基于DSP的汽车磁流变减振悬架系统控制策略设计与研究

1、中北大学2012届毕业设计说明书第 PAGE 39 页 共 36页 1 绪 论随着社会会的发展展和文明明的进步步，汽车车作为一一种交通通工具，已成为为人们出出行的主主要选择择，汽车车乘坐的的安全性性、舒适适性已成成为世人人关注的的焦点。汽车作作为高速速客运载载体，其其运行品品质的好好坏直接接影响到到人的生生命安全全，因此此，与乘乘坐安全全性、舒舒适性密密切相关关的轿车车动力学学性能的的研究就就显得非非常重要要。悬架系统统汽车的的一个重重要组成成部分，它连接接车身与与车轮，主要由由弹簧、减震器器和导向向机构三三部分组组成。它它能缓冲冲和吸收收来自车车轮的振振动，传传递车轮轮与地面面的驱动动力与制

2、制动力，还能在在汽车转转向时承承受来自自车身的的侧倾力力，在汽汽车启动动和制动动时抑制制车身的的俯仰和和点头。悬架系系统是提提高车辆辆平顺性性和操作作稳定性性、减少少动载荷荷引起零零部件损损坏的关关键。一一个好的的悬架系系统不仅仅要能改改善汽车车的舒适适性，同同时也要要保证汽汽车行驶驶的安全全性，而而提高汽汽车的舒舒适性必必须限制制汽车车车身的加加速度，这就需需要悬架架有足够够的变形形吸收来来自路面面的作用用力。然然而为了了保证汽汽车的安安全性，悬架的的变形必必须限定定在一个个很小的的范围内内，为了了改善悬悬架性能能必须协协调舒适适性和操操作稳定定性之间间的矛盾盾，而这这个矛盾盾只有采采用这折

3、折衷的控控制策略略才能合合理的解解决。因因此，研研究汽车车振动、设计新新型汽车车悬架系系统、将将振动控控制在最最低水平平是提高高现代汽汽车性能能的重要要措施12。1.1 车辆悬悬架系统统的分类类及发展展按工作原原理不同同，悬架架可分为为被动悬悬架(PPasssivee Suuspeensiion)、半主主动悬架架(Seemi-Acttivee Suuspeensiion)和主动动悬架(Acttivee Suuspeensiion)三种，如图11.1所所示33。 （a）被被动悬架架 (b)全主动动悬架 (cc)半主主动悬架架图 1.1 悬悬架的分分类图1.11中Mu为非簧载载质，Ms为簧载质质量

4、，Ks为悬架刚刚度，Kt为轮胎刚刚度；CC1为被动动悬架阻阻尼，C2为半主动动悬架可可变阻尼尼，F为主动悬悬架作动动力。目前我国国车辆主主要还是是采用被被动悬架架(Paassiive Susspennsioon)。其两自自由度系系统模型型如图11.1(aa)所示示。传统统的被动动悬架一一般由参参数固定定的弹簧簧和减振振器组成成，其弹弹簧的弹弹性特性性和减振振器的阻阻尼特性性不能随随着车辆辆运行工工况的变变化而进进行调节节，而且且各元件件在工作作时不消消耗外界界能源，故称为为被动悬悬架。它它的结构构简单，性能可可靠，经经过不断断改进，现在发发展的已已比较成成熟。然然而，汽汽车在行行驶过程程中，其

5、其平顺性性和操纵纵稳定性性对悬架架参数的的要求是是不同的的，要想想同时兼兼顾两者者是很困困难的，即使经经过优化化，也只只能使它它在特定定的车速速和路面面下才能能达到最最佳。所所以，悬悬架的特特性参数数一经选选定，就就无法随随汽车运运行的工工况和激激励的变变化而进进行调节节，故其其减振性性能的进进一步提提高也就就会受到到限制。为了克克服被动动悬架存存在的缺缺点，人人们尝试试了很多多方法，如采用用非线性性变刚度度弹簧，虽然取取得了一一定的效效果，但但是仍不不能从根根本上消消除上述述的缺陷陷。改善善悬架性性能的根根本出发发点在于于改善悬悬架对车车轮和车车身的作作用，这这可以从从改变悬悬架刚度度或阻尼

6、尼或同时时改变两两者入手手.于是主主动、半半主动悬悬架的研研究就逐逐步开始始了。19544年，GMM公司Errspiie.LLabrrosee在悬架架设计中中首先提提出主动动悬架的的思想3。主动悬悬架的基基本原理理是用可可调刚度度的弹簧簧或可调调阻尼的的减振器器组成的的悬架系系统，该该系统采采用有源源或无源源可控制制的元件件组成了了一个闭闭环控制制系统，它可以以根据车车辆预测测的激励励和簧载载质量的的加速度度响应等等反馈信信号，按按照一定定的控制制规律调调节可调调弹簧和和可调阻阻尼器的的参数，以抑制制车体的的运动，使悬架架始终处处于最优优减振状状态。主主动悬架架的特点点就是能能够根据据外界的的

7、输入或或车辆本本身状态态的变化化进行动动态自适适应调节节。这种种悬架系系统为在在根本上上改善汽汽车悬架架系统的的性能，提供了了一条崭崭新的途途径。图图1.1(bb)为两两自由度度全主动动悬架系系统(FFullly AActiive Susspennsioon)。该系统统是由FFedeersppiell.laabroossee在 19975年年发明的的4。它主主要由一一个可控控的电液液作动器器组成。作动器器相当于于一个力力发生器器，可根根据车身身质量的的速度响响应等反反馈信号号，按照照一定的的控制规规律产生生作用力力。它可可替代被被动悬架架中的弹弹簧和减减振器，可以任任意变更更刚度以以及阻尼尼系

