汽车悬架控制策略的仿真研究毕业设计论文(编辑修改稿)

汽车悬架控制策略的仿真研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

这样必然具有时交性。 目前预见控制仍以线性时不变系统为对象，而车辆参数的时变性和非线性对系统性能的影响，还未见文献加以研究 [21]。 自适应控制 目前理论上比较成熟，应用上比较广泛的 自 适应控制系统有两种。 一种是模型参考自适系统，另一种是自校正系统。 前者由参考模型，实际对象，减法器，调节器和自适应机构组成。 后者主要由两部分组成 ： 一个是参数估计器，另一个是控制器。 参数估计器得到控制器的参数修正值，控制器计算控制动作 [22]。 应用于车辆悬架振动控制的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两类控制策略。 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的原理是当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。 吉林工业大学的喻凡等人对单轮模型进行了自适应和自校正控制的研究，其所提出的 GS 算法和自校正算法能够可靠的输入路面状况，并能准确的选择控制参数 [23,24]。 模糊控制 自 90年代以来，模糊控制方法被应用在车辆悬架系统中。 江苏理工大学的陈士安等人 [25]通过 建立汽车主动悬架的四自由度力学模型以及相北京交通大学毕业设计（论文） 第 10页 应的模糊控制系统，根据模型的输出量，模糊控制系统能够较合理地分配输入主动悬架前后主动力装置伺服阀的电流，可为主动悬架的数值模拟、实验研究以及产品设计提供参考。 神经网络控制 神经网络是一个由大量处理单元 ( 神经元 ) 所组成的高度并行的非线性动力系统， 其特点是可学习性和巨量并行性． 故在车辆悬架振动控制中有广泛的应用前景。 Shiotsukat 等人是把神经网络控制方法用于非线性悬架动力系统的识别和实施最优控制 [26]。 研究表明用神经网络控制的非线性悬架系统，和用传统的 LQ 调节器控制的悬架相比具有更 好的性能。 还可以应用神经网络理论设计车辆主动悬架系统的动力补偿 型控制器。 主动悬架的发展趋势 虽然主动悬架控制系统已在国外应用于实车，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。 因此目前极限于装载在排量较大的一些高档车型上。 为解决上述问题，应进行以下的研究： （ 1） 对主动悬架、转向、驱动和防抱死等系统进行联合控制。 （ 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。 北京交通大学毕业设计（论文） 第 11页 本课题的研究内容 本次题目主要对主动悬架的几种控制策略进行研究 ,通过建立 主动悬架的动力学模型， 研究主动悬架的 最优 控制策略，利用MATLAB/SIMULINK 软件对所建立的模型进行仿真实验 ,并对比分析 此种 控制策略的控制 效果。 本文具体研究内容如下： 1）学习并运用车辆动力学的相关知识，对汽车悬架系统的动态特性进行分析，基于此建立四分之一车体两自由度主动悬架系统的动力学模型 以及整车七自由度动力学模型。 同时考虑到路面扰动输入对悬架控制的重要影响，可以通过建立数学模型，并将其在时域内仿真。 2）主动悬架这种最先进的悬架技术，其关键就是主动控制力发生器的控制实施，本次课题拟利用经典控制理论的背景知识并结合现代控制理论在智能控制方面的理论成就，并设定汽车悬架系统是线性的简单系统， 继而 运用最优控制理论来设计汽车主动悬架控制系统。 3)利用软件 Mat1ab/Simulink 构建出悬架系统控制仿真模型。 同时采用 Matlab 语言编制主动悬架仿真软件。 通过该仿真环境可方便的调试控制系统，实时察看系统控制特性，从而确定其控制参数。 4）通过对主动悬架和被动悬架的 仿真结果进行对比分析 ，从而检验主动悬架最优控制 的 控制效果。 小结 本章对悬架的分类进行了阐述，对比分析了被动悬架和主动悬架之间的性能。 研究了国内外悬架技术的发展过程和现状以及今后的发展趋北京交通大学毕业设计（论文） 第 12页 势。 