理论深度和工程实用价值；对主动悬架进行动力学分析，设计主动悬架控制系统框图，选用合适控制策略实现对主动悬架作动器作用力的控制，运用matlab中的simulink搭建主动悬架及其控制系统模型，方案拟利用matlab平台实现主动悬架系统的模拟与仿真，具有一定的广度和深度，工作量饱满；从开题报告中对课题方案的设计阐述，符合该生的知识水平和校内设计的软硬件条件。因此，预计能实现simulink对汽车主动悬架建模与分析的设计要求。

内容简介：: 15 12003 崔霞 , 等群体智慧在综合集成研讨厅体系中的涌现 153 式知识配合讨论将显式知识转化为新的显式知识并用计算机记录下来从而不仅扩大丰富了个人和群体的知识而且使计算机的知识得到了扩充因此专家群体在基于学习型组织的有效互动规范下的研讨过程是知识产生的过程是群体智慧涌现的过程从思维的集体本质和知识产生的角度理解群体智慧产生并存在于专家群体的有效互动中在综合集成研讨厅体系中广义专家群体的有效互动过程在个体层次上包含了个人的认知判断和推理是无法预测的随机无序的但是在整体层次上导致了充满链接的有序结构这种网络结构蕴涵了关于交互内容的丰富信息在广义专家有效互动过程形成的有序网络链接结构中专家的每次发言理解为一个节点供的与者群体关于问题的几种代表性见解理解为相应数量的节点每个节点包含两个属性见解质量属性和响应质量属性专家发言中对以前发言的响应或者评价理解为代表发言的节点之间的有向边从而广义专家互动过程形成的网络链接结构可以用有向属性图表示在广义专家互动过程中和比较专家的发言类似于一个网页包含了个人对问题的认知和推理专家发言中对其他发言的评价或者响应类似于网页之间建立超链接而专家相当于网页创建者在综合集成研讨厅体系和这种个体层次上的交互都包含了创建者的对问题的认识和理解是无法预知和预测的随机无序的但导致了整体充满链接的网络结构网络结构中蕴涵了丰富的信息群体智慧形成并存在于网络结构中因此广义专家群体互动过程形成的网络链接结构和网络链接结构有结构相似性但是广义专家群体的互动过程面向复杂问题而面向方方面面问题的所以综合集成研讨厅体系网络结构的有向属性图的节点集合和相当于的 T 集合应用解和推理概念本文建立了理解综合集成研讨厅体系的接结构分析方法从系统角度用计算方法理解并使得蕴涵在综合集成研讨厅体系网络结构中的群体智慧涌现出来用实例说明了该算法有效性因此综合集成研讨厅体系产生和涌现群体智慧应用群体智慧求解复杂问题的知识系统参考文献1 钱学森 , 于景元 , 戴汝为 . 一个科学新领域开放的复杂巨系统及其方法论 J. 自然杂志 , 1990, 13(1): 32 王寿云 , 于景元 , 戴汝为等 . 开放的复杂巨系统 J. 浙江 : 科学技术出版社 , 1996, 2783 钱学森 . 创建系统学 M. 山西 : 科学技术出版社 , 2001, (11): 664 戴汝为 , 王珏 , 田捷 . 智能系统的综合集成 M. 浙江 : 科学技术出版社 , 1995, (12).5 戴汝为 . 大成智慧工程 J. 冶金自动化 , 2000, (1): 16 “ 7 L8 , . M. 1995: 1669 . in a Jof 1999, (5): 60410 , , . eb 91998. L.11 操龙兵 , 戴汝为 . 集智慧之大成的信息系统 J. 模式识别与人工智能 , 2001, 14(1): 112 H. An to 1965, 28: 37713 . A J1953, 18: 3914 , . M. 1990.15 M. 996.16 y M. 998.17 , . J. 1995, 6218 A. a J. 1993, (7 8119 P. J. 1991, 2(1): 8820 . M. 1979.21 A. M. 1984.22 . M. 1997.23 G. in J1991, 2(1): 7124 . Z. 1992.25 , A. a of M. 1978.26 . M. 40 页驶平顺性和操纵稳定性提高了汽车的乘坐舒适性当然在汽车的实际行驶当中会受到多种因素的影响和干扰模拟结果和实际情况相比存在一定的出入但是它在一定程度上反映了优控制算法对主动悬架是行之有效的参考文献1 , A. An an J. 1998, 29: 512 A, S, A. of to of J. 1986, 15: 1033 何渝生 . 汽车控制控制理论基础及应用 M. 重庆 : 重庆大学出版社 , 1999.4 欧阳黎明 . 制系统设计 M. 北京 : 国防工业出版社 ,1999.5 黄文梅 , 等 . 系统分析与仿真言及应用 M. 北京 :国防科技大学出版社 , 1999.6 余志生 . 汽车理论 M. 北京 : 机械工业出版社 , 1999.利用车主动悬架动力学仿真李迪1，郭忠菊2，王军方2，陈才伟3（1. 山东理工大学交通与车辆工程学院，山东淄博 255049；2. 山东高等交通技工学校，山东临沂 276002； 3. 蓬莱市交通局，山东蓬莱 265600）摘要：基于主动悬架车辆 1 / 4 动力学模型，采用优调节器理论确定了主动悬架的最优控制方法，利用件建立了主动悬架汽车动力学仿真模型，并用某一车型数据进行了动力学分析和仿真 . 仿真输出量可作为评价主动悬架的控制方法和与平顺性有关的车辆结构参数的依据词：主动悬架；仿真；分类号： 9 文献标识码： i, . 55049， . 76002, 3. 65600, is to of on of of of is to to be to of of in to 作为现代汽车上重要的总成之一，对汽车的平顺性、操纵稳定性等有重要的影响 . 传统的被动悬架虽然结构简单，但其结构参数无法随外界条件变化，因而极大的限制了悬架性能的提高 . 主动悬架通过采用激励器取代被动悬架的弹性和阻尼元件，组成一个闭环控制系统，根据汽车的运动状态和当前激励大小主动做出反应，使其始终处于最佳工作状态目前世界上最为流行的以数值计算为主的软件，不但具有卓越的数值计算功能和强大的图形处理能力，而且还具有在专业水平上开发符号计算、文字处理、可视化建模仿真和实时控制能力，使为适合多学科、多部门要求的新一代科技应用软件 . 在有一个对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，与传统的仿真软件包相比，具有更直观、方便、灵活的优点1 理工大学学报 (自然科学版 ) 17 卷第 6 期2003 年 11 月收稿日期 2003 简介李迪 (1970-)，男，副教授，博士研究生编号： 1672003)0617 62003230 0 0 00 1 0 0 00 0 0 0 - 2f 0A =1 00 0 0 0 2 B =a)被动悬架 (b)主动悬架图 1 悬架结构原理0 0 0 0 00 0 0 0 00 0 - 0 - q1 李迪，等：利用汽车主动悬架动力学仿真1 主动悬架汽车动力学模型的建立本文用 1 / 4 车辆模型分析车辆特性 . 