基于PID控制的四分之一主動懸架仿真研究

摘 要 懸架是一個關(guān)鍵組成部分，汽車零部件，從而保證身體或車輪與主機系統(tǒng)之間的彈性接觸，并可以傳輸負載，緩解沖擊，振動和調(diào)整車身狀態(tài)的衰減，直接影響到汽車的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性 。 隨著人們對現(xiàn)代汽車乘坐舒適性和行駛安全性的要求愈來愈高，設(shè)計一個綜合性能良好的懸架，已成為現(xiàn)代汽車研究的一個側(cè)重的課題。 傳統(tǒng)的被動懸掛系統(tǒng)彈性構(gòu)件剛度和阻尼減震元件是不變的，汽車行駛的路況，負載變化和其他因素的影響，因此，必須制定一個被動懸架不同的新的懸掛。主動懸架是基于現(xiàn)代控制理論和電子技術(shù)的發(fā)展和開發(fā)，與車輛的運行狀態(tài) ，可以自適應(yīng)地改變其剛度和阻尼參數(shù)，具有優(yōu)良的阻尼性能和操縱穩(wěn)定性，未來汽車吊框架的一個重要研究方向 。 本論文先根據(jù)牛頓定理，運用車輛動力學(xué)理論，建立了被動懸架 和 二自由度 1/4 主動懸架系統(tǒng)的動力學(xué)模型 。 并建立了路面輸入分別為 ：白噪聲 信號、階躍信號以及 正弦 信號的路面不平度數(shù)學(xué)模型。同時，概述了懸架性能的三個評價指標，即車身加速度、懸架動撓度 、輪胎 動載荷。并 利用 軟件 Matlab/Simulink 構(gòu)建出汽車懸架控制系統(tǒng)仿真模型圖，包括路面輸入模型，被動懸架模型， PID 控制主動懸架模型。運行仿真模型圖即可實現(xiàn)不同路 面輸入信號的懸架系統(tǒng)的仿真。最后，對懸架性能評價指標的仿真結(jié)果進行分析。 關(guān)鍵詞： 主動懸架； MATLAB；建模； PID 控制；仿真 Abstract Suspension is an component of the important assembly of the automobile, it guarantees to contact with a flexible between the wheels or axles and bearing system, and can transfer loads、 relax impulsion、 reduce vibration and regulate the body position of the vehicle in traffic, and have a direct impact on ride comfort and operate stability. With the increasing requirement of the vehicles ride comfort and road security, the design of suspension with good performance has become more and more important. As a traditional passive suspension having a constant spring stiffness and damper coefficient which is not interfering with the road surface and the load change, so it is necessary to design a new style suspension. Active suspension and modern control theory and development of electronic technology, and its stiffness and damping coefficients can prosper, to adapt to different working environment, improve vehicle ride comfort and road holding. So it is significant to research and develop active suspension. Firstly, according to the Newton theorem, the paper use the vehicle dynamics theory, and set up the dynamics model of the passive suspension and the second freedom active suspension system based on 1/4 of the body. And translate the differential equations into a form of expression of the state equations. And establish the road roughness