8、数。全主动动悬架的的最大优优点是具具有高度度的自适适应性，可很好好地满足足不同环环境的要要求(如不同同道路条条件和行行驶速度度等)。这种种装置所所要求的的控制目目标是实实现一个个最佳的的隔振系系统，而而且不需需要对系系统作较较大的改改变.另外又又因为该该悬架系系统还能能控制车车轮的频频率范围围(10015HHz)，因其响响应特性性很快，所以又又把该悬悬架系统统称为“快”主动系系统。这这种系统统功率消消耗很大大，一般般达到ll0Kww左右，另外传传感器的的需用量量也很多多(如行程程传感器器、加速速度传感感器、力力传感器器及某种种情况下下的压力力传感器器等)。因而而尽管全全主动悬悬架的性性能非常常

9、优越，但由于于它的结结构相当当复杂，而且造造价也较较为昂贵贵，一般般仅限于于在豪华华轿车和和客车上上使用，所以其其应用范范围较小小5。与主动悬悬架相比比，半主主动悬架架没有力力发生器器，它通通过调节节减振器器的液力力阻力，改善悬悬架的振振动特性性，图11.1(cc)为两两自由度度半主动动悬架（Semmi-AActiive Susspennsioon）。半主动动悬架研研究始于于19774年美美国加州州大学戴戴维斯分分校 KKarnnoppp的研究究工作6。该系统统主要由由弹性原原件与可可调阻尼尼器构成成，此可可调阻尼尼器在其其力的产产生方面面非常相相似于被被动悬架架中的阻阻尼器，但其阻阻尼系数数

10、是根据据车身质质量的垂垂直加速速度、簧簧载质量量与非簧簧载质量量的相对对位移等等反馈信信号，按按照一定定的控制制规律而而瞬态变变化的，因此其其减振效效果又接接近全主主动悬架架。但由由于半主主动悬架架中弹簧簧钢度为一定定值，所所以它的的自适应应性能要要稍逊于于全主动动悬架。其中半半主动悬悬架又可可以分为为阻尼有有级可调调(Onn-Offf)和和阻尼连连续可调调（Coontiimuoous）两种类类型。阻尼可调调减振器器主要有有两种：一种是是机械式式可变阻阻尼减振振器，一一般通过过电磁阀阀或步进进电机进进行有级级或无级级调节截截流孔的的开口，改变通通流面积积来调节节阻尼系系数。该该方法成成本较高高

11、，结构构复杂，响应快快，不易易实现细细微调节节；另一一种是通通过改变变减振器器的粘性性调节阻阻尼。通通过使用用粘性连连续可控控得新型型减振液液（如磁磁流变液液、电流流变液）来实现现阻尼连连续变化化，结构构简单、制造成成本不高高、无液液压阀的的振动冲冲击和噪噪声的特特点。电电流变液液依靠施施加一个个高压电电场来产产生电流流变效应应，电流流变液对对电场反反应迅速速，但是是在屈服服应力、温度范范围、塑塑性粘度度和稳定定性等方方面，磁磁流变液液强于同同类电流流变液。从以上分分析可以以看出，全主动动/半主动动悬架的的性能明明显优于于被动悬悬架，而而阻尼连连续可调调的磁流流变减振振器半主主动悬架架由于结结

12、构简单单，可靠靠性较高高，在工工作中消消耗能量量很小，控制易易于实现现，性能能指标与与全主动动悬架相相近，因因此受到到车辆工工程界的的广泛重重视，应应用前景景将更为为广泛。1.2 磁流变变液和磁磁流变效效应磁流变液液(MaagneetorrheOOI。 giCCalFFluiid，简简称MRRF)是是19448年由由美国学学者RaabinnowJJ发明的的一种流流变性能能可随外外界磁场场改变而而改变的的智能材材料。它它由磁性性微粒、基液及及稳定剂剂三部分分组成。通常磁磁性微粒粒的粒径径在110微微米范围围内，一一般采用用铁、钴钴、镍等等磁性材材料77，它它是使液液体获得得磁流变变效应的的主要成

13、成分;基基液是作作为磁性性微粒的的载液，要求具具有良好好的阻燃燃性和温温度稳定定性，还还应保证证不会发发生腐蚀蚀和污染染作用;而稳定定剂是改改善磁流流变液的的沉降稳稳定性和和凝聚稳稳定性，通常稳稳定剂具具有特殊殊的分子子结构:一端对对磁性颗颗粒界面面能够产产生高度度的亲和和力，吸吸附于磁磁性颗粒粒表面，而另一一端是极极易分散散于载液液中的具具有适当当长度的的弹性基基团。一一般采用用氧化硅硅胶添加加剂或其其他表面面活化剂剂。磁流流变液的的流变效效应目前前还没有有完全成成熟明确确的理论论，通过过显微镜镜可以观观察到:在没有有施加磁磁场的情情况下，磁性颗颗粒是杂杂乱无章章分布的的。而一一旦施加加磁场

14、后后，磁性性微粒沿沿磁场方方向呈链链或链束束状排列列，在磁磁极之间间形成粒粒子链阻阻碍流体体的正常常流动，使流体体成为一一种具有有一定剪剪切屈服服强度的的粘塑性性体，如如图1.2所示示。 （a）不加磁磁场时 （bb）加磁磁场时图1.22 磁流流变效应应示意图图当没有磁磁场作用用时，磁磁性粒子子悬浮于于基液中中呈现出出随机分分布状态态。而施施加磁场场作用后后，粒子子表面出出现极化化现象，形成磁磁偶极子子。磁偶偶极子在在克服热热运动的的作用下下沿着磁磁场方向向结成链链状结构构。极化化链中各各个相邻邻粒子之之间的吸吸引力随随外加磁磁场强度度的增加加而增加加。当磁磁场强度度增至临临界值时时，磁偶偶极子

15、相相互作用用超过热热运动，使粒子子热运动动受阻，此时磁磁流变液液呈现固固体状态态，相邻邻粒子间间的吸引引力也达达到最大大。磁流流变液的的屈服应应力也是是随外加加磁场强强度的增增加而增增加的，但当达达到某一一饱和值值后，如如果再增增加磁场场强度，屈服应应力不再再增加，这时就就达到了了饱和磁磁场下的的J态屈服服应力8910。磁流变效效应是磁磁流变液液走向工工程应用用的基础础，那么么具有良良好性能能的磁流流变液应应满足的的以下几几点要求求: 磁场场作用下下有较高高的屈服服应力; 零场场作用时时具有较较低的勃勃度; 较宽宽的工作作温度范范围; 长期期的沉降降稳定性性和凝聚聚稳定性性; 较好好的化学学稳