被动悬架的结构原理如图 1(a)所示，图中 b、别代表车辆的 1 / 4 车体重、半桥重、悬架刚度、轮胎刚度、悬架阻尼、车体位移、车桥位移、路面输入 . 主动悬架的结构原理如图 1(b)所示，图中加设了一个激励器，励器产生的控制力，大小根据系统的状态变量调节 .21. 1 主动悬架的动力学方程3. + ) X. - - - )定义状态变量 X = x1 x2 x3 x4 = Xb Xw w ，路面输入模型为白噪声， x5 = 2 W( t)，截断频率，粗糙度系数，辆前进速度 . 代入上述的动力学方程，可以得到 X= 里1. 2 优控制最优控制目标是使车体的垂直加速度、轮胎动载荷最小，同时将悬架动挠度保持在允许的范围内线性二次调节器是设计最优动态调节器的一种状态空间技术. 为实现上述控制目标本文采用术4， 5，引入下面的制器性能指标泛函J = 1T + + X. 系数，代表性能指标的重要程度 . 制动态轮胎载荷的权系数，制悬架动挠度的权系数态变量 X 代入上述的泛函并化为二次形式为J = 1T 2*3)这里，24图 2 主动悬架仿真模型山东理工大学学报 2003 年0 0 - R =1 动悬架在的仿真实现某型车的相关计算参数为： 320 40 2 000N / m， 200 000N / m， 20s / m， 5 10- 6 20m / s， 0. 01 8 000 些参数代入上述的表达式 A， B， Q， R， N，利用函数 K, S, E = A, B, Q,R, N)求得最优反馈增益矩阵 K、程的稳态解 S 和闭环系统的特征值 1433. 4 - 403. 65 - 16800 16154 709. 42S =4. 5453 0. 0082 10. 032654309590. 0082 0. 15870040 0. 7956789110. 032 0. 0040 44. 7946145496543 0. 7956614 808. 683709597891549-796. 37 827. 61E =0783+70. 892i，0783892i，2069+2. 242220692422i，- 0. 06282. 1 真模型根据上述的主动悬架动力学模型和最优控制策略，可建立仿真模型 . 在的真模型如图 2 所示 2 仿真输出系统的仿真输出量为下列四个参数：汽车车身垂直振动加速度、悬架的动挠度、轮胎的变形、轮胎跳动加速度 . 这些参数是衡量汽车平顺性和安全性非常重要的量 . 在图 2 中的示波器示该示波器输出车身垂直振动加速度的波形，示波器示该示波器输出悬架动挠度的波形，示波器示该示波器输出轮胎变形的波形，示波器示该示波器输出轮胎跳动加速度的波形模拟仿真，得到相应的输出量图形为图 3 车身垂直振动加速度图 4 悬架的动挠度李迪，等：利用汽车主动悬架动力学仿真图 5 轮胎变形图 6 轮胎跳动加速度3 结束语利用件对安装有主动悬架的汽车进行动力学仿真，可以很方便的建立动力学仿真模型，可以方便的对车身垂直振动加速度、悬架动挠度等变量进行跟踪，就能利用国际标准的方法进行车辆的平顺性评价 . 仿真结果可以帮助评价与汽车平顺性有关的的结构参数，也可以帮助选择最优调节器的控制方法和控制器的设计 . 本文为了说明方便，利用的是 1 / 4车辆动力学模型 . 为提高车辆动力学仿真的精度，可以增加系统自由度，采用整车动力学模型文献：1 薛定宇 . 控制系统计算机辅助设计言及应用 M. 北京清华大学出版社， 1996.2 祁建城，李若新 . 汽车主动悬架最优控制 J. 汽车工程 , 1999(1) 153 余志生 . 汽车理论（第 2版） M. 北京：机械工业出版社， 1998.4 G. . 1984, 13 615 A， , . . _2009_届毕业设计（论文）开题报告题目电动助力转向系统对汽车操纵稳定性的影响学院汽车工程学院专业汽车服务工程姓名张杰 _ 班级 05 汽服 1W 指导教师 _ 袁传义设计地点江苏技术师范学院起止日期 2008 年 12 月 30 日 2009 年 6 月 20 日 2008 年 1 月 10 日毕业设计（论文）开题报告一、课题的意义目的电动助力转向是汽车动力转向的新技术与新结构 ,代表了汽车转向技术的发展方向。目前国内电动助力转向研究领域，对随着对从常规助力控制、阻尼控制和回正控制向以提高车辆操纵稳定性为目标的控制发展。研究使迅速的控制方法，使整车具有更好的响应特性，从而使二、研究的内容及过程主要研究内容如下 : (1)分析电动助力转向系统的结构特点及对汽车转向性能的影响，建立 (2)对理想的助力特性设计相应的控制算法，采用仿真软件 (3)应用整车三自由度模型对汽车的操纵稳定性进行分析，研究为此基础上，研究装有提高汽车操纵稳定性。（ 4）设计电动助力转向控制系统框图，建立电动助力转向控制系统模型。（ 5）采用仿真软件真计算，给出横摆角速度图形。三、预期成果根据搜集整理的各种资料绘制电动助力转向控制系统框图，建立电动助力转向控制系统模型，仿真计算出横摆角速度图形，分析使应更稳定、更迅速的控制方法，从而满足电动助力转向的设计要求，提高车辆的操纵稳定性。四、进度安排调研收集资料、整理开题报告建立系统模型、确定控制策略、设计控制系统框图搭建控制系统模型、仿真计算出横摆角速度图形写设计说明书，答辩五、参考文献 1陈家瑞第 2版 (下册 )M 机械工业出版社， 2余志生版 M机械工业出版社， 3喻凡，林逸 M 机械工业出版社 ,4唐新蓬等 M科学出版社 ,5林逸，施国标公路交通科技， 2001, 6季学武，陈奎元动力转向系统的发展与节能 J，世界汽车， 1999， (5)10： 77郭顺生，李益兵，杨明忠汽车电动动力的转向的发展与研究 J，北京汽车， 2001，4(10)： 178王沐然 M，北京：电子工业出版社， 2002， 989陈桂明，张明照，戚红雨，张宝俊 M科学技术出版社 ,2001 10张景绘 M,北京 :国防工业出版社， 2000 11宗长富，郭孔辉汽车操纵稳定性的研究与评价 J，汽车技术， 2000， 6(6)：1512宗长富，郭孔辉汽车操纵稳定性的主观评价 J,汽车工程， 2000(5) 13赵又群，瓤孔辉汽车操纵性评价指标的研究 J,汽车工程， 2001(1) 14汽车工程手册编委会汽车工程手册 M，北京：人民交通出版杜， 2000，5615佐藤武等吴关昌，陈倩译 M，北京：机械工业出版杜 ,1998 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）。