基于DSP的汽車磁流變減振懸架系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)與研究

1、中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)第51頁(yè) 共 36頁(yè) 1 緒 論隨著社會(huì)的發(fā)展和文明的進(jìn)步，汽車作為一種交通工具，已成為人們出行的主要選擇，汽車乘坐的安全性、舒適性已成為世人關(guān)注的焦點(diǎn)。汽車作為高速客運(yùn)載體，其運(yùn)行品質(zhì)的好壞直接影響到人的生命安全，因此，與乘坐安全性、舒適性密切相關(guān)的轎車動(dòng)力學(xué)性能的研究就顯得非常重要。懸架系統(tǒng)汽車的一個(gè)重要組成部分，它連接車身與車輪，主要由彈簧、減震器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。它能緩沖和吸收來(lái)自車輪的振動(dòng)，傳遞車輪與地面的驅(qū)動(dòng)力與制動(dòng)力，還能在汽車轉(zhuǎn)向時(shí)承受來(lái)自車身的側(cè)傾力，在汽車啟動(dòng)和制動(dòng)時(shí)抑制車身的俯仰和點(diǎn)頭。懸架系統(tǒng)是提高車輛平順性和操作穩(wěn)定性、減少動(dòng)載荷引

2、起零部件損壞的關(guān)鍵。一個(gè)好的懸架系統(tǒng)不僅要能改善汽車的舒適性，同時(shí)也要保證汽車行駛的安全性，而提高汽車的舒適性必須限制汽車車身的加速度，這就需要懸架有足夠的變形吸收來(lái)自路面的作用力。然而為了保證汽車的安全性，懸架的變形必須限定在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，為了改善懸架性能必須協(xié)調(diào)舒適性和操作穩(wěn)定性之間的矛盾，而這個(gè)矛盾只有采用這折衷的控制策略才能合理的解決。因此，研究汽車振動(dòng)、設(shè)計(jì)新型汽車懸架系統(tǒng)、將振動(dòng)控制在最低水平是提高現(xiàn)代汽車性能的重要措施12。1.1 車車輛懸架架系統(tǒng)的的分類及及發(fā)展按工作原理理不同，懸懸架可分分為被動(dòng)動(dòng)懸架(Passsivve SSusppenssionn)、半半主動(dòng)懸懸架(S

3、Semii-Acctivve SSusppenssionn)和主主動(dòng)懸架架(Acctivve SSusppenssionn)三種種，如圖圖1.1所所示33。 （a）被動(dòng)動(dòng)懸架 (b)全全主動(dòng)懸懸架 (c)半主動(dòng)動(dòng)懸架圖 1.11 懸架架的分類類圖1.1中中Mu為非簧載載質(zhì)，Ms為簧載質(zhì)質(zhì)量，Ks為懸架剛剛度，Kt為輪胎剛剛度；CC1為被動(dòng)動(dòng)懸架阻阻尼，C2為半主動(dòng)動(dòng)懸架可可變阻尼尼，F(xiàn)為主動(dòng)懸懸架作動(dòng)動(dòng)力。目前我國(guó)車車輛主要要還是采采用被動(dòng)動(dòng)懸架(Passsivve SSusppenssionn)。其其兩自由由度系統(tǒng)統(tǒng)模型如如圖1.1(aa)所示示。傳統(tǒng)統(tǒng)的被動(dòng)動(dòng)懸架一一般由參參數(shù)固定定的彈簧

4、簧和減振振器組成成，其彈彈簧的彈彈性特性性和減振振器的阻阻尼特性性不能隨隨著車輛輛運(yùn)行工工況的變變化而進(jìn)進(jìn)行調(diào)節(jié)節(jié)，而且且各元件件在工作作時(shí)不消消耗外界界能源，故故稱為被被動(dòng)懸架架。它的的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單，性性能可靠靠，經(jīng)過(guò)過(guò)不斷改改進(jìn)，現(xiàn)現(xiàn)在發(fā)展展的已比比較成熟熟。然而而，汽車車在行駛駛過(guò)程中中，其平平順性和和操縱穩(wěn)穩(wěn)定性對(duì)對(duì)懸架參參數(shù)的要要求是不不同的，要要想同時(shí)時(shí)兼顧兩兩者是很很困難的的，即使使經(jīng)過(guò)優(yōu)優(yōu)化，也也只能使使它在特特定的車車速和路路面下才才能達(dá)到到最佳。所所以，懸懸架的特特性參數(shù)數(shù)一經(jīng)選選定，就就無(wú)法隨隨汽車運(yùn)運(yùn)行的工工況和激激勵(lì)的變變化而進(jìn)進(jìn)行調(diào)節(jié)節(jié)，故其其減振性性能的進(jìn)進(jìn)一步提提

