系統(tǒng)仿真作業(yè)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上系統(tǒng)仿真 論文題目：汽車(chē)懸架系統(tǒng)控制學(xué)生姓名 授課老師 學(xué) 號(hào) 學(xué)科專(zhuān)業(yè) 提交日期 2013年1月摘要：在分析汽車(chē)懸架工作機(jī)理的基礎(chǔ)上,論述了汽車(chē)阻尼可變懸架系統(tǒng)的組成，建立了懸架動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)汽車(chē)懸架系統(tǒng)的不確定性、時(shí)變性、非線(xiàn)性和復(fù)雜性進(jìn)行分析,基于MATLAB軟件對(duì)控制系統(tǒng)仿真,對(duì)路面隨機(jī)激勵(lì)信號(hào)和確定性擾動(dòng)進(jìn)行了系統(tǒng)仿真,并對(duì)系統(tǒng)延時(shí)和內(nèi)部參數(shù)變動(dòng)問(wèn)題進(jìn)行了仿真研究,研究結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制器有效、穩(wěn)定且可靠。關(guān)鍵詞：汽車(chē) 懸架系統(tǒng) MATLAB仿真目 錄1.引言隨著生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)汽車(chē)乘坐的舒適性和安全性有了更高的要求,懸架作為汽車(chē)的重要組成之一，其

2、性能是影響汽車(chē)行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重要因素，對(duì)車(chē)輛的平穩(wěn)性和安全性等多種使用性能都有很大的影響，因此設(shè)計(jì)良好質(zhì)量的懸架對(duì)提高車(chē)輛的品質(zhì)非常重要。車(chē)輛行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性二者是相互矛盾的, 傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架系統(tǒng)無(wú)法對(duì)二者兼顧, 取得最好的效果。隨著電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展, 汽車(chē)懸架系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動(dòng)隔振發(fā)展到振動(dòng)主動(dòng)控制。特別是信息科學(xué)中對(duì)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的研究, 不僅在理論上取得令人矚目的成績(jī), 同時(shí)已開(kāi)始應(yīng)用于汽車(chē)懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制, 使懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)得以快速發(fā)展。常用的汽車(chē)懸架有被動(dòng)懸架半主動(dòng)懸架和全主動(dòng)懸架被動(dòng)懸架結(jié)

3、構(gòu)簡(jiǎn)單、容易設(shè)計(jì)和制造無(wú)需額外的能量輸人，但被動(dòng)懸架存在明顯的共振峰難以協(xié)調(diào)舒適性和安全性之間的矛盾缺乏靈活性，全主動(dòng)懸架需要具有一定輸出功率的力發(fā)生器作為作動(dòng)元件，對(duì)懸架施加作用力，以構(gòu)成一個(gè)具有反饋控制的懸架，雖然全主動(dòng)懸架具有適用性強(qiáng)能明顯改善平順性、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),但因?yàn)槠溆布蛙浖y以實(shí)現(xiàn)而限制了它的使用，半主動(dòng)懸架是被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架的折中,彈簧剛度和阻尼可變的懸架參數(shù)可根據(jù)外界環(huán)境的變化而作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,它只需很少的能量輸入,但在低頻段可接近全主動(dòng)懸架的性能，因此，特別適合對(duì)懸架的低頻振動(dòng)進(jìn)行控制。2.系統(tǒng)介紹2.1 汽車(chē)懸架概述汽車(chē)懸架一般是由三部分組成: 彈性元件、減振器、導(dǎo)向機(jī)

4、構(gòu)。其中彈性元件起緩沖作用, 減振器具有消振功能, 導(dǎo)向機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)導(dǎo)向, 它們一起負(fù)責(zé)力的傳導(dǎo)。汽車(chē)懸架的功能概括的說(shuō)有以下四個(gè)方面: 對(duì)車(chē)身的支撐作用; 吸收來(lái)自地面的沖擊, 保護(hù)車(chē)架和車(chē)身; 減少汽車(chē)的跳動(dòng); 使轉(zhuǎn)向穩(wěn)定, 乘坐舒適。為了滿(mǎn)足對(duì)懸架系統(tǒng)提出的各種要求, 在近二十多年來(lái)其發(fā)展異常迅速。懸架的結(jié)構(gòu)形式有很多, 分類(lèi)方法也不盡相同。按控制力進(jìn)行分類(lèi)則可分為被動(dòng)懸架、半被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架、和主動(dòng)懸架四種基本類(lèi)型。2.2 汽車(chē)懸架系統(tǒng)的控制方法目前, 汽車(chē)懸架已進(jìn)入到利用微處理器進(jìn)行控制的時(shí)代, 運(yùn)用較優(yōu)的控制方法, 得到高性能的減振效果, 且使能耗盡可能地低是汽車(chē)懸架發(fā)展的主要方向