mathematical model of the road input signal for sine, step random and white noise signal, and achieve the simulation. At the same time, outlined the three evaluation index of the suspension performance, such as the body vertical acceleration, the relatively dynamic load of the wheel, the suspension dynamic deflection. And build the simulation model plans of the control system of the automobile suspension by the Matlab/Simulink software, including the importable model of the road, the passive suspension model, the active suspension model of the PID control. And run the simulation model map to achieve the simulation of the different input signal of the suspension control system. Finally, analysis the simulation results of the evaluation index of the suspension performance . Key words: Active suspension； MATLAB； Modeling； PID control； Simulation 目 錄 摘 要 . 錯誤 !未定義書簽。 Abstract . IV 目 錄 . V . 錯誤 !未定義書簽。 1 緒 論 . 2 1.1 懸架系統(tǒng)介紹 . 2 1.1.1 懸架的功能 . 2 1.1.2 懸架的分類 . 2 1.2 主動懸架控制理論研究的目的和意義 . 5 1.3 國內(nèi)外主動懸架理論研究動態(tài) . 5 1.3.1 國內(nèi)外主動懸架的理論 . 5 1.3.2 國內(nèi)外主動懸架的應(yīng)用 . 6 1.3.3 國內(nèi)外主動懸架研究趨勢 . 6 1.4 本論文主要研究內(nèi)容 . 7 2 汽車懸架平順性評價方法 . 8 2.1 汽車平順性概述 . 8 2.1.1 汽車平順性的研究發(fā)展概況 . 8 2.2 影響汽車平順性的因素 . 10 2.2.l 路面不平度統(tǒng)計特性的研究 . 10 2.2.2 影響平順性的車身部件的研究 . 10 2.3 汽車平順性評價方法 . 11 2.4 汽車懸架系統(tǒng)的評價指標 . 11 3 主動懸架控制系統(tǒng)的動力學(xué)模型 . 12 3.1 主動懸架的數(shù)學(xué)模型 . 13 3.1.1 概述 . 13 3.1.2 兩自由度主動懸架的動力學(xué)模型 . 14 3.2 路面路譜模型建立 . 16 3.2.1 路面不平度的功率譜 . 17 3.2.2 空間頻率譜函數(shù)與時間頻率譜函數(shù)的轉(zhuǎn)化 . 18 4 基于 1/4 主動懸架系統(tǒng)模型的 PID 控制 . 21 4.1 主動懸架 PID 控制理論 . 21 4.1.1 PID 控制 . 21 4.2 PID 控制器的參數(shù)整定 . 24 5 系統(tǒng)的計算機仿真結(jié)果與分析 . 26 5.1 仿真環(huán)境 Matlab/Simulink 簡介 . 26 5.2 仿真實驗和結(jié)果分析 . 26 5.2.1 白噪聲信號下的比較： . 27 5.2.2 階躍信號下的比較： . 34 5.2.3 正弦信號下的比較： . 41 6 總結(jié)和展望 . 48 6.1 總結(jié) . 49 6.2 不足之處 和 展望 . 49 致 謝 . 50 參考文獻 . 52 附 錄 . 53 1 緒 論 1.1 懸架系統(tǒng)介紹 1.1.1 懸架的功能 懸架 （ Vehicle Suspension）是現(xiàn)代汽車上重要的部件之一 1， 是 汽車的 車 身 與 輪胎 之間的一切傳力連接裝置的總稱。 它的主要功能除了傳遞 車 身和輪胎相互之間的力和力矩，緩沖和吸收來自路面不平引起對車架的沖擊，還要迅速衰減由此引起的振動，以確保汽車行駛的平穩(wěn)性。懸架作為汽車零部件中的重要組成裝置，對汽車的平順性和安穩(wěn)性等性能影響很大。懸架的系統(tǒng)包括：彈性原件、減振器、傳力裝置等三個部分，這三個的部分作用分別用來緩沖、減少振振和傳遞力矩。此外，還包括一些特殊功能部件有的， 列如緩沖塊、橫向穩(wěn)定器等等，圖 1.1 為一懸架結(jié)構(gòu)示意圖。 