5、高也就就會(huì)受到到限制。為為了克服服被動(dòng)懸懸架存在在的缺點(diǎn)點(diǎn)，人們們嘗試了了很多方方法，如如采用非非線性變變剛度彈彈簧，雖雖然取得得了一定定的效果果，但是是仍不能能從根本本上消除除上述的的缺陷。改改善懸架架性能的的根本出出發(fā)點(diǎn)在在于改善善懸架對(duì)對(duì)車輪和和車身的的作用，這這可以從從改變懸懸架剛度度或阻尼尼或同時(shí)時(shí)改變兩兩者入手手.于是主主動(dòng)、半半主動(dòng)懸懸架的研研究就逐逐步開(kāi)始始了。1954年年，GMM公司Errspiie.LLabrrosee在懸架架設(shè)計(jì)中中首先提提出主動(dòng)動(dòng)懸架的的思想3。主主動(dòng)懸架架的基本本原理是是用可調(diào)調(diào)剛度的的彈簧或或可調(diào)阻阻尼的減減振器組組成的懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)，該系系統(tǒng)采用用有

6、源或或無(wú)源可可控制的的元件組組成了一一個(gè)閉環(huán)環(huán)控制系系統(tǒng)，它它可以根根據(jù)車輛輛預(yù)測(cè)的的激勵(lì)和和簧載質(zhì)質(zhì)量的加加速度響響應(yīng)等反反饋信號(hào)號(hào)，按照照一定的的控制規(guī)規(guī)律調(diào)節(jié)節(jié)可調(diào)彈彈簧和可可調(diào)阻尼尼器的參參數(shù)，以以抑制車車體的運(yùn)運(yùn)動(dòng)，使使懸架始始終處于于最優(yōu)減減振狀態(tài)態(tài)。主動(dòng)動(dòng)懸架的的特點(diǎn)就就是能夠夠根據(jù)外外界的輸輸入或車車輛本身身狀態(tài)的的變化進(jìn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)態(tài)自適應(yīng)應(yīng)調(diào)節(jié)。這這種懸架架系統(tǒng)為為在根本本上改善善汽車懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)的性能能，提供供了一條條嶄新的的途徑。圖圖1.1(bb)為兩兩自由度度全主動(dòng)動(dòng)懸架系系統(tǒng)(FFullly AActiive Susspennsioon)。該該系統(tǒng)是是由Feederrs

7、piiel.labbrossse在在 19975年年發(fā)明的的4。它主主要由一一個(gè)可控控的電液液作動(dòng)器器組成。作作動(dòng)器相相當(dāng)于一一個(gè)力發(fā)發(fā)生器，可可根據(jù)車車身質(zhì)量量的速度度響應(yīng)等等反饋信信號(hào)，按按照一定定的控制制規(guī)律產(chǎn)產(chǎn)生作用用力。它它可替代代被動(dòng)懸懸架中的的彈簧和和減振器器，可以以任意變變更剛度度以及阻阻尼系數(shù)數(shù)。全主主動(dòng)懸架架的最大大優(yōu)點(diǎn)是是具有高高度的自自適應(yīng)性性，可很很好地滿滿足不同同環(huán)境的的要求(如不同同道路條條件和行行駛速度度等)。這種種裝置所所要求的的控制目目標(biāo)是實(shí)實(shí)現(xiàn)一個(gè)個(gè)最佳的的隔振系系統(tǒng)，而而且不需需要對(duì)系系統(tǒng)作較較大的改改變.另外又又因?yàn)樵撛搼壹芟迪到y(tǒng)還能能控制車車輪的頻頻

