汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)可控懸架系統(tǒng)課件

主講：胡愛(ài)軍汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)1主講：胡愛(ài)軍汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)1第十二章可控懸架系統(tǒng)12.2車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)12.3全主動(dòng)懸架系統(tǒng)12.4連續(xù)可變阻尼的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)12.5各類懸架系統(tǒng)的性能比較12.1概述2第十二章可控懸架系統(tǒng)12.2車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)12.3全主12.1概述懸架系統(tǒng)的作用是承受和傳遞車輪與車架之間所受的各種力和力矩，以及吸收和減緩汽車運(yùn)行過(guò)程中所受的沖擊和振動(dòng)，提高車輛的平順性和穩(wěn)定性。行駛車輛的平順性和穩(wěn)定性是衡量懸架性能好壞的主要指標(biāo)，但是二者對(duì)懸架的剛度和阻尼的要求是互相排斥的。傳統(tǒng)懸架的剛度和阻尼只能是根據(jù)一定的載荷、某種路面

情況和車速，兼顧各方面的要求，優(yōu)化選定一種剛度和阻尼，

這種剛度和阻尼一定的懸架稱之為被動(dòng)懸架。由于汽車在行駛過(guò)程中，載質(zhì)量、路面情況及車速是變化

不定的，因此剛度和阻尼一定的被動(dòng)懸架不可能在改善汽車行

駛平順性和操縱穩(wěn)定性方面再有大的作為，已不能適應(yīng)現(xiàn)代

汽車對(duì)乘座舒適性和操縱穩(wěn)定的更高要求。312.1概述懸架系統(tǒng)的作用是承受和傳遞車輪與車架之間1．電子控制懸架的作用

12.1概述

電子控制懸架系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。電子控制懸架系統(tǒng)能自動(dòng)控制車輛懸架的剛度、阻尼系數(shù)及車身高度根據(jù)汽車載質(zhì)量、車速和路面情況的變化而改變懸架特性，因而可最大限度地提高汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，適應(yīng)了現(xiàn)代汽車對(duì)乘座舒適性、行車安全性更高的要求。2．電子控制懸架的類型

電子控制懸架的優(yōu)點(diǎn)是能隨汽車載質(zhì)量和工況變化而自動(dòng)改變懸架剛度和阻尼，以提高汽車的平順性和穩(wěn)定性。電子控制懸架則屬于主動(dòng)懸架，但根據(jù)是有源控制還是無(wú)源控制可分為半主動(dòng)懸架和全主動(dòng)懸架兩類。41．電子控制懸架的作用12.1概述電子控制3．半主動(dòng)懸架12.1概述

半主動(dòng)懸架就是指可以根據(jù)汽車運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)及工況變化情況，對(duì)懸架阻尼參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整的懸架系統(tǒng)。為了減少執(zhí)行元件所需的功率，一般都采用調(diào)節(jié)減振器的阻尼，使阻尼系數(shù)在幾毫秒內(nèi)由最小變至最大，使汽車振動(dòng)頻率被控制在理想的范圍內(nèi)。半主動(dòng)懸架為無(wú)源控制，在汽車轉(zhuǎn)向、起步及制動(dòng)等工況時(shí)，不能對(duì)懸架的剛度和阻尼進(jìn)行有效的控制。4．全主動(dòng)懸架

全主動(dòng)懸架簡(jiǎn)稱主動(dòng)懸架，是一種有源控制懸架，所以它包括有提供能量的設(shè)備和可控制作用力的附加裝置。它可根據(jù)汽車載質(zhì)量、路面狀況(振動(dòng)情況)，行駛速度、起動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等工況變化時(shí)，自動(dòng)調(diào)整懸架的剛度和阻尼以及車身高度，從而能同時(shí)滿足汽車行駛平順性和穩(wěn)定性等各方面的要求。

