汽车液压悬架主动控制的理论分析和仿真研究

1、太原理工大学硕士学位论文汽车液压悬架主动控制的理论分析和仿真研究姓名:邢向丰申请学位级别:硕士专业:机械电子工程指导教师:权龙;周文2000.4.1-_-摘要r 373033摘要汽牟悬架系统性能优劣直接影响其乘坐舒适性和操纵稳定性,本文根掘汽车液压主动悬架的基本结构,选用电液伺服阀控制的液压缸作为执行元件,通过力学分析建立了两自由度的车身及悬架系统数学模型。并运用传统的PID调节理论和模糊控制的基本原理,设计了普通P【D、模糊积分、FuzzyPID、模糊自调整PID网种控制算法对汽车液墟毛动悬架系统进行控制,然后采用Matlab5.2+Sireulink+Fuzzv Logic Toolbox

2、对所选控制算法进行数字仿真。仿真结果表明,所选控制方案能有效地改善汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性。【关键词】汽车液压悬架模糊控制主动控制PID太原删T大学硕卜学位论立AbstractThe ride quality and handling stability of automobile is directly affected by the goodness or badness of the performance of the suspension system On the basis of the basic structure of the automobile hydraulic

3、active suspension,the hydraulic cylinder controlled by the Electrohydro servo valve is used as the driver,two degrees mechanical model is founded by the way of mechanical analysis By applying the traditional regulation theory of PID and the basic principle of fuzzy control,the common PID,fuzzy integ

4、ral,FuzzyPID and fuzzy self-regulate PID are designed to controlled the selected automobile hydraulic active suspension system Then the Matlab5.2+Simulink+Fuzzy Logic Toolbox is used to simulate the selected control algorithms The simulation results show that this scheme can effectively improve the

5、ride comfort and handling stability of auto Keywords:Automobile Hydraulic Suspension FuzzcontrolActive C0ntroI PID第一章绪论1.1.1概述第一章绪论第一节汽车悬架系统的国内外研究概况悬架系统是汽车的重要总成之,它将车身和车轮弹性地连接起来,主要用来传递作用于车身和车轮之问的力和力矩,以缓和由于路面凸凹传递给车身的冲击载荷引起的车身振动,达到使车辆正常行驶的目的。多年的实践证明,悬架系统性能的优劣直接影响到车辆的行驶平顺性、操纵稳定性、燃油经济性、通过性、可靠性等多方面的性能。故而,

6、设计性能优良的悬架系统将有着十分重要的意义。I.I.2被动悬架被动悬架因其工作时各部件不消耗动力以及其特性参数不可改变而被称为被动悬架,是目前仍被车辆广泛采用的常规悬架。该类悬架由弹性元件和阻尼元件组成,其特性参数经设定,就不再随】:况及激励的变化而变化。一般按所选弹性元件来划分,主要有:钢板悬架、螺旋悬架、扭杆悬架、空气悬架、油气悬架、橡胶悬架等。这种悬架冈其结构简单、设计难度小、易维护而被低档车广泛采用。同时,它也因以下两种主要缺陷而限制了其发展:1凶悬架元件仅对局部相刑运动作出反应且受到悬架静挠度与系统固有频率平方成反比的约束,故悬架特性参数的取值范围受到限制。太原理T人学坝t学位论文2

7、1悬架参数存j-辆行驶过程中,不能随I况及激励的变化而变化。r:汽车没计过秤中,其平顺性和操纵稳定性对参数的要求是相矛盾的,为了有效地减缓传递到车身的振动(行驶平顺性指标,要求弹簧“较软”;而为使转弯、制动时车体的侧倾角、前后倾角较小(操纵稳定性指标,则义要求弹簧“较硬”,这样就给悬架参数的选定带来困难。同时.1J汽乍的乎顺。H.在很人程度卜决定于路面条件、载简、车速等凶索,但被动悬架的特性参数经发定,即使是通过最优化的设计方法选定的参数,也不能在行驶过程中改变,故而,当丁况和激励发生变化时,悬架系统的性能将受到很大的影响。随着人们生活水平的不断提高和汽车的不断进入家庭,人们对汽车的性能尤其是

8、操纵稳定性、乘坐舒适性、平顺性的要求也越来越高。基于这种情况,各国学者采取了多种措施,诸如采用非线性变刚度弹簧(油气弹簧、空气弹簧等和高度调节装置等,但均因被动悬架本身的局限性,而不能从根本上解决问题。50年代以后,人们便开始探索以一种全新的思路来设计汽车悬架装置。这样,就出现了主动悬架。1.1.3主动悬架主动悬架是壁j主动控制技术的利,悬架系统,这种系统是集机、电、液于一身的复杂非线性系统,其发展和应用与机械动力学、流体传动与控制、计算机技术、自动控制技术、测控技术、材料科学、电子技术的发展和应用紧密相关,近年来人类在这些学科取得的巨大成就也使主动控制技术在实际悬架系统中得到应用成为可能。与

9、传统被动悬架系统相比,主动悬架系统是一种闭环控制系统,它可根据系统工况和路面激励状态而实时作出反应,以衰减传递到车体的振动。通常,根据系统是否有动力源又将主动悬架划分为有源主动悬架(伞:动恳架和尤源主动悬架(半主动悬架两大类。第章绪论I.1.3.1全主动悬架通常,全主动悬架系统是由执行机构环节、反馈环节、测量环节、和能源环节组成的闭环控制系统,通过传感器测得车身系统的振动模式(通常为车身加速度和速度,然后将所测数据送给车载计算机进行数据处理,得到控制量,由计算机发出指令给执行机构,以改变车身运动状态,达到减振目的。通常有两种形式,即由电磁阀驱动的油气式悬架和由电机驱动的空气式悬架。*:i“;。

