【正文】 情況下也保留1個與作動器并聯(lián)的傳統(tǒng)彈簧，用來支持車身的靜載質(zhì)量。半主動懸架的研究工作始于1973年，由 和 首先提出[3]。半主動懸架由可變剛度的懸架彈簧和可變阻尼系數(shù)的減振器組成。其基本工作原理是根據(jù)簧上質(zhì)量相對車輪的速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剛度或可調(diào)減振器的阻尼力。半主動懸架在產(chǎn)生力的方面近似于被動懸架，但是半主動懸架的阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)是可變的。通常以改變減振器的阻尼力為主，將阻尼分為兩級和三級，由人工選擇或根據(jù)傳感器信號自動確定阻尼級。1984 年日產(chǎn)公司研制出一種聲納式半主動懸架，它能通過聲納裝置預(yù)測前方路面信息，及時調(diào)整懸架減振器的三種狀態(tài)[4]。另外， 等人又提出了阻尼連續(xù)可調(diào)的半主動懸架系統(tǒng)[5]。 課題研究背景汽車懸架性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重要因素。車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)的被動懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)一般按經(jīng)驗設(shè)計或優(yōu)化設(shè)計方法選擇， 一經(jīng)選定，在車輛行駛過程中就無法進(jìn)行調(diào)節(jié)，而不能適應(yīng)車輛參數(shù)、 運(yùn)行工況等的復(fù)雜多變。 在某個特定工況下按目標(biāo)優(yōu)化出的懸架系統(tǒng)，一旦載荷、車速和路況等發(fā)生變化，懸架在新的工況下便不再是最優(yōu)[6]。 隨著電子技術(shù)、 測控技術(shù)、 機(jī)械動力學(xué)的快速發(fā)展, 使汽車懸架系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動隔振發(fā)展到振動主動控制。特別是現(xiàn)代控制理論中對最優(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[7], 不僅在理論上取得令人矚目的成績, 同時已開始應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的振動控制, 使懸架系統(tǒng)振動控制技術(shù)得以快速發(fā)展。 主動懸架系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀世界各國的汽車行業(yè)目前都將全主動、半主動懸架列為重要的研究目標(biāo)之一。早在1982年，Lotus公司就研制出有源主動懸架系統(tǒng)[8]，瑞典Volvo公司在旗下車上安裝了其實驗性的Lotus主動懸架系統(tǒng)。豐田汽車公司1986年的Soarer車型采用了能分別對阻尼和剛度進(jìn)行三級調(diào)節(jié)的空氣懸架[9]。1989年豐田Celica車型上裝置了真正意義上的主動油氣懸架系統(tǒng)[10]。尼桑公司在90年InfiniteQ45轎車上也裝備了液壓主動懸架[11] 。此外，保時捷，福特，奔馳等公司均在其高級轎車上裝備有各自、 開發(fā)的主動懸架系統(tǒng)。2004年保時捷新車911就配備了全新的主動懸架系統(tǒng)[12]。 在軍用車輛方面，由于越野和高速行駛的需要，所以使用主動懸架的愿望更為迫切。所以主動懸架在軍用車輛上的研究以及應(yīng)用也是從很早就開始了，英國早在70年代就開始在“蝎”式輕型坦克上使用了實驗機(jī)械主動懸架系統(tǒng)。2005年底美國L3公司牽頭研發(fā)生產(chǎn)的電控主動式懸架系統(tǒng)（ECASS）開始在“悍馬”上進(jìn)行試驗。主動懸架控制理論實質(zhì)上是經(jīng)典控制理論、現(xiàn)代控制理論與汽車動力學(xué)理論相結(jié)合的產(chǎn)物。在過去的幾十年中．國內(nèi)外許多學(xué)者在主動懸架控制理論方面進(jìn)行了大量的研究。國外有影響的學(xué)者有KamoppThompson、 Crolla和Langlois等[37]。研究的控制理論內(nèi)容涉及天棚阻尼控制理論，隨機(jī)最優(yōu)控制理論，變結(jié)構(gòu)控制理論等。隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展與滲透，自適應(yīng)控制理論，模糊控制，H∞控制理論，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等也越來越顯示出它的優(yōu)越性。在國內(nèi)，丁科等人對主動懸架的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制進(jìn)行了研究[13]。 何渝生等將LQG最優(yōu)控制理論應(yīng)用于主動控制[14]。