8、率范圍圍(10015HHz)，因因其響應(yīng)應(yīng)特性很很快，所所以又把把該懸架架系統(tǒng)稱稱為“快”主動(dòng)系系統(tǒng)。這這種系統(tǒng)統(tǒng)功率消消耗很大大，一般般達(dá)到ll0Kww左右，另另外傳感感器的需需用量也也很多(如行程程傳感器器、加速速度傳感感器、力力傳感器器及某種種情況下下的壓力力傳感器器等)。因而而盡管全全主動(dòng)懸懸架的性性能非常常優(yōu)越，但但由于它它的結(jié)構(gòu)構(gòu)相當(dāng)復(fù)復(fù)雜，而而且造價(jià)價(jià)也較為為昂貴，一一般僅限限于在豪豪華轎車車和客車車上使用用，所以以其應(yīng)用用范圍較較小55。與主動(dòng)懸架架相比，半半主動(dòng)懸懸架沒(méi)有有力發(fā)生生器，它它通過(guò)調(diào)調(diào)節(jié)減振振器的液液力阻力力，改善善懸架的的振動(dòng)特特性，圖圖1.1(cc)為兩兩自由

9、度度半主動(dòng)動(dòng)懸架（Semi-Active Suspension）。半主動(dòng)懸架研究始于1974年美國(guó)加州大學(xué)戴維斯分校 Karnopp的研究工作6。該系統(tǒng)主要由彈性原件與可調(diào)阻尼器構(gòu)成，此可調(diào)阻尼器在其力的產(chǎn)生方面非常相似于被動(dòng)懸架中的阻尼器，但其阻尼系數(shù)是根據(jù)車身質(zhì)量的垂直加速度、簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的相對(duì)位移等反饋信號(hào)，按照一定的控制規(guī)律而瞬態(tài)變化的，因此其減振效果又接近全主動(dòng)懸架。但由于半主動(dòng)懸架中彈簧鋼度為一定值，所以它的自適應(yīng)性能要稍遜于全主動(dòng)懸架。其中半主動(dòng)懸架又可以分為阻尼有級(jí)可調(diào)(On-Off)和阻尼連續(xù)可調(diào)（Contimuous）兩種類型。阻尼可調(diào)減減振器主主要有兩兩種：一一種

10、是機(jī)機(jī)械式可可變阻尼尼減振器器，一般般通過(guò)電電磁閥或或步進(jìn)電電機(jī)進(jìn)行行有級(jí)或或無(wú)級(jí)調(diào)調(diào)節(jié)截流流孔的開(kāi)開(kāi)口，改改變通流流面積來(lái)來(lái)調(diào)節(jié)阻阻尼系數(shù)數(shù)。該方方法成本本較高，結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜雜，響應(yīng)應(yīng)快，不不易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)細(xì)微調(diào)調(diào)節(jié)；另另一種是是通過(guò)改改變減振振器的粘粘性調(diào)節(jié)節(jié)阻尼。通通過(guò)使用用粘性連連續(xù)可控控得新型型減振液液（如磁磁流變液液、電流流變液）來(lái)來(lái)實(shí)現(xiàn)阻阻尼連續(xù)續(xù)變化，結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單、制造造成本不不高、無(wú)無(wú)液壓閥閥的振動(dòng)動(dòng)沖擊和和噪聲的的特點(diǎn)。電電流變液液依靠施施加一個(gè)個(gè)高壓電電場(chǎng)來(lái)產(chǎn)產(chǎn)生電流流變效應(yīng)應(yīng)，電流流變液對(duì)對(duì)電場(chǎng)反反應(yīng)迅速速，但是是在屈服服應(yīng)力、溫溫度范圍圍、塑性性粘度和和穩(wěn)定性性等方面面，磁流

11、流變液強(qiáng)強(qiáng)于同類類電流變變液。從以上分析析可以看看出，全全主動(dòng)/半主動(dòng)動(dòng)懸架的的性能明明顯優(yōu)于于被動(dòng)懸懸架，而而阻尼連連續(xù)可調(diào)調(diào)的磁流流變減振振器半主主動(dòng)懸架架由于結(jié)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單單，可靠靠性較高高，在工工作中消消耗能量量很小，控控制易于于實(shí)現(xiàn)，性性能指標(biāo)標(biāo)與全主主動(dòng)懸架架相近，因因此受到到車輛工工程界的的廣泛重重視，應(yīng)應(yīng)用前景景將更為為廣泛。1.2 磁磁流變液液和磁流流變效應(yīng)應(yīng)磁流變液(MaggnettorhheOII。 ggiCaalFlluidd，簡(jiǎn)稱稱MRFF)是119488年由美美國(guó)學(xué)者者RabbinoowJ發(fā)發(fā)明的一一種流變變性能可可隨外界界磁場(chǎng)改改變而改改變的智智能材料料。它由由磁性微