10、i一;小,太原理:人学坝t学位论史全动悬架是由美国GM公司的ErspielLabrosse于1954年首先提fn,早期是采用忽略簧下质量单白山度模型。1976年,A.G.Thmpson 采用两自由度数学模型来研究主动悬架系统,并应用r状态卒删理论和线性最优拧制理论来确定最优控制律。近年来,世界【:汽车二I:、lk比较发达的圈家如同本、美国等都先后研制出有本国特色的动悬架装胃。如:AP公司研制的ARC系统是由机械式装置在转向时_三动控制车身运动状态的悬架;近年柬颇负盛名的莲花公司(Lotus干17伏尔伏公司(VOLVO;1987年三菱公司首次在加朗轿牟上采用了世界之最窄压式主动悬架(active

11、 ECS,接着日产英菲尼迪Q45、丰田塞利加、索阿拉轿车上装用了油压式主动悬架】。图(1.11示出了装用在Fl(一级方程式赛车的装置和加于三菱轿车的主动悬架(ECS的构成。国内在这方面的研究起步比较晚,而且多停留在理论研究和实验阶段:中南工业大学刘少军提出了一种由高速ON/OFF阀控制的全主动悬架方案口“,并应用天棚阻尼器控制、最优控制、最优预见控制等方法进行控制系统设计及试验研究,结果令人满意。重庆大学舒庆宇等人采用两自由度模型,应用最优控制理论探索了种最优控制律,相关试验iI明,陔控制方法能达到较好的效果pI。但是,到目前为止,二动拧制悬架凶其理沦小太成熟、商业成本太高等原因而不能“泛应用

12、于整车系统中。研究人员为了解决这一问题,又探索研究了一种既克服被动悬架本身局限性又克服全主动悬架系统实用性较差缺点的新型悬架系统一一半主动悬架系统。1.1.3.2半主动悬架系统1973年D A Crosby和D C Karnopp首先提出了半手动悬架的概念川,以后又有许多学者对半主动悬架进行了试验研究,为半主动悬架在整车上的应用奠定了基础。半主动悬架用可控的无源元件(弹性元件和附皑器代替主=动悬架的t动执行元件,以达到节省能源的H的,第一节绪论并根据系统【:况和激励状态调节悬架参数以达到最优拧制效果。从理论卜讲,弹忭元件和阻尼元件的特性参数均是可以调符的,但实际卜弹性元件刚度值的改变较阻尼元件

13、阻尼值的改变难的多,故上程实践中通常采用改变阻尼器阻尼孔的大小来达到调节阻尼的目的。悬架阻尼的调节通常有两种方式,一种是根据整车状态来调节阻尼,另一种是根据路j士rj激励的统计特征来调节。其中,根据整车状态来调节阻尼这种方式又有两种控制策略,分别为:连续型控制策略和丌关型控制策略。两者相比,前者是一种理想的调节方式,但却不易实现;而丌关型控制策略则是根据被隔振对象的绝对运动速度和相对运动速度的方向来调节悬架阻尼,阻尼分别取最大值和最小值,易于实现。根据路面激励的统计特性来调节悬架阻尼这种方式仅能保证在定n,11问内悬架阻尼值达到最优,这是统计意义上的最优值。半主动悬架与主动悬架相比,虽然性能稍

14、差,但其造价低廉且不需供给能源,故而有着广泛的应用Bi景。11自U,种简化的半主动悬架已被用于整车。H本丰H汽车公司早存1983年就已将微电脑控制的减振器阻尼系数j J.两级切换的半主动悬架应用于Toyota Soarer2800GT轿车上。本三菱汽车公司和H产汽车公司也分别在80年代中、后期在本公司生产的某些车型的轿车I二采用了电子拧制的半主动悬架系统1351。图fl一卜2是R本丰用汽车公司L产的LEXUS LS400型豪华轿车的半主动悬架系统的结构。在这种系统中,减振器根据车速、转向角、转向速率、执行器阀门位置、灯丌关和加速度计所产生的控制信号而处于“软”和“硬”的状态。国内方面,众多研究

15、人员作了大量工作,也取得了一定的成绩。吉林工业大学门永新等人采用连续阻尼最优控制的方法对整车模型进行研究,根据路面激励状态的变化而实时地改变悬架阻尼,以保证恳架在各种路面状况下均能获得最优的减振效果【2”。北京理工大学章一鸣等人根据路面的统计特征来调节悬架阻尼,具体方法是:先由微机对路面的统计特征进行估计,以确定路面激励的功率谱结构,然后求得最优阻尼并由微机发出指令将悬架阻尼调节到最优值,实现减振目的1261。南京建筑I程学院张庙康提出了种应用模糊神经网络方法实现控制的半主动悬柴,仿真结果表明,咳方法能有效地减小传递剑年身的振动I2。fFJ使用模糊控制技术需有较多的专家经验,而采_】神经网络义