16、定性性; 响应应时间短短; 与密密封元件件不发生生化学作作用。1.3 磁流变变减振器器工作原原理磁流变减减振器利利用磁流流变液的的流变特特性可受受外加磁磁场控制制的特性性，实现现减振器器阻尼系系数的可可控，从从而实现现阻尼力力的控制制。(a)流流动模式式 (bb)剪切切模式图1.33 磁流流变液减减振器的的工作模模式汽车磁流流变减振振器的工工作原理理一般都都基于两两种工作作模式:剪切模模式和流流动模式式111(见见图1.3)在在流动模模式中磁磁流变液液位于两两个相对对静止的的极板之之间，磁磁流变液液流经阻阻尼通道道所产生生的压力力差受外外界磁场场控制的的，从而而推动磁磁流变液液流动的的活塞所所

17、受到的的阻尼力力就受外外界磁场场控制;在剪切切模式中中，磁流流变液位位于两相相对运动动的极板板之间，外加磁磁场方向向垂直于于极板的的相对运运动方向向，磁场场强度受受控制系系统控制制，由于于不同的的磁场可可以使磁磁流变液液产生不不同的剪剪切屈服服应力，从而极极板之间间相对运运动所产产生的阻阻力就受受到了磁磁场的控控制。将将剪切模模式和流流动模式式融为一一体就形形成混合合工作模模式，对对于这种种模式，活塞的的移动引引起磁流流变液的的流动与与剪切，但由于于流动引引起的阻阻尼力比比剪切引引起的阻阻尼力大大得多，所以只只按流动动模式计计算阻尼尼力。1.4 汽车悬悬架控制制策略简简述关于车辆辆悬架系系统的

18、振振动控制制研究与与开发是是控制领领域和车车辆动力力学领域域研究的的国际前前沿课题题。随着着现代控控制理论论的不断断深入发发展，有有关汽车车半主动动悬架的的控制策策略也是是越来越越多。自自上世纪纪七十年年代以来来，典型型的控制制方法有有天棚阻阻尼控制制、PID控制、模糊控控制、鲁鲁棒控制制、神经经网络控控制等等等。天棚阻尼尼控制是是karrnoppp提出出的一种种关于半半主动悬悬架的控控制方法法，这是是最早提提出的一一种悬架架控制方方法，它它提出了了用开关关控制实实现近似似于理想想的“天棚”阻尼的的半主动动控制方方法112。实现该该策略所所需的测测试仪器器较少且且控制的的算法简简单，使使得对这

19、这种算法法的研究究最多，也是应应用最广广的。但但是纯粹粹的天棚棚阻尼控控制策略略只是提提高了车车辆行驶驶的舒适适性，操操纵稳定定性却没没有改善善，所以以目前的的研究重重点是改改进型的的天棚阻阻尼控制制。 经典的的PIDD控制只只需要对对调节参参数根据据经验进进行在线线调整，不需要要精确数数学模型型就可以以得到比比较满意意的结果果，虽然然它简单单容易实实现，但但是被控控对象对对参数的的变化很很敏感，模糊PPID控控制是该该策略的的研究方方向113。最优控制制包含最最优预瞄瞄控制、H控制和和线性最最优控制制。最优优控制可可以改善善汽车的的行驶平平顺性和和操纵稳稳定性，但是它它只能对对理想的的参数模

20、模型实现现最佳性性能114。当汽车车参数发发生变化化到一定定程度时时，性能能将不再再最优甚甚至恶化化，系统统将变得得不稳定定，因此此它在半半主动悬悬架的控控制中用用得比较较少。模糊控制制无需精精确的数数学模型型就可实实现控制制，对于于半主动动悬架这这样复杂杂的非线线性系统统很有利利，此外外它能减减少控制制器存储储，从而而降低成成本缩短短控制对对象的延延时，提提高悬架架的可靠靠性115。虽然如如此，它它的自适适应能力力较差，控制精精度不高高。自适应控控制可以以分为模模型参考考自适应应控制和和自校正正自适应应控制两两类。它它可进行行参数识识别，使使其适应应悬架载载荷和参参数的变变化，自自动在线线调

21、整控控制参数数，从而而降低汽汽车悬架架控制系系统的不不确定性性，确保保性能最最优116。但是该该算法比比较复杂杂，因此此对系统统的要求求高，还还存在某某些参数数具有时时变性的的缺点。神经网络络控制是是一个高高度并行行的非线线性动力力系统，它由大大量的处处理单元元组成，具有可可学习性性和巨量量并行性性的特点点，在车车辆悬架架系统的的振动控控制中应应用前景景良好17。于规则则的知识识需要长长时间的的训练，因此它它需要和和其他的的控制方方法结合合使用才才能发挥挥更大的的效用。对于鲁棒棒控制的的H控制来来说，它它能够对对车辆的的悬架系系统的车车身振动动模态、减振器器阻尼系系统、悬悬架动挠挠度、轮轮胎刚

22、度度和车身身质量等等具有很很强的鲁鲁棒性，改善悬悬架性能能188。综上所所述，随随着现代代控制理理论的不不断发展展，使得得越来越越多的现现代控制制方法运运用于半半主动悬悬架的控控制中，但是每每种单一一的控制制方法总总存在其其不足。所以，研究复复合控制制策略成成了对半半主动悬悬架进行行控制的的主流方方向。现现代控制制理论的的不断进进步也将将促进对对半主动动悬架振振动控制制系统的的研究。1.5 汽车悬悬架系统统控制策策略研究究的意义义近年来，随着我我国国民民经济的的飞速增增长，高高速公路路网大量量新建，人们对对交通的的需求越越来越高高，这使使得我国国的汽车车工业迅迅速发展展，随之之汽车保保有量和和