最優(yōu)控制理論是通過建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程，提出控制目標(biāo)和加權(quán)系數(shù)，再應(yīng)用控制理論求解所設(shè)目標(biāo)下的最優(yōu)控制規(guī)律。應(yīng)用于懸架控制的最優(yōu)控制方法主要有線性最優(yōu)控制、H∞最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)見控制等三種。線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想模型基礎(chǔ)上，采用受控對象的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標(biāo)，同時保證受控結(jié)構(gòu)動態(tài)穩(wěn)定性條件下實現(xiàn)最優(yōu)控制。常見的是把LQ控制理論和LQC控制理論應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)控制[15,16]。H∞控制是設(shè)計控制器在保證閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，使相對于噪聲干擾的輸出取極小的一種最優(yōu)控制法，利用該理論設(shè)計的控制器具有很強(qiáng)的魯棒性[17]，因此對于汽車懸架這樣一個復(fù)雜系統(tǒng)來說具有很大的優(yōu)勢，但是利用該方法設(shè)計控制器具有一定的保守性[18]。目前 ，上海交通大學(xué)的傅志方等人所設(shè)計的雙線性系統(tǒng)控制器就是采用了H∞方法，通過抗干擾設(shè)計和頻域整形讓汽車半主動懸架的控制器設(shè)計又有了新途徑。Palmeri P S等人[19] 用譜范數(shù)方法對全主動懸架進(jìn)行了研究，控制器已安裝于實車，并取得了有效的實驗數(shù)據(jù)，指出使用H∞控制器可以大大算段控制時間和降低能量消耗[20]。 預(yù)見控制是在考慮了車輪處路面激勵相關(guān)性基礎(chǔ)上的最優(yōu)控制。它利用超聲波傳感器將車輛前方路面譜特性信忠預(yù)先傳給懸架系統(tǒng)，使參數(shù)的調(diào)節(jié)與實際需要同步。一般預(yù)測的距離是一定的，因此預(yù)測提前時間取決于車速 ，這樣必然具有時交性。目前預(yù)見控制仍以線性時不變系統(tǒng)為對象，而車輛參數(shù)的時變性和非線性對系統(tǒng)性能的影響，還未見文獻(xiàn)加以研究[21]。 自適應(yīng)控制目前理論上比較成熟，應(yīng)用上比較廣泛的自適應(yīng)控制系統(tǒng)有兩種。一種是模型參考自適系統(tǒng)，另一種是自校正系統(tǒng)。前者由參考模型，實際對象，減法器，調(diào)節(jié)器和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成。后者主要由兩部分組成： 一個是參數(shù)估計器，另一個是控制器。參數(shù)估計器得到控制器的參數(shù)修正值，控制器計算控制動作[22]。 應(yīng)用于車輛懸架振動控制的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策略。自校正控制是一種將受控對象參數(shù)在線識別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法。模型參考自適應(yīng)控制的原理是當(dāng)外界激勵條件和車輛自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時，被控車輛的振動輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ?。吉林工業(yè)大學(xué)的喻凡等人對單輪模型進(jìn)行了自適應(yīng)和自校正控制的研究，其所提出的GS算法和自校正算法能夠可靠的輸入路面狀況，并能準(zhǔn)確的選擇控制參數(shù)[23,24]。 模糊控制 自90年代以來，模糊控制方法被應(yīng)用在車輛懸架系統(tǒng)中。江蘇理工大學(xué)的陳士安等人[25]通過建立汽車主動懸架的四自由度力學(xué)模型以及相應(yīng)的模糊控制系統(tǒng)，根據(jù)模型的輸出量，模糊控制系統(tǒng)能夠較合理地分配輸入主動懸架前后主動力裝置伺服閥的電流，可為主動懸架的數(shù)值模擬、實驗研究以及產(chǎn)品設(shè)計提供參考。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個由大量處理單元 ( 神經(jīng)元) 所組成的高度并行的非線性動力系統(tǒng)， 其特點是可學(xué)習(xí)性和巨量并行性． 故在車輛懸架振動控制中有廣泛的應(yīng)用前景。Shiotsukat等人是把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法用于非線性懸架動力系統(tǒng)的識別和實施最優(yōu)控制[26]。研究表明用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的非線性懸架系統(tǒng)，和用傳統(tǒng)的LQ調(diào)節(jié)器控制的懸架相比具有更好的性能。