16、因计算量大而限制了其实际应用,随着计算机技术的不断发展,这些新型控制方法必将得到广泛的应用。1空压机2发动机lc调节器3NO1高壁控制维电器4.前悬架拄制驱动器5.君悬架控糖驱动器6高度控莉插座j NO2高重控制缝电器8.高度控瞢|ON/OFF开关9后高度控制传感器lo.NO2高度控制润11车门开关12.转向盘转埔传感器13.悬架控制开关14车高指示灯、.Rc指示+卜u1车速传感器15停车幻开关16.NO1高度控制阀17.前高度控制传憋器18干_噍嚣与排气阏图(I一12汽车悬架的主动控制是令世人瞩目的悬架控制方式,其减振效果远远超过传统的被动悬架,许多发达的工业国家如:美国、同本、德国等都不惜

17、花巨额资金进行研究。目前,全主动悬架系统已在高速赛车上进行了试验,试验结果表明:试验车辆在转弯时的加速度可以达到82,且车底距地的距离较小,而要使传统的被动悬架系统达到这种水平,则其弹簧的刚度需提高血倍以上,而且由于空气动力的影响又引起车身的摇摆,因而只能通过增加阻尼来减小车身的摇摆61。80年代第一市绪论以来,各种半主动悬架和全主动悬架已在高级轿车和其他车辆上较多地使用了,而在我目,对汽车丰动悬架的研究却还是刚刚起步。第二节选题的依据及意义随着人类社会的不断进步和人们生活水平的不断提高,汽车已经刁i 再仅仅作为运输工具为人们使用,而更多地作为代步工具走进家庭。世界各个工业国家几乎无一例外地把

18、汽车工业作为国民经济的支柱产业,我国的汽车工业与发达国家相比有很大的差距,为了使这种状况得到改观,我国也必须发展自己的汽车技术。悬架作为汽车的重要总成之一,其性能的优劣直接影响到车辆的行驶平顺性、操纵稳定性等多方面的性能。其主要任务是传递车轮车身之间的一切力和力矩,并缓和和衰减由于路面不平引起的振动。对乘客来说,更关心的是乘坐的舒适性。随着车速的不断提高,传统被动悬架的性能已越来越不能满足人们的要求。近年来,国内外学者纷纷对主动悬架进行研究,并将现代控制理论的多种控制算法诸如:最优控制、自适应控制及神经网络等应用于对j三动悬架的控制,也取得了一定的成果,但这些控制算法仍存在以F 问题:(1算法

19、比较复杂,运算量大,故而实时性差,以至与实际应用有一定的距离。(2至今仍未形成比较完善的理论为设计主动悬架提供简单的计算公式以整定控制器参数进而选择悬架参数。(3在对所选控制算法进行仿真研究过程中,多数避开执行元件环节,控制器直接输出主动力作用于整车系统,与实际系统相距甚远。基于上述问题,探索采用易于在计算机实现的控制算法并在仿真过程中考虑执行元件环节就有着分重要的现实意义,本文在这方面做太胤理丁=学坝i学位论文了人量T作,力求缩短理论研究与实际应用的距离。第三节本文所作工作的主要内容通过研究和总结国内外有关汽车悬架主动控制技术的现状和水平,明确了该项技术研究目前的进展状况,在前人所作r-作的

20、基础上,根掘目前存在问题并结合我国的实际情况,建立了以伺服阀控制的液压缸为执行元件的两自由度1/4车辆主动悬架系统数学模型,应用传统的PID控制方法和模糊控制理论设计了几种控制器对汽车液压主动悬架系统进行控制,然后采用Matlab5.2+Simulink+Fuzzy Logic Toolbox 对所选拧制算法进行数字仿真。仿真结果表明,所选控制方案确实能达到期望的控制效果。控制方案有如下几种:(1应用传统的PID控制方法设计了传统PID控制器,并对汽车主动悬架系统进行仿真;(2应用模糊控制理论设计了。种模糊积分控制器并对悬架系统进行仿真:(3综合应用传统PID控制方法和模糊控制理论设计了一种F

21、uzzy.PID控制器并对悬架系统进行仿真;(4综合应用传统PID控制方法和模糊控制理论设计了一种模糊自调整PID控制器并对悬架系统进行仿真;在本文研究工作的最后,作者对全文作了总结,就目前所作工作和存在问题得出一些结论,并对F一步应进行的研究工作作了展望。第一章振动拧制理论发悬架主动挖制方法概述第二章振动控制理论及悬架主动控制方法概述第一节振动控制理论概述2.1.1振动控制的主要任务及实现途径振动控制是振动工程领域内的一个重要分支,是振动研究的出发点和归宿。广义上讲,振动控制主要有两方面内容:一是振动的利用,以通过产生振动来达到一定的目的,如各类振动机械:另一类是振动的抑制,一般这种振动是人

22、们所不希望的,如汽车车身的振动。本课题所研究的主要内容是要抑制汽车车身的振动,以提高汽车的整体性能,包括乘坐舒适性以及操纵稳定性等。振动控制的任务就是通过定的手段使被控对象的振动水平达到人们所要求的水平,这里,被控对象是各类产品和系统的总称。振动控制的具体过程,一般分为以下五个环节:(1确定振源特性及振动特征:即确定振源的位置,激励的特性(简谐性、周期性、窄带随机性或宽带随机性,振动特征(受迫型、自激型或参激型等,因为不同性质的振源引起的振动,其解决的方法也不同。(2确定振动控制水平:即确定衡量振动水平的量及其指标,这些量可以是位移、速度、加速度或应力等,也可以是这些量的最大值或均方根值,根据