圖 1.1 懸架結(jié)構(gòu)圖 1.1.2 懸架的分類 目前依據(jù)對汽車懸架的各種性能要求，汽車懸架的構(gòu)造形式與減振控制方法也日趨完善。懸架的結(jié)構(gòu)形式有很多，分類的方法也存在很多差異。根據(jù)它的 導(dǎo)向機構(gòu) 的不一樣 ，汽車的懸架可以 分為獨立 式的 懸架 與 非獨立 式的 懸架兩 種；根據(jù)它的震動控制方法的不一樣，又分為被動的懸架 、主動的懸架、半主動的懸架三大種。簡單來說不需要外部輸入能量的懸架就稱為被動懸架；需要少量輸入外部能量，來調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的稱為半主動懸架；而全部需要經(jīng)過外部的輸入 .能量的讓執(zhí)行機構(gòu)給懸架系統(tǒng)增加一定的主動控制力的懸架稱為主動的懸架。圖 1.2 是這三種懸架的簡化模型。 a） 被動懸架 b）主動懸架 c） 半主動懸架 圖 1.2 三種懸架系統(tǒng)簡化模型 1-傳感器 2-可調(diào)減振器 3-執(zhí)行器 1.1.2.1 被動懸架 被動懸架（ Passive Suspension）是一種傳統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)，其簡化模型示意圖如圖 1.2 a）所示，包括彈簧和減振的系統(tǒng)。在 1934 年由 Olley 首次提出了被動懸架的設(shè)計理論，并且通過調(diào)整彈簧的剛度、減震器的阻尼值、改變軸距、彈簧的安裝位置等用來提高車輛的行駛的平順性和操作穩(wěn)定性 2。 被動的懸架不僅構(gòu)造簡單，而且成本低廉，還不需要外部輸入的能量，所以，在汽車上能夠被廣泛的用。但因為它的參數(shù)不可變，所以又存在較大的局限性： （ 1）減少懸架的剛度對提升汽車舒適性改善有利，但是當彈簧 剛度較小時，對輪胎動載荷影響不利，如果彈簧太軟，則需要較大的行程空間，增加了汽車的高度而無法布置。 （ 2）阻尼特性對平順性和輪胎接地能力產(chǎn)生共同影響，同時兼顧二者較困難。 （ 3）因懸架參數(shù)不可變，不隨路況而改變，所以只能在特定的路況下達到最佳減振效果，而車輛的載荷、車速以及路面凸凹都會在很大程度變化，如果激勵發(fā)生變化，懸架系統(tǒng)就不再是最優(yōu)。 被動懸架對行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、車身狀態(tài)等這些相互矛盾的設(shè)計要求選擇適中方案，在一定程度上符合汽車動力學(xué)性能要求。因此，在對一個多種環(huán)境下行駛的汽車 ，在性能要求較高且影響因素較復(fù)雜的情況下，被動懸架很難再滿足新的要求，很難實現(xiàn)行駛平順性與操縱穩(wěn)定性的完美結(jié)合。 1.1.2.2 主動懸架 主動懸架 （ Active Suspension） 最初 結(jié)構(gòu) 裝置是由 AP 公司基于氣 、 液 壓 懸架發(fā)展的一 種機械 系 統(tǒng) 3。主動懸架簡化模型如圖 1.1 b）所示，主動的懸架包括三個部分：傳感器、控制器、執(zhí)行機構(gòu)，它們與汽車部件一起形成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 其中控制器是整個 懸架 系統(tǒng)的信息處理 、 管理中心，它接受 分別 來自各個傳感器的信號， 根 據(jù) 選定 的數(shù)據(jù)處理方法和控制 方法 ，決定并控制執(zhí) 行機構(gòu)的動作， 進 而改變車身運動狀態(tài)、 達到 隔振減振的 效果 4。 主動懸架一般情況下都采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。所謂閉環(huán)控制系統(tǒng)，就是輸出量反過來對系統(tǒng)的控制有直接影響的控制，也就是說彈簧剛度和減振阻尼的控制結(jié)果，還必須通過反饋系統(tǒng)把信息傳送給電腦，再由電腦進行分析修正，以達到最佳控制效果，進而提升汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性等性能的要求。主動懸架的優(yōu)點可以歸納為 5： （ 1）做成較小的懸架的剛度，可以能使車身具擁有較低的自然狀態(tài)振動頻率，并且能夠保證在正常開車中的乘坐舒適度。很大程度上改變了汽車在轉(zhuǎn) 彎情況下的車身側(cè)傾、制動和加速等狀態(tài)下的縱向擺動問題。 （ 2）應(yīng)采用主動的懸架系統(tǒng)，因為不需兼顧正常狀態(tài)開車中汽車的舒適性度，因而可以將汽車的懸架抗側(cè)傾和縱擺的剛度做成較大，進而就提高了汽車的懸架的穩(wěn)定性能。 （ 3）采用先進的懸架結(jié)構(gòu)，不但能夠保證汽車行駛在比較復(fù)雜的路況在瞬間將車輪提起，避開障礙物，提高汽車的安全通過性。