12、微粒、基基液及穩(wěn)穩(wěn)定劑三三部分組組成。通通常磁性性微粒的的粒徑在在110微微米范圍圍內(nèi)，一一般采用用鐵、鈷鈷、鎳等等磁性材材料77，它它是使液液體獲得得磁流變變效應(yīng)的的主要成成分;基基液是作作為磁性性微粒的的載液，要要求具有有良好的的阻燃性性和溫度度穩(wěn)定性性，還應(yīng)應(yīng)保證不不會(huì)發(fā)生生腐蝕和和污染作作用;而而穩(wěn)定劑劑是改善善磁流變變液的沉沉降穩(wěn)定定性和凝凝聚穩(wěn)定定性，通通常穩(wěn)定定劑具有有特殊的的分子結(jié)結(jié)構(gòu):一一端對(duì)磁磁性顆粒粒界面能能夠產(chǎn)生生高度的的親和力力，吸附附于磁性性顆粒表表面，而而另一端端是極易易分散于于載液中中的具有有適當(dāng)長(zhǎng)長(zhǎng)度的彈彈性基團(tuán)團(tuán)。一般般采用氧氧化硅膠膠添加劑劑或其他他表面活

13、活化劑。磁磁流變液液的流變變效應(yīng)目目前還沒(méi)沒(méi)有完全全成熟明明確的理理論，通通過(guò)顯微微鏡可以以觀察到到:在沒(méi)沒(méi)有施加加磁場(chǎng)的的情況下下，磁性性顆粒是是雜亂無(wú)無(wú)章分布布的。而而一旦施施加磁場(chǎng)場(chǎng)后，磁磁性微粒粒沿磁場(chǎng)場(chǎng)方向呈呈鏈或鏈鏈?zhǔn)鵂钆排帕?，在在磁極之之間形成成粒子鏈鏈阻礙流流體的正正常流動(dòng)動(dòng)，使流流體成為為一種具具有一定定剪切屈屈服強(qiáng)度度的粘塑塑性體，如如圖1.2所示示。 （a）不不加磁場(chǎng)場(chǎng)時(shí) （b）加加磁場(chǎng)時(shí)時(shí)圖1.2 磁流變變效應(yīng)示示意圖當(dāng)沒(méi)有磁場(chǎng)場(chǎng)作用時(shí)時(shí)，磁性性粒子懸懸浮于基基液中呈呈現(xiàn)出隨隨機(jī)分布布狀態(tài)。而而施加磁磁場(chǎng)作用用后，粒粒子表面面出現(xiàn)極極化現(xiàn)象象，形成成磁偶極極子。磁磁偶極

14、子子在克服服熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)的作用用下沿著著磁場(chǎng)方方向結(jié)成成鏈狀結(jié)結(jié)構(gòu)。極極化鏈中中各個(gè)相相鄰粒子子之間的的吸引力力隨外加加磁場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度的增增加而增增加。當(dāng)當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)強(qiáng)度增至至臨界值值時(shí)，磁磁偶極子子相互作作用超過(guò)過(guò)熱運(yùn)動(dòng)動(dòng)，使粒粒子熱運(yùn)運(yùn)動(dòng)受阻阻，此時(shí)時(shí)磁流變變液呈現(xiàn)現(xiàn)固體狀狀態(tài)，相相鄰粒子子間的吸吸引力也也達(dá)到最最大。磁磁流變液液的屈服服應(yīng)力也也是隨外外加磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度的的增加而而增加的的，但當(dāng)當(dāng)達(dá)到某某一飽和和值后，如如果再增增加磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度，屈屈服應(yīng)力力不再增增加，這這時(shí)就達(dá)達(dá)到了飽飽和磁場(chǎng)場(chǎng)下的JJ態(tài)屈服服應(yīng)力8910。磁流變效應(yīng)應(yīng)是磁流流變液走走向工程程應(yīng)用的的基礎(chǔ)，那那么具有有良好性性能的磁磁流變