23、具体系统确定。(3确定振动控制方法:对于刁i同的控制目的(隔振、吸振、太原理丁大学破1学位论义阻振、消振等采用的控制方法不同,不同的控制方法有其不同的J、用范围。(4分析和改控制系统:包括建立受控对象与控制装置(吸振器、阻尼器等的力学模型,然后进行振动分析,进而设计控制装置的参数和结构。(5实现:将控制装置的结构及其参数通过作实验而转化为实物,以验证控制器设汁的一,行性。在设计过程t+l,系统的可实现性也是系统设计时必须注意的问题。2.1.2振动控制的分类振动按是否需要能源划分,q,分为无源振动和有源振动,电即被动控制和主动控制两类。振动如按其性质划分,一般分为动力响应控制和动力稳定性控制。当

24、外界时变扰动作用与实际系统时,均会引起系统的动力响应。动不稳定是由于被控系统内部存在正反馈而使系统产生越来越大的振动,在这种情况下,实际系统将在短时间内造成产品或结构的严重破U、。按采用抑制振动的手段划分,振动控制方法有如下血种:(1隔振:在振源与受控对象之间串加一个称之为隔振器的子系统,用它来减小传递到被控对象的振动,这是一种比较常见的减振系统,本课题所研究的控制系统即为此类系统。(2消振:也即消除或减弱振源,这是治本的方法,如对不平衡的刚性或柔性转子,采用动平衡的方法消除或减弱它们在转动时因质量平衡出现的离心力和力矩。但对于汽车车身的振动来说,这种方法是不可取的,因路面的不平度是不可以消除

25、的(虽然可以通过提高路面的质量以提高路面的不平度,但那不是本课题所要研究的内容,也不能从根本上解决汽车车身的振动问题。(3吸振:也叫动力减振。该类控制方法是在被控对象上附加一鹅一章振动柠制理论及悬架主动控制方法概述个称之为动力吸振器的子系统,靠它产生吸振力来减小被控对象对振源激励的响应。如为减小直升机在飞行中机体振动水平而采用的连于驾驶舱内的质量弹簧型吸振器。(4结构修改:该方法通过修改被控对象的动力学特性参数而使其振动满足要求,这种方案小需增加任何子系统。其中,动力学参数是指能影响被控对象川度、质量、阻尼的那些参数。(5阳振:也称为阻尼减振。这种控制方法是在被控对象上附加阻尼器或阻尼元件以消

26、耗振动能量而使响应值减小,如粘贴阻尼材料的汽车壁板可以有效地减小因路面不平度引起的车身随机激励晌应。第二节振动主动控制其在车辆悬架系统中的应用2.2.1振动主动控制简介在许多场合下,振动被动控制因其不需能源、结构简单并且易于实现、可靠性好等优点而被广泛采用,并且减振效果令人满意。但随着科技的不断发展,人们对振动环境的要求也越来越高,这样,振动被动控制的局限性就暴露出来了。如无阻尼动力吸振器对频率不变或变化不大的简谐外扰引起的振动能够进行有效地控制,但当简谐外扰的频率变化较大时,它的减振作用就非常差。因此,人们除了继续探索振动被动控制的更为有效的方案以外,又不断寻求新的控制方法。这样,主动控制作

27、为一种效果好、适应性强的控制方法,逐渐被研究人员采用。振动主动控制有两种形式:丌环控制与闭环控制。其基本组成如图(2一1所不。其中,丌坏控制又称程序控制,在这种控制方式中,其控制器的控制律是事先设定好的,与被控对象的具体状态没有关系;而闭环控制是控制器根据被控对象的实际运行状态,采用一定的控制算法,实时地改变被控对象的一些具体参数,以达到减小振动的目的。太坎耻丁人学硕上学位沦史通常,被控对象的状态是通过装在其上的传感器采集,然后将其送往控制器,控制器对所得数据进行处理后,输指令给作动器,从而改变被控刘象状态,形成个闭肼控制系统。|J|图(2。1可见,振动控制系统般由以F几个部分组成:(b(aJ

28、I州、控制(b闭环控制型(2.I两类主动控制(1能源:用来产生主动控制力所需的能量,一般有:液压油源、气源、电源等。(2控制器:这是主动控制的核心环节,用它来实现人们所要求的控制律。对开环控制来说,其控制律是事先确定的,而对闭环控制来说,其控制算法是确定的,控制器根据传感器传来的车身加速度和速度信号,按照所选控制算法进行处理输出指令,以驱动作动器动作,实现控制目的。(3作动器:通常也称作动机构。它是一种产生作用力的机构,豫一幸振动控制理论及悬架土z曲摔制方法概述所J“/J一的作用力直接作用于被控对缘t.。常用的作动器有:们服液压式、伺服气压式、电磁式、压电式、电动式等。(4被控对象:被控对象是

29、被控系统的总称。一般有单闩LU度系统、双自由度系统、多自由度系统和无限自由度系统。(5测量系统:测量系统一般包括传感器、放大器、适凋器、滤波器等uJ以将被控刘象的参数信息转换并输入到控制器部分的各个环节。常,玎的传感器有压电式加速度训、压阻式加速度计、光电式位移传感器等。(6子系统:有时,作动器并不直接作用于被控对象本身,而是通过附加的子系统或子结构作用于被控对象。但这种结构并不是每个振动主动控制系统中都必须用到。所以,在以上所述中,前缸个部分是振动主动控制系统中必需的基本环节,而子系统仅在必要的时候/j 加。2.2.2振动主动控制在车辆悬架系统中的应用主动控制的研究始于轨道车轴的悬架振动控制