根據(jù)懸架介質(zhì)的不同，又可分為油氣式主動(dòng)懸架和空氣式主動(dòng)懸架兩種。53．半主動(dòng)懸架12.1概述半主動(dòng)懸架就是指可以根據(jù)汽12.2車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)□目前典型的車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)有可調(diào)空氣懸架系統(tǒng)和可調(diào)油氣懸架系統(tǒng)□可調(diào)高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是不論靜載荷如何變化，懸架工作空間可保持恒定或根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)?！踯嚿砀叨日{(diào)節(jié)系統(tǒng)可采用較小的彈簧剛度，改善了車輛的乘坐舒適性。612.2車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)□目前典型的車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)有可調(diào)空全主動(dòng)懸架采用一個(gè)作動(dòng)器，來(lái)取代傳統(tǒng)被動(dòng)懸架中的彈簧和減振器，作動(dòng)器根據(jù)控制信號(hào)來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)大小的作用力。12.3全主動(dòng)懸架系統(tǒng)7全主動(dòng)懸架采用一個(gè)作動(dòng)器，來(lái)取代傳統(tǒng)被動(dòng)懸架中的彈簧和減振器1.運(yùn)動(dòng)方程12.3全主動(dòng)懸架系統(tǒng)2.性能優(yōu)化定義一個(gè)新的狀態(tài)變量運(yùn)動(dòng)方程變?yōu)椋?1.運(yùn)動(dòng)方程12.3全主動(dòng)懸架系統(tǒng)2.性能優(yōu)化定義一個(gè)新的狀最優(yōu)控制：12.3全主動(dòng)懸架系統(tǒng)假定路面位移輸入變量是一個(gè)積分白噪聲，即：系統(tǒng)模型可寫成狀態(tài)方程行式：優(yōu)化目標(biāo)是使車身垂直加速度和輪胎動(dòng)載荷達(dá)到最小，同時(shí)保證懸架動(dòng)行程在允許范圍內(nèi)。優(yōu)化指標(biāo)函數(shù)J可定義為各項(xiàng)性能指標(biāo)的加權(quán)平方和的積分。求出使優(yōu)化指標(biāo)J最小的控制力。1)全狀態(tài)反饋控制2)有限狀態(tài)反饋控制9最優(yōu)控制：12.3全主動(dòng)懸架系統(tǒng)假定路面位移輸入變量是一個(gè)積連續(xù)可調(diào)阻尼的半主動(dòng)懸架，其減振器產(chǎn)生的阻尼力能獨(dú)立地跟蹤力需求信號(hào)，與減振器本身的相對(duì)速度無(wú)關(guān)。12.4連續(xù)可調(diào)阻尼的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)10連續(xù)可調(diào)阻尼的半主動(dòng)懸架，其減振器產(chǎn)生的阻尼力能獨(dú)立地跟蹤力根據(jù)1/4模型，半主動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：12.4連續(xù)可調(diào)阻尼的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)表示可控的阻尼力。如果懸架相對(duì)位移、車輪速度、車身速度可測(cè)，則作為有限狀態(tài)反饋?zhàn)兞?，阻尼控制力?yīng)為：附加控制律：11根據(jù)1/4模型，半主動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：12.4連續(xù)可調(diào)阻12.5各類懸架系統(tǒng)的性能比較性能比較1212.5各類懸架系統(tǒng)的性能比較性能比較12MATLAB/SIMULINK簡(jiǎn)介