15、液液應(yīng)滿足足的以下下幾點(diǎn)要要求: 磁場(chǎng)作作用下有有較高的的屈服應(yīng)應(yīng)力; 零場(chǎng)作作用時(shí)具具有較低低的勃度度; 較寬的的工作溫溫度范圍圍; 長(zhǎng)期的的沉降穩(wěn)穩(wěn)定性和和凝聚穩(wěn)穩(wěn)定性; 較好的的化學(xué)穩(wěn)穩(wěn)定性; 響應(yīng)時(shí)時(shí)間短; 與密封封元件不不發(fā)生化化學(xué)作用用。1.3 磁磁流變減減振器工工作原理理磁流變減振振器利用用磁流變變液的流流變特性性可受外外加磁場(chǎng)場(chǎng)控制的的特性，實(shí)實(shí)現(xiàn)減振振器阻尼尼系數(shù)的的可控，從從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)阻尼力力的控制制。(a)流動(dòng)動(dòng)模式 (b)剪切模模式圖1.3 磁流變變液減振振器的工工作模式式汽車磁流變變減振器器的工作作原理一一般都基基于兩種種工作模模式:剪剪切模式式和流動(dòng)動(dòng)模式11(見(jiàn)圖圖

16、1.3)在流動(dòng)動(dòng)模式中中磁流變變液位于于兩個(gè)相相對(duì)靜止止的極板板之間，磁磁流變液液流經(jīng)阻阻尼通道道所產(chǎn)生生的壓力力差受外外界磁場(chǎng)場(chǎng)控制的的，從而而推動(dòng)磁磁流變液液流動(dòng)的的活塞所所受到的的阻尼力力就受外外界磁場(chǎng)場(chǎng)控制;在剪切切模式中中，磁流流變液位位于兩相相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)的極板板之間，外外加磁場(chǎng)場(chǎng)方向垂垂直于極極板的相相對(duì)運(yùn)動(dòng)動(dòng)方向，磁磁場(chǎng)強(qiáng)度度受控制制系統(tǒng)控控制，由由于不同同的磁場(chǎng)場(chǎng)可以使使磁流變變液產(chǎn)生生不同的的剪切屈屈服應(yīng)力力，從而而極板之之間相對(duì)對(duì)運(yùn)動(dòng)所所產(chǎn)生的的阻力就就受到了了磁場(chǎng)的的控制。將將剪切模模式和流流動(dòng)模式式融為一一體就形形成混合合工作模模式，對(duì)對(duì)于這種種模式，活活塞的移移動(dòng)引起起

17、磁流變變液的流流動(dòng)與剪剪切，但但由于流流動(dòng)引起起的阻尼尼力比剪剪切引起起的阻尼尼力大得得多，所所以只按按流動(dòng)模模式計(jì)算算阻尼力力。1.4 汽汽車懸架架控制策策略簡(jiǎn)述述關(guān)于車輛懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)的振動(dòng)動(dòng)控制研研究與開(kāi)開(kāi)發(fā)是控控制領(lǐng)域域和車輛輛動(dòng)力學(xué)學(xué)領(lǐng)域研研究的國(guó)國(guó)際前沿沿課題。隨隨著現(xiàn)代代控制理理論的不不斷深入入發(fā)展，有有關(guān)汽車車半主動(dòng)動(dòng)懸架的的控制策策略也是是越來(lái)越越多。自自上世紀(jì)紀(jì)七十年年代以來(lái)來(lái)，典型型的控制制方法有有天棚阻阻尼控制制、PID控制、模模糊控制制、魯棒棒控制、神神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)絡(luò)控制等等等。天棚阻尼控控制是kkarnnoppp提出的的一種關(guān)關(guān)于半主主動(dòng)懸架架的控制制方法，這這是最早早提出