30、。最初将其用于汽车是由AP(Automotive Product公司基于气液悬架而发展的一种机械悬架系统。近年来,Nissan(闩产和Toyota(丰田公司宣川在轿车上成功采用j,液力主动悬架。至今已发展了下述三种类型的液力主动悬架控制系统:一类是由Louts(莲花公司开发,它由双作用油缸和高速响应液力控制阀直接耦合,系统控制能力强,但能耗大;一类是由AP公司发展的气液悬架,通过一个流量控制阀将油液输送到单作用油缸并充填蓄能器实现主动控制;一类是由Nissan公司开发,其主要特征是压力控制阀同小型蓄能器以及液压油缸相结合,汽车处于不平路面上时,路面振动输入的能量为蓄能器所吸收,从而减少了整个系

31、统所需的能量,簧卜质量的振动控制是由液力系统的主动阻尼和被动阻尼共同完成。太原理丁大学坝I学位论文第三节汽车悬架主动控制方法概述日前为止,幽内外学者已经对汽车悬架的主动控制作了大量的研究,并将现代控制理论的多种控制方法应用于汽车悬架的主动控制,例如:白适应控制、最优控制、模糊控制、神经网络控制等,下面对这些控制方法作一简单的介绍。2.3.1自适应控制振动的自适应控制起源于80年代,已经形成了很多具体的控制策略,例如:简化自适应控制、基于超稳定性的自适应控制、基于自适应滤波的前馈控制以及自校正控制等。目前应用于车辆悬架振动控制的自适应控制方法=E要有自校lF控制和模型参数自适应控制两类。其中自校

32、【F控制是通过在线辩识被控对象参数然后在线整定控制器参数以克服被控对象的参数不确定性,从而达到较好的控制效果。而模型参考自适应则是先选定理想的系统模型,然后在线调整控制器参数,以使被控对象的输出能跟踪理想系统模型的输出。目前,采用自适应控制的汽车悬架已经在德国大众公司生产的汽车上得以应用,并取得了良好的效果。1.3.2最优控制最优控制是满足一定最优条件的反馈控制。目前应用于车辆悬架振动控制的最优控制方法主要有:线性最优控制、H”最优控制和最优预报控制等。其中:线性最优控制是在应用LQ(Li near Quadrati c线性二次型和第二章振动控制理论及悬架主动控制方法概述LQO(I.i nea

33、r Quadrati C GauSSi an线。阿:_一次高斯型控制理论、以系统比较理想的模犁为划象、耿被控对象的状态响应与控制输入的加权二次型为评价陀能指标同时保证系统稳定的前提F来对车辆悬架系统实现最优控制。H。最优控制同样是在保证闭环系统各回路稳定的前提F来对车辆悬架系统实现最优控制。这种最优控制方法能使被控对象相对于噪声干扰的输出达到最小,H”最优控制控制方法可对车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系数等变化不定的误差进行模拟,故而其鲁棒性较强。最优预报控制是利用车辆前轮的扰动信息来预估路面的激励输入。其控制策略是将所测的系统状态变量反馈给前后控制器以实现最优控制。这种控制方法一般应用于轨道

34、车辆的悬架控制,因轨道车辆是在同一轨道上反复运行,故而可以基于过去和现在的信息来预测将来的信息,进而实现最优控制。模拟和试验结果表明,这种方法可以改善轨道车辆的乘坐质量,降低主动控制所消耗的能源。2.3.3模糊控制模糊控制自1965年由扎德(JA.Zadeh教授提出以来,已经得到了巨大的发展。它作为种仿人思维的控制方法,因其独特的优点而得到了广泛的应用。它有如下特点:(1不需建模,仿人的思维对被控对象实现控制:(2当利用计算机进行控制时,可事先建立模糊控制表,实时进行查表得出所需控制量,算法简单,实时性强;(3其“if-then”模糊规则是依据专家经验来建立,控制效果良好。至今国外不少学者已将

35、模糊控制理论应用于实际系统中,如:模糊洗衣机、模糊电饭锅等,国内南京建筑工程学院张庙康将其与神经网络结合应用于对汽车半主动悬架的控制271。仿真结果表明,其减振效太原理T人学坝卜学位论史果明显优丁.破动悬架。2.3.4神经网络控制人工神经网络(ANN是近年来迅速发展起来的一门新兴学科,其星础是通过模拟人脑功能来实现对被控对象控制,它有如下几个特点:(4以分布方式存储信息,即使网络的某一部分出现问题,仍然可以得到恢复:(5以并行方式处理信息,可以大大提高运行速度;(6以连续方式进行学习,使学习变的简单可靠;(7以众多的神经元组成。个网络,叮以逼近任何复杂的非线性系统。囡其具有以上几个特点,应用神

36、经网络实现的控制系统具有较强的鲁棒性和实刚性,在车辆悬架系统中也有着广泛的应用前景。文献12将神经网络理论应用于对汽车半主动悬架的控制,介绍了神经网络在该系统中的扫:线训练/j-法,并对两自由度汽车模型进行仿真计算,结果表明,神经网络控制的半主动悬架系统的减振性能明娩优r被动悬架。以卜对迄今为止应用于车辆悬架系统的部分控制方法作了简要的介绍,具体采用那种控制方法,需视实际情况而定。本文研究的主要任务是结合具体系统探索儿种新的控制算法,以求缩短理论研究与实际应用的距离。6第三章汽车被Jt土动悬架数学模型的建直第三章汽车液压主动悬架数学模型的建立悬架动控制系统的设计应首先从建立系统的数学模型丌始,