5、。汽車(chē)懸架振動(dòng)控制系統(tǒng)大多由傳感器拾取車(chē)身絕對(duì)速度、車(chē)身對(duì)車(chē)輪的相對(duì)速度、車(chē)身的加速度等信號(hào), 經(jīng)計(jì)算機(jī)處理并發(fā)出指令進(jìn)行控制。由電液控制閥或步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)或控制力。由于懸架系統(tǒng)是很復(fù)雜的非線(xiàn)性動(dòng)力系統(tǒng), 因此基于模型的線(xiàn)性反饋控制是不適用的。利用現(xiàn)代控制理論, 從不同的角度予以研究是切實(shí)可行的。理論研究主要是從控制機(jī)理方面提示各種控制規(guī)律對(duì)懸架系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響, 如車(chē)體的平順性、懸架動(dòng)撓度、車(chē)輪動(dòng)載及系統(tǒng)的能量需求等。近年來(lái), 還針對(duì)實(shí)際懸架系統(tǒng)的非線(xiàn)性、系統(tǒng)建模的不精確性以及參數(shù)的時(shí)變性等問(wèn)題, 提出了非線(xiàn)性控制、自適應(yīng)控制方法; 對(duì)系統(tǒng)的魯棒性、主動(dòng)作器的方案設(shè)

6、計(jì)和動(dòng)態(tài)特性等也作了一些分析研究。3.系統(tǒng)建模3.1數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)化與分析主動(dòng)懸架是通過(guò)一個(gè)動(dòng)力裝置，根據(jù)路況在線(xiàn)的改變懸架特性，即使在路面質(zhì)量較差的情況下，也能保持車(chē)身震動(dòng)小，平穩(wěn)，舒適性好。為達(dá)到此目的，主動(dòng)懸架的控制問(wèn)題十分重要。為了研究方便起見(jiàn)，取汽車(chē)的一個(gè)車(chē)輪的懸架系統(tǒng)進(jìn)行分析，這樣主動(dòng)懸架物理模型可簡(jiǎn)化為一維二自由度的彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)，如圖所示。假設(shè)系統(tǒng)主要參數(shù)如下：車(chē)身質(zhì)量：m1=2500kg; 簧下質(zhì)量：m2=320kg懸架彈簧剛度：ks=10000N/m懸架阻尼系數(shù)：b=N.s/m圖3-1-1 主動(dòng)懸架物理模型輪胎剛度：Kt=10Ks圖中 u為懸架動(dòng)力裝置施加力，W,X1，X

7、2分別為路面位移、車(chē)身位移和懸架位移。一個(gè)好的懸架就是在任何路面工況行駛時(shí)，汽車(chē)車(chē)身振動(dòng)小且振蕩很快衰減消失。車(chē)身振動(dòng)狀態(tài)可以用（X1-W）來(lái)度量，但這難以檢測(cè)。考慮到輪胎變形較小的特點(diǎn)，用（X1-X2）來(lái)度量車(chē)身的振動(dòng)情況，并視為系統(tǒng)的輸出。路面狀況以W為尺度，并且視為系統(tǒng)的一個(gè)干擾輸入。當(dāng)汽車(chē)從一個(gè)平面落入一個(gè)坑時(shí)，W可用一個(gè)階躍信號(hào)來(lái)模擬。u為一個(gè)主動(dòng)懸架的作用力，它是系統(tǒng)的控制量。要求設(shè)計(jì)一個(gè)控制器調(diào)整控制作用力，使車(chē)身輸出在路面W=10cm階躍下，系統(tǒng)輸出（X1-X2）的超調(diào)量不大于5mm，允許穩(wěn)態(tài)誤差正負(fù)2mm，調(diào)整時(shí)間不大于5s。3.2 控制系統(tǒng)建模對(duì)車(chē)身和懸架進(jìn)行力分析，由牛頓