垂向動(dòng)力學(xué)實(shí)例13MATLAB/SIMULINK簡(jiǎn)介

垂向動(dòng)力學(xué)實(shí)例13MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是什么？MATLAB是由美國(guó)MathWorks公司開(kāi)發(fā)的一種進(jìn)行科學(xué)和工程計(jì)算的交互式軟件包。它起源于20世紀(jì)70年代的“矩陣實(shí)驗(yàn)室”（MatrixLaboratory）。隨著軟件版本的不斷更新，其功能已涵蓋到了諸如一般數(shù)值運(yùn)算、數(shù)字信號(hào)處理、系統(tǒng)識(shí)別、自動(dòng)控制、優(yōu)化設(shè)計(jì)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、化學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)等各個(gè)學(xué)科和工程應(yīng)用領(lǐng)域。MATLAB的功能主要是由各種工具箱(Toolbox)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其核心工具箱可分為兩類：即功能性工具箱和學(xué)科性工具箱。14MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是什么？MATLAB是由美國(guó)MATLAB簡(jiǎn)介功能性工具箱可應(yīng)用于多學(xué)科，主要可用來(lái)擴(kuò)充其符號(hào)計(jì)算功能，如符號(hào)計(jì)算工具箱（SymbolicMathToolbox）、圖形建模仿真功能、文字處理功能，甚至還發(fā)展到可以實(shí)現(xiàn)硬件實(shí)時(shí)交互功能，如Realtimeworkshop工具箱。而學(xué)科性工具箱專業(yè)性較強(qiáng)，如控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）、優(yōu)化工具箱（OptimizationToolbox）、信號(hào)處理工具箱（SignalProcessingToolbox）、系統(tǒng)識(shí)別工具箱（SystemIdentificationToolbox）等，這些工具箱都是由該領(lǐng)域的專業(yè)人員編寫的，針對(duì)自己的研究問(wèn)題，用戶可方便地選擇使用。15MATLAB簡(jiǎn)介功能性工具箱可應(yīng)用于多學(xué)科，主要可用來(lái)擴(kuò)充MATLAB簡(jiǎn)介通過(guò)MATLAB提供的交互式編程語(yǔ)言－M語(yǔ)言，用戶還可以編寫腳本或函數(shù)文件實(shí)現(xiàn)用戶自己的算法。與C和Basic等語(yǔ)言相比較，M語(yǔ)言的特點(diǎn)是簡(jiǎn)潔直觀、更符合人們思維習(xí)慣。16MATLAB簡(jiǎn)介通過(guò)MATLAB提供的交互式編程語(yǔ)言－M語(yǔ)SIMULINK簡(jiǎn)介Simulink是基于MATLAB的圖形設(shè)計(jì)環(huán)境，主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)工程問(wèn)題的模型化和動(dòng)態(tài)仿真，它的建模范圍廣泛，可以針對(duì)任何能夠用數(shù)學(xué)來(lái)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模。憑借MATLAB在科學(xué)計(jì)算和作圖方面的優(yōu)勢(shì)，Simulink的應(yīng)用范圍覆蓋了動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)控制、通信設(shè)計(jì)、金融財(cái)會(huì)及生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工具的不足。在Simulink中，只要有了正確的動(dòng)力學(xué)模型，即可在圖形界面中采用鼠標(biāo)拖放的方法建立起直觀的仿真模型進(jìn)行仿真分析。17SIMULINK簡(jiǎn)介Simulink是基于MATLAB的圖練習(xí)主動(dòng)懸架LQR最優(yōu)控制設(shè)計(jì)