18、的的一種懸懸架控制制方法，它它提出了了用開(kāi)關(guān)關(guān)控制實(shí)實(shí)現(xiàn)近似似于理想想的“天棚”阻尼的的半主動(dòng)動(dòng)控制方方法112。實(shí)實(shí)現(xiàn)該策策略所需需的測(cè)試試儀器較較少且控控制的算算法簡(jiǎn)單單，使得得對(duì)這種種算法的的研究最最多，也也是應(yīng)用用最廣的的。但是是純粹的的天棚阻阻尼控制制策略只只是提高高了車輛輛行駛的的舒適性性，操縱縱穩(wěn)定性性卻沒(méi)有有改善，所所以目前前的研究究重點(diǎn)是是改進(jìn)型型的天棚棚阻尼控控制。 經(jīng)經(jīng)典的PPID控控制只需需要對(duì)調(diào)調(diào)節(jié)參數(shù)數(shù)根據(jù)經(jīng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行行在線調(diào)調(diào)整，不不需要精精確數(shù)學(xué)學(xué)模型就就可以得得到比較較滿意的的結(jié)果，雖雖然它簡(jiǎn)簡(jiǎn)單容易易實(shí)現(xiàn)，但但是被控控對(duì)象對(duì)對(duì)參數(shù)的的變化很很敏感，模模糊PII

19、D控制制是該策策略的研研究方向向133。最優(yōu)控制包包含最優(yōu)優(yōu)預(yù)瞄控控制、HH控制和和線性最最優(yōu)控制制。最優(yōu)優(yōu)控制可可以改善善汽車的的行駛平平順性和和操縱穩(wěn)穩(wěn)定性，但但是它只只能對(duì)理理想的參參數(shù)模型型實(shí)現(xiàn)最最佳性能能144。當(dāng)當(dāng)汽車參參數(shù)發(fā)生生變化到到一定程程度時(shí)，性性能將不不再最優(yōu)優(yōu)甚至惡惡化，系系統(tǒng)將變變得不穩(wěn)穩(wěn)定，因因此它在在半主動(dòng)動(dòng)懸架的的控制中中用得比比較少。模糊控制無(wú)無(wú)需精確確的數(shù)學(xué)學(xué)模型就就可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)控制，對(duì)對(duì)于半主主動(dòng)懸架架這樣復(fù)復(fù)雜的非非線性系系統(tǒng)很有有利，此此外它能能減少控控制器存存儲(chǔ)，從從而降低低成本縮縮短控制制對(duì)象的的延時(shí)，提提高懸架架的可靠靠性115。雖雖然如此此，它的的

20、自適應(yīng)應(yīng)能力較較差，控控制精度度不高。自適應(yīng)控制制可以分分為模型型參考自自適應(yīng)控控制和自自校正自自適應(yīng)控控制兩類類。它可可進(jìn)行參參數(shù)識(shí)別別，使其其適應(yīng)懸懸架載荷荷和參數(shù)數(shù)的變化化，自動(dòng)動(dòng)在線調(diào)調(diào)整控制制參數(shù)，從從而降低低汽車懸懸架控制制系統(tǒng)的的不確定定性，確確保性能能最優(yōu)16。但是是該算法法比較復(fù)復(fù)雜，因因此對(duì)系系統(tǒng)的要要求高，還還存在某某些參數(shù)數(shù)具有時(shí)時(shí)變性的的缺點(diǎn)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控控制是一一個(gè)高度度并行的的非線性性動(dòng)力系系統(tǒng)，它它由大量量的處理理單元組組成，具具有可學(xué)學(xué)習(xí)性和和巨量并并行性的的特點(diǎn)，在在車輛懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)的振動(dòng)動(dòng)控制中中應(yīng)用前前景良好好177。于規(guī)則則的知識(shí)識(shí)需要長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)間的的訓(xùn)練，