37、然后再根据系统的设计要求,对它进行形式化的描述,继而选择一种或几种设计方法对控制系统进行设计,并通过仿真或试验来验证控制方法的有效性。目前主要流行三种模型描述方式:状态空间描述、传递函数描述、权函数描述,本文采用传递函数描述对系统进行研究,并对基于状态空间的汽车悬架系统的数学模型作一简要的介绍。我们所研究的对象是一个相当复杂的多自由度问题,如果考虑车身的前俯后仰以及左右转向,将使所研究悬架系统太复杂而无从下手。故而,一般对车辆悬架系统进行合理简化,以方便理论研究。通常有两种形式:单自由度模型和两自由度模型。第一节单自由度数学模型3.1.1理想单自由度物理模型理想的单自由度模型是在忽略轮胎刚度的

38、情况下建立的,其物理模型如图3.1所示:1榨制器辛梦:图3、1.V X太原理T人学硕上学位论文3.1.2运动微分方程整个被控系统的运动方程如下(忽略悬架阻尼:聊j+k(yX、一f=0(31-1式中:m一簧卜质量t一悬架刚度x一路面激励位移y一簧上质量位移f-.作动器产生的主动力对上式进行拉氏变换有:(ms2+ky(sf(s=詹(J(3.1-2式中:x俐、y倒、/劲分别为工、儿f的拉氏变换。也即:令y(s:生x(s十士厂(s(3-1-3 ms+k ms一十庀3.1.3传感器、控制器与作动器的传递函数为简单起见,将此三部分的传递函数合在一起表示如下:胎=鬻pM,综合上述内容可得控制系方块图如图(3

39、一1.2:以上对理想单自由度汽车悬架系统作了简要的分析,但因其考虑的因素太少,故而不能较为真实地反映实际系统的动作情况。因此,人们一般采用两自由度物理模型,这种数学模型将在本章的第二节进行讨论。第二章汽1液压主动悬架数学模型的建第二节两自由度数学模型3.2.1理想两自由度物理模型理想的两自由度模型是在单自由度模型的基础上,同时考虑轮胎刚度而建成的。本文采用伺服阀控制的液压缸作为作动器,所构成的l,4悬架系统的理想物理模型如图(3-2。1所示:y,y。系统作用过程为(k,可nh,一图(32.1路面有不平度输入Y,经轮胎州广_簧F顷量,一-一簧f一质量女一一轮胎刚度女,-一弹簧刚度C悬架阻尼yfJ

40、.-一一路面激励位移v,-.一簧下质量位移vr一簧f质量位移k,传递到簧下质量耄砩_目十Hn伺4_太原理1人学坝卜学位论文m,然后再由m,经悬架刚度k,和悬架阻尼c传递到簧l:质量m,(假设此时液爪主动悬架还没有T作使簧卜质量m,产乍加速度,这时液J丘主动悬架控制系统经加速度传感器测的其加速度信号,再经电荷放大器将所得电信号放大以使其与控制器的输入电信号幅值(电压或电流相匹配,最后由控制器对所得电信号按事先设计好的控制规律进行处理,得对应的输出控制量给所选作动器即伺服阀控制的液压缸使其产,ji相应的动作以改变簧上质量的加速度,使其在希望范围内波动。3.2.2运动微分方程式中2少2+c(夕!岁1

41、十k2(y!一Y1+FL,=01夕I十c(岁l一夕!+kl(J,IYok2(y!一YI一=0液压缸产生的主动力。对(1(2式进行拉氏变换并进行化简有:儿(s=磊cs+ik2iM(,一磊两1C(s儿(卜瓦丙M(卜瓦万赢F;(5夕;(s令Y2(s=_(sy.(s一(s(sYl(s=f3(syo(s+厂4(st(s(3-21(3-22(3-23(3-24(3.25(3-263.2.3伺服放大器与伺服阀传递函数因伺服阀有良好的频响特性,与液压缸相比其动态特性可以忽略故可把它看成一比例环节,其传递函数如下:第一章汽车液Jh主动悬架数学模型的建式中令屯、ufs量盟:K(3-27u(s“伺服放大器与伺服阀增

42、益;伺服放大器输入的拉氏变换。3.2.4液压缸传递函数所选液压缸的物理结构如下图所示幽(3-2.2四道阀控制的对称液压缸阀的线性化流量方程为:Qf=K。x。一K。只(3-29流量连续性方程为:Q1=A p x p s+C,p枷s(3-2-!oA p x p sQi Pl+靠Pts太原理丁人学硕lj学位论义液压缶【.产生力的平衡力程为(本系统中一的值为零:t=Ap鼻2m2s2xP+BPSXp+足2xp(3-2一11以卜!L11:Q厂一流量:K一流量增益;丘流量压力系数;z。阀的位移;f旷一一液压缸总泄漏系数;以总压缩容积:月f液压缸有效表面积;丘流量压力系数。一活塞位移;尸,一油缸压力腔的压力:

43、口。系统的有效体积弹性系数;尻一活塞和负载的粘性阻尼系数。由(5(6(7式可推导得:其中只(sx。(sApK。fm2s二+ApKqBPs+ApKqk13-2一12小,5秘+c筹%吲sB:椰,=(爿,2+万k2V,邶水+B,%j+z(K+C,p令:Cb=/6(sx,(s(3-214综合以上内容可得系统传递函数方框图如图(3-2-2所示:击击辜性度*匦团匪囫L一”“8“T T中燃L世运莽遍办:垴制器第三章汽彳液压生动悬架数学模型的建立第三节基于状态空间描述的数学模型的建立仍以两自由度的悬架系统为研究对象,建立其状态空间数学模型。首先,根据牛顿第二二定律,建立系统的运动方程如下:2歹2+c(夕2一九

44、+2(y2一Y r+一mljjl+c(户l一夕2+k1(,lYo一k2(Y2一Y1一=0选取悬架动挠度伍。一x、簧上质量速度yz、轮胎动变形O。f、簧下质量速度文。为状态变量。也即:X=p:一Yl,夕:,Y。一Yl,夕。】7,Y=夕:,“=t。路面输入可看作是噪声项,令w=成则悬架系统的状态空间方程和输出方程如下:jX=AX+Bu+Ew f3-3-2Y=CX+Du式中:c7=一瓮一iCi。c。=一1m2m2L 埘2m2j L JA=O ,m,0K.m,O l 0二埘,O 一10生m.01脚201mlE=因为利用状态空间法建立数学模型的过程中是将悬架系统和车身其他部分综合考虑,生成一个状态方程。

45、故而,如果想把加控制和不加控制进行比较时就显得不太方便,所以在本文所研究的系统中,为了在仿真的过程中能方便地对加控制和不加控制进行比较,故而选本章,。一%o 。一耽太原理丁_大学硕士学位论文第二节利用古典控制理论来建立系统的数学模型作为研究对象。第四节本章小结在以上三节中,本文对利用古典控制理论和状态空间的方法建立的单自由度模型和双自由度模型作了简要的介绍,并建立了以伺服阀控制的液压缸作为作动元件的双自由度模型。在以后的章节中,本文的研究工作均是以这种模型为基础的。第蹦章传统PID拧制算法理论分析戍仿真研究第四章传统PID控制算法理论分析及仿真研究4.1.1概述第一节传统PID控制算法简述在生

46、产过程自动控制的发展历程中,PID控制是历史最悠久、生命力最强的一种控制方法。本世纪40年代以前,除了在最简单的情况F 可使用开关控制以外,它是唯的控制方式。随着科技的不断进步尤其是计算机技术的迅速发展,又涌现出许多新的控制方法。然而,P1D 控制却并没有因此而略显逊色。迄今为止,它仍是应用最广泛的基本控制方式。PID控制是比例积分和微分控制的简称,它具有如下几个优点:(1原理简单,使用方便;(2适应性强,可广泛应用于热工、冶金、造纸等各种生产部门;(3鲁棒性强(也即其控制品质对被控对象特性参数的变化不敏感。4.1.2PID控制器的数学描述PID控制器是由LLfftJs页、微分项、积分项三部分

47、组成,其连续型表达式如一F:警巧西,D :厂巧一M 一%|D 尸太原理T人学坝l学位论文式中:P俐控制器的输出:如-控制器的比例系数:ea控制器的输入信号,一般为测量值与输入值之差;乃控制器的积分时间;%一控制器的微分时问。用计算机进行PID控制时,凼计算机仅能处理离散信号,故而必须把PID控制算法变换成计算机可以实现的离散形式,其离散化后的差分形式如下:Pc”,2t,ecn,+;j萎;ec,+等k cn,ec”一,】c412,式中:r采样周期;g俐第n次的采样偏差值:e(n一,J第(n.1次的采样偏差值;采样序号,n=0,1,2,34.1,3比例调节存比例调节中,调节器的输出P与偏差信号z3

48、e成比例,也即P(f=kj,Ae(t(413式中k,为比例增益。其显著特点是它对被控系统的最终影响是有差调节,但其快速性好。比例调节的阶跃输出响应曲线如图(4。1.1所示:4.1.4积分调节”I芒,刑互辨旧章传统PID控制算法理论分析发仿真州究在积分调节中,调节器的输出尸与偏差信号e对时间的积分成比例,也即:,P(,=S。P(tdt(414i式中&为积分速度。-S比例调节相比较,积分调节的特点是无差调节。但其快速性和稳定性不如比例调节,其阶跃输出响应曲线如图(412所示:皓刑l二4.1.5比例积分调节比例积分(PI调节是综合P、I两种调节的优点,利用P调节快速抵消干扰的影响,同时利用I来消除静

49、差。其调节规律为:或Jp(,=kpP(,+品JAe(tdt即,=吉愀,+毒胁岫,降1.6,式中万被称为比例带,可为正值或负值;L为积分时间,图(413是PI调节器的阶跃输出响应曲线,它由比例和积分两部分共同作用而太臆挫T人学坝Ij学位论文得到的。n:施加阶跃输入的瞬叫,调节器立即动作,产生一个LSe(t/6的阶跃,然后以速度zSe(O/占乃变化,在t=乃时刻,调节器的总输为2e(tl6。这样,我们可根掘图(4-l一3来确定6和L的值。|D4P(0/dem/6幽(4.134.1.6比例积分微分(PID调节PID调节器的调节规律为:只,一,P(,+SO。k(,西+5,垡!垒丛型(4-J_7、。p。