23、总产量量也增长长迅速。据国家家统计局局网站在在20111年3月4日公布布的“十一五五”经济社社会发展展成就系系列报告告显示，“十一五五”期间，交通运运输业成成就卓著著，高速速公路里里程达到到7.441万公公里，居居世界第第二位。国家高高速公路路网主骨骨架预计计“十二五五”末将基基本建成成，届时时，中国国高速公公路通车车总里程程将有望望达100万公里里，超过过美国跃跃居世界界第一。此外交交通部表表示，到到20巧年年，农村村公路总总里程达达3900万公里里，实现现所有乡乡镇和990%的的建制村村通班车车。截至至20110年底底，全国国公路网网总里程程已达到到3988.4万万公里，5年增加加了6.9

24、万公公里。220077年底，“五纵七七横”112条国国道主干干线提前前13年全全部建成成，西部部开发88条省际际通道基基本贯通通，全国国公路网网密度由由“十五”末的每每百平方方公里334.88公里提提升至440.22公里。至20011年年2月底，我国机机动车保保有量达达到2.11亿亿辆，220100年全国国新增机机动车220488万辆、驾驶人人13117万，有200个城市市的机动动车保有有量超过过1000万辆119。迅速发发展的公公路网拉拉动了人人们对汽汽车的消消费需求求，同时时也对乘乘坐舒适适性也有有了更高高的要求求，对汽汽车的总总体性能能也提出出了更高高的要求求。汽车车悬架是是汽车上上的关

25、键键部件，悬架的的好坏直直接影响响到汽车车的行驶驶平顺性性、乘坐坐舒适性性以及操操纵稳定定性等多多种使用用性能。所以一一直以来来人们都都非常关关注于悬悬架的设设计。汽车磁流流变半主主动悬架架系统主主要由四四个部分分组成:传感器器、控制制器、驱驱动器和和执行器器200。对对于汽车车磁流变变半主动动悬架系系统设计计来说，磁流变变减振器器的研制制和磁流流变悬架架的控制制器设计计是两大大关键技技术。目目前，由由于各项项研究均均刚刚起起步，还还有许多多问题需需要更加加深入的的研究。而控制制器的性性能好坏坏直接体体现了整整个系统统的智能能化程度度，它对对半主动动悬架的的性能发发挥起着着非常关关键的作作用。

26、磁磁流变半半主动悬悬架具有有非线性性高阶时时变的特特点，并并且由于于载荷分分布，道道路情况况等多种种不确定定的因素素存在，由于磁磁流变阻阻尼器本本身还存存在饱和和滞回、参数一一致性和和稳定性性等问题题，使得得控制策策略发设设计难度度大大增增加。目目前主要要采用经经典的半半主动悬悬架控制制算法，忽略了了阻尼器器调节方方式与控控制策略略的匹配配问题，通常都都是以不不变的控控制模态态去面对对复杂多多变的车车辆行驶驶工况，所以在在实际应应用中，其控制制效果与与理论预预言的效效果还有有一定的的差距，目前的的研究主主要集中中在实验验室仿真真阶段。在保证证车辆操操纵稳定定性的前前提下，为获得得更加理理想的车

27、车辆控制制效果，对汽车车悬架系系统的动动力学特特性研究究和振动动控制研研究也非非常的重重要。综上所述述，研究究适合于于汽车磁磁流变半半主动悬悬架的控控制策略略，使其其更加智智能化实实用化，进而开开发出具具有自主主知识产产权的智智能悬架架系统，降低核核心技术术对国外外汽车技技术的依依赖，从从而提高高我国汽汽车产品品的市场场竞争力力，这对对振兴民民族汽车车工业具具有非常常重要的的现实意意义。1.6 本文研研究的主主要内容容本课题是是以1/4汽车车磁流变变半主动动悬架为为研究对对象。根根据磁流流变半主主动悬架架的结构构特点，选取合合适控制制参数，建立汽汽车1/4磁流流变半主主动悬架架模型，选择阶阶跃

28、信号号作为输输入并在在不同的的控制算算法下进进行系统统的优化化。运用用 MMatllab/Simmuliink软软件设计计天棚阻阻尼控制制器、PPID控控制器、模糊控控制器、模糊PPID控控制器，对1/4汽车车磁流变变半主动动悬架进进行建模模仿真研研究，并并对其结结果进行行分析对对比，验验证控制制算法的的有效性性。2.汽车车悬架系系统动力力学模型型的建立立及分析析2.1.汽车动动力学发发展趋势势传统的车车辆动力力学研究究都是针针对被动动元件的的设计而而言，而而采用主主动控制制来改变变车辆动动态性能能的理念念，则为为车辆动动力学开开辟了一一个崭新新的研究究领域。在车辆辆系统动动力学研研究中，采用

29、“人一车车一路”大闭环环的概念念应该是是未来的的趋势。作为驾驾驶者，人既起起着控制制器的作作用，又又是车辆辆性能的的最终评评价者。控制技技术的应应用，使使得车辆辆设计的的目标可可以是:力求使使车辆系系统在各各种工况况下都能能使一种种较为驾驾驶者适适应的特特性。随随着多体体动力学学的发展展及相应应软件的的开发和和日益成成熟，功功能强大大的计算算机软件件能够有有效地模模拟复杂杂的车辆辆模型，使得汽汽车系统统动力学学成为汽汽车CAAE技术术的重要要组成部部分，并并逐渐朝朝着与电电子和液液压控制制、有限限元分析析等技术术集成的的方向发发展。可可以预见见，未来来的发展展将在车车辆主动动控制、车辆多多体动

30、力力学和向向“人一车车一路”闭环系系统的扩扩展等方方面有所所体现。2.2 汽车悬悬架系统统的评价价指标 车辆良良好的乘乘坐舒适适性和操操纵稳定定性是悬悬架动态态性能的的两个重重要评价价指标，可用簧簧载质量量加速度度、悬架架动挠度度和轮胎胎动载荷荷来进行行定量评评价。这这三个基基本参数数能够基基本反映映悬架系系统的动动态性能能，故本本文选择择三者作作为控制制研究中中的悬架架性能评评价参数数，这些些参数实实际上代代表了悬悬架互相相冲突的的不同性性能要求求，具体体介绍如如下。2.2.1簧载载质量加加速度 目前，评价汽汽车的乘乘座舒适适性有很很多种方方法。其其中最常常用的一一种方法法就是来来源于 IS