指导教师 _ 年月日系（教研室）意见：主任： _ 年月日注：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，经导师签署意见及所在系（教研室）审核后生效。江苏技术师范学院二 00九届毕业设计（论文）任务书学院汽车工程学院班级 05汽服 1W 姓名殷雪梅题目汽车主动悬架建模与分析指导教师袁传义来源结合工程、结合科研、教研课题，其他（含自拟课题等）主要内容及基本要求 1、基本要求：设计主动悬架控制系统框图，使用件建立主动悬架模型，在进行仿真计算，给出垂直加速度图。 2、主要内容：（ 1）在建立主动悬架模型（ 2）设计主动悬架控制系统框图（ 3）确定主动悬架控制策略（ 4）搭建主动悬架控制系统模型（ 5）仿真计算，给出垂直加速度图主要技术指标 1、设计主动悬架控制系统框图 2、在搭建主动悬架控制系统模型 3、在仿真计算，给出垂直加速度图进度安排起迄日期内容集主动悬架资料，学习成开题确定主动悬架控制策略，搭建主动悬架控制系统模型仿真计算，给出垂直加速度图写说明书，答辩参考文献 1 余志生汽车理论第 2 版北京：机械工业出版社， 1998 2 孙建民，王芝秋，张新玉车辆主动悬架系统的适应控制 J汽车工程 2003， 25(4)： 360363 3 王国丽，顾亮，孙逢春车辆主动悬架的现状和发展趋势 J兵工学报 2000(21)：8083 4 陈龙，杨谋存，薛念文等基于糊模型的半主动悬架控制研究 J江苏大学学报 2004， 25(5)： 385388 5 傅志方，张志谊，华宏星半主动悬架控制的 H方法 J振动工程学报 1998， 12(1)： 3338 6 张志谊，傅志方，华宏星悬架的半主动控制 J上海交通大学学报 1999， 33 (3) ：350353 指导教师 _ 2008 年 12 月 1 日专业系审核意见符合毕业设计立题要求，同意立题。系主任 _ 2008 年 12 月 1 日说明：毕业设计任务书由指导教师根据课题的具体情况填写，经专业系审核并由系主任签字后生效。此任务书在毕业设计开始前一周内填写并发给学生。汽车主动悬架建模与分析学院名称：汽车工程学院专业：汽车服务工程班级： 05汽服 1W 姓名：殷雪梅指导教师：袁传义导师职称：讲师 2009年 6 月本科毕业设计（论文） 2009 届毕业设计（论文）开题报告题目汽车主动悬架建模与分析学院汽车工程学院专业汽车服务工程姓名殷雪梅班级 05 汽服 1W 指导教师袁传义设计地点汽修楼起止日期 2008 年 12 月 1 日 2009 年 6 月 15 日 2008 年 12 月 20 日毕业设计（论文）开题报告一、课题的意义目的主动悬架是一种可较好兼顾乘坐舒适性和操纵稳定性的悬架系统，是汽车悬架系统未来的发展趋势，已经成为了汽车工程师们面临的新课题。主动悬架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，本设计将建立主动悬架的动力学模型，研究制策略研究主动悬架系统的控制，通过改变主动悬架作动器的作用力，以减少车身垂直加速度的变化，提高汽车平顺性，并保证在弯曲路段和高速行驶时的操纵稳定性。对于改善汽车的动力学性能具有重要意义，为主动悬架系统的工程实际应用奠定一定的基础。二、任务分析 1. 设计主动悬架控制系统框图； 2 确定主动悬架控制策略； 3 搭建主动悬架控制系统模型；三、设计方案分析主动悬架结构特点，在设计主动悬架控制系统框图，确定主动悬架控制策略，搭建主动悬架控制系统模型，给出车身垂直加速度图。四、预期成果根据搜集整理的各种主动悬架方面的资料绘制主动悬架控制系统框图，在建立主动悬架控制系统模型，并进行仿真计算，将制的车辆的平顺性能与传统的被动系统进行对比分析，绘出车身垂直加速度图形。五、进度安排搜集主动悬架方面资料，学习成开题确定主动悬架控制策略，搭建主动悬架控制系统模型仿真计算，给出车身垂直加速度图写设计说明书，答辩六、参考文献 1 郭晓潞半主动悬架与整车性能匹配 D上海 :同济大学， 1998 2 方子帆，邓兆祥，郑玲汽车半主动悬架系统研究进展 J重庆大学学报 2003(1)： 104 108 3 刘飞半主动悬架系统与车辆性能的协调研究 D镇江：江苏大学， 2003 4 李静车辆悬架阻尼控制与可调减振器的研制 D吉林 :吉林工业大学 , 2000 5 余强等汽车悬架控制技术的发展 J汽车技术 1994(9)： 1 6 6 王世明等半主动悬架及其控制 J汽车技术 1999(12):1 3 7 朱敏杰汽车半主动悬架的智能控制研究 D合肥：合肥工业大学， 1999 8 张庙康等车辆悬架振动控制系统研究的进展 J振动、测试与诊断 1997(1)：7 15 9 刘少军，钟掘，郭淑娟最优预见控制设计及在汽车主动悬架控制中的应用J中南工业大学学报， 1997(2)： 174 177 10 喻凡，郭孔辉车辆悬架的最优自适应与自校正控制 J汽车工程， 1998(4)：193 205 11 陈志林汽车主动悬架系统的渐进稳定自适应控制 J清华大学学报 (自然科学版 ) 1997 (12)： 106 110 12 肖寒松汽车半主动悬架的自适应控制研究 D合肥：安徽工学院， 1996 13 吴乐汽车半主动悬架的模糊逻辑控制研究 D合肥：合肥工业大学， 1998 14 陈龙，李德超，薛念文，周孔亢基于模糊控制理论的自适应模糊控制半主动悬架研究 J农业工程学报， 2001(6)： 9 12 15 余志生 4 版 )M机械工业出版社 ,2006. 指导教师意见（对课题的深度、广度及工作量的意见和对毕业设计（论文）结果的预测）。该课题涉及悬架、控制理论和多方面知识，具有一定的理论深度和工程实用价值；对主动悬架进行动力学分析，设计主动悬架控制系统框图，选用合适控制策略实现对主动悬架作动器作用力的控制，运用的建主动悬架及其控制系统模型，方案拟利用台实现主动悬架系统的模拟与仿真，具有一定的广度和深度，工作量饱满；从开题报告中对课题方案的设计阐述，符合该生的知识水平和校内设计的软硬件条件。因此，预计能实现汽车主动悬架建模与分析的设计要求。指导教师 _ 年月日系（教研室）意见：主任： _ 年月日注：开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一，此报告应在导师指导下，由学生填写，经导师签署意见及所在系（教研室）审核后生效。说明书（论文） I 汽车主动悬架建模与分析摘要：悬架系统是保证车辆乘坐舒适性和行驶安全性的重要部件之一。传统的被动悬架由于参数一经确定就不能改变，汽车在不同的工况下运行时很难协调好乘坐舒适性和行驶安全性之间的矛盾。主动悬架可由外界输入或汽车本身姿态的变化动态自适应调节刚度或阻尼，保证悬架系统始终能工作在最优状态下，从而有效改善车辆的乘坐舒适性和行驶安全性。