全套毕业设计基于pid控制的四分之一主动悬架仿真研究

全套毕业设计基于pid控制的四分之一主动悬架仿真研究内容摘要：

尼值、改变轴距、弹簧的安装位置等用来提高车辆的行驶的平顺性和操作稳定性 [2]。 被动的悬架不仅构造简单，而且成本低廉，还不需要外部输入的能量，所以，在汽车上能够被广泛的用。 但因为它的参数不可变，所以又存在较大的局限性： （ 1）减少悬架的刚度对提升汽车舒适性改善有利，但是当弹簧刚度较小时，对轮胎动载荷影响不利，如果弹簧太软，则需要较大的行程空 间，增加了汽车的高度而无法布置。 （ 2）阻尼特性对平顺性和轮胎接地能力产生共同影响，同时兼顾二者较困难。 （ 3）因悬架参数不可变，不随路况而改变，所以只能在特定的路况下达到最佳减振效果，而车辆的载荷、车速以及路面凸凹都会在很大程度变化，如果激励发生变化，悬架系统就不再是最优。 被动悬架对行驶平顺性、操纵稳定性、车身状态等这些相互矛盾的设计要求选择适中方案，在一定程度上符合汽车动力学性能要求。 因此，在对一个多种环境下行驶的汽车，在性能要求较高且影响因素较复杂的情况下，被动悬架很难再满足新的要 求，很难实现行驶平顺性与操纵稳定性的完美结合。 主动悬架 主动悬架 （ Active Suspension） 最初 结构 装置是由 AP 公司基于气 、 液 压 悬架发展的一全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 种机械 系 统 [3]。 主动悬架简化模型如图 b）所示，主动的悬架包括三个部分：传感器、控制器、执行机构，它们与汽车部件一起形成闭环控制系统。 其中控制器是整个 悬架 系统的信息处理 、 管理中心，它接受 分别 来自各个传感器的信号， 根 据 选定 的数据处理方法和控制 方法 ，决定并控制执行机构的动作， 进 而改变车身运动状态、 达到 隔振减振的 效果 [4]。 主动悬架一般情况下都采用闭环控制系统。 所谓闭环控制系统，就是输出量反过来对系统的控制有直接影响的控制，也就是说弹簧刚度和减振阻尼的控制结果，还必须通过反馈系统把信息传送给电脑，再由电脑进行分析修正，以达到最佳控制效果，进而提升汽车行驶平顺性和操纵稳定性等性能的要求。 主动悬架的优点可以归纳为 [5]： （ 1）做成较小的悬架的刚度，可以能使车身具拥有较低的自然状态振动频率，并且能够保证在正常开车中的乘坐舒适度。 很大程度上改变了汽车在转弯情况下的车身侧倾、制动和加速等状态下的纵向摆动问题。 （ 2）应采用主动的悬架系统，因为不需兼顾正常状态开车中汽车的舒适性度，因而可以将汽车的悬架抗侧倾和纵摆的刚度做成较大，进而就提高了汽车的悬架的稳定性能。 （ 3）采用先进的悬架结构，不但能够保证汽车行驶在比较复杂的路况在瞬间将车轮提起，避开障碍物，提高汽车的安全通过性。 另外，主动的悬架还能够保持车轮子与地面的摩擦，改善了轮胎动载荷的控制力，改善了负载的分布情况。 同时由于车身的高度可以调节，又进一步的保证了车轮的跳动，从而对传动的构造简化了设计。 根据作动器的反应的带宽不一样，主动的悬架又可以细分 为是：带宽的主动悬架与有限带宽的主动悬架，有的地方也叫为“全主动悬架”与“慢主动悬架”。 慢主动的悬架系统一般情况下的是由一个作动器和一个普普通通的弹簧串联组成，然后再和一个被动阻尼器并联组成。 慢主动悬架的主动控制频率范围为 0～ 6Hz ，当频率大于 6Hz 时被动元件主导悬架系统的特性。 因为慢主动悬架只在一个较低的频率范围内运行，所以降低了系统的成本和复杂度 ，但它的性能指标仍可以满足主要的车身振动和转向控制的基础要求。 全主动的悬架系统是采用 1 个可以用来控制的作动器替代了被动悬架中的一些相关部件，组成一个闭环的控制系统。 作动器一般情况是由一个气动的或者液动的油缸，它具拥有较大的频率范围，对轮胎的高频共振能够进行控制。 作动器的控制的带宽一般覆盖一些车辆常见的振动频率如 0～ 15Hz ，有的一些作动器的响应带宽可以高达如 100Hz。 为了减少能量的损耗浪费，一般情况下会保留 1 个与作动器并联的传统弹簧，来支持车身的静载荷 [6]。 半主动悬架 半主动悬架（ SemiActive Suspension）是在 1973 年 由 和 首次 提出 半主动悬架的概念 [7]。 半主动悬架的简化模型如图 c）所示， 半主动 的 悬架 是 由可 以改 变 的刚度的 弹簧和 可以改变的阻尼系数的 减振器组 合而成。 