31、OO26331，该该标准是是国际标标准化协协会在综综合大量量资料的的基础上上提出的的，它是是在180HHZ振动动频率范范围内，用频率率加权加加速度的的均方根根值给出出了人体体对振动动反应的的三种不不同的感感觉界限限，即:1.暴露露界限:人体可可承受的的振动量量上限，如超过过此界限限，可能能损害人人体健康康;2.疲劳劳工作降降低界限限:该指指标与人人能保持持工作效效能有关关，在此此界限内内，人能能够正常常驾驶及及操作;3.舒适适性降低低界限21:保持持良好感感觉及舒舒适性界界限。 对于桥桥车而言言垂直加加速度很很大程度度上决定定了车辆辆行驶平平顺性品品质，加加权函数数反映出出人体对对412.5H

32、zz这个频频率最敏敏感，而而在48Hzz及2HHz以下下的频率率范围内内，人的的内脏器器官就会会产生共共振。而而对货车车来说，纵向加加速度对对乘员的的不舒适适程度影影响较大大。诸多多评价方方法中最最简单且且应用最最多的方方法就是是加速度度均方根根值评价价方法。因此，簧载质质量加速速度戈是是评价汽汽车乘坐坐舒适性性的重要要指标。 2.22.2悬悬架动挠挠度 悬架动动挠度是是车轮与与车身的的位移之之差，其其悬架动动行程定定义为悬悬架动挠挠度的方方均根值值，Xss-Xuu方均根根值，以以参数SSWSrrms表表示，用用于描述述相对于于静平衡衡位置的的悬架位位移变化化程度。根据随随即路面面高斯分分布的

33、假假设，对对悬架动动行程线线性系统统而言，其响应应也应该该具有高高斯性质质，并可可用正态态分布描描述。XXs-XXu与限限位行程程应适当当配合，否则会会导致行行驶中发发生限位位块碰撞撞，致使使车辆行行驶平顺顺性变差差，并且且悬架动动挠度过过大还会会对操纵纵稳定性性产生不不利影响响。悬架架动挠度度是评价价汽车行行驶平顺顺的另一一主要指指标。2.2.3轮胎胎动载荷荷 轮胎动动载荷是是轮胎对对路面作作用力的的动载荷荷Kt(Xu-Xr)。轮胎胎动载荷荷参数DDTLrrms是是相对于于静平衡衡的轮胎胎载荷变变化的方方均根值值，它是是衡量轮轮胎附着着力的一一个指标标。当轮轮胎载荷荷随悬架架运动而而波动时时

34、，由于于轮胎动动态延迟迟机理的的影响，导致了了可用的的有效横横向或纵纵向力减减小。因因此，若若能保持持稳定的的法向载载荷，则则可获得得较大的的轮胎力力;若轮轮胎动载载荷波动动增加，随着轮轮胎跳动动的加剧剧，轮胎胎抓地能能力将随随之减弱弱。当动动载变化化的幅值值大于静静载时，就会出出现轮胎胎法向载载荷小于于零的情情况，此此时车轮轮会跳离离地面，及所谓谓的“轮跳”现象，这时汽汽车行驶驶安全性性将恶化化22。因此此，轮胎胎动载荷荷通常作作为评价价悬架行行驶安全全性的一一个重要要指标。2.3 系统的的动态性性能及评评价指标标为了评价价线性系系统的时时域性能能指标，需要研研究控制制系统在在典型输输入信号

35、号作用下下的时间间响应过过程。通通常在阶阶跃函数数作用下下，测定定或计算算系统的的动态性性能。如如果系统统在阶跃跃函数作作用下的的动态性性能满足足要求，那么系系统在其其他形式式的函数数作用下下，其动动态性能能也是令令人满意意的23。设一般形形式的二二阶系统统传递函函数为 (2.11)令称为系系统无阻阻尼自振振频率，则有称称为系统统阻尼比比，则即： (22.2)此为二阶阶系统传传递函数数的标准准形式。其特征征方程为为 (22.3)两个极点点说明阻阻尼比取值不不同，二二阶系统统极点也也不相同同。通常常希望系系统工作作在欠阻阻尼(00 1)状状态下，它使系系统具有有适当振振荡性及及较短过过渡过程程。

36、为了了便于分分析和比比较，假假定系统统在单位位阶跃输输入信号号作用前前处于静静止状态态，而且且输出量量及其各各阶导数数均等于于零。二二阶系统统在欠阻阻尼工作作状态下下的单位位阶跃响响应 hh (tt)（如图图2.1所示）。图2.11 单位阶阶跃响应应其动态性性能指标标如下： 延迟迟时间DDt指响响应曲线线第一次次达到其其终值一一半所需需的时间间。 上升升时间RRt指响响应从终终值100上升升到终值值90所所需的时时间；对对于有振振荡的系系统，亦亦可定义义为响应应从零第第一次上上升到终终值所需需的时间间。上升升时间是是系统响响应速度度的一种种度量。上升时时间越短短，响应应速度越越快。 峰值值时间

37、PPt指响响应超过过其终值值到达第第一个峰峰值所需需的时间间。对应应系统超超调量所所需时间间，也是是说明系系统反应应速度的的。 调节节时间SSt指响响应到达达并保持持在终值值 5%（或 2%）误差差内所需需的最短短时间。此时间间是说明明系统惯惯性的，反映了了系统的的反应速速度。 若hh（tp）h（），则则响应无无超调。它是说说明系统统阻尼性性即振荡荡性的。阻尼大大，振荡荡小，即即超调量量小，说说明系统统过渡过过程进行行的平稳稳。上述五个个动态性性能指标标，基本本上可以以体现系系统动态态过程的的特征。在实际际应用中中，常用用的动态态性能指指标多为为上升时时间、调调节时间间和超调调量。通通常，用用