本设计采用优控制策略对主动悬架进行控制，利用件搭建主动与被动悬架动力学模型，并进行仿真计算分析，结果表明，与传统的被动悬架系统相比，通过制后主动悬架车身垂直加速度的标准差下降了 52%，较好提高了汽车的行驶平顺性，为主动悬架系统的工程实际应用奠定一定的基础。关键词：汽车；主动悬架；真 is of to As a of of be it is to on by or in or to be to in so as to QG to QG s of 明书（论文） II of 2%, Its to s a of 明书（论文）录第 1 章绪论 . 1 题背景 . 1 辆悬架概述 . 1 架的组成 . 1 车性能与悬架的关系 . 2 架的发展 . 2 种悬架性能的比较 . 5 动悬架的发展趋势 . 7 动悬架的技术现状 . 7 动悬架系统的控制理论和方法 . 7 优控制 . 8 适应控制策略 . 9 数 H 最优控制策略 . 9 见控制 . 9 糊控制和神经网络控制策略 . 10 课题研究的主要内容、方法及意义 . 10 要内容 . 10 究意义 . 11 说明书（论文） 2 章主动悬架动力学模型 . 12 面模型 . 13 架系统动力学模型 . 15 动悬架动力学模型 . 15 动悬架动力学模型 . 17 第 3 章制器的设计 . 20 动悬架制原理 . 20 动悬架制系统设计 . 20 第 4 章模拟仿真分析 . 23 面模型的仿真 . 23 动悬架在的仿真实现 . 24 真模型 . 25 架系统仿真对比分析 . 25 第 5 章结论与展望 . 31 论 . 30 一步研究与展望 . 30 说明书（论文） V 参考文献 . 32 致谢 . 34 江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 1 页共 34 页第 1 章绪论选题背景为了满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式一直在不断地更新和完善。传统的被动悬架只能保证在一种特定道路和速度下达到性能最优状态，它的阻尼和刚度参数一般按经验设计或优化设计方法选择，一经选定，在车辆行驶过程中就无法进行调节，因而不能适应车辆参数、运行工况等的复杂多变。在某个特定工况下按目标优化出的被动悬架系统，一旦载荷、车速和路况等发生变化，悬架在新的工况下便不再是最优。为了克服被动悬架的缺陷和改善汽车悬架的性能，汽车工业中出现的主动 ,半主动悬架。 1954 年，司悬架设计中首先提出了主动悬架的思想。之后，汽车主动、半主动悬架的研究逐渐展开，并且日益深入。主动悬架采用有源或无源可控元件组成一个闭环或开环的控制系统，根据车辆系统的运动状态和外部输人的变化 (路面激励或驾驶员方向盘操作 )做出反应，主动地调整和产生所需的控制力，使悬架始终处于最佳减振状态。主动悬架由控制系统和执行机构组成，执行机构为有源液压系统的主动悬架简称全主动悬架，而无源主动悬架则简称半主动悬架。半主动悬架由可调弹簧或可调阻尼器构成，与全主动悬架相比，最大优点是工作几乎不消耗发动机的功率，结构简单，造价较低，因此受到广泛重视；主动悬架可以明显改善汽车的乘坐舒适性，目前，虽然由于成本较高，主动悬架还没有得到广泛应用，但是，随着汽车工业的发展，主动悬架迟早会在各种车型中普及。控制理论是主动悬架的核心，随着对控制理论研究的不断深入以及各种软、硬件技术的发展，主动悬架的技术也会逐步走向成熟，从而大大提高汽车的使用性能。辆悬架概述架的组成悬架一般由弹性组件、导向机构、减振器等组成。弹性组件用来承受并传递垂直载江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 2 页共 34 页荷，缓和由于路面不平引起的对车身的冲击。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。减振器是悬架系统最复杂的部件，它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。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。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。车性能与悬架的关系舒适性是现代高速、高效率轿车最主要的性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有特性与悬架的特性相关，所以，悬架系统是保证车辆舒适性的重要部件。同时，车辆悬架作为车架（或车身）与车轴（或车轮）之间的传力连接机件，又是保证车辆行驶安全的重要部件。因此，对车辆悬架的研究是当今汽车工业界的关键课题之一。然而，车辆的乘坐舒适性和行驶安全性对悬架的要求是相互矛盾的。从舒适性角度来说，悬架应该 “ 软 ”些，以提高舒适性；而从安全性来说，要求悬架应该 “硬”些，以提高安全性。因此，理想的悬架应在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度特性和减振器阻尼特性，从而既能满足乘坐舒适性的要求，又能满足行驶安全性的要求。传统的被动悬架参数一经选定就很难改变。因此在设计过程中，只能寻找一个最佳的折中方案来确定参数。也就是说，只有在特定的工况下，车辆的性能才是最佳的，车辆行驶工况一旦改变（例如路面状况以及车辆行驶时的加速、制动、转向等的变化），其性能将会恶化。因而传统被动悬架不能同时满足舒适性和安全性的要求，这就限制了车辆性能的进一步提高。主动和半主动悬架系统解决了被动悬架的固有矛盾，代表了现代悬架系统的发展方向。架的发展 1）被动悬架 1934 年，出了被动悬架的基本理论。被动悬架主要由弹性组件和被动减振器组成，具有结构简单、性能可靠、造价低和无能耗等诸多优点，是迄今为止历史最悠久、应用最广泛的悬架形式，因此一直为车辆上普遍采用的悬架系统。图 1 出了汽车上常采用的几种被动悬架。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 3 页共 34 页图 1几种典型的被动悬架结构对于被动悬架主要性能参数的选择，一般是从整车出发，根据汽车的整体综合性能要求，在保证整车具有良好的乘坐舒适性和操纵稳定性的前提下，由设计人员在实践中结合理论知识，优化选择悬架的固有频率，静挠度和动挠度的取值范围，以及其它相关参数。因此，传统的被动悬架只能在特定的工况下，得到行驶平顺性和安全性的最佳折衷方案，进而选择相关的设计参数。悬架的参数一旦确定，车辆的相关性能也就随之确定了。实际上，车辆在行驶过程中的工况是随机改变的，这必然使车辆的性能偏离最初设计的最佳折衷方案。