【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(dòng)的懸架不僅構(gòu)造簡(jiǎn)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?yàn)樗膮?shù)不可變，所以又存在較大的局限性： （ 1）減少懸架的剛度對(duì)提升汽車舒適性改善有利，但是當(dāng)彈簧剛度較小時(shí)，對(duì)輪胎動(dòng)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(duì)平順性和輪胎接地能力產(chǎn)生共同影響，同時(shí)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(dá)到最佳減振效果，而車輛的載荷、車速以及路面凸凹都會(huì)在很大程度變化，如果激勵(lì)發(fā)生變化，懸架系統(tǒng)就不再是最優(yōu)。 被動(dòng)懸架對(duì)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(jì)要求選擇適中方案，在一定程度上符合汽車動(dòng)力學(xué)性能要求。因此，在對(duì)一個(gè)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(dòng)懸架很難再滿足新的要 求，很難實(shí)現(xiàn)行駛平順性與操縱穩(wěn)定性的完美結(jié)合。 主動(dòng)懸架 主動(dòng)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)展的一全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 種機(jī)械 系 統(tǒng) [3]。主動(dòng)懸架簡(jiǎn)化模型如圖 b）所示，主動(dòng)的懸架包括三個(gè)部分：傳感器、控制器、執(zhí)行機(jī)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(gè) 懸架 系統(tǒng)的信息處理 、 管理中心，它接受 分別 來自各個(gè)傳感器的信號(hào)， 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(jī)構(gòu)的動(dòng)作， 進(jìn) 而改變車身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、 達(dá)到 隔振減振的 效果 [4]。 主動(dòng)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(duì)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(jìn)行分析修正，以達(dá)到最佳控制效果，進(jìn)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(dòng)懸架的優(yōu)點(diǎn)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(dòng)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(dòng)和加速等狀態(tài)下的縱向擺動(dòng)問題。 （ 2）應(yīng)采用主動(dòng)的懸架系統(tǒng)，因?yàn)椴恍杓骖櫿顟B(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(jìn)而就提高了汽車的懸架的穩(wěn)定性能。 （ 3）采用先進(jìn)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(dòng)的懸架還能夠保持車輪子與地面的摩擦，改善了輪胎動(dòng)載荷的控制力，改善了負(fù)載的分布情況。同時(shí)由于車身的高度可以調(diào)節(jié)，又進(jìn)一步的保證了車輪的跳動(dòng)，從而對(duì)傳動(dòng)的構(gòu)造簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。 根據(jù)作動(dòng)器的反應(yīng)的帶寬不一樣，主動(dòng)的懸架又可以細(xì)分 為是：帶寬的主動(dòng)懸架與有限帶寬的主動(dòng)懸架，有的地方也叫為“全主動(dòng)懸架”與“慢主動(dòng)懸架”。慢主動(dòng)的懸架系統(tǒng)一般情況下的是由一個(gè)作動(dòng)器和一個(gè)普普通通的彈簧串聯(lián)組成，然后再和一個(gè)被動(dòng)阻尼器并聯(lián)組成。慢主動(dòng)懸架的主動(dòng)控制頻率范圍為 0～ 6Hz ，當(dāng)頻率大于 6Hz 時(shí)被動(dòng)元件主導(dǎo)懸架系統(tǒng)的特性。因?yàn)槁鲃?dòng)懸架只在一個(gè)較低的頻率范圍內(nèi)運(yùn)行，所以降低了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度 ，但它的性能指標(biāo)仍可以滿足主要的車身振動(dòng)和轉(zhuǎn)向控制的基礎(chǔ)要求。 全主動(dòng)的懸架系統(tǒng)是采用 1 個(gè)可以用來控制的作動(dòng)器替代了被動(dòng)懸架中的一些相關(guān)部件，組成一個(gè)閉環(huán)的控制系統(tǒng)。作動(dòng)器一般情況是由一個(gè)氣動(dòng)的或者液動(dòng)的油缸，它具擁有較大的頻率范圍，對(duì)輪胎的高頻共振能夠進(jìn)行控制。作動(dòng)器的控制的帶寬一般覆蓋一些車輛常見的振動(dòng)頻率如 0～ 15Hz ，有的一些作動(dòng)器的響應(yīng)帶寬可以高達(dá)如 100Hz 。為了減少能量的損耗浪費(fèi)，一般情況下會(huì)保留 1 個(gè)與作動(dòng)器并聯(lián)的傳統(tǒng)彈簧，來支持車身的靜載荷 [6]。 半主動(dòng)懸架 半主動(dòng)懸架（ SemiActive Suspension）是在 1973 年 由 和 首次 提出 半主動(dòng)懸架的概念 [7]。半主動(dòng)懸架的簡(jiǎn)化模型如圖 c）所示， 半主動(dòng) 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(duì) 于 車輪的速度和加速度 的 響應(yīng)等反饋 信號(hào)， 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(dòng) 的 懸架近似于被動(dòng) 的 懸架，但 它全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 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(jí) 和 3 級(jí)， 又根據(jù) 人工 的 選擇或根據(jù)傳感器 的 信號(hào)自動(dòng) 式 確定 。 