【文章內(nèi)容簡介】 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(shí)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(jì)器，另一個是控制器。參數(shù)估計(jì)器得到控制器的參數(shù)修正值，控制器計(jì)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)模型以及相北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 10頁 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(shí)驗(yàn)研究以及產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí)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(jì)車輛主動懸架系統(tǒng)的動力補(bǔ)償 型控制器。 主動懸架的發(fā)展趨勢 雖然主動懸架控制系統(tǒng)已在國外應(yīng)用于實(shí)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。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11頁 本課題的研究內(nèi)容 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(shí)驗(yàn) ,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(shí)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(jì)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(shí)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(yàn)主動懸架最優(yōu)控制 的 控制效果 。 小結(jié) 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)展趨北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12頁 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。 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13頁 第 2 章 主動懸架控制系統(tǒng)的力學(xué)建模 常用基本車體模型介紹 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(jì)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(diǎn)不同，分析的側(cè)重點(diǎn)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(jì)算目的，又達(dá)到突出問題本質(zhì)，滿足分析計(jì)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(jì)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(shí)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 : 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14頁 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，一些由外部原因引起的振動也可以歸類為低頻振動，如車輛加速和制動、風(fēng)致振動以及由車載設(shè)備等產(chǎn)生的變化力所引起的沖擊和振動。高頻振動通常由內(nèi)部原因引起，例如來自發(fā)動機(jī)的激勵等?？紤]到人體對振動的反應(yīng)，對于車輛行駛平順性的研究一般限于 3OHz 以下的低頻帶。所以在建立車輛系統(tǒng)的簡化振動模型時，一般 僅需考慮集中在低頻區(qū)的來自不平路面的激勵。 三種典型的且常見的懸架力學(xué)線性模型是 :二自由度的四分之一車體模型 。四自由度的二分之一車體側(cè)傾、俯仰模型 。七自由度整車模型 [27]。 在懸架模型的基礎(chǔ)上，一般采用路面的垂直速度作為路面輸入激勵，路面不平度主要采用路面功率譜密度描述其統(tǒng)計(jì)特性。 路面模型的建立 路面輸入大致可以劃分為沖擊作用和連續(xù)振動兩類。沖擊作用是指在較短時間內(nèi)的離散事件，并且有較高的強(qiáng)度，例如平坦道路上的凸起北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15頁 和凹坑。連續(xù)振動則是指道路長度方向的連續(xù)激勵，例如瀝青路面、搓板路面等。 對于連續(xù)型隨機(jī)路面，一般采用空間頻率功率譜密度函數(shù)以及相應(yīng)的時域表示形式加以描述 [28]。 路面不平度及其功率譜密度 路面不平度是一個復(fù)雜的隨機(jī)過程，通常把路面相對于基準(zhǔn)平面的高度 q，沿道路走向長度 L的變化 q(L)，稱為路面縱斷面曲線或不平度函數(shù)，如圖 ： 圖 路面縱斷面曲線或不平度函數(shù) 在測量不平度時，用水準(zhǔn)儀測得路面縱斷面的不平度值，將測得的大量路面隨機(jī)數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)處理，得到路面不平度的功率密度 ()qGn或者方差 ()qn? 等統(tǒng)計(jì)特性參數(shù) [29]。