对比分析了主动悬架常见的几种控制理论，提出了本文的研究目的、意义和内容。 北京交通大学毕业设计（论文） 第 13页 第 2 章 主动悬架控制系统的力学建模 常用基本车体模型介绍 建立汽车悬架的力学模型是进行性能分析和系统设计的基础。 悬架系统作为一个复杂的多自由度“质量一刚度一阻尼”振动系统，对其动力学特性进行精确的描述和分析是非常困难的。 但是，长期以来的大量研究表明，根据研究内容的出发点不同，分析的侧重点和研究的目的不同，可采取不同的简化方法建立不同的系统动力学模型，这样既达到简化研究对象，方便分析计算目的，又达到突出问题本质，满足分析计算正确、有效性的效果。 常用的基本车辆模型包括一维四分之一车体模型、二维二分之一 车体模型和三维整车模型。 后两种在需要考虑车身各运动间的 耦合 作用时参考使用。 通常，进行悬架的概念设计和控制理论研究时，采用一维四分之一 车体 模型，它能较好的体现垂直振动的问题。 研究前后悬架间的参数匹配关系和车身的垂直方向与纵向的运动藕合时，采用二维二分之一 车体 模型 ， 它则较好的体现垂直跳动和俯仰变化的问题。 在需要从总体上较全面地把握汽车运动响应或控制的综合质量时，采用三维整车模型，它完整的体现了垂直跳动、俯仰变化以及侧倾的问题。 事实上，汽车响应的完整描述还需要包括系统的非线性特性，如轮胎的非线性刚度和阻尼特性，弹簧的非线性、减振器的不对称阻尼特性及车轮的跳空现象等，但这些因素的介入会大大增加了系统研究的复杂程度，使问题求解复杂化。 所以，在研究用于隔振和减振的悬架模型时大都采用线性悬架模型。 这种建模方式通常需要作下列假定 : 北京交通大学毕业设计（论文） 第 14页 1)车身和座椅之间刚性连为一体，称作悬置质量。 轮胎及车轴之间刚性连为一体，称作非悬置质量。 2)悬架系统简化为线性弹簧和阻尼系统。 3)假定悬架行程足以大，工作时不会碰到限位装置。 4)车辆行驶时，在不平路面的激 励下，整车在平衡位置附近作微幅振动。 5)轮胎通常简化为线性弹簧 (有的情况下也包括阻尼元件 )，并始终随动于地面。 一般地，汽车悬架系统的振动可分为低频振动和高频振动，低频振动主要是由路面不平度直接引起的车身垂直振动。 此外，一些由外部原因引起的振动也可以归类为低频振动，如车辆加速和制动、风致振动以及由车载设备等产生的变化力所引起的冲击和振动。 高频振动通常由内部原因引起，例如来自发动机的激励等。 考虑到人体对振动的反应，对于车辆行驶平顺性的研究一般限于 3OHz 以下的低频带。 所以在建立车辆系统的简化振动模型时，一般 仅需考虑集中在低频区的来自不平路面的激励。 三种典型的且常见的悬架力学线性模型是 :二自由度的四分之一车体模型。 四自由度的二分之一车体侧倾、俯仰模型。 七自由度整车模型 [27]。 在悬架模型的基础上，一般采用路面的垂直速度作为路面输入激励，路面不平度主要采用路面功率谱密度描述其统计特性。 路面模型的建立 路面输入大致可以划分为冲击作用和连续振动两类。 冲击作用是指在较短时间内的离散事件，并且有较高的强度，例如平坦道路上的凸起北京交通大学毕业设计（论文） 第 15页 和凹坑。 连续振动则是指道路长度方向的连续激励，例如沥青路面、搓板路面等。 对于连续型随机路面，一般采用空间频率功率谱密度函数以及相应的时域表示形式加以描述 [28]。 路面不平度及其功率谱密度 路面不平度是一个复杂的随机过程，通常把路面相对于基准平面的高度 q，沿道路走向长度 L的变化 q(L)，称为路面纵断面曲线或不平度函数，如图 ： 图 路面纵断面曲线或不平度函数 在测量不平度时，用水准仪测得路面纵断面的不平度值，将测得的大量路面随机数据通过计算机处理，得到路面不平度的功率密度 ()qGn或者方差 ()qn 等统计特性参数 [29]。 路面功率谱密度 ()qGn，用下式作为拟合表达式 ： 0 0( ) ( )( )wqq nG n G n n  () 北京交通大学毕业设计（论文） 第 16页 式中： n为空间频率，表示每米长度中包含的波数，单位为 1m ， 0n为参考空间频率， 0n = 1m ； 0()qGn为参考空间频率的路面谱值，称为路面不平度系数，单位为 21/mm ； W 为频率指数，为双对数坐标上斜线的斜率，取值由路面功率谱的频率结构确定。 