21、因因此它需需要和其其他的控控制方法法結(jié)合使使用才能能發(fā)揮更更大的效效用。對(duì)于魯棒控控制的HH控制來(lái)來(lái)說(shuō)，它它能夠?qū)?duì)車輛的的懸架系系統(tǒng)的車車身振動(dòng)動(dòng)模態(tài)、減減振器阻阻尼系統(tǒng)統(tǒng)、懸架架動(dòng)撓度度、輪胎胎剛度和和車身質(zhì)質(zhì)量等具具有很強(qiáng)強(qiáng)的魯棒棒性，改改善懸架架性能18。綜上所所述，隨隨著現(xiàn)代代控制理理論的不不斷發(fā)展展，使得得越來(lái)越越多的現(xiàn)現(xiàn)代控制制方法運(yùn)運(yùn)用于半半主動(dòng)懸懸架的控控制中，但但是每種種單一的的控制方方法總存存在其不不足。所所以，研研究復(fù)合合控制策策略成了了對(duì)半主主動(dòng)懸架架進(jìn)行控控制的主主流方向向?，F(xiàn)代代控制理理論的不不斷進(jìn)步步也將促促進(jìn)對(duì)半半主動(dòng)懸懸架振動(dòng)動(dòng)控制系系統(tǒng)的研研究。1.5 汽

22、汽車懸架架系統(tǒng)控控制策略略研究的的意義近年來(lái)，隨隨著我國(guó)國(guó)國(guó)民經(jīng)經(jīng)濟(jì)的飛飛速增長(zhǎng)長(zhǎng)，高速速公路網(wǎng)網(wǎng)大量新新建，人人們對(duì)交交通的需需求越來(lái)來(lái)越高，這這使得我我國(guó)的汽汽車工業(yè)業(yè)迅速發(fā)發(fā)展，隨隨之汽車車保有量量和總產(chǎn)產(chǎn)量也增增長(zhǎng)迅速速。據(jù)國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)計(jì)局網(wǎng)站站在20011年年3月4日公布布的“十一五五”經(jīng)濟(jì)社社會(huì)發(fā)展展成就系系列報(bào)告告顯示，“十一五”期間，交通運(yùn)輸業(yè)成就卓著，高速公路里程達(dá)到7.41萬(wàn)公里，居世界第二位。國(guó)家高速公路網(wǎng)主骨架預(yù)計(jì)“十二五”末將基本建成，屆時(shí)，中國(guó)高速公路通車總里程將有望達(dá)10萬(wàn)公里，超過(guò)美國(guó)躍居世界第一。此外交通部表示，到20巧年，農(nóng)村公路總里程達(dá)390萬(wàn)公里，實(shí)現(xiàn)所有

23、鄉(xiāng)鎮(zhèn)和90%的建制村通班車。截至2010年底，全國(guó)公路網(wǎng)總里程已達(dá)到398.4萬(wàn)公里，5年增加了6.9萬(wàn)公里。2007年底，“五縱七橫”12條國(guó)道主干線提前13年全部建成，西部開(kāi)發(fā)8條省際通道基本貫通，全國(guó)公路網(wǎng)密度由“十五”末的每百平方公里34.8公里提升至40.2公里。至2011年2月底，我國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量達(dá)到2.11億輛，2010年全國(guó)新增機(jī)動(dòng)車2048萬(wàn)輛、駕駛?cè)?317萬(wàn)，有20個(gè)城市的機(jī)動(dòng)車保有量超過(guò)100萬(wàn)輛19。迅速發(fā)展的公路網(wǎng)拉動(dòng)了人們對(duì)汽車的消費(fèi)需求，同時(shí)也對(duì)乘坐舒適性也有了更高的要求，對(duì)汽車的總體性能也提出了更高的要求。汽車懸架是汽車上的關(guān)鍵部件，懸架的好壞直接影響到汽車的

24、行駛平順性、乘坐舒適性以及操縱穩(wěn)定性等多種使用性能。所以一直以來(lái)人們都非常關(guān)注于懸架的設(shè)計(jì)。汽車磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架系系統(tǒng)主要要由四個(gè)個(gè)部分組組成:傳感器器、控制制器、驅(qū)驅(qū)動(dòng)器和和執(zhí)行器器200。對(duì)對(duì)于汽車車磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架系系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)來(lái)說(shuō)，磁磁流變減減振器的的研制和和磁流變變懸架的的控制器器設(shè)計(jì)是是兩大關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)。目前前，由于于各項(xiàng)研研究均剛剛剛起步步，還有有許多問(wèn)問(wèn)題需要要更加深深入的研研究。而而控制器器的性能能好壞直直接體現(xiàn)現(xiàn)了整個(gè)個(gè)系統(tǒng)的的智能化化程度，它它對(duì)半主主動(dòng)懸架架的性能能發(fā)揮起起著非常常關(guān)鍵的的作用。磁磁流變半半主動(dòng)懸懸架具有有非線性性高階時(shí)時(shí)變的特特點(diǎn)，并并且由于于載