38、Rt或Pt评价价系统的的响应速速度；用用 %评价价系统的的阻尼程程度；而而St是同同时反映映响应速速度和阻阻尼程度度的综合合性指标标。2.4 汽车悬悬架动力力学模型型研究者们们在设计计汽车可可控悬架架控制律律时，采采用最为为广泛的的的模型型是1/4车辆辆模型，此模型型只有一一个车轮轮，是车车辆沿横横竖轴方方向对称称分割后后的任意意一个角角，它基基本能反反映评价价汽车悬悬架性能能的一些些基本参参数的特特性:簧载质质量加速速度、悬悬架动挠挠度与轮轮胎动载载荷等，但不能能用来研研究整车车的姿态态控制，但，与复杂杂的整车车模型比比较，11/4单单轮车辆辆模型具具有以下下优点: 可以以简化系系统输入入；

39、 容易易理解设设计与性性能之间间的关系系； 所涉涉及的设设计参数数和性能能参数最最少224。因此，本本文选择择了1/4汽车车模型作作为研究究模型，对磁流流变半主主动悬架架控制系系统进行行研究。2.4.1汽车车悬架系系统的简简化及建建模为了便于于对行驶驶动力学学模型建建立的理理解，首首先从七七自由度度整车模模型开始始介绍25，如图图2.2所示。假定车车身是一一个刚体体，车身身、车架架及其上上的总成成构成了了车辆的的悬挂质质量ms:，车轮轮、车轴轴构成了了非悬挂挂质量mmu，Iy是悬悬挂质量量ms绕通过过质心的的横轴yy的转动动惯量。此时车车辆在水水平面做做匀速直直线运动动时，车车身具有有三个自自

40、由度。由于四四个车轮轮的非悬悬挂质量量mu有四个个自由度度，在此此基础上上还要增增加一个个垂向自自由度，因此，就形成成了八自自由度的的整车系系统模型型。图2.22 简化化的汽车车模型当车辆对对称于纵纵轴线且且左、右右车轴的的不平度度函数xx(I)=y(I)时时，此时时车身没没有绕xx轴的角角振动，只有垂垂直振动动z和绕绕y轴纵纵向角振振动，这时时七自由由度模型型就简化化为四自自由度的的半车模模型，如如图2.3所示示。图2.33 简化化的1/2汽车车模型在动力学学等效处处理中，车辆振振动系统统的三个个等效质质量必须须满足三三个力学学条件，即把质质量为mms，转动动惯量IIy的车身身分解为为前轴上

41、上、后轴轴上及质质心C上上的三个个集中质质量msf，msr及msc，这这里忽略略轮胎阻阻尼。总质量不不变: （22.4）质心位置置不变： （22.5）转动惯量量不变： （2.6）式中，aa、b分分别为车车身质量量部分的的质心至至前、后后轴的距距离，几几绕横轴轴y的回回转半径径。三个个集中质质量可由由公式(4.44)、(4.55)、(4.66)求得得: （2.77）其中，LL为前、后轴轴轴距。由由上述几几个公式式可知，如果，则。为为零。这这时前、后轴垂垂直方向向的运动动相互独独立，不不产生祸祸合。通通常桥车车的车辆辆参数大大多近似似满足这这一条件件，且mmsc很小小，说明明桥车前前后部分分之间的

42、的相互影影响很小小，即祸祸合关系系很小。可见，某些情情况下四四自由度度半车模模型问题题可进一一步简化化成两个个子问题题，即:前悬架架决定mmsf质量量快的运运动;后悬架架决定mmsr质量量快的运运动。而而轮距之之间任何何位置的的运动则则可由几几何关系系方便地地求出。因此，每个问问题只需需通过一一个简单单的单轮轮车辆模模型来研研究，即即简化后后的1/4车辆辆模型，如图22.4所示。 图22.4 1/4单轮轮车辆两两自由度度的汽车车悬架系系统的振振动模型型在车辆可可控悬架架控制归归律研究究中应用用得最多多的和最最基本的的模型就就是1/4车辆辆模型。1/44车辆模模型的特特点是是是车辆横横竖分割割后

43、的任任意一个个角，它它能基本本能反映映汽车悬悬架中簧簧载质量量加速度度、悬架架动挠度度和轮胎胎动载荷荷这些有有关悬架架性能的的基本参参数的特特性。根据图22.4可可以建立立动力学学方程如如下: （2.8）其中，簧载质质量和非非簧载质质量；，悬架弹弹簧刚度度和轮胎胎刚度；,路面位位移，簧簧载质量量位移和和非簧载载质量位位移；阻尼器器的阻尼尼系数。对(2.8)式式进行拉拉氏变换换，可得得: (2.9)解方程组组得 （22.100） 其中由此可得得，簧载载质量振振动加速速度相对对于路面面输入的的传递函函数为: （2.111）悬架动挠挠度相对对于路面面输入的的传递函函数为: （22.122）轮胎动载载

44、荷相对对于路面面输入的的传递函函数为 （2.13）本文选用用的某微微型车的的悬架参参数如表表1.11所示 表11.1 某微型型车悬架架系统的的主要参参数参数数值簧载质量量210 Kg非簧载质质量30 KKg弹簧刚度度160000 NN/m续表1.1 某某微型车车悬架系系统的主主要参数数减震器阻阻尼系数数200 Ns/m轮胎刚度度1600000 N/mm2.4.2 悬悬架状态态方程模模型的建建立根据悬架架的1/4汽车车模型建建立的汽汽车磁流流变半主主动悬架架模型如如图2.5所示示，由于于磁流变变减振器器的阻尼尼力由库库伦阻尼尼力和粘粘滞阻尼尼力两部部分组成成。假设设磁变液液的粘度度系数为为常数，

45、一旦减减振器的的几何尺尺寸确定定，库仑仑阻尼力力只是磁磁流变液液屈服应应力的函函数，屈屈服应力力受磁场场强度控控制，因因而可以以认为库库仑阻尼尼力只是是励磁电电流的函函数，而而这时的的粘滞阻阻尼力只只是活塞塞运动速速度的函函数，那那么磁流流变阻尼尼器的阻阻尼力可可表示为为: （2.14）式中，库库伦阻尼尼力 (2.15)粘滞阻尼尼系数 (2.16)图2.55 磁流流变半主主动悬架架1/44模型根据2-5所示示的模型型，可以以建立汽汽车磁流流变半主主动悬架架的动力力学方程程式如下下 (2.117)其中，簧载质质量和非非簧载质质量；，悬架弹弹簧刚度度和轮胎胎刚度；,路面位位移，簧簧载质量量位移和和

