【文章內(nèi)容簡介】 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]。 被動的懸架不僅構(gòu)造簡單，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。但因為它的參數(shù)不可變，所以又存在較大的局限性： （ 1）減少懸架的剛度對提升汽車舒適性改善有利，但是當(dāng)彈簧剛度較小時，對輪胎動載荷影響不利，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）阻尼特性對平順性和輪胎接地能力產(chǎn)生共同影響，同時兼顧二者較困難。 （ 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在很大程度變化，如果激勵發(fā)生變化，懸架系統(tǒng)就不再是最優(yōu)。 被動懸架對行駛平順性、操縱穩(wěn)定性、車身狀態(tài)等這些相互矛盾的設(shè)計要求選擇適中方案，在一定程度上符合汽車動力學(xué)性能要求。因此，在對一個多種環(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，被動懸架很難再滿足新的要 求，很難實現(xiàn)行駛平順性與操縱穩(wěn)定性的完美結(jié)合。 主動懸架 主動懸架 （ 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（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 種機(jī)械 系 統(tǒng) [3]。主動懸架簡化模型如圖 b）所示，主動的懸架包括三個部分：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 懸架 系統(tǒng)的信息處理 、 管理中心，它接受 分別 來自各個傳感器的信號， 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)的動作， 進(jìn) 而改變車身運動狀態(tài)、 達(dá)到 隔振減振的 效果 [4]。 主動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。主動懸架的優(yōu)點可以歸納為 [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、制動和加速等狀態(tài)下的縱向擺動問題。 （ 2）應(yīng)采用主動的懸架系統(tǒng)，因為不需兼顧正常狀態(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，主動的懸架還能夠保持車輪子與地面的摩擦，改善了輪胎動載荷的控制力，改善了負(fù)載的分布情況。同時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，從而對傳動的構(gòu)造簡化了設(shè)計。 根據(jù)作動器的反應(yīng)的帶寬不一樣，主動的懸架又可以細(xì)分 為是：帶寬的主動懸架與有限帶寬的主動懸架，有的地方也叫為“全主動懸架”與“慢主動懸架”。慢主動的懸架系統(tǒng)一般情況下的是由一個作動器和一個普普通通的彈簧串聯(lián)組成，然后再和一個被動阻尼器并聯(lián)組成。慢主動懸架的主動控制頻率范圍為 0～ 6Hz ，當(dāng)頻率大于 6Hz 時被動元件主導(dǎo)懸架系統(tǒng)的特性。因為慢主動懸架只在一個較低的頻率范圍內(nèi)運行，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和轉(zhuǎn)向控制的基礎(chǔ)要求。 全主動的懸架系統(tǒng)是采用 1 個可以用來控制的作動器替代了被動懸架中的一些相關(guān)部件，組成一個閉環(huán)的控制系統(tǒng)。作動器一般情況是由一個氣動的或者液動的油缸，它具擁有較大的頻率范圍，對輪胎的高頻共振能夠進(jìn)行控制。作動器的控制的帶寬一般覆蓋一些車輛常見的振動頻率如 0～ 15Hz ，有的一些作動器的響應(yīng)帶寬可以高達(dá)如 100Hz 。為了減少能量的損耗浪費，一般情況下會保留 1 個與作動器并聯(lián)的傳統(tǒng)彈簧，來支持車身的靜載荷 [6]。 半主動懸架 半主動懸架（ SemiActive Suspension）是在 1973 年 由 和 首次 提出 半主動懸架的概念 [7]。半主動懸架的簡化模型如圖 c）所示， 半主動 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 于 車輪的速度和加速度 的 響應(yīng)等反饋 信號， 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 的 懸架近似于被動 的 懸架，但 它全套設(shè)計（圖紙）請聯(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 和 3 級， 又根據(jù) 人工 的 選擇或根據(jù)傳感器 的 信號自動 式 確定 。 1984 年日 本得一個 公司研制出 了 一種 叫 聲納式半主動的 懸架，它 非常好， 能 夠 通過聲納 這種 裝置 探測 前方路 況的 信息， 進(jìn)而 及時 的 調(diào)整懸架 的減振器的三 個 狀態(tài)。 此 外， 等人又提出了阻尼連續(xù)可調(diào)的半主動懸架系統(tǒng) [8]。 主動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，慢慢的成為各國的支柱性的產(chǎn)業(yè)，并且對世界的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更好和社會進(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。我國的汽車工業(yè)的引進(jìn)技術(shù)及其國產(chǎn)化的實際發(fā)展成就，標(biāo)志著我國的汽車工業(yè)已經(jīng)完成了歷史性的轉(zhuǎn)變，開始了中國汽車行業(yè)的騰飛時段。 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，并且滿足人們對汽車安全性、舒適性、便利性的需求，汽車傳動與行駛控制系 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狀態(tài)具擁有一定的舒適性，對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，傳遞輪胎和路面產(chǎn)生的摩擦力，還能夠在汽車轉(zhuǎn)彎時承受車身的側(cè)傾力，在汽車啟動和制動時控制車身的慣性。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。 