另外，主動的懸架還能夠保持車輪子與地面的摩擦，改善了輪胎動載荷的控制力，改善了負載的分布情況。同時由于車身的高度可以調(diào)節(jié)，又進一步的保證了車輪的跳動，從而對傳動的構(gòu)造簡化了 設(shè)計。 根據(jù)作動器的反應(yīng)的帶寬不一樣，主動的懸架又可以細分為是：帶寬的主動懸架與有限帶寬的主動懸架，有的地方也叫為“全主動懸架”與“慢主動懸架”。慢主動的懸架系統(tǒng)一般情況下的是由一個作動器和一個普普通通的彈簧串聯(lián)組成，然后再和一個被動阻尼器并聯(lián)組成。慢主動懸架的主動控制頻率范圍為 0 6Hz ，當頻率大于 6Hz 時被動元件主導(dǎo)懸架系統(tǒng)的特性。因為慢 主動懸架只在一個較低的頻率范圍內(nèi)運行，所以降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度，但它的性能指標仍可以滿足主要的車身振動和轉(zhuǎn)向控制的基礎(chǔ)要求。 全主動的懸架系統(tǒng)是采用 1 個可以用來控制的作動器替代了被動懸架中的一些相關(guān)部件，組成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。作動器一般情況是由一個氣動的或者液動的油缸，它具擁有較大的頻率范圍，對輪胎的高頻共振能夠進行控制。作動器的控制的帶寬一般覆蓋一些車輛常見的振動頻率如 0 15Hz ，有的一些作動器的響應(yīng)帶寬可以高達如 100Hz 。為了減少能量的損耗浪費，一般情況下會保留 1 個與作動器并聯(lián)的傳統(tǒng)彈簧，來支持車身的靜載荷 6。 1.1.2.3 半主動懸架 半主動懸架（ Semi-Active Suspension）是在 1973 年 由 D.A.Crosby 和 D.C.Kamopp 首次 提出 半主動懸架的概念 7。半主動懸架的簡化模型如圖 1.2 c）所示， 半主動 的 懸架 是 由可 以改 變 的剛度的 彈簧和 可以改變的阻尼系數(shù)的 減振器組 合而成 。 它的 基本 上 原理是 ， 根據(jù) 彈 簧上 的 質(zhì)量相對 于 車輪的速度和加速度 的 響應(yīng)等反饋信號， 并 按照一定的控制 方法來調(diào)節(jié)彈簧的剛度 值 或減振器的阻尼 值 。在產(chǎn)生力 上 半主動 的 懸架近似于被動 的 懸架，但 它 的阻尼系數(shù) 與 剛度系數(shù)是 可以改 變的 。 通常 的情況下以 改變減振器的阻尼 值 為主，將阻尼分為 2 級 和 3 級， 又根據(jù) 人工 的 選擇或根據(jù)傳感器 的 信號自動 式 確定 。 1984 年日 本得一個 公司研制出 了 一種 叫 聲納式半主動的 懸架，它 非常好， 能 夠 通過聲納 這種 裝置 探測 前方路 況的 信息， 進而 及時 的 調(diào)整懸架 的減振器的三 個 狀態(tài)。 此 外， D.A.Crosby 等人又提出了阻尼連 續(xù)可調(diào)的半主動懸架系統(tǒng) 8。 1.2 主動懸架控制理論研究的目的和意義 隨著現(xiàn)代的汽車行業(yè)的不斷發(fā)展和壯大，汽車的工業(yè)在世界的經(jīng)濟發(fā)展中的地位越來越突出，慢慢的成為各國的支柱性的產(chǎn)業(yè)，并且對世界的經(jīng)濟發(fā)展更好和社會進步產(chǎn)生巨大的正能量和深遠的影響。汽車是已成為當今 ,世界上普遍的交通工具，在未來它依舊仍然是世界上重要的交通工具使用。我國的汽車工業(yè)的引進技術(shù)及其國產(chǎn)化的實際發(fā)展成就，標志著我國的汽車工業(yè)已經(jīng)完成了歷史性的轉(zhuǎn)變，開始了中國汽車行業(yè)的騰飛時段。 為了適應(yīng)汽車日益嚴格的有關(guān)節(jié)能減放和安全性要求，并 且滿足人們對汽車安全性、舒適性、便利性的需求，汽車傳動與行駛控制系統(tǒng)的研究和改進已成為不可或缺的環(huán)節(jié)。汽車的平順度就是說能夠保證汽車在開車中所處的振動狀態(tài)具擁有一定的舒適性，對于那些載貨的車輛而言還應(yīng)改包括保持貨物完好無損的性能。平順性是高速、高效汽車的一個重要性能 9。 懸架的系統(tǒng)作為汽車的關(guān)鍵組成部件，它是指鏈接車身和車輪之間的所有零件和部件的總稱，主要是由彈簧、減震器和導(dǎo)向構(gòu)造組成。它不僅可以緩沖和吸收輪胎的振動，傳遞輪胎和路面產(chǎn)生的摩擦力，還能夠在汽車轉(zhuǎn)彎時承受車身的側(cè)傾力，在汽車啟動和制動時控制 車身的慣性。懸架系統(tǒng)是改善汽車平順性和操作穩(wěn)定性、減少零部件損壞的關(guān)鍵。一個很好的優(yōu)越的懸架系統(tǒng)不僅僅可以改善汽車的乘坐的舒適性，而且也更能保證汽車行駛的安全性能，改善汽車的舒適性就得必須把控制汽車的加速度，這就得要求懸架要有足夠大的性能吸收來自路面不平；然而為了保持汽車行駛的安全性，必須把懸架變形控制在較小的范圍內(nèi)。