行驶工况的不断变化，必然要求悬架系统的特性参数能够随之调节，以适应不同工况下的要求。而传统的被动悬架，其弹性组件和减振器的参数是固定不变的。因此，被动悬架不能同时满足车辆在各种工况下的要求，进一步提高其性能的潜力已经接近极限。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 4 页共 34 页 2m 2m 2m 2m 2m 2m 1m 2m 1m 2m 1m 2m k k 1k 2m 1k 2m 1k 2m c c u （ a）被动悬架 (b) 半主动悬架 (c) 全主动悬架 2m ：簧载质量 1m ：非簧载质量 k ：悬架弹簧刚度 1k ：轮胎刚度 c ：阻尼 f ：作动器作动力图 1辆悬架系统分类及结构图全主动悬架从行驶安全性和乘坐舒适性角度出发，总希望悬架的弹簧刚度和减振器的阻尼能随着车辆行驶状态而变化，使悬架始终处于最优状态。随着汽车工业和电子技术的发展，1954 年司的出了全主动悬架的思想，从而开拓了悬架研究的新领域。全主动悬架系统用一个力发生器替代了传统悬架中的减振弹簧和减振器，力发生器根据检测到的外界环境和车辆运行状态，通过控制系统产生适当的阻尼力实时控制悬架系统，从而达到期望的平顺性和安全性。这种悬架系统可以显著提高车辆的行驶安全性和乘坐舒适性 7。计算机模拟激励的方法研究表明，相对于被动悬架而言，主动悬架能使座椅的加速度均方根值降低 87，车身的垂直加速度下降 78，车辆的横振加速度下降 68，车辆的纵振加速度下降 60。这一研究表明，主动悬架相对于被动悬架能大大提高车辆的平顺性。然而，到目前为止，主动悬架理论还不成熟，还未发展到商业应用阶段。这主要是由三个方面的原因造成的：（ 1）制造成本太高，高精度的液压系统往往使商家望而兴叹；（ 2）耗能太高，一辆中型轿车的全主动悬架要消耗数千瓦的功率；江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 5 页共 34 页（ 3）控制系统过于复杂。目前，介于被动悬架和半主动悬架之间的半主动悬架由于其良好的性能而得到了很好的发展。 3）半主动悬架半主动悬架的概念是由人于 70 年代提出来的，该系统能够根据要求对阻尼作无级调节，并在几毫秒内由最小变到最大，由于阻尼变化非常快，很像一个主动系统，因此称为半主动悬架系统。相对于全主动悬架，半主动悬架具有耗能小、控制简单、容易实现以及可靠性高的优点，且控制效果与主动悬架相差不多。阻尼可调的悬架系统有两种形式：有级可调和无级可调。有级可调半主动悬架系统首先于 1984 年应用于日本司的型轿车上。这种悬架系统根据车辆的载荷、行驶速度、路面状况以及车辆的行驶状态来调控阻尼的大小，提高系统的性能。阻尼力有级控制悬架系统的阻尼一般分为两级或三级，近年来，也出现了多种阻尼力多级可调的悬架系统 7。 1973 年，提出了阻尼连续可调的半主动悬架系统。该系统可以根据车辆行驶环境和自身运动工况实时计算该时刻的最优阻尼，并驱动可调减振器调节阻尼以使车辆始终保持最佳状态，克服了有级可调悬架的局限性，进一步改善了车辆的性能。相对于阻尼可调半主动悬架， 1976 年提出了半主动控制弹簧的概念，其刚度的变化通过切换空气压力实现。由于这种悬架需要在油气弹簧或空气弹簧上实现，而这样的弹簧对密封件要求甚严，虽做了许多研究，但是成功的不多。种悬架性能的比较江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 6 页共 34 页表 1悬架性能比较悬架类型被动悬架系统半主动悬架主动悬架系统开关型连续型调节元件普通减振器阻尼有级可调减振器阻尼连续可调减振器电液作动器作用原理阻尼不变阻尼有级可调阻尼连续可调调节作动器作用力控制方法手动或自动电液自动电液自动频率范围 15耗能量不消耗很小很小很大性能优劣差小中好造价最小小中大综合评价差好较好很好对于这些不同种类的可控悬架系统，按照它们能够向车辆提供的性能来看，从低向高依次是车高控制悬架，被动自适应悬架，可切换阻尼式悬架、阻尼连续可调式悬架、慢主动悬架和全主动悬架。但是，随着所能提供性能的提高，悬架系统的复杂程度也在不断地提高，悬架系统的造价也相应上升，因此在评价悬架系统性能时应综合考虑，主要包括以下几个方面：（ 1）成本和使用费用问题：主动悬架不仅硬件价格昂贵，而且在控制过程中消耗的发动机功率过高，因此，在设计悬架时要考虑性价比。目前，把慢主动悬架、侧倾控制和车高控制相结合的混合系统成为发展的热点。（ 2）用于测量各种参数的传感器的测量精度、安装方便性、成本、抗干扰能力、使用寿命等方面仍需要提高和改进。（ 3）反应快捷、工作频带宽、动作平稳准确的执行机构有待开发，如作动器、可控减振器等。现在用于主动控制的新型作动器不断涌现，主要有压电陶瓷、形状记忆合金、电磁以及电流变流体等构成的作动器。（ 4）悬架系统的寿命及对自身参数变化和外界干扰的适应性需要提高。（ 5）建模的合理化、实际化，控制理论的复杂化，各种控制理论的相互结合和控制过程的实用化是现在悬架研究分析的又一特点。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 7 页共 34 页动悬架发展趋势虽然主动控制悬架系统已应用于实车，但其市场普及依然存在很大困难，这主要有两个方面的原因：一是成本太高；二是能量消耗过大。因此目前仅限于装载在排量较大的一些高档车型上。为解决上述问题，应着重进行两方面的研究： (1)对主动悬架、转向、驱动和防抱死等系统进行联合控制。联合控制涉及到车辆动力学的各个方面和环节，需要对车辆的全部状态和控制目标作总体考虑和最优的权衡策略。而大规模联合控制系统的实现，不仅使系统对传感器、油压源、控制器共同利用，以降低成本和车身质量，还可防止各种控制间的干扰，将使汽车的动态性能得到更大的改善。 (2)由于主动悬架需要消耗发动机的一部分功率，因此如何减少系统的功率消耗，也是一个值得研究的问题。动悬架技术现状世界各国的汽车行业目前都将主动、半主动悬架列为重要的研究目标之一。早在1982 年，司就研制出有源主动悬架系统，瑞典司在其车上安装了实验性的动悬架系统。丰田汽车公司 1986 年的型采用了能分别对阻尼和刚度进行三级调节的空气悬架。 1989 年丰田型上装置了真正意义上的主动油气悬架系统。尼桑公司在 90 年的 45 轿车上也装备了液压主动悬架。此外，保时捷，福特，奔驰等公司均在其高级轿车上装备有各自开发的主动悬架系统。在军用车辆方面，由于越野和高速行驶的需要，所以使用主动悬架的愿望更为迫切。英国早在 70 年代，就在“蝎”式轻型坦克上实验了压件公司研制的液力机械主动悬架系统。