國內(nèi)外主動懸架理論研究動態(tài) 國內(nèi)外主動懸架的理論 主動的懸架的控制理論實際上是在立足于經(jīng)典的控制理論就結(jié)合現(xiàn)代控制理論和汽車動力學(xué)理論 的產(chǎn)物。在近幾十年中，國內(nèi)外學(xué)者對主動懸架的控制策略方法上進(jìn)行了大量的分析研究。在國外，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。在國內(nèi)，丁科等人對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的主動懸架進(jìn)行了研究，何渝生等人將 LQG 最優(yōu)控制全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 理論用于主動控制 [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用化成為現(xiàn)代主動懸架研究的一大趨勢，這些研究一定程度上豐富了汽車懸架系統(tǒng)的控制理論，有力地推動了主動懸架在汽車工業(yè)的應(yīng)用進(jìn)程。 國內(nèi)外主動懸架的應(yīng)用 在國外大型的汽車公司和研究機(jī)構(gòu)對理論研究的基礎(chǔ)上，還對其他主動、半主動懸架進(jìn)行了實驗，直到一些較為成熟的設(shè)計成商品，應(yīng)用于各種車輛。早在 1982 年， Lotus 公司就開發(fā)了有源主動懸架系統(tǒng)，瑞典 Volvo 公司在 740 輛汽車上裝置了實驗階段的 Lotus主動懸架系統(tǒng)。 Armstrong 公司在 1987 年為了 FORD 公司研發(fā)了一個自適應(yīng)懸架系統(tǒng)應(yīng)用于一種新的車型號。 1989 年豐田的 Celica 車型上也應(yīng)用了 4 主動的懸架 +4 輪驅(qū)動 +4 輪防抱死的制動的集成控制，其中應(yīng)用了較好的線性電磁閥對懸架進(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的懸架。另外，奔馳、福特等汽車公司也都在其高級轎車上裝備了各自研發(fā)的主動懸架系統(tǒng)。在賽車和軍用方面，因為越野和高速行駛性能的需求，所以在應(yīng)用主動 懸架的愿望更加急切。英國早在 70 年代時，就在“蝎”式輕型坦克上實驗了 AP 公司研發(fā)的液壓式主動懸架系統(tǒng)。 1982 年的時候， Lotus 公司就著手在高速的賽車上進(jìn)行實驗主動的懸架系統(tǒng)，結(jié)果表明很大程度上改善了賽車的高速行駛時的平順性和安全性的需求。 國內(nèi)外主動懸架研究趨勢 我們通過對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，狠狠地推動了主動懸架在汽車行業(yè)上的應(yīng)用進(jìn)程 ，因而，對懸架控制策略的研究已成為懸架控制研究的一個重要的方向。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)簡化模型和控制的方法，并且與它對應(yīng)的懸架特性的是懸架控制研究的重要方面。當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)的車輛大都采用被動懸架，主動懸架、半主動懸架尚未普及，研究工作仍是在控制懸架系統(tǒng)的優(yōu)化算法、理論分析和計算機(jī)仿真模擬階段，近年來，在國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懸架和主動懸架系統(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全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系 174320523 各專業(yè)都有 特點。 （ 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) ，同時也將成為主動懸架技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。 （ 3）懸架系統(tǒng)的使用壽命長短和自身參數(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)成本和使用費用上主動懸架價格相對昂貴，在控制過程中損耗的汽車功率較高，所以在設(shè)計時要考慮其性價比。 （ 6）反應(yīng)的速度快捷，工作的頻帶寬，動作準(zhǔn)確平穩(wěn)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有待研發(fā)，列如作動器與減振器等。 本論文主要研究內(nèi)容 本論文研究的是基于兩自由度 1/4車輛主動的懸架的在 PID控制策略下進(jìn)行仿真研究，以 l/4 主動的懸架為研究的對象，建立 l/4 主動懸架數(shù)學(xué)簡化模型，在對被動懸架和 PID 控制的主動懸架進(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)合汽車懸架的實際情況，學(xué)習(xí)并運用運動學(xué)和動力學(xué)及車輛構(gòu)造相關(guān)理論，對汽車懸架系統(tǒng)進(jìn)行簡化分析，建立兩自由度 1/4 主動懸架數(shù)學(xué)模型。根據(jù)牛頓第二定律，在對其在受力分析的基礎(chǔ)上建立動力學(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，提出懸架性能的評價標(biāo)準(zhǔn) 考慮到路面 激勵對懸架控制的重要影響，將路面激勵信號結(jié)合系統(tǒng)仿真模型。在振動方面使用白噪聲信號來模擬實際的持續(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際凸起和凹坑。 根據(jù)車輛設(shè)計要求的平順性和操縱穩(wěn)定性。選擇懸架的評價參數(shù)為；車身加速度用于表示車輛行駛的平順性效果；懸架動撓度和輪胎動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，本文采用具有實際應(yīng)用價值的 PID 控制，根據(jù)其原理設(shè)計其控制器。 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、被動懸架、 PID控制器仿真模型，然后對主、被動懸架的性能分析對比。 仿真結(jié)果分析 參照車輛設(shè)計要求的平順性和操縱穩(wěn)定性，以車身加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷值作為主要評價指標(biāo)，通過對三種輸入信號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)缺點以及可行性與有效性。 全套設(shè)計（圖紙）請聯(lián)系