為了提升懸架性能就必須兼顧舒適性與穩(wěn)定性的矛盾，所以只有應(yīng)用合適的控制策略才能合理解決。 1.3 國內(nèi)外主動懸架理論研究動態(tài) 1.3.1 國內(nèi)外主動懸架的理論 主動的懸架的控制理 論實際上是在立足于經(jīng)典的控制理論就結(jié)合現(xiàn)代控制理論和汽車動力學(xué)理論的產(chǎn)物。在近幾十年中，國內(nèi)外學(xué)者對主動懸架的控制策略方法上進行了大量的分析研究。在國外，著名的學(xué)者有 Karnopp， Thompson， Crolla 和 Langlois 等人。研究的控制策略范圍較為廣范，涉及到天棚阻尼的控制理論、隨機最優(yōu)的控制理論、變機構(gòu)控制的理論、預(yù)瞄控制的理論等。此外，伴隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展與更替，自適應(yīng)控制的理論、模糊控制的理論、 H 無窮控制的理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的等等也慢慢的凸顯優(yōu)越性。在國內(nèi)，丁科等人對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的主動懸 架進行了研究，何渝生等人將 LQG 最優(yōu)控制 理論用于主動控制 10?？傮w來看，懸架建模的合理化、控制策略的復(fù)雜化和控制過程的實用化成為現(xiàn)代主動懸架研究的一大趨勢，這些研究一定程度上豐富了汽車懸架系統(tǒng)的控制理論，有力地推動了主動懸架在汽車工業(yè)的應(yīng)用進程。 1.3.2 國內(nèi)外主動懸架的應(yīng)用 在國外大型的汽車公司和研究機構(gòu)對理論研究的基礎(chǔ)上，還對其他主動、半主動懸架進行了實驗，直到一些較為成熟的設(shè)計成商品，應(yīng)用于各種車輛。早在 1982 年， Lotus 公司就開發(fā)了有源主動懸架系統(tǒng)，瑞典 Volvo 公司在 740 輛汽車上裝置了實驗階段的 Lotus主動懸架系統(tǒng)。 Armstrong 公司在 1987 年為了 FORD 公司研發(fā)了一個自適應(yīng)懸架系統(tǒng)應(yīng)用于一種新的車型號。 1989 年豐田的 Celica 車型上也應(yīng)用了 4 主動的懸架 +4 輪驅(qū)動 +4 輪防抱死的制動的集成控制，其中應(yīng)用了較好的線性電磁閥對懸架進行了控制。 1991 年，豐田汽車公司的 Soarer 車型裝置了由液壓缸與彈簧串聯(lián)的主動懸架系統(tǒng)。尼桑公司在 90 年的InfiniteQ45 汽車上也安裝了較好的液壓主動的懸架。另外，奔馳、福特等汽車公司也都在其高級轎車上裝備了各自研發(fā)的主動懸架系 統(tǒng)。在賽車和軍用方面，因為越野和高速行駛性能的需求，所以在應(yīng)用主動懸架的愿望更加急切。英國早在 70 年代時，就在“蝎”式輕型坦克上實驗了 AP 公司研發(fā)的液壓式主動懸架系統(tǒng)。 1982 年的時候， Lotus 公司就著手在高速的賽車上進行實驗主動的懸架系統(tǒng)，結(jié)果表明很大程度上改善了賽車的高速行駛時的平順性和安全性的需求。 1.3.3 國內(nèi)外主動懸架研究趨勢 我們通過對過去的懸架控制的系統(tǒng)的研究總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，研究的工作主要在兩個方面：一是在各種可能懸架模型的研究；二是在控制方法的研究。 總體上來說吧，系統(tǒng)的建模的要合理 化、控制的策略的復(fù)雜化程度和控制過程中的實用化是現(xiàn)代的懸架研發(fā)的一大特色， 這些研究可以說在一定程度上豐富了以往汽車懸架系統(tǒng)的控制理論策略，狠狠地推動了主動懸架在汽車行業(yè)上的應(yīng)用進程 ，因而，對懸架控制策略的研究已成為懸架控制研究的一個重要的方向。建立不一樣的數(shù)學(xué)模型和控制方法，所得到的懸架特性是不一樣的，所以應(yīng)用啥樣的數(shù)學(xué)簡化模型和控制的方法，并且與它對應(yīng)的懸架特性的是懸架控制研究的重要方面。當前國內(nèi)生產(chǎn)的車輛大都采用被動懸架，主動懸架、半主動懸架尚未普及，研究工作仍是在控制懸架系統(tǒng)的優(yōu)化算法、理論分析和計算 機仿真模擬階段，近年來，在國外許多大型的汽車生產(chǎn)商研發(fā)了車輛行駛狀態(tài)可以自適應(yīng)地改變懸架剛度和阻尼的半主動懸架和主動懸架系統(tǒng)，在高檔車的使用，但在控制方法的改進和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及成本效益的改善等方面仍然有許多工作要做。所以，今后的研發(fā)方向是一種低耗能、控制優(yōu)化、成本低的車輛懸架減振控制系統(tǒng) 11。 