司与美国陆军坦克自动车司令部 ( 陆汽车公司(合组成小组在 1992 年 10 月把一种简化的主动悬架装置安装在鸟”轮式车辆上，最大限度地提高了在崎岖不平路面上的行驶速度。主动悬架系统的控制理论和方法车辆行驶时，由路面不平等因素引起振动，影响乘坐舒适性和操纵稳定性，甚至影响行驶速度，损坏车辆的零部件和运载的货物。同时车辆振动也是车内噪声的主要来源。车辆减振主要是通过使用车辆悬架系统来完成。传统的被动悬架的阻尼和刚度参数江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 8 页共 34 页一般按经验设计或优化设计方法选择一经选定，在车辆行驶过程中就无法进行调节，因而不能适应车辆参数、运行工况等的复杂多变。在某个特定工况下按目标优化出的悬架系统，一旦载荷、车速和路况等发生变化，悬架在新的工况下便不再是最优。为了克服这个缺陷，国外在 50 年代就提出了主动悬架的概念。主动悬架采用有源或无源可控元件组成一个闭环或开环的控制系统，根据车辆系统的运动状态和外部输入的变化 (路面激励或驾驶员方向盘操作 )作出反应，主动地调整和产生所需的控制力，使悬架始终处于最佳减振状态。主动悬架由控制系统和执行机构组成，执行机构为有源液压系统的主动悬架简称全主动悬架，而无源主动悬架刚简称半主动悬架。优控制随着现代控制理论的应用，提出了主动悬架随机最优控制方法。主动悬架最优控制的目标是提高汽车的平顺性和操纵稳定性，反映在物理量上就是要减小轮胎的变形，提高接地性，限制悬架的动挠度，同时应降低对控制能量的消耗。这种控制方法，通过建立系统的状态方程式提出控制目标及加权系数，然后应用控制理论求解出所设目标下的最优控制方案。与天棚阻尼器控制方式相比，由于考虑了系统中更多变量的影响，因而控制效果更好。而且，现代控制方式的应用，主要是在系统的控制软件方面做一些改善，并不增加系统的复杂性。随机最优控制主要有线性最优控制 ,优控制和最优预报控制三种：线性最优控制是建立在系统理想模型的基础上，若悬架传递特性是线性的，路面不平度符合正态分布，且不平度功率谱符合白噪声特性，在得到所有状态变量的前提下，采用系统状态响应和控制输人的加权二次型作为性能指标，在保证系统动态稳定的条件下，可实现最优调节；制是一种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控制方法，对由于车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系数及车辆结构高频柔度模态等变化引起的不确定误差具有较强的鲁棒性；最优预报控制是利用安置在车辆前轮或车头的传感器来预见路面的干扰输入，然后将所测量的状态变量传感器 A / D 执行机构控制器主动悬架被控系统路面输入图 1主动悬架系统组成江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 9 页共 34 页反馈给前后轮控制器，从而实现最优控制，该方法特别适合于轨道车辆的主动悬架。适应控制策略自适应一般发生在车辆行驶过程中，具有较慢统计特性变化的干扰，即路面输入干扰。自适应控制方法的基本思想是根据系统当前输人的相关信息，从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。其设计关键的选择能准确、可靠地反映输人变化的参考变量。自适应控制方法考虑了车辆系统参数的时变性，具有参数辨识功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持性能指标最优。应用于主动悬架的自适应控制方法主要有增益调度控制、模型参考自适应控制和自校正控制三类：增益调度控制是一种开环自适应控制，通过监测过程的运行条件来改变控制器参数；模型参考自适应控制 (即简化自适应控制 )通过跟踪一个预先定义的参考模型，按照反馈和辅助控制器参数的自适应控制规则，使非线性时变的悬架系统达到预期的最优性能；自校正控制是将受控对象参数在线估计与控制器参数整定相结合，形成一个能自动校正控制器参数的离散实时计算机控制系统 (即数据采样系统 )，是目前应用最广的一类自适应控制方法。自适应控制方法已在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用。范数 H最优控制策略 H 最优控制是 80 年代出现的新理论是目前解决鲁棒控制问题比较成功且比较完善的理论体系。它的设计原则，是在保证闭环系统各回路稳定的条件下，对系统闭环传递函数的无穷范数进行优化，从而使系统在存在参数变化、建模误差、测量噪声和外界扰动输入的情况下，保证闭环系统的稳定性，并进一步实现系统的鲁棒性能。制器已安装于实车，并获取了有效的实验数据，指出使用 H控制器可大大缩短控制时间和降低能量消耗。见控制预见控制是前后悬架的协调控制，它通过对前悬架簧上质量加速度和簧上簧下质量相对位移的测量值来预测后悬架作动器的控制力。当系统遇到较大或突变的干扰时，由于能量供应峰值和元件响应速度的限制，系统很可能无法输出所需的控制力而达不到希望的控制效果。而预见控制，由于通过某种方法提前检测到前方道路的状态和变化，使系统有余地采取相应的措施，有可能降低系统的能量消耗且大幅度改善系统控制性能，取得很好的效果。它的基本方法有两类：一是将前轮悬架的状态信息作为后轮悬架的前江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 10 页共 34 页馈信息；二是对四轮全进行预见控制，由于超前预测了路面输入，因而系统的性能有较大幅度的提高。从理论上看，这种系统应能取得最为理想的控制效果，但需要设置特殊的传感器。目前未见有批量实用车上市。糊控制和神经网络控制策略自 90 年代以来，模糊控制和神经网络控制等非线性控制方法应用到主动悬架的设计中。日本德岛大学的进行了实车实验，取得了较为理想的结果。 A s R P 计了一个用模糊逻辑控制的半主动悬架。应用模糊控制能减少控制器的存储空间，降低成本；缩短半主动悬架的延时，使控制更加及时，提高悬架系统的可靠性。但这种理论自适应能力差，精度不够高。日本农业工程大学的拟计算表明神经网络控制与线性反馈控制相比，系统性能提高约 10。但还有一些问题有待深入研究，如训练样本的获取 (系统辨识的充分性 )、网络模型的具体构造 (系统的复杂性，非线性 )、学习训练策略 (算法收敛速度 )等。采用神经网络、模糊控制等方法所建立的控制规律。应是一套建立在专家系统基础上的规则，规则的建立又有较多的主观性、经验性，这种先验的专家经验必须在对实际系统的全部特性有详细了解的基础上总结经验而得到。这些方法的特点是擅长于处理系统的非线性，它们的优越性只用在与响应的线性控制策略进行比较时才能显示出来。