1984 年日 本得一個(gè) 公司研制出 了 一種 叫 聲納式半主動(dòng)的 懸架，它 非常好， 能 夠 通過聲納 這種 裝置 探測(cè) 前方路 況的 信息， 進(jìn)而 及時(shí) 的 調(diào)整懸架 的減振器的三 個(gè) 狀態(tài)。 此 外， 等人又提出了阻尼連續(xù)可調(diào)的半主動(dòng)懸架系統(tǒng) [8]。 主動(dòng)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(jì)發(fā)展中的地位越來越突出，慢慢的成為各國(guó)的支柱性的產(chǎn)業(yè)，并且對(duì)世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更好和社會(huì)進(jìn)步產(chǎn)生巨大的正能量和深遠(yuǎn)的影響。汽車是已成為當(dāng)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(guó)的汽車工業(yè)的引進(jìn)技術(shù)及其國(guó)產(chǎn)化的實(shí)際發(fā)展成就，標(biāo)志著我國(guó)的汽車工業(yè)已經(jīng)完成了歷史性的轉(zhuǎn)變，開始了中國(guó)汽車行業(yè)的騰飛時(shí)段。 為了適應(yīng)汽車日益嚴(yán)格的有關(guān)節(jié)能減放和安全性要求，并且滿足人們對(duì)汽車安全性、舒適性、便利性的需求，汽車傳動(dòng)與行駛控制系 統(tǒng)的研究和改進(jìn)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(dòng)狀態(tài)具擁有一定的舒適性，對(duì)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(gè)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(dòng)，傳遞輪胎和路面產(chǎn)生的摩擦力，還能夠在汽車轉(zhuǎn)彎時(shí)承受車身的側(cè)傾力，在汽車啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)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(gè)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。 國(guó)內(nèi)外主動(dòng)懸架理論研究動(dòng)態(tài) 國(guó)內(nèi)外主動(dòng)懸架的理論 主動(dòng)的懸架的控制理論實(shí)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(dòng)力學(xué)理論 的產(chǎn)物。在近幾十年中，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)主動(dòng)懸架的控制策略方法上進(jìn)行了大量的分析研究。在國(guó)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(jī)最優(yōu)的控制理論、變機(jī)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(guó)內(nèi)，丁科等人對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的主動(dòng)懸架進(jìn)行了研究，何渝生等人將 LQG 最優(yōu)控制全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 理論用于主動(dòng)控制 [10]。 總體來看，懸架建模的合理化、控制策略的復(fù)雜化和控制過程的實(shí)用化成為現(xiàn)代主動(dòng)懸架研究的一大趨勢(shì)，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(dòng)了主動(dòng)懸架在汽車工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)程。 國(guó)內(nèi)外主動(dòng)懸架的應(yīng)用 在國(guó)外大型的汽車公司和研究機(jī)構(gòu)對(duì)理論研究的基礎(chǔ)上，還對(duì)其他主動(dòng)、半主動(dòng)懸架進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，直到一些較為成熟的設(shè)計(jì)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(dòng)懸架系統(tǒng)，瑞典 Volvo 公司在 740 輛汽車上裝置了實(shí)驗(yàn)階段的 Lotus主動(dòng)懸架系統(tǒng)。 Armstrong 公司在 1987 年為了 FORD 公司研發(fā)了一個(gè)自適應(yīng)懸架系統(tǒng)應(yīng)用于一種新的車型號(hào)。 1989 年豐田的 Celica 車型上也應(yīng)用了 4 主動(dòng)的懸架 +4 輪驅(qū)動(dòng) +4 輪防抱死的制動(dòng)的集成控制，其中應(yīng)用了較好的線性電磁閥對(duì)懸架進(jìn)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(dòng)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(dòng)的懸架。另外，奔馳、福特等汽車公司也都在其高級(jí)轎車上裝備了各自研發(fā)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)。在賽車和軍用方面，因?yàn)樵揭昂透咚傩旭傂阅艿男枨?，所以在?yīng)用主動(dòng) 懸架的愿望更加急切。英國(guó)早在 70 年代時(shí)，就在“蝎”式輕型坦克上實(shí)驗(yàn)了 AP 公司研發(fā)的液壓式主動(dòng)懸架系統(tǒng)。 