基于此，我們必須著力的解決一些基礎(chǔ)性上的理論研究的和實際應(yīng)用的技術(shù)問題可從以下方面著手進行研究： （ 1）建模結(jié)合實際的各種控制理論和控制過程的合理化是現(xiàn)在懸架分析研究的一個 特點。 （ 2）考慮到 汽車節(jié)能，能源轉(zhuǎn)換與再利用的原則和研究機構(gòu)的懸架系統(tǒng)就夠?qū)壹芟到y(tǒng)，同時也將成為主動懸架技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。 （ 3）懸架系統(tǒng)的使用壽命長短和自身參數(shù)值該變化以及外界干擾的需要提高。 （ 4）用于測定各參數(shù)的傳感器的精度、安裝便捷性、成本、抗干擾的能力及使用壽命等仍需提高和改善。 （ 5）在生產(chǎn)成本和使用費用上主動懸架價格相對昂貴，在控制過程中損耗的汽車功率較高，所以在設(shè)計時要考慮其性價比。 （ 6）反應(yīng)的速度快捷，工作的頻帶寬，動作準確平穩(wěn)的執(zhí)行機構(gòu)有待研發(fā)，列如作動器與減振器等。 1.4 本論文主要研究內(nèi)容 本論文研究的是基于兩自由度 1/4車輛主動的懸架的在 PID控制策略下進行仿真研究，以 l/4 主動的懸架為研究的對象，建立 l/4 主動懸架數(shù)學(xué)簡化模型，在對被動懸架和 PID 控制的主動懸架進行比較分析，研究的主要內(nèi)容包括： 1、建立 1/4 懸架數(shù)學(xué)模型 結(jié)合汽車懸架的實際情況，學(xué)習(xí)并運用運動學(xué)和動力學(xué)及車輛構(gòu)造相關(guān)理論，對汽車懸架系統(tǒng)進行簡化分析，建立兩自由度 1/4 主動懸架數(shù)學(xué)模型。根據(jù)牛頓第二定律，在對其在受力分析的基礎(chǔ)上建立動力學(xué)方程，并以此作為控制策略仿真的基礎(chǔ)。 2、建立路面路譜模型，提出懸架性能的評價標準 考慮到路面激勵對懸架控制的重要影響，將路面激勵信號結(jié)合系統(tǒng)仿真模型。在振動方面使用白噪聲信號來模擬實際的持續(xù)的小的不平整路面；在沖擊方面使用階躍與正弦來模擬實際凸起和凹坑。 根據(jù)車輛設(shè)計要求的平順性和操縱穩(wěn)定性。選擇懸架的評價參數(shù)為；車身加速度用于表示車輛行駛的平順性效果；懸架動撓度和輪胎動載荷用于表示車輛操縱穩(wěn)定性效果。 3、選定控制方法并設(shè)計控制器 結(jié)合經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，本文采用具有實際應(yīng)用價值的 PID 控制，根據(jù)其原理設(shè)計其控制器 。 4、建立仿真模型 根據(jù)建立的懸架系統(tǒng)的控制原理圖，在 Matlab 仿真軟件建立汽車主、被動懸架、 PID控制器仿真模型，然后對主、被動懸架的性能分析對比。 5、仿真結(jié)果分析 參照車輛設(shè)計要求的平順性和操縱穩(wěn)定性，以車身加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷值作為主要評價指標，通過對三種輸入信號下的控制策略仿真曲線進行分析比較，歸納總結(jié)出控制策略的優(yōu)缺點以及可行性與有效性。 2 汽車懸架平順性評價方法 2.1 汽車平順性概述 2.1.1 汽車平順性的研究發(fā)展概況 隨著現(xiàn)代 的汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械牟豢扇鄙俚囊徊糠?，因此，人們對汽車性能的要求也不斷的提高，有良好的動力性和?jīng)濟性時，良好的行駛平順性要求也高。平順性是維持汽車在行駛過程中乘客所在的有一定舒適度的性能，而對與載貨汽車還應(yīng)改包括能夠保持貨物完好無損的性能。源于汽車平順性的依據(jù)是乘坐者的舒適程度來評價的，所以，也稱作乘坐舒適性。汽車的振動不僅會導(dǎo)致車上乘員疲勞和貨物的損壞，而且也會使汽車零部件過早地磨損和疲勞損壞，減少使用壽命。另外，車輛的振動還是車內(nèi)噪聲形成的主要來源。因而，汽車平順性直接影響到乘 員的舒適性，也影響了車輛的動力性與經(jīng)濟性，是現(xiàn)代車輛在市場競爭中的一項重要性能指標。 以往評價汽車的行駛平順性一般是在生產(chǎn)出樣車并在試驗后才能確定。因而，在設(shè)計階段因缺少路面譜數(shù)據(jù)和計算工具的局限，很難精確地評估這種性能的好壞，影響汽車行駛平順性的懸架參數(shù)和整車參數(shù)是由主要設(shè)計師憑借經(jīng)驗和粗略計算確定。所以，在實際應(yīng)用中人們希望能夠找到一種比較精確的評價方法，便于縮短設(shè)計的周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，并且優(yōu)化設(shè)計，爭取達到一次成功的設(shè)計要求。 