它的 基本 上 原理是 ， 根据 弹 簧上 的 质量相对 于 车轮的速度和加速度 的 响应等反馈 信号， 并 按照一定的控制 方法来调节弹簧的刚度 值 或减振器的阻尼 值。 在产生力 上 半主动 的 悬架近似于被动 的 悬架，但 它全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 的阻尼系数 与 刚度系数是 可以改 变的。 通常 的情况下以 改变减振器的阻尼 值 为主，将阻尼分为 2 级 和 3 级， 又根据 人工 的 选择或根据传感器 的 信号自动 式 确定。 1984 年日 本得一个 公司研制出 了 一种 叫 声纳式半主动的 悬架，它 非常好， 能 够 通过声纳 这种 装置 探测 前方路 况的 信息， 进而 及时 的 调整悬架 的减振器的三 个 状态。 此 外， 等人又提出了阻尼连续可调的半主动悬架系统 [8]。 主动悬架控制理论研究的目 的和意义 随着现代的汽车行业的不断发展和壮大，汽车的工业在世界的经济发展中的地位越来越突出，慢慢的成为各国的支柱性的产业，并且对世界的经济发展更好和社会进步产生巨大的正能量和深远的影响。 汽车是已成为当今 ,世界上普遍的交通工具，在未来它依旧仍然是世界上重要的交通工具使用。 我国的汽车工业的引进技术及其国产化的实际发展成就，标志着我国的汽车工业已经完成了历史性的转变，开始了中国汽车行业的腾飞时段。 为了适应汽车日益严格的有关节能减放和安全性要求，并且满足人们对汽车安全性、舒适性、便利性的需求，汽车传动与行驶控制系 统的研究和改进已成为不可或缺的环节。 汽车的平顺度就是说能够保证汽车在开车中所处的振动状态具拥有一定的舒适性，对于那些载货的车辆而言还应改包括保持货物完好无损的性能。 平顺性是高速、高效汽车的一个重要性能 [9]。 悬架的系统作为汽车的关键组成部件，它是指链接车身和车轮之间的所有零件和部件的总称，主要是由弹簧、减震器和导向构造组成。 它不仅可以缓冲和吸收轮胎的振动，传递轮胎和路面产生的摩擦力，还能够在汽车转弯时承受车身的侧倾力，在汽车启动和制动时控制车身的惯性。 悬架系统是改善汽车平顺性和操作稳定性、减少零部件损坏的 关键。 一个很好的优越的悬架系统不仅仅可以改善汽车的乘坐的舒适性，而且也更能保证汽车行驶的安全性能，改善汽车的舒适性就得必须把控制汽车的加速度，这就得要求悬架要有足够大的性能吸收来自路面不平；然而为了保持汽车行驶的安全性，必须把悬架变形控制在较小的范围内。 为了提升悬架性能就必须兼顾舒适性与稳定性的矛盾，所以只有应用合适的控制策略才能合理解决。 国内外主动悬架理论研究动态 国内外主动悬架的理论 主动的悬架的控制理论实际上是在立足于经典的控制理论就结合现代控制理论和汽车动力学理论 的产物。 在近几十年中，国内外学者对主动悬架的控制策略方法上进行了大量的分析研究。 在国外，著名的学者有 Karnopp， Thompson， Crolla 和 Langlois 等人。 研究的控制策略范围较为广范，涉及到天棚阻尼的控制理论、随机最优的控制理论、变机构控制的理论、预瞄控制的理论等。 此外，伴随着现代控制理论的发展与更替，自适应控制的理论、模糊控制的理论、 H 无穷控制的理论、神经网络控制的等等也慢慢的凸显优越性。 在国内，丁科等人对神经网络控制的主动悬架进行了研究，何渝生等人将 LQG 最优控制全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 理论用于主动控制 [10]。 总体来看，悬架建模的合理化、控制策略的复杂化和控制过程的实用化成为现代主动悬架研究的一大趋势，这些研究一定程度上丰富了汽车悬架系统的控制理论，有力地推动了主动悬架在汽车工业的应用进程。 国内外主动悬架的应用 在国外大型的汽车公司和研究机构对理论研究的基础上，还对其他主动、半主动悬架进行了实验，直到一些较为成熟的设计成商品，应用于各种车辆。 早在 1982 年， Lotus 公司就开发了有源主动悬架系统，瑞典 Volvo 公司在 740 辆汽车上装置了实验阶段的 Lotus主动悬架系统。 Armstrong 公司在 1987 年为了 FORD 公司研发了一个自适应悬架系统应用于一种新的车型号。 1989 年丰田的 Celica 车型上也应用了 4 主动的悬架 +4 轮驱动 +4 轮防抱死的制动的集成控制，其中应用了较好的线性电磁阀对悬架进行了控制。 