1982 年的時(shí)候， Lotus 公司就著手在高速的賽車上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)主動(dòng)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(shí)的平順性和安全性的需求。 國(guó)內(nèi)外主動(dòng)懸架研究趨勢(shì) 我們通過對(duì)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(gè)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(shí)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(dòng)了主動(dòng)懸架在汽車行業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)程 ，因而，對(duì)懸架控制策略的研究已成為懸架控制研究的一個(gè)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(jiǎn)化模型和控制的方法，并且與它對(duì)應(yīng)的懸架特性的是懸架控制研究的重要方面。當(dāng)前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的車輛大都采用被動(dòng)懸架，主動(dòng)懸架、半主動(dòng)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(jì)算機(jī)仿真模擬階段，近年來，在國(guó)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(dòng)懸架和主動(dòng)懸架系統(tǒng)，在高檔車的使用，但在控制方法的改進(jìn)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(shí)際應(yīng)用的技術(shù)問題可從以下方面著手進(jìn)行研究： （ 1）建模結(jié)合實(shí)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(gè)全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 特點(diǎn)。 （ 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(jī)構(gòu)的懸架系統(tǒng)就夠?qū)壹芟到y(tǒng) ，同時(shí)也將成為主動(dòng)懸架技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。 （ 3）懸架系統(tǒng)的使用壽命長(zhǎng)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(cè)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(fèi)用上主動(dòng)懸架價(jià)格相對(duì)昂貴，在控制過程中損耗的汽車功率較高，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮其性價(jià)比。 （ 6）反應(yīng)的速度快捷，工作的頻帶寬，動(dòng)作準(zhǔn)確平穩(wěn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有待研發(fā)，列如作動(dòng)器與減振器等。 本論文主要研究?jī)?nèi)容 本論文研究的是基于兩自由度 1/4車輛主動(dòng)的懸架的在 PID控制策略下進(jìn)行仿真研究，以 l/4 主動(dòng)的懸架為研究的對(duì)象，建立 l/4 主動(dòng)懸架數(shù)學(xué)簡(jiǎn)化模型，在對(duì)被動(dòng)懸架和 PID 控制的主動(dòng)懸架進(jìn)行比較分析，研究的主要內(nèi)容包括： 建立 1/4 懸架數(shù)學(xué)模型 結(jié)合汽車懸架的實(shí)際情況，學(xué)習(xí)并運(yùn)用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)及車輛構(gòu)造相關(guān)理論，對(duì)汽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化分析，建立兩自由度 1/4 主動(dòng)懸架數(shù)學(xué)模型。根據(jù)牛頓第二定律，在對(duì)其在受力分析的基礎(chǔ)上建立動(dòng)力學(xué)方程，并以此作為控制策略仿真的基礎(chǔ)。 建立路面路譜模型，提出懸架性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 考慮到路面 激勵(lì)對(duì)懸架控制的重要影響，將路面激勵(lì)信號(hào)結(jié)合系統(tǒng)仿真模型。在振動(dòng)方面使用白噪聲信號(hào)來模擬實(shí)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(shí)際凸起和凹坑。 根據(jù)車輛設(shè)計(jì)要求的平順性和操縱穩(wěn)定性。選擇懸架的評(píng)價(jià)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(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷用于表示車輛操縱穩(wěn)定性效果。 選定控制方法并設(shè)計(jì)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值的 PID 控制，根據(jù)其原理設(shè)計(jì)其控制器。 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(dòng)懸架、 PID控制器仿真模型，然后對(duì)主、被動(dòng)懸架的性能分析對(duì)比。 仿真結(jié)果分析 參照車輛設(shè)計(jì)要求的平順性和操縱穩(wěn)定性，以車身加速度、懸架動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷值作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過對(duì)三種輸入信號(hào)下的控制策略仿真曲線進(jìn)行分析比較，歸納總結(jié)出控制策略的優(yōu)缺點(diǎn)以及可行性與有效性。 全套設(shè)計(jì)（圖紙）請(qǐng)聯(lián)系