根据路面功率谱密度把路面按不平度分为 A到 H等 8级。 我国公路路面功率谱基本在 A， B， C， D等 4级范围之内，且 B， C两种等级的路面所占的比重比较大 ,各级路面不平度系数的变化及其几何平均值，分级路面谱的频率指数 W = 2，如下表所示： 路面功率谱密度等级划分表 路面不平度的统计特性还可以用路面速度功率谱和加速度功率谱描述，它们与位移功率谱的关系如下： ...24( ) ( 2 ) ( )( ) ( 2 ) ( )qqqqG n n G nG n n G n ()() 将 W = 2 代入第一个式中，求得 ()qGn，将 ()qGn带入第二个式子中，则 . 200( ) ( 2 ) ( )qqG n n G n () 北京交通大学毕业设计（论文） 第 17页 可以看出，此时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，仅与不平度系数 0()qGn有关，所以用路面速度功率谱来分析计算更为方便。 空间频率谱函数与时间频率谱函数的转化 用谱函数 ()qGn描述路面的统计特性，仅与路面距离和表面粗造度有关，而与车速和时间无关，故空间谱函数描述路面特性具有唯一性。 但在分析来自不平路面的激励在悬架上产生的动态响应时，要用到 的路面不平度函数 q(L)必须考虑汽车的行驶速度 (L=vt)。 通常把空间谱函数转化为时间频谱函数。 设车速为 v，则二者之间的转换关系为： 由 f = v*n，可知空间频谱与时间频谱之间的转换关系： 1( ) ( )qqG f G n () 当 W=2,通过以上分析，一般有两种产生随机路面不平度时间轮廓的方法，即由一高斯白噪声通过积分器产生或由一高斯白噪声通过滤波器产生。 滤波高斯白噪声的 随机路面 ()rZt的输入可以用下式来表示： . 00( ) 2 ( ) 2 ( )r rZ t f Z t G V w t   () 式中 0G 为路面不平度系数； V 为车辆前进速度； W为高斯分布白噪声； 北京交通大学毕业设计（论文） 第 18页 0f 是滤波器的下限截止频率，若 0f 取值为 0，则滤波器为一积分环节，路面输入为积分白噪声；路面输入的时间频率是车速与空间频率的乘积，本文中取 0f = ，模型更接近真实路面。 离散道路输入 离散的道路激励一般有正余弦输入、阶跃输入、三角形输入和梯形输入。 本次课题不做讨论。 悬架的动力学模型 汽车作为一个复杂的多自由度振动系统，定量分析的关键在于建立理想的动力学模型。 从查找的文献中可以发现 一般有 1/4 车体 的 2自由度模型，包括簧载 （悬置） 质量和非 簧载（非悬置）质量的垂直运动；1/2 车体 的 4自由度模型，包括簧载质量的垂直运动、前后轴的 2个非簧载质量的垂直运动以及俯仰运动；整车 7自由度模型，包括簧载质量的垂直、俯仰和侧倾运动和前后轴的 4个非簧载质量的垂直运动；在整车 7 自由度模型基础上增加一个座椅的垂直运动 就 构成了整车 8 自由度模型； 其中 包括悬挂上系统 (车架和发动机 )的六个自由度、前后桥的平动和转动共四个自由度以及座椅和人体共三个自由度的整车 13自由度模型 [30]。 由于所研究的车型，精度，目的和控制要求等诸多因素的不同，我们通常 采取不同的动力学模型。 1/4 车辆模型由于结构简单，且能够反北京交通大学毕业设计（论文） 第 19页 映车辆的主要性能，从而得到了广泛的应用。 从研究的角度考虑，本文对 1/4 车体 2自由度模型和整车 7自由度 的整车模型进行了研究 [31]。 传统被动悬架的 1/4车体 二自由度模型 悬架的性能指标主要有三个：车身加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷。 车身加速度是评价汽车平顺性的主要指标，降低车身的加速度幅值，也就提高了乘客的舒适性：车轮与路面的动载荷直接影响车轮与路面的附着效果，这与汽车操纵稳定性有关，在一定范围内降低轮胎的动载荷，有利于提高汽车操纵稳定性；悬架动挠度和其限位行程有关，过大的动挠度会导致撞击限位块的现象，因此，减小动挠度有利于提高汽车的平顺性 [32]。 分析悬架对行驶平顺性的影响时，一般采用 图 如图 所示的两自由度振动模型，接近于汽车悬架系统的实际情况。 图 基于被动悬架的二自由度模型 二自由度模型的参数定义。