1991 年，丰田汽车公司的 Soarer 车型装置了由液压缸与弹簧串联的主动悬架系统。 尼桑公司在 90 年的InfiniteQ45 汽车上也安装了较好的液压主动的悬架。 另外，奔驰、福特等汽车公司也都在其高级轿车上装备了各自研发的主动悬架系统。 在赛车和军用方面，因为越野和高速行驶性能的需求，所以在应用主动 悬架的愿望更加急切。 英国早在 70 年代时，就在“蝎”式轻型坦克上实验了 AP 公司研发的液压式主动悬架系统。 1982 年的时候， Lotus 公司就着手在高速的赛车上进行实验主动的悬架系统，结果表明很大程度上改善了赛车的高速行驶时的平顺性和安全性的需求。 国内外主动悬架研究趋势 我们通过对过去的悬架控制的系统的研究总结可以发现，研究的工作主要在两个方面：一是在各种可能悬架模型的研究；二是在控制方法的研究。 总体上来说吧，系统的建模的要合理化、控制的策略的复杂化程度和控制过程中的实用化是现代的悬架研发的一 大特色， 这些研究可以说在一定程度上丰富了以往汽车悬架系统的控制理论策略，狠狠地推动了主动悬架在汽车行业上的应用进程 ，因而，对悬架控制策略的研究已成为悬架控制研究的一个重要的方向。 建立不一样的数学模型和控制方法，所得到的悬架特性是不一样的，所以应用啥样的数学简化模型和控制的方法，并且与它对应的悬架特性的是悬架控制研究的重要方面。 当前国内生产的车辆大都采用被动悬架，主动悬架、半主动悬架尚未普及，研究工作仍是在控制悬架系统的优化算法、理论分析和计算机仿真模拟阶段，近年来，在国外许多大型的汽车生产商研发了车辆行驶状 态可以自适应地改变悬架刚度和阻尼的半主动悬架和主动悬架系统，在高档车的使用，但在控制方法的改进和提高系统的稳定性及成本效益的改善等方面仍然有许多工作要做。 所以，今后的研发方向是一种低耗能、控制优化、成本低的车辆悬架减振控制系统 [11]。 基于此，我们必须着力的解决一些基础性上的理论研究的和实际应用的技术问题可从以下方面着手进行研究： （ 1）建模结合实际的各种控制理论和控制过程的合理化是现在悬架分析研究的一个全套设计（图纸）请联系 174320523 各专业都有 特点。 （ 2）考虑到汽车节能，能源转换与再利用的原则和研究机构的悬架系统就够对悬架系统 ，同时也将成为主动悬架技术的一个重要发展方向。 （ 3）悬架系统的使用寿命长短和自身参数值该变化以及外界干扰的需要提高。 （ 4）用于测定各参数的传感器的精度、安装便捷性、成本、抗干扰的能力及使用寿命等仍需提高和改善。 （ 5）在生产成本和使用费用上主动悬架价格相对昂贵，在控制过程中损耗的汽车功率较高，所以在设计时要考虑其性价比。 （ 6）反应的速度快捷，工作的频带宽，动作准确平稳的执行机构有待研发，列如作动器与减振器等。 本论文主要研究内容 本论文研究的是基于两自由度 1/4车辆主动的悬架的在 PID控制策略下进行仿真研究，以 l/4 主动的悬架为研究的对象，建立 l/4 主动悬架数学简化模型，在对被动悬架和 PID 控制的主动悬架进行比较分析，研究的主要内容包括： 建立 1/4 悬架数学模型 结合汽车悬架的实际情况，学习并运用运动学和动力学及车辆构造相关理论，对汽车悬架系统进行简化分析，建立两自由度 1/4 主动悬架数学模型。 根据牛顿第二定律，在对其在受力分析的基础上建立动力学方程，并以此作为控制策略仿真的基础。 建立路面路谱模型，提出悬架性能的评价标准 考虑到路面 激励对悬架控制的重要影响，将路面激励信号结合系统仿真模型。 在振动方面使用白噪声信号来模拟实际的持续的小的不平整路面；在冲击方面使用阶跃与正弦来模拟实际凸起和凹坑。 根据车辆设计要求的平顺性和操纵稳定性。 选择悬架的评价参数为；车身加速度用于表示车辆行驶的平顺性效果；悬架动挠度和轮胎动载荷用于表示车辆操纵稳定性效果。 选定控制方法并设计控制器 结合经典控制理论和现代控制理论，本文采用具有实际应用价值的 PID 控制，根据其原理设计其控制器。 建立仿真模型 根据建立的悬架系统的控制原理 图，在 Matlab 仿真软件建立汽车主、被动悬架、 PID控制器仿真模型，然后对主、被动悬架的性能分析对比。 仿真结果分析 参照车辆设计要求的平顺性和操纵稳定性，以车身加速度、悬架动挠度和轮胎动载荷值作为主要评价指标，通过对三种输入信号下的控制策略仿真曲线进行分析比较，归纳总结出控制策略的优缺点以及可行性与有效性。 全套设计（图纸）请联系。