路面功率譜密度 ()qGn，用下式作為擬合表達(dá)式 ： 0 0( ) ( )( )wqq nG n G n n ?? () 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 16頁 式中： n為空間頻率，表示每米長度中包含的波數(shù)，單位為 1m? ， 0n為參考空間頻率， 0n = 1m? ； 0()qGn為參考空間頻率的路面譜值，稱為路面不平度系數(shù)，單位為 21/mm? ； W 為頻率指數(shù)，為雙對數(shù)坐標(biāo)上斜線的斜率，取值由路面功率譜的頻率結(jié)構(gòu)確定。 根據(jù)路面功率譜密度把路面按不平度分為 A到 H等 8級。我國公路路面功率譜基本在 A， B， C， D等 4級范圍之內(nèi)，且 B， C兩種等級的路面所占的比重比較大 ,各級路面不平度系數(shù)的變化及其幾何平均值，分級路面譜的頻率指數(shù) W = 2，如下表所示： 路面功率譜密度等級劃分表 路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性還可以用路面速度功率譜和加速度功率譜描述，它們與位移功率譜的關(guān)系如下： ...24( ) ( 2 ) ( )( ) ( 2 ) ( )qqqqG n n G nG n n G n???? ()() 將 W = 2 代入第一個式中，求得 ()qGn，將 ()qGn帶入第二個式子中，則 . 200( ) ( 2 ) ( )qqG n n G n?? () 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 17頁 可以看出，此時路面速度功率譜幅值在整個頻率范圍內(nèi)為一常數(shù)，即為一白噪聲，僅與不平度系數(shù) 0()qGn有關(guān)，所以用路面速度功率譜來分析計(jì)算更為方便。 空間頻率譜函數(shù)與時間頻率譜函數(shù)的轉(zhuǎn)化 用譜函數(shù) ()qGn描述路面的統(tǒng)計(jì)特性，僅與路面距離和表面粗造度有關(guān)，而與車速和時間無關(guān)，故空間譜函數(shù)描述路面特性具有唯一性。但在分析來自不平路面的激勵在懸架上產(chǎn)生的動態(tài)響應(yīng)時，要用到 的路面不平度函數(shù) q(L)必須考慮汽車的行駛速度 (L=vt)。通常把空間譜函數(shù)轉(zhuǎn)化為時間頻譜函數(shù)。 設(shè)車速為 v，則二者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為： 由 f = v*n，可知空間頻譜與時間頻譜之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系： 1( ) ( )qqG f G n?? () 當(dāng) W=2,通過以上分析，一般有兩種產(chǎn)生隨機(jī)路面不平度時間輪廓的方法，即由一高斯白噪聲通過積分器產(chǎn)生或由一高斯白噪聲通過濾波器產(chǎn)生。 濾波高斯白噪聲的 隨機(jī)路面 ()rZt的輸入可以用下式來表示： . 00( ) 2 ( ) 2 ( )r rZ t f Z t G V w t??? ? ? () 式中 0G 為路面不平度系數(shù)； V 為車輛前進(jìn)速度； W為高斯分布白噪聲； 北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 18頁 0f 是濾波器的下限截止頻率，若 0f 取值為 0，則濾波器為一積分環(huán)節(jié)，路面輸入為積分白噪聲；路面輸入的時間頻率是車速與空間頻率的乘積，本文中取 0f = ，模型更接近真實(shí)路面。 離散道路輸入 離散的道路激勵一般有正余弦輸入、階躍輸入、三角形輸入和梯形輸入。 本次課題不做討論。 懸架的動力學(xué)模型 汽車作為一個復(fù)雜的多自由度振動系統(tǒng)，定量分析的關(guān)鍵在于建立理想的動力學(xué)模型。 從查找的文獻(xiàn)中可以發(fā)現(xiàn) 一般有 1/4 車體 的 2自由度模型，包括簧載 （懸置） 質(zhì)量和非 簧載（非懸置）質(zhì)量的垂直運(yùn)動；1/2 車體 的 4自由度模型，包括簧載質(zhì)量的垂直運(yùn)動、前后軸的 2個非簧載質(zhì)量的垂直運(yùn)動以及俯仰運(yùn)動；整車 7自由度模型，包括簧載質(zhì)量的垂直、俯仰和側(cè)傾運(yùn)動和前后軸的 4個非簧載質(zhì)量的垂直運(yùn)動；在整車 7 自由度模型基礎(chǔ)上增加一個座椅的垂直運(yùn)動 就 構(gòu)成了整車 8 自由度模型； 其中 包括懸掛上系統(tǒng) (車架和發(fā)動機(jī) )的六個自由度、前后橋的平動和轉(zhuǎn)動共四個自由度以及座椅和人體共三個自由度的整車 13自由度模型 [30]。 由于所研究的車型，精度，目的和控制要求等諸多因素的不同，我們通常 采取不同的動力學(xué)模型。 1/4 車輛模型由于結(jié)構(gòu)簡單，且能夠反北京交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 19頁 映車輛的主要性能，從而得到了廣泛的應(yīng)用。從研究的角度考慮，本文對 1/4 車體 2自由度模型和整車 7自由度 的整車模型進(jìn)行了研究 [31]。 傳統(tǒng)被動懸架的 1/4車體 二自由度模型 懸架的性能指標(biāo)主要有三個：車身加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷。車身加速度是評價(jià)汽車平順性的主要指標(biāo)，降低車身的加速度幅值，也就提高了乘客的舒適性：車輪與路面的動載荷直接影響車輪與路面的附著效果，這與汽車操縱穩(wěn)定性有關(guān)，在一定范圍內(nèi)降低輪胎的動載荷，有利于提高汽車操縱穩(wěn)定性；懸架動撓度和其限位行程有關(guān)，過大的動撓度會導(dǎo)致撞擊限位塊的現(xiàn)象，因此，減小動撓度有利于提高汽車的平順性 [32]。 分析懸架對行駛平順性的影響時，一般采用 圖 如圖 所示的兩自由度振動模型，接近于汽車懸架系統(tǒng)的實(shí)際情況。 圖 基于被動懸架的二自由度模型 二自由度模型的參數(shù)定義