汽車懸架作為復(fù)雜的多自由度振動系統(tǒng)，進行定量分析的關(guān)鍵在于建立理想的數(shù) 學(xué)模型，怎樣更好地建立汽車主動懸架動力學(xué)模型，已成為當前國內(nèi)外學(xué)者探討汽車平順性的重要問題。隨著現(xiàn)在計算機仿真軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，建立很多自由度的仿真模型己不在是問題。也為研究的汽車行駛平順性能提供了很好有效途徑，如今現(xiàn)在國內(nèi)外汽車的市場競爭日益激烈，怎樣在汽車懸架設(shè)計時階段就可以能夠把汽車平順性進行準確測定和評估，減少設(shè)計時間，降低產(chǎn)品成本，已成為在市場竟爭中取勝的關(guān)鍵。 研究汽車的平順性的目的就是為了減少振動造成的危害，弄清楚汽車的振動系統(tǒng)中各元素的特性。汽車行駛平順性分析可根據(jù)圖 2.1 所示的汽車振動系 統(tǒng)框圖。系統(tǒng)的輸入主要的是汽車以恒定速度經(jīng)過一段隨機不平的路面，該輸入的量經(jīng)輪胎、懸架和座椅、減振器等組成的振動的系統(tǒng)，傳遞到懸掛的質(zhì)量和人體，并通過懸掛的質(zhì)量和人體的加速度作為非常重要的輸出量。然后再依據(jù)人體的反應(yīng)感覺對汽車的平順性進行評價。汽車振動系統(tǒng)的輸出量一般情況下還需要考慮輪胎和路面間的摩擦力，這與輪胎的接地性有關(guān)。對主動懸架和半主動懸架而言，則需在輸入與輸出之間施加一個反饋控制器，這樣就可以很大程度上改善汽車平順性。 汽車行駛的平順性能是汽車動力學(xué)中的一個重要研究方向。它包括一切所有與車輛系統(tǒng)有 關(guān)運動的研究，它的核心部分是平順性和操縱穩(wěn)定性這兩大領(lǐng)域。 從 20 世紀 60 年代起，國外就著手對車輛的振動和乘坐舒適性進行探討。當時的研究一是從實驗的這方向研究人體對振動的感受。以便來解決平順性評價問題，并在 20 世紀 70 年代制定出國際標準 ISO2631-74人體承受全身振動的評價指南， 20 世紀 80 年代經(jīng)修訂后推出了 IS02631-85, 1991 年又提出了 IS02631 草案。國內(nèi)在這方面的研究始于 70 年 a) 被動懸架汽車的振動系統(tǒng) b) 主動懸架汽車的振動系統(tǒng) 圖 2.1 汽車振動系統(tǒng)框圖 代后期，并依據(jù) IS02631 在 1985 年制定了 GB4970汽車行駛平順性隨機輸入試驗方法標準 12， 1986 年制定了 GB5902汽車行駛平順性脈沖輸入試驗方法標準， 1990 年制定了 GB 12477 客車平順性評價指標極限值標準。此外，一些學(xué)者還提出了將模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等理論引入汽車平順性的評價中，進而得到了主觀評價的定量指標。但是，這些性能指標還未得到一致的認可。當前在我國汽車平順性的評價主要是參照 G B/T4970-1996。二是從理 論計算的方向著手，它的核心環(huán)節(jié)是通過計算車輛振動響應(yīng)以確定懸架、輪胎和座椅的剛度、阻尼參數(shù)，進而解決 PID 中的參數(shù)整定的問題。主要是將隨機振動理論應(yīng)用在車輛行駛中的振動過程，尋找符合各類汽車振動特性的力學(xué)模型，然后，根據(jù)牛頓運動定律建立力學(xué)方程，進行模擬仿真，受當時的計算機局限，通常都把汽車簡化成 2 3 個自由度，但這樣的簡化模型只可作為定性分析。從 20 世紀 70 年代起，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，計算機也成為了汽車平順性研究的得力工具，尤其是計算速度的提高更為復(fù)雜的汽車懸架模型計算提供了便捷。于是各國的學(xué)者便開 始用比較更復(fù)雜的振動模型來模擬車輛振動系統(tǒng)，針對不同的車輛型號，建立不同形式的振動模型進行模擬。從起初的 2 自由單點度模型擴展成 5 自由度雙輪轍激勵模型，接著又擴展成 8 10 自由度四輪激勵的整車模型，其后又有學(xué)者考慮到了橫向穩(wěn)定桿的作用，并把懸架簡化成 3 個自由度模型。另外，還有其他學(xué)者開始提出車輛系統(tǒng)非線性振動系統(tǒng)論，其中包含了一些非線性因素，如剛度、阻尼等，還應(yīng)建立包括車輛系統(tǒng)非線性因素影響的振動模型。如在研究平順性時建立汽車整車的 8 自由度非線性力學(xué)模型，考慮到彈簧和阻尼器的非線性特點，經(jīng)過這樣處理所得的整車 模型更加精準。 20 世紀 80 年代以來隨著計算機速度的提升和基礎(chǔ)理論研究的不斷深入，汽車懸架仿輸入系統(tǒng) 懸架系統(tǒng)參數(shù) 控制系統(tǒng) 輸出系統(tǒng) 懸架系統(tǒng)參數(shù) 輸出系統(tǒng) 輸入系統(tǒng) a） b） 真研究試驗工作獲得了迅猛的發(fā)展。