8、第二定律可得車(chē)身懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：m1X1=Ks(X2-X1)+b(X2-X1)m2X2=Ks(X1-X2)+b(X1-X2)-u+Kt(W-X2)設(shè)系統(tǒng)狀態(tài)變量為X=X1,X1,X2，X2則上面系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程可改寫(xiě)為狀態(tài)空間表達(dá)式X=AX+BUY=CX式中，X=X1,X1,X2,X2T, U=u WTa=0 1 0 0;-ks/m1 -b/m1 ks/m1 b/m1;0 0 0 1;ks/m2 b/m2 -(ks+kt)/m2 -b/m2;b=0 0;1/m1 0;0 0; -1/m2 kt/m2;c=1 0 -1 0;系統(tǒng)輸入為u（控制力），w（路面）；系統(tǒng)輸出為Y=X1-X2。該系

9、統(tǒng)為4階。汽車(chē)懸架開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖3-2-1所示。 圖3-2-1 汽車(chē)懸架開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖用MATLAB編寫(xiě)系統(tǒng)建模的程序和運(yùn)行結(jié)果如下：m1=2500;m2=320;ks=10000;b=;kt=10*ks;a=0 1 0 0;-ks/m1 -b/m1 ks/m1 b/m1;0 0 0 1;ks/m2 b/m2 -(ks+kt)/m2 -b/m2;b=0 0;1/m1 0;0 0; -1/m2 kt/m2;c=1 0 -1 0;d=0 0;sys=ss(a,b,c,d);set(sys,'inputname','u''w','ou

10、tputname','y=x1-x3');sys=tf(sys)sysuy=sys(1,1);syswy=sys(1,2);num1,dem1=tfdata(sysuy,'v');num2,dem2=tfdata(syswy,'v');sysf=tf(num2,num1);save busmod sysuy syswy sysfTransfer function from input "u" to output "y=x1-x3": 0. s2 - 1.722e-017 s + 0.125-s4 +

11、 493.5 s3 + 347.8 s2 + 1.75e004 s + 1250 Transfer function from input "w" to output "y=x1-x3": -312.5 s2 - 9.25e-012 s - 1.397e-010-s4 + 493.5 s3 + 347.8 s2 + 1.75e004 s + 1250模型sysuy syswy sysf均存入busmod.mat文件，供設(shè)計(jì)時(shí)調(diào)用。4PID控制器設(shè)計(jì)對(duì)上述開(kāi)環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行仿真可知，路面W會(huì)一起系統(tǒng)劇烈振蕩，為了達(dá)到前面所提出的系統(tǒng)性能要求，在系統(tǒng)中加入PID控

12、制器并構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。圖4-1 汽車(chē)懸架閉環(huán)控制系統(tǒng)當(dāng)采用PID控制器時(shí)，由圖可知，若以W為輸入，y為輸出，系統(tǒng)傳遞函數(shù)用MATLAB建立上面系統(tǒng)模型并改變Kp，Ki，Kd參數(shù)，考察系統(tǒng)階躍相應(yīng)。程序請(qǐng)單及運(yùn)行結(jié)果如下：load busmodfigure(1)rlocus(syswy)axis(-2,6,-8,8);sgridK,POLES=rlocfind(syswy)Newsys=sysf*feedback(K*sysuy,1);figure(2)step(Newsys)Select a point in the graphics windowselected

13、_point = 0.5308 - 4.5963iK = 5.7024POLES =1.0e+002 * -4.9646 0.0152 + 0.0576i0.0152 - 0.0576i -0.0007 圖4-2 PID控制系統(tǒng)階躍響應(yīng) 如圖可見(jiàn)，懸架振動(dòng)最大幅值在6%以下滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。5.根軌跡設(shè)計(jì)仍討論以W為輸入，y=X1-X2為輸出的控制系統(tǒng)。根軌跡設(shè)計(jì)就是利用系統(tǒng)根軌跡圖，尋找合適的開(kāi)環(huán)增益K或者補(bǔ)償設(shè)置Gc(s)，使閉環(huán)系統(tǒng)極點(diǎn)在期望位置上，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。首先考察系統(tǒng)的根軌跡圖。如圖 5-1，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為Gp(s)，用MATLAB函數(shù)RLOCUS作出根軌跡圖

14、，用函數(shù)RLOCFIND選定期望閉環(huán)極點(diǎn)確定開(kāi)環(huán)增益K，用函數(shù)STEP繪制新閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應(yīng)。用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)過(guò)程，程序清單和運(yùn)行結(jié)果如下：load busmodfigure(1)rlocus(syswy)axis(-2,6,-8,8);sgridK,POLES=rlocfind(syswy)Newsys=sysf*feedback(K*sysuy,1);figure(2)step(Newsys)Select a point in the graphics windowselected_point = 0.5308 - 4.5963iK = 5.7024POLES =1.0e+0