有些研究者将神经网络、模糊控制与实时优化算法结合起来，以便同时处理系统的非线性与参数的时变性，理论研究预言了其优越的性能。除了以上介绍的控制方法外，见于报道的还有电流变液体和滑模控制等方法。课题研究的主要内容、方法和意义要内容本文建立了基于 1/4车辆动力学和路面输人模型，应用最优控制理论进行车辆主动悬架的线性二次型最优 (制器的设计，并运用。并分别对两种悬架的仿真结果进行对比分析。本文共分五章，主要内容如下：江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 11 页共 34 页第一章：对车辆悬架进行概述，并分析主动悬架的发展趋势和技术现状。提出本选题背景，分析课题研究的必要性和意义，确立研究的思路及主要内容。第二章：建立路面模型及主动悬架、被动悬架动力学模型，并将系统的主要评价指标用状态变量的形式表示出来，为进行主动悬架系统仿真研究提供必要条件。第三章：介绍了制器的原理以及悬架制器的设计。第四章：根据第二章建立的主动悬架动力学模型，在对其进行仿真计算和分析。并在构建主动悬架，模型及其控制器模型，进行数值仿真和计算分析，并与被动悬架进行比较。第五章：对本文研究工作进行概括总结，展望对主动悬架系统进一步研究的重点工作。研究目的和意义主动悬架具有外部能源输入，能够根据车辆的行驶状态和路面状况做出主动响应。传统的被动悬架在平顺性方面的潜力已接近极限，为了克服这一缺陷，国外在 20 世纪 50 年代提出了主动悬架概念并进行了研究。主动悬架实际上是一个主动力发生器，主动悬架的设计可转换为对主动悬架控制算法的设计。在众多的控制方法中，具有二次型性能指标的最优控制算法比较成熟，理论基础也比较完善，线性二次型高斯 ( L Q G )方法采用加权系数，可以综合考虑车辆悬架系统中的多种因素来改善车辆的平顺性，对于改善汽车的动力学性能具有重要意义，为主动悬架系统的工程实际应用奠定一定的基础。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 12 页共 34 页第 2 章主动悬架动力学模型随着汽车控制研究的发展，已经由最初的仅仅针对 2 自由度 1/4 车模型的悬架控制的研究发展到 4 自由度半车模型的悬架控制研究，再到多自由度全车模型的控制研究，而集成控制研究则是最近才兴起的，四种研究模型的比较如下： 1） 2 自由度 1/4 车模型假定汽车质量均匀分布于四个车轮上方，质量为全车的 1/4，四个车轮的路面激励相同，前后四个轴和与其相连的车轮分别简化为四个相同的非簧载质量，并分别用四个相同的线性弹簧替代轮胎支承于地面。控制时仅考虑一个车轮，此研究模型过于简单，只能考虑汽车的垂向运动，横向方面的运动都不能在模型中体现，效果不太理想，最初的研究大多都是基于该模型的。 2） 4 自由度半车模型不计汽车的水平振动，只考虑汽车的垂直振动和纵向角振动，假设汽车左右对称，且左右车轮的路面激励相同；把车身视作刚体且质量为全车的一半；前后轴和与其相连的车轮分别简化为两个相同的非簧载质量，并分别用两个相同的线性弹簧替代轮胎支承于地面。控制时取左边或右边的前后轮考虑。此研究模型考虑了车身的垂直运动和车身绕其质心轴的俯仰，忽略车身的侧倾运动，结构也不太复杂，因此有不少研究都是基于四自由度汽车半主动悬架模型的。 3）多自由度全车模型（ 1）不考虑转向的全车模型：该类模型较全面的反应了汽车直线行驶时的运动，不仅考虑了汽车的垂向运动，俯仰运动，而且考虑了汽车在受侧向力作用（风力作用等）时的动态特性：侧倾运动。文献 18建立了半主动悬架的多自由度全车模型并应用 H鲁棒控制策略进行控制。（ 2）考虑转向的全车模型：汽车的转向是汽车的常见运动，而且转向的控制也是汽车控制的一个重要方面。当汽车转向时，运动形式与直线运动有很大的不同。文献 19建立了带转向系的整车模型，文中直接以四个轮胎的转向角作为有转向运动时的外部输入，应用模糊逻辑推理进行控制。本文主要对主动悬架系统进行建模并分析，其中 2 自由度的 1/4 车体型结构简单，江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 13 页共 34 页能反映车辆的主要性能，所以对它进行建模与分析。汽车的平顺性可由图 2的汽车振动系统系统框图来分析。系统的“输入”主要是由汽车以一定车速驶过随机的路面不平度所引起，此“输入”经由轮胎、悬架、座椅等弹性、阻尼元件和悬挂质量、非悬挂质量构成的振动系统，传递到悬挂质量或人体，这两部分的加速度就是“输出”的振动物理量。然后，根据人体对振动的反应乘座者的舒适程度来评价汽车的平顺性。图 2车振动系统框图建立系统模型是计算机仿真研究的基础，其实质就是利用物理参数描述外界输入、系统本身和系统输出之间的关系。面模型一般来讲，振动可以按图 2行。其中，随机稳态振动在汽车动力学中，具有很大的意义，因为它正好与路面不平度相对应。图 2动的分类一个稳态随机函数可以通过分布密度函数 )(分布函数 )(表达。若随机过程处于稳态，即它的平均值保持不变，并且分布密度函数遵守以下法则： 222 2)(e x （ 2 其中， TT )(1 （线性平均值） 20 22 )(1 （有效值）输入路面不平度车速振动系统汽车各种弹性、阻尼元件与质量构成输出悬挂质量或传至人体的加速度、车轮与路面间的动载荷评价指标人体对振动的反应舒适性和接地性江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 14 页共 34 页 2222 )( （方差）通常，人们称这种过程为高斯分布或正态分布，即白噪声。车辆振动主要是由于道路不平度引起的，而道路不平度是随机的，路面不平度是一个很复杂的随机过程，很难对其进行统计分析。为了研究的简便，一般按照 1984 年国际标准协会在文件提出的“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“车辆振动输入路面不平度表示方法草案”所建议的采用路面不平度功率谱密度描述其统计特性。其功率谱可以表示为： 00)()( （ 2 式中： n 为空间频率，它是波长的倒数，表示每米长度中包含几个波长，单位为0n 为参考空间频率， 0n 0.1 )(0考空间频率 0n 下的路面谱值，称为路面不平度系数，单位为 m2/m 1； W 为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，它决定路面不平度的频率结构。根据路面功率谱密度将路面按不平度分为 8 级的规定，表 2出了各级路面不平度系数 )(0级路面谱的频率指数 2W 。