在國外這方面發(fā)展己經(jīng)非常成熟并且取得了巨大的經(jīng)濟效益。在國內(nèi)，這幾年應(yīng)用大型軟件件在計算機上按進行平順性仿真研究也取得了很好的成果： 1999 年金睿臣用 ADAMS 建立了 11 自由度的汽車的模型，采用類白噪聲法模擬符合實際路面路譜特性的路面。并且對汽車在路面隨機輸入下的振動曲線作了仿真分析。2002 年北京理工大學(xué)的曹麗亞利用計算機借助 ADAMS 軟件完成了對汽車脈沖平順性的仿真分析。 2003 年 ，北京工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院的王國權(quán)等利用 ADAMS 軟件在計算機上按照系統(tǒng)建立了某型號小卡車的整車數(shù)字化功能的仿真模型，由此實現(xiàn)了車輛行駛的數(shù)字化模擬，該車在虛擬的路面上行駛過程中，可以反映懸架、輪胎的變形和乘員的運動狀態(tài)，仿真試驗結(jié)果獲得了懸架在前進方向、橫向、垂直方向的加速度以及均方根值，它的數(shù)據(jù)與實際測試結(jié)果相差不大。 2005 年王明容等參考了車輛行駛的數(shù)夏利 2000 車型利用機械動力學(xué)仿真分析很好軟件 SIMPAC 建立了整車的多自由度仿真分析模型和三維路面激勵模型，在虛擬條件下對汽車平順性進行了仿真研究分析， 其結(jié)果表明，建立的數(shù)字化功能樣機越詳細，就可以有效地分析其平順性。 2.2 影響汽車平順性的因素 2.2.l 路面不平度統(tǒng)計特性的研究 汽車受到的激勵主要來自于路面，對路譜的研究是對汽車平順性研究的重要基本工作。目前國內(nèi)通常采用的都是很好的國際標準協(xié)會在的文件 ISO/TC108/SC2N67 中提出的“路面不平度表示方法草案”和長春汽車研究所起出生地點草修訂的“車輛振動輸入一地面不平度表示方法”兩個好的標準。采用冪函數(shù)的路面功率譜密度來表述路面的不平特性。這兩個標準可以實際反映路面的基本狀況，但是 也存在局限性有待進一步的補充。在這方面的研學(xué)究有：建立出了多種比較類似真實路面的路譜，尤其是各種不同路面對汽車輸入譜矩陣；并按路面不平度譜特性建設(shè)試驗平臺。 2.2.2 影響平順性的車身部件的研究 汽車的懸架、輪胎、座椅以及發(fā)動機等是影響汽車平順性車身部分的主要部件。在懸架研究方面近年來的研制出了主動的懸架、半主動的懸架及復(fù)合式懸架系統(tǒng)等多種懸架類型。對懸架中存在的彈性的元件和阻尼原件的也進行了大量的分析研究，以便于的合理的調(diào)定剛度、阻尼的參數(shù)以減小傳遞力。研究的人員在提出了各種參數(shù)的調(diào)定方法后，把現(xiàn)代 的控制方法，尤其是最優(yōu)最好控制、魯棒的控制、模糊的控制等等，分別運用到汽車懸架系統(tǒng)中，并開始對減振器 進行了深 入的研 究并取得了較好的成果。正確的評價方法對輪胎的研究主要是在輪胎類型、輪胎的氣壓的不同以及輪胎對汽車平順性的影 .響效果。進而照成出能夠提升汽車平順性輪胎模型。根據(jù)這幾 .近年的研究發(fā)現(xiàn)座椅的振動傳遞函數(shù)對人體振動的影響較大，座椅的剛度和阻尼對改善汽車平順性也有很大的意義。此外隨著車速的提升，發(fā)動機對汽車平順性的研究也逐漸加強。 2.3 汽車平順性評價方法 影響汽車的平順性能的因素是存在多 方面的。因此，對汽車的平順性的評價方法也是相當復(fù)雜的。正確的評價方法必須從物理、心理和生理各方面進行評價。當前國際上一般都采用的有兩種評價方法。一是吸收功率法，二是上面提到的 ISO 2631 國際標準，本論文結(jié)合實際將采用第二種方法評價汽車主動懸架的平順性。 ISO 2631-1997（ E）標準規(guī)定，當振動波形曲線峰值系數(shù) 9 時，用基本的評價方法一加權(quán)加速度均方根值來評價振動對人體舒適和健康的影響。 總的加速度 加權(quán)均方根評價方法是在某一方向上所有加速度均方根值分量的平方和根值作為評價指標，總的加權(quán)值為 : 2102 )(1 dttaTa t ww 其中： )(taw為加權(quán)加速度時間歷程，wa為加權(quán)加速度均方根值， T 為振動分析時間。 有的 s“人體振動側(cè)量儀”也采用加權(quán)振級wLa對車輛舒適性的進行評價，它與加權(quán)加速度均方根值可由下式換算 : )lg(200aaLa ww 其中 : 0a為參考加速度均方根值， msa 260 10 。 加權(quán)加速度均方根值wa和加權(quán)振級wLa與人的主觀感覺之間的 關(guān)系如表 3-1。 表 3-1 wa和wLa與人的主觀感覺之間的關(guān)系 wa wLa 人的主觀感覺 2.5 126 極不舒服 2.4 汽車懸架系統(tǒng)的評價指標 汽車懸架的兩個重要功能是保證良好的乘坐舒適性和穩(wěn)定的懸架動撓度，在對懸