18練習(xí)主動(dòng)懸架LQR最優(yōu)控制設(shè)計(jì)18所需步驟1.模型建立寫出垂向運(yùn)動(dòng)微分方程路面輸入模型2.線性隨機(jī)最優(yōu)控制理論的應(yīng)用確立性能加權(quán)函數(shù)采用LQR算法來(lái)得到最優(yōu)控制邏輯，即狀態(tài)反饋K=?3.進(jìn)行仿真Simulink模型LQR19所需步驟1.模型建立191.?車輛懸架建模（被動(dòng)部分）對(duì)于如圖所示的一個(gè)1/4車輛模型，首先建立運(yùn)動(dòng)微分方程：狀態(tài)空間（State-Space）形式201.?車輛懸架建模（被動(dòng)部分）對(duì)于如圖所示的一個(gè)1/4車輛模路面輸入模型為：上式表明，路面位移可以表示為一隨機(jī)濾波白噪聲信號(hào)。這種表示方式來(lái)源于試驗(yàn)所測(cè)得的路面不平度功率譜密度（PSD）曲線的形狀。其中，為下截止頻率，;為路面不平度系數(shù)，;為前進(jìn)車速，;為均值為零的隨機(jī)輸入單位白噪聲。1.?車輛懸架建模（被動(dòng)部分）21路面輸入模型為：上式表明，路面位移可以表示為一隨機(jī)濾波白噪聲我們?nèi)暨x取狀態(tài)變量為：則可將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程及路面激勵(lì)寫成狀態(tài)空間矩陣形式，即：其中，A為狀態(tài)矩陣，F(xiàn)為輸入矩陣，其值如下：1.?車輛懸架建模（被動(dòng)部分）22我們?nèi)暨x取狀態(tài)變量為：則可將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程及路面激勵(lì)寫成狀態(tài)空為高斯白噪聲輸入矩陣。若我們將車身加速度、輪胎動(dòng)變形、懸架動(dòng)行程作為性能指標(biāo)，即：ConcernedPerformanceItemsare:1.?車輛懸架建模（被動(dòng)部分）23為高斯白噪聲輸入矩陣。若我們將車身加速度、輪胎動(dòng)變形、懸架動(dòng)則我們可以將性能指標(biāo)項(xiàng)寫為狀態(tài)變量以及輸入信號(hào)的線性組合形式，即：為輸出矩陣：1.?車輛懸架建模（被動(dòng)部分）24則我們可以將性能指標(biāo)項(xiàng)寫為狀態(tài)變量以及輸入信號(hào)的線性組合形式根據(jù)前面所列出的描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的狀態(tài)矩陣形式，可在SIMULINK環(huán)境下建立相應(yīng)的仿真模型。建模中，路面隨機(jī)白噪聲可以用“隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器（RandomNumber)”或者“有限帶寬白噪聲（Band-LimitedWhiteNoise)”來(lái)生成；狀態(tài)矩陣輸入到“State-Space”模塊中去。建立好的模型如下圖所示：1.?車輛懸架建模（被動(dòng)部分）25根據(jù)前面所列出的描述系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的狀態(tài)矩陣形式在噪聲產(chǎn)生模塊中，隨機(jī)信號(hào)的方差為單位值。1.?車輛懸架建模（被動(dòng)部分）26在噪聲產(chǎn)生模塊中，隨機(jī)信號(hào)的方差為單位值。1.?車輛懸架建1.?車輛懸架建模（主動(dòng)部分）運(yùn)動(dòng)微分方程這時(shí)變?yōu)椋籂顟B(tài)方程此時(shí)變?yōu)椋狠敵龇匠蹋?71.?車輛懸架建模（主動(dòng)部分）運(yùn)動(dòng)微分方程這時(shí)變?yōu)椋籂顟B(tài)方2.線性隨機(jī)最優(yōu)控制理論的應(yīng)用控制流程:282.線性隨機(jī)最優(yōu)控制理論的應(yīng)用控制流程:28我們采用以下這么一個(gè)加權(quán)函數(shù)來(lái)衡量所關(guān)心的性能指標(biāo):為了據(jù)此求解狀態(tài)反饋增益,必須用狀態(tài)變量以及輸入變量來(lái)表達(dá)上式:Q:對(duì)應(yīng)于狀態(tài)變量的權(quán)重矩陣.R:約束輸入信號(hào)大小的權(quán)重矩陣.N:耦合項(xiàng)2.線性隨機(jī)最優(yōu)控制理論的應(yīng)用

(性能指標(biāo)的確定)輪胎動(dòng)變形懸架動(dòng)行程車身加速度29我們采用以下這么一個(gè)加權(quán)函數(shù)來(lái)衡量所關(guān)心的性能指標(biāo):為了據(jù)此2.線性隨機(jī)最優(yōu)控制理論的應(yīng)用

(性能指標(biāo)的確定)Q,R,N如何決定?對(duì)于以表達(dá)的性能函數(shù),可以整理為:302.線性隨機(jī)最優(yōu)控制理論的應(yīng)用

(性能指標(biāo)的確定)Q,R,由于所以2.線性隨機(jī)最優(yōu)控制理論的應(yīng)用

(性能指標(biāo)的確定)31由于所以2.線性隨機(jī)最優(yōu)控制理論的應(yīng)用

(性能指標(biāo)的確定)3控制器設(shè)計(jì)i.e.,K=?

[KSE]=lqr(A,B,Q,R,N)利用Matlab函數(shù)LQR來(lái)計(jì)算狀態(tài)反饋,i.e.,在這里, K:最優(yōu)狀態(tài)反饋矩陣

S:Riccati方程解 E:系統(tǒng)特征值因此,我們得到了主動(dòng)控制力為