還可以應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論設(shè)計車輛主動懸架系統(tǒng)的動力補(bǔ)償型控制器。雖然主動懸架控制系統(tǒng)已在國外應(yīng)用于實車，但其市場普及依然存在很大困難，這主要有兩個方面的原因：一是成本太高；二是能量消耗過大。因此目前極限于裝載在排量較大的一些高檔車型上。為解決上述問題，應(yīng)進(jìn)行以下的研究：（1）對主動懸架、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動和防抱死等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合控制。（2）由于主動懸架需要消耗發(fā)動機(jī)的一部分功率，因此如何減少系統(tǒng)的功率消耗，也是一個值得研究的問題。本次題目主要對主動懸架的幾種控制策略進(jìn)行研究,通過建立主動懸架的動力學(xué)模型，研究主動懸架的最優(yōu)控制策略，利用MATLAB/SIMULINK軟件對所建立的模型進(jìn)行仿真實驗,并對比分析此種控制策略的控制效果。本文具體研究內(nèi)容如下：1）學(xué)習(xí)并運(yùn)用車輛動力學(xué)的相關(guān)知識，對汽車懸架系統(tǒng)的動態(tài)特性進(jìn)行分析，基于此建立四分之一車體兩自由度主動懸架系統(tǒng)的動力學(xué)模型以及整車七自由度動力學(xué)模型。同時考慮到路面擾動輸入對懸架控制的重要影響，可以通過建立數(shù)學(xué)模型，并將其在時域內(nèi)仿真。 2）主動懸架這種最先進(jìn)的懸架技術(shù)，其關(guān)鍵就是主動控制力發(fā)生器的控制實施，本次課題擬利用經(jīng)典控制理論的背景知識并結(jié)合現(xiàn)代控制理論在智能控制方面的理論成就，并設(shè)定汽車懸架系統(tǒng)是線性的簡單系統(tǒng)，繼而運(yùn)用最優(yōu)控制理論來設(shè)計汽車主動懸架控制系統(tǒng)。 3)利用軟件Mat1ab/Simulink構(gòu)建出懸架系統(tǒng)控制仿真模型。同時采用Matlab語言編制主動懸架仿真軟件。通過該仿真環(huán)境可方便的調(diào)試控制系統(tǒng)，實時察看系統(tǒng)控制特性，從而確定其控制參數(shù)。 4）通過對主動懸架和被動懸架的仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，從而檢驗主動懸架最優(yōu)控制的控制效果。本章對懸架的分類進(jìn)行了闡述，對比分析了被動懸架和主動懸架之間的性能。研究了國內(nèi)外懸架技術(shù)的發(fā)展過程和現(xiàn)狀以及今后的發(fā)展趨勢。對比分析了主動懸架常見的幾種控制理論，提出了本文的研究目的、意義和內(nèi)容。第2章 主動懸架控制系統(tǒng)的力學(xué)建模建立汽車懸架的力學(xué)模型是進(jìn)行性能分析和系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。懸架系統(tǒng)作為一個復(fù)雜的多自由度“質(zhì)量一剛度一阻尼”振動系統(tǒng)，對其動力學(xué)特性進(jìn)行精確的描述和分析是非常困難的。但是，長期以來的大量研究表明，根據(jù)研究內(nèi)容的出發(fā)點不同，分析的側(cè)重點和研究的目的不同，可采取不同的簡化方法建立不同的系統(tǒng)動力學(xué)模型，這樣既達(dá)到簡化研究對象，方便分析計算目的，又達(dá)到突出問題本質(zhì)，滿足分析計算正確、有效性的效果。常用的基本車輛模型包括一維四分之一車體模型、二維二分之一車體模型和三維整車模型。后兩種在需要考慮車身各運(yùn)動間的耦合作用時參考使用。通常，進(jìn)行懸架的概念設(shè)計和控制理論研究時，采用一維四分之一車體模型，它能較好的體現(xiàn)垂直振動的問題。研究前后懸架間的參數(shù)匹配關(guān)系和車身的垂直方向與縱向的運(yùn)動藕合時，采用二維二分之一車體模型，它則較好的體現(xiàn)垂直跳動和俯仰變化的問題。在需要從總體上較全面地把握汽車運(yùn)動響應(yīng)或控制的綜合質(zhì)量時，采用三維整車模型，它完整的體現(xiàn)了垂直跳動、俯仰變化以及側(cè)傾的問題。事實上，汽車響應(yīng)的完整描述還需要包括系統(tǒng)的非線性特性，如輪胎的非線性剛度和阻尼特性，彈簧的非線性、減振器的不對稱阻尼特性及車輪的跳空現(xiàn)象等，但這些因素的介入會大大增加了系統(tǒng)研究的復(fù)雜程度，使問題求解復(fù)雜化。所以，在研究用于隔振和減振的懸架模型時大都采用線性懸架模型。這種建模方式通常需要作下列假定:1)車身和座椅之間剛性連為一體，稱作懸置質(zhì)量。輪胎及車軸之間剛性連為一體，稱作非懸置質(zhì)量。2)懸架系統(tǒng)簡化為線性彈簧和阻尼系統(tǒng)。3)假定懸架行程足以大，工作時不會碰到限位裝置。4)車輛行駛時，在不平路面的激勵下，整車在平衡位置附近作微幅振動。5)輪胎通常簡化為線性彈簧(有的情況下也包括阻尼元件)，并始終隨動于地面。一般地，汽車懸架系統(tǒng)的振動可分為低頻振動和高頻振動，低頻振動主要是由路面不平度直接引起的車身垂直振動。此外，一些由外部