50、i:dtfj或:JD(f:三(P(f+i1fAeodr+%坐掣(4-1.8ato/0。式中J、T,、止,5:,的意义与前面相同,S为微分速度、%为微分时fnj。PID调节器是综合P、I、D(微分项的优点于一身的控制器,加入微分项可提高系统的稳定性,适度引入微分项可以允许少许减少比例带,却能保持衰减率不变。但是,微分调节不能单独加于系统,冈实际的调节器都有一定的失灵区,当被控量的偏差小到一定程度时,调节器不能察觉,故而调节器不动作,但经长时inJ的积累,偏摹将可能达到一个非常大的值,这对实际系统是不允许的。PID调节器的阶跃 太原理1人学埘jj学位论义 幽【4-2.75Hz加PID输出|鳖|(4

51、-285Hz川时句移相器输出32第四章传统P1D控制算法理论分析及仿真研究 图(4-2.1310Hz同时加移相器2秒输出图(4-2一1410Hz同时加移相器lO秒输出太原理一丈学坝j学位论文 图(4-2.1920Hz加PID输出图(4.2.2020Hz同时加移相器输出34第四章传统PID控制算法理论分析及仿真研究仿真结果列表对LL(其中正弦路面输入的标准差为O.0141m表(4-2.I1HZ5HZ10HZ15HZ20HZ 率标准衰减标准衰减标准衰减标准衰减标准衰减控制方蠢、差(m率(dB差fml率(dBl差(m率(dB差(m率(dB差(m1率(dB69257不加控制器OOl83.2260009

52、0390O002614680001519462617e一004加普通PID81497447688193916822374112456l9749560控制e-005e.005e-004e-005e一00669085967564616744347761530396同时加移相器47474678255565197333e.005e-005卜004e-006e-0064.2.3仿真结果分析仿真过程中发现,在本控制系统中,积分调节的作用是非常大的。但是又不能彻底否定比例和微分环节的作用。同时,在控制通道中加入移相器,也确实使改善控制系统高频时的特性,这也进一步证实了前面论述的丁F确性。从表(4-21可以看

53、出,从整体效果看,加控制器的控制效果均比不加控制器的效果好的多,仅在10HZ处,加PID 控制的效果不太明显,这一点与D.karnopp在文f11中证明的结果相近。文中指出,对于采用线性轮胎(不考虑阻尼的两自由度模型,无论作用在簧上、簧下质量之间的主动力如何变化,在轮胎的共振频率处,车身加速度对路面输入传函的幅值不变,也即簧上部分的位移变化趋势基本相同。故而,仿真结果可信。第三节本章小节本章对传统PID控制理论作了简单的介绍,并对第三章建立的两自由度汽车悬架系统进行仿真。同时对本控制系统的一些特殊性进行了讨论,并通过仿真得到验证。仿真结果表明,加PID控制的悬架系统太原理工人学硕士学位论文的减

54、振效果明显优于被动悬架。如能用于实际系统,不仅能取得较好的效果,同时又因传统PID的简单易实现性,定能缩短理论研究与实际应用的距离。第五章模糊控制在汽车悬架系统中的应用及仿真研究第五章模糊控制理论在汽车悬架系统中的应用及仿真研究第一节模糊控制理论基础5.1.1模糊控制的产生及基本思想在自动控制产生之前,人们在生产过程中只能采用手动的方式进行控制,在整个控制过程中,人首先通过观测被控对象的输出,然后再根据所得观测结果作出决策,最后对被控对象进行手动调整。操作人员不断地进行观测一决策调整,来实现对被控对象的控制,而这三个步骤分别是由人的眼一脑一手来完成的。后来,随着科技的进步,人们又利用各种测量元

55、件代替人眼,利用各种控制器如(PID控制器来代替人脑,利用各种执行元件来代替人手,这样就构成了常规的反馈控制系统。人们经过长期的研究和实践形成的经典控制理论对解决线性定常系统是比较有效的。再后来又出现了基于状态空间的现代控制理论,它在解决线性或非线性、定常或非定常问题上得到了广泛的应用。但是,不管是古典控制理论还是现代控制理论都必须事先知道被控对象的精确数学模型,然后才能进行控制系统的设计。而在许多情况下被控对象的数学模型很难建立,这时,利用前述的方法就很难进行自动控制。而一个有经验的操作人员对这种被控对象进行手动控制,却能达到较好的效果。这样,总结并模仿人的控制行为,利用一些像“较大”、“较

56、小”、“正零”的模糊语言来描述控制规则的模糊自动控制就从此产生了。太胤埋T夫学坝学位论殳5.1.2模糊控制系统的组成模糊控制的基本原理如图(51.1所示,其核心部分是图中虚线框中的部分。模糊控制算法的实现过程是这样的:首先微机通过测量元件测得被控量的精确值,然后将其与给定量相比较得到偏差值E作为模糊控制器的输入。再把偏差值E模糊化为模糊量,这时,偏差值E就可用模糊语言来描述,进而得到偏差值E的模糊语言集合的一个子集P(模糊向量。再由e和模糊控制规则R(模糊关系根据模糊推理的合成规则进行模糊决策,得到模糊控制量H:图(5.1一I为了实现对被控对象的精确控制,还需将模糊控制量“转换为精确量也就是反模糊化。然后再经数模转换得模拟量送执行元件,对被控对象进行控制。5.1.4模糊控制器的结构设计模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的