15、02 * -4.9646 0.0152 + 0.0576i0.0152 - 0.0576i -0.0007 圖5-1 汽車(chē)懸架系統(tǒng)根軌跡圖6.頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)（Bode圖法）頻率響應(yīng)設(shè)計(jì)法用來(lái)設(shè)計(jì)相位滯后、超前或滯后以超前校正裝置，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。它根據(jù)給定的性能指標(biāo)，如穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定裕度、交界頻率等，設(shè)計(jì)性能補(bǔ)償校正裝置的參數(shù)。汽車(chē)懸架系統(tǒng)給定的穩(wěn)態(tài)誤差為0.02，相當(dāng)于系統(tǒng)無(wú)偏系數(shù)要求為50.首先考察汽車(chē)系統(tǒng)Bode圖（以W為輸入，y=X1-X2為輸出）。該Bode圖在w=6rad/s處出現(xiàn)很大的相位下落。為了使補(bǔ)償后系統(tǒng)在該處離-180度相位有一定相位角，保證系統(tǒng)足夠的相位裕度，以wm=6

16、rad/s為中心頻率設(shè)置相位超前校正環(huán)節(jié)。一個(gè)相位超前校正裝置最大超前相位角為90度，故至少引入兩個(gè)相位超前校正環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)需產(chǎn)生正的相位角85度。根據(jù)上面分析，引入的相位超前校正裝置傳遞函數(shù)為式中，用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)過(guò)程，程序清單和運(yùn)行結(jié)果如下：load busmodfigure(1)bode(sysuy)pausealpha=0.0019;T=3.82;sysc=tf(T*T,2*T,1,(alpha*T)2,2*alpha*T,1);Newsys=sysf*feedback(sysuy,sysc);t=0:0.01:20;u=0.1*ones(size(t);y,t=lsi

17、m(Newsys,u,t);plot(t,y)axis(0,20,-0.01,0.01);gridtitle('Step Responce for a controller based on frequency design')圖6-1 汽車(chē)懸架階躍響應(yīng)（頻率設(shè)計(jì)）由圖可知具有兩個(gè)相位超前校正裝置的汽車(chē)懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能基本滿(mǎn)足要求。7.狀態(tài)反饋控制汽車(chē)懸架系統(tǒng)完全狀態(tài)反饋控制如圖6-1所示。圖6-1 汽車(chē)懸架狀態(tài)反饋控制原理圖汽車(chē)懸架狀態(tài)空間形式已在前面給出，這是一個(gè)雙輸入狀態(tài)方程，系統(tǒng)狀態(tài)反饋-KX和r疊加，系統(tǒng)閉環(huán)狀態(tài)空間表達(dá)式為因此系統(tǒng)閉環(huán)特征值由決定。由于A為4

18、15;4矩陣，狀態(tài)反饋增益K為1×4向量。為了求得K值，需配置4個(gè)期望極點(diǎn)P。在配置4個(gè)期望極點(diǎn)P后，利用MATLAB函授PLACE求出K值。最后根據(jù)圖4.44構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)檢查以W為輸入，y=X1-X2為輸出的系統(tǒng)階躍響應(yīng)。考慮到系統(tǒng)超調(diào)量不大于5%的設(shè)計(jì)要求，阻尼比為0.707，選擇兩個(gè)極點(diǎn)-5 5i，并當(dāng)作閉環(huán)的主導(dǎo)極點(diǎn)。另兩個(gè)極點(diǎn)取在負(fù)實(shí)軸上且遠(yuǎn)離主導(dǎo)極點(diǎn)，因此選擇另兩個(gè)極點(diǎn)分別為-25，-100。用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)過(guò)程，程序清單和運(yùn)行結(jié)果如下：m1=2500;m2=320;ks=10000;b=;kt=10*ks;a=0 1 0 0;-ks/m1 -b/m1 ks/m1 b/m1;0 0 0 1;ks/m2 b/m2 -(ks+kt)/m2 -b/m2;b=0 0;1/m1 0;0 0; -1/m2 kt/m2;c=1 0 -1 0;d=0 0;sys=ss(a,b,c,d);a2=a;b2=b(:,2)c2=c;d2=d(2);sys2=ss(a2,b2,c2,d2);sys2=tf(sys2);P=-5+5i,-5-5i,-25,-100;K=acker(a,b*1,