46、非簧载载质量位位移；CCe FMR粘滞阻阻尼系数数和库伦伦阻尼力力。由于系统统具有路路面激励励和控制制力两个个输入，因此运运用现代代控制理理论分析析系统响响应更为为方便。取状态态变量 (2.118)其中，系统统输出变变量为 (2.119)其中，分别表表示簧载载质量加加速度，悬架动动挠度、轮胎动动载荷和和非簧载载质量速速度。方方程组（2.117）可可改写为为 （2.220）其中，状状态矩阵阵，输入矩阵阵，输出矩阵阵，直接传递递矩阵，2.5 本章小小结对车辆悬悬架系统统而言，其性能能可用簧簧载质量量加速度度、悬架架动挠度度与车轮轮动载荷荷这三个个参数作作为评价价指标。本文中中的磁流流变半主主动悬架

47、架的控制制研究，选择了了这三个个参数来来定量评评价悬架架动态性性能;选选择路面面输入为为一理想想的阶跃跃响应;对汽车车的振动动系统进进行了合合理的简简化，并并由此建建立了11/4车车辆悬架架的动力力学模型型;运用用现代控控制理论论，选取取合适的的状态变变量，得得出了汽汽车悬架架系统的的数学模模型。3 磁流流变半主主动悬架架控制策策略仿真真与分析析3.1 mattlabb简介本文主要要的研究究工具是是基于数数字计算算机的MMAILLAB/simmuliink仿仿真软件件。MAATLAAB是目目前世界界上最常常用的以以数值计计算为主主的软件件，其图图形化仿仿真平台台Simmuliink能能建立动动

48、态系统统、仿真真和分析析，方便便用户不不断地完完善设计计。它的的建模范范围很广广，对于于任何可可以用数数学描述述的系统统进行建建模，还还适用于于实时控控制，具具有很强强直观性性、实用用性、灵灵活性。Simmuliink还还具有如如下优点点266:方便友友好的界界面环境境、直观观的模块块化操作作且允许许自定义义模块、允许多多种语言言编程、丰富的的可视功功能、无无缝使用用相关分分析工具具、子系系统的设设计利于于复杂设设计的管管理等等等。Siimullinkk通过操操作各个个功能模模块进行行系统的的构建。功能模模块本质质是用图图形化方方法封装装的各种种函数，用户只只要知道道这些模模块的输输入、输输出

49、及功功能，而而不用知知道其内内部的代代码实现现，通过过直观、简洁的的模块连连接来代代替繁琐琐的函数数操作。simmuhnnk提供供了如下下一系列列按功能能分类的的基本模模块库:连续模模块库(Conniinnuouus)、离散散模块库库(Diiserretee)、数数学运算算模块库库(Maath)、输入入信号源源模块库库(Soourcces)、输出出模块库库(Siinkss)、端端口与子子系统模模块库(porrts&Subbsysstemms)、用户自自定义模模块库(Usee Deefinned Funnctiionss)等，这些大大部分也也是本文文仿真需需要用到到的模块块库。其其中，自自定义模

50、模块库可可以实现现simmuhnnk的功功能扩展展，用户户可以根根据需要要通过语语言编程程建立独独特的功功能模块块，并被被调用。在simmuliink构构建好仿仿真对象象后，仿仿真参数数的设置置非常重重要，必必须合理理的设置置仿真时时间和仿仿真步长长、选择择解法器器的类型型等，不不同的解解法器具具有不同同的使用用范围和和数值精精度。运运行仿真真结束后后，可对对输出模模块如示示波器的的可视化化结果及及各状态态变量进进行分析析，并进进一步修修正或调调整。3.2天天棚阻尼尼控制3.2.1天棚棚阻尼控控制器模模型天棚阻尼尼控制 (ShhyhoookCConttroll)是由由在19974年年Karrn

51、oppp等人人在提出出的一种种经典的的汽车悬悬架控制制方法。它的特特点在于于其结构构简单、车本低低廉，因因此在悬悬架半主主动控制制研究中中得到了了最为广广泛的应应用，甚甚至在一一些商业业车型中中也得到到了一定定程度的的应用。在许多多参考文文献中，研究者者们常常常把天棚棚阻尼控控制作为为新控制制算法的的比较对对象。天天棚阻尼尼控制的的理想动动力学模模型如图图3.1所示，它假设设将减振振器安装装在簧载载质量mm;与虚虚拟的惯惯性空间间Skyy之间，理想天天棚阻尼尼力为： （3.11）式中的为为天棚阻阻尼系数数。图3.11 天棚棚阻尼控控制模型型根据图33.1建建立天棚棚阻尼理理想模型型的动力力学方

52、程程： （3.2）式中的各各个系数数如下： ：簧载质质量；：非簧载载质量； ：悬架弹弹簧刚度度； ：轮胎刚刚度 ：路面位位移；：弹簧质质量位移移； ：非弹簧簧质量位位移；对式3.2进行行拉式变变换得到到如下关关系式: (3.3)解方程得得： （3.44）由式（33.3）得轮胎胎着地性性传递函函数为： （3.5）平顺性传传递函数数为： （3.6）为使悬架架达到理理想的操操纵稳定定性，要要使轮胎胎在各种种情况下下都能抓抓紧地面面，而理理想的平平顺性则则期望车车身尽量量保持静静止。通通过改变变Cskky的值值从而改改变轮胎胎的着地地性和平平顺性。3.2.2 天天棚阻尼尼控制算算法的实实现 图 33.