表 2路面不平度分级标准路面等级 1260 /10)( q 10 310 11 下限几何均值上限下限几何均值上限 A 8 16 32 32 64 128 128 256 512 512 1024 2048 2048 4096 8192 8192 16384 32768 32768 65536 131072 131072 262144 524288 据参考文献 20，路面速度功率谱幅值在整个频率范围内为一常数，即为一白噪声。，一般有两种产生随机路面不平度时间轮廓的方法，即由一白噪声通过积分器产生或由一白噪声通过成形滤波器产生。随机路面输入模型可以用一阶滤波白噪声来描述：江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 15 页共 34 页 0002 ( ) 2 ( )f x t G U w t &（ 2 式中 000()()路面垂直位移输入路面输入的下截止频率路面不平度系数车速输入白噪架系统动力学模型在控制系统的设计中，对象的模型可以说是至关重要的，模型的好坏直接影响着控制效果。我们在绪论中也提到了相关的悬架模型，在这里我们详细得描述关于悬架模型的建立，及具体表达方式，为后边的设计分析服务。悬架是协调平顺性和操纵稳定性的重要组成。平顺性和操纵稳定性是汽车动力学领域的两个重要的组成部分。本文研究就是围绕这两大汽车使用性能展开的。尽管汽车使用性能还包括动力性、制动性、通过性等，但是由于协调平顺性和操纵稳定性是悬架的主要功能，所以文中并没有涉及悬架对其他使用性能的影响其实很难将平顺性和操纵稳定性严格的区分开来，在车辆的实际运行中，这两种性能是相互影响的但是在研究中普遍采用将二者分离的方法，这是基于这样的一个事实，对平顺性影响很大的力和运动对操纵稳定的影响不大，反之亦然。这种简化的思想给设计带来很大的方便，尽管现在的计算能力较以前有很大提高，但也很少有人将二者合起来研究，本文也将沿用将平顺性和操纵稳定性分离的方法。围绕这两个性能我们建立起相关的模型。动悬架动力学模型研究悬架的主动控制时，就采用图 2示的模型，用一个力发生器（作动器）代替减振器，通过对力发生器的控制来实现悬架系统的性能优化。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 16 页共 34 页图 2动悬架 1/4 车体悬架结构根据牛顿定律，其相应的运动微分方程为 ()( ) ( )s s s t s at t t r t s t s am x k x x Um x k x x k x x U &（ 2 1 / 4车身质量车轮质量悬架刚度轮胎刚度车身垂直位移车轮垂直位移路面垂直位移作动器的控制力由现代控制理论方法，选取 ( , , , , ) Ts t s t rX x x x x X B U F W &作为状态变量，将式（ 2 写为状态方程作为状态变量江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 17 页共 34 页 s s s s s st t s t s t t t s / m C s / m - k / m k / m 0C s / m - C s / m k / m ( - k - k ) / m k / 0 0 0 00 1 0 A 00 00 0 0 0 - 2 fm m 0 0 0 B000 0 0 0 2 其中 A 为系数矩阵， B 为控制矩阵， F 为输入矩阵。选取车身垂直加速度 x& ，轮胎动变形 () 悬架动挠度 ()输出变量。( , , ) Ts t s r tY x x x x x & 作为系统的输出，输出方程为 ,Y U 由式（ 2： 1 0 0 0 00 1 0 0 00 0 1 0 00 0 0 1 00 0 0 0 1C0 00 00 00 0 0 0D动悬架动力学模型研究悬架的被动控制时，就采用图 2示的模型。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 18 页共 34 页图 2动悬架 1/4 车体悬架结构根据牛顿定律，其相应的运动微分方程为 ( ) ( )( ) ( ) ( )s s s s t s s tt t s s t t r t s s tm x K x x C x xm x K x x K x x C x x &（ 2 式中引用路面输入模型为 0002 ( ) 2 ( )f x t G U w t &( , , , , ) Ts t s t rX x x x x x& 作为状态变量， 25 X H X I U F W &将式（）写为状态方程其中 H 为状态矩阵， F 为输入矩阵，其值如下： s s s s s st t s t s t t t s / m C s / m - k / m k / m 0C s / m - C s / m k / m ( - k - k ) / m k / 0 0 0 00 1 0 H 00 00 0 0 0 - 2 f0 0 0 0 0 I000 0 0 0 2 若将车身加速度，轮胎动变形，悬架动行程作为性能指标。江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 19 页共 34 页 ( , , ) Ts t r s tY x x x x x & （ 2 则可将性能指针写为状态变量以及输入信号的线性组合形式，即 Y ,其中，矩阵。 s s s s s s / m C s / m - k / m k / m 00 0 0 1 - 10 0 1 - 1 0M江苏技术师范学院毕业设计说明书（论文）第 20 页共 34 页第 3章主动悬架制器的设计在悬架控制系统的研究中，随机线性最优控制（应用占据主导地位。一方面是由于在不平路面上行驶的汽车所处的振动环境是随机的，其路面速度的输入可以看作是高斯白噪声；相互冲突的悬架系统诸性能要求也可以用二次型性能指标描述，其中的加权系数代表各性能要求的重要性与不重要性。另一方面是由于论（包括优滤波与分离原理）不仅为状态反馈也为输出反馈控制系统的设计提供了非常完善的工具。在框架内是采用全状态反馈的最优控制，还是部分状态反馈的次优控制，或是基于状态观测器的输出最优控制，完全取决于系统状态是否全部可以测量。当然，前提条件是悬架系统状态空间描述 (可稳定的。在选定测量输出后 (该是可测的。另外，在 1/2()选择位移和速度作为被控输出出现在性能指标中还是再加入加速度项完全由物理意义是否明确、是否能更好地反映悬架系统的性能要求来决定。动悬架制原理线性最优控制是建立在系统理想模型的基础上，若悬架传递特性是线性的，路面不平度符合正态分布，且不平度功率谱符合白噪声特性，在得到所有状态变量的前提下，采用系统状态

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