53、1 所示的的磁流变变半主动动悬架系系统中簧簧载质量量和非簧簧载质量量之间半半主动控控制的阻阻尼力是是可以变变化的，根据天天棚阻尼尼等效的的原则，减振器器的库仑仑阻尼力力应该尽尽量满足足FMRR=Fs。假设簧载载质量对对非簧载载质量的的相对速速度 ()在两两者分开开时为正正，簧载载质量的的速度向向上为正正。下面面讨论磁磁流变阻阻尼器能能否提供供等效的的天棚阻阻尼力：当 ( )0且时，阻尼器器受拉伸伸，它施施加到簧簧载质量量上的力力是向下下的，与与速度的的方向相相反，但但与天棚棚阻尼力力同向，所以可可以改变变励磁电电流大小小来使FFMR=FFs。当 ( )0且时，阻尼器器受拉伸伸，它施施加到簧簧载

54、质量量上的力力是向下下的，与与速度的的方向相相同，但但与天棚棚阻尼力力反向，实际中中为了尽尽可能减减小差异异，只有有取FMMR=00。分析其他他两种工工况也可可得到以以上的结结论。由由于，归归纳起来来，其取取值可用用下面的的式子： （3.77）3.3 模糊控控制汽车悬架架系统是是一个非非常复杂杂的非线线性动力力学系统统，且存存在复杂杂性、非非线性、时变性性、不确确定性和和不完全全性等不不利因素素，因此此难以建建立精确确的模型型。二十十世纪七七十年代代末，一一些学者者逐步开开始了智智能控制制理论的的研究，人们发发现，一一个复杂杂的控制制系统可可由操作作人员凭凭着丰富富的经验验得到满满意的控控制效

55、果果。这说说明，如如果通过过模拟人人脑的思思维方法法来设计计控制器器，可实实现复杂杂系统的的控制，由此产产生了模模糊控制制。在模模糊控制制算法中中，我们们用“负负大”、“负中中”、“负小”、“零零”、“正大”、“正正中”、“正小小”七个个模糊语语言来对对输入输输出变量量进行描描述，模模糊推理理规则采采用条件件语句来来描述，按模糊糊推理合合成规则则计算控控制量。它具有有很强的的鲁棒性性，适用用于存在在非线性性、强祸祸合、时时变性和和大迟滞滞的复杂杂系统，也适合合难以建建立精确确数学模模型的非非线性系系统，因因此被广广泛地应应用于汽汽车悬架架系统的的控制研研究中。3.3.1模糊糊控制的的原理 模糊

56、控控制 (Fuzzzy Conntrool)是是以模糊糊集理论论、模糊糊语言变变量和模模糊逻辑辑推理为为基础的的一种智智能控制制方法，其基本本原理框框图如图图3.2所所示。它它从行为为上模仿仿人的模模糊推理理和决策策过程。它的核核心部分分为，如如图中点点画线中中部分为为模糊控控制器，它是模模糊控制制的核心心，其控控制规律律由计算算机的程程序实现现。模糊糊控制器器的组成成如图33.3所所示。下面简单单介绍实实现模糊糊控制算算法的过过程:微微机经中中断采样样获取被被控制量量的精确确值，然然后将此此量与给给定比较较得到误误差信号号E，将将其作为为模糊控控制器的的一个输输入量。把误差差E的精精确量进进

57、行模糊糊化变成成模糊量量。误差差信号EE的模糊糊量可用用相应的的模糊语语言来描描述，得得到误差差E的模模糊语言言集合的的一个子子集e(e是一一个模糊糊矢量)，再根根据推理理的合成成规则进进行模糊糊决策，由e和和模糊关关系R得得出模糊糊控制量量u，即即 （3.8）图3.22 模糊糊控制原原理图图3.33 模糊糊控制控控制器的的组成框框图3.3.2模糊糊控制器器的设计计针对图33.2所所示的模模糊控制制原理图图，设计计一个模模糊控制制系统，系统框框图如图图3.44 所示示。系统统中的模模糊控制制器是一一个常规规的双输输入单输输出二维维模糊控控制器。图3.44 悬架架系统的的模糊控控制框图图 输入入

58、输出变变量的选选取本文选择择输入变变量E和EC分别别为簧载载质量速速度和簧簧载质量量加速度度，输出出变量UU为磁流流变减振振器产生生的阻尼尼力Fdd。本文文依据磁磁流变半半主动悬悬架的特特点，对对模糊控控制器的的输入以以及输出出均取77个语言言值，即即输入和和输出均均为负大大、负中中、负小小、零、正小、正中、正大，可表示示为: (3.99)输入变量量E、EEC及输输出变量量U的七七个模糊糊语言值值NBB，NMM，NSS，Z，PS，PM，PB的隶属属函数均均为三角角型，其其隶属函函数如下下: （3.110） 量化化因子与与比例因因子设误差的的基本论论域为-e e，误差所所取的模模糊集合合的论域域

59、为X=-nn，-nn+1，o，1，nn-1，n e是是表征误误差大小小的精确确量，nn是误差差离散化化后分成成的档数数，它构构成论域域X的元元素，一一般常取取n=66或7。在实际际的控制制系统中中需要通通过量化化因子进进行论域域变换。其中量量化因子子ke定定义为: (3.111) 当量化因因子确定定后，系系统的任任何误差差总可以以量化到到论域XX上的某某一个元元素。而而一旦选选定基本本论域-e e的的量化等等级数nn后，量量化因子子ke值大小小可使基基本论域域-ee e发生不不同程度度的放大大或缩小小，即:当ke缩小时时，基本本论域-e e放放大;当ke增大时时，基本本论域-e e缩缩小，从从

60、而改善善了模糊糊控制中中误差的的控制精精度。同理，误误差变化化率的基基本论域域-eec eec，若整数数论域YY=-m，-m+1，0，1，m-11，m的量量化档数数m一旦确确定后，则误差差变化率率ec的量量化因子子kec可定定义为： (33.122)这时，在在改变基基本论域域和控制制精度方方面，量量化因子子ke。具有与与ke完全相相同的特特性。对对于系统统输出量量u，与与定义量量化因子子的方法法类似，比例因因子kuu可表示示为: (33.133)其中，-u u为为控制量量增量的的基本论论域，1为基本论论域-u uu的量量化档数数；e、ec为u的基本本论域，其范围围均为-1 1；当kec的取取值