25、荷分分布，道道路情況況等多種種不確定定的因素素存在，由由于磁流流變阻尼尼器本身身還存在在飽和滯滯回、參參數(shù)一致致性和穩(wěn)穩(wěn)定性等等問(wèn)題，使使得控制制策略發(fā)發(fā)設(shè)計(jì)難難度大大大增加。目目前主要要采用經(jīng)經(jīng)典的半半主動(dòng)懸懸架控制制算法，忽忽略了阻阻尼器調(diào)調(diào)節(jié)方式式與控制制策略的的匹配問(wèn)問(wèn)題，通通常都是是以不變變的控制制模態(tài)去去面對(duì)復(fù)復(fù)雜多變變的車輛輛行駛工工況，所所以在實(shí)實(shí)際應(yīng)用用中，其其控制效效果與理理論預(yù)言言的效果果還有一一定的差差距，目目前的研研究主要要集中在在實(shí)驗(yàn)室室仿真階階段。在在保證車車輛操縱縱穩(wěn)定性性的前提提下，為為獲得更更加理想想的車輛輛控制效效果，對(duì)對(duì)汽車懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)的動(dòng)力力學(xué)特性性研

26、究和和振動(dòng)控控制研究究也非常常的重要要。綜上所述，研研究適合合于汽車車磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架的的控制策策略，使使其更加加智能化化實(shí)用化化，進(jìn)而而開(kāi)發(fā)出出具有自自主知識(shí)識(shí)產(chǎn)權(quán)的的智能懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)，降低低核心技技術(shù)對(duì)國(guó)國(guó)外汽車車技術(shù)的的依賴，從從而提高高我國(guó)汽汽車產(chǎn)品品的市場(chǎng)場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力力，這對(duì)對(duì)振興民民族汽車車工業(yè)具具有非常常重要的的現(xiàn)實(shí)意意義。1.6 本本文研究究的主要要內(nèi)容本課題是以以1/44汽車磁磁流變半半主動(dòng)懸懸架為研研究對(duì)象象。根據(jù)據(jù)磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架的的結(jié)構(gòu)特特點(diǎn)，選選取合適適控制參參數(shù)，建建立汽車車1/44磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架模模型，選選擇階躍躍信號(hào)作作為輸入入并在不不同的控控制算法法

27、下進(jìn)行行系統(tǒng)的的優(yōu)化。運(yùn)運(yùn)用 Mattlabb/Siimullinkk軟件設(shè)設(shè)計(jì)天棚棚阻尼控控制器、PID控制器、模糊控制器、模糊PID控制器，對(duì)1/4汽車磁流變半主動(dòng)懸架進(jìn)行建模仿真研究，并對(duì)其結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，驗(yàn)證控制算法的有效性。2.汽車懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)動(dòng)力學(xué)學(xué)模型的的建立及及分析2.1.汽汽車動(dòng)力力學(xué)發(fā)展展趨勢(shì)傳統(tǒng)的車輛輛動(dòng)力學(xué)學(xué)研究都都是針對(duì)對(duì)被動(dòng)元元件的設(shè)設(shè)計(jì)而言言，而采采用主動(dòng)動(dòng)控制來(lái)來(lái)改變車車輛動(dòng)態(tài)態(tài)性能的的理念，則則為車輛輛動(dòng)力學(xué)學(xué)開(kāi)辟了了一個(gè)嶄嶄新的研研究領(lǐng)域域。在車車輛系統(tǒng)統(tǒng)動(dòng)力學(xué)學(xué)研究中中，采用用“人一車車一路”大閉環(huán)環(huán)的概念念應(yīng)該是是未來(lái)的的趨勢(shì)。作作為駕駛駛者，人人既起

28、著著控制器器的作用用，又是是車輛性性能的最最終評(píng)價(jià)價(jià)者?？乜刂萍夹g(shù)術(shù)的應(yīng)用用，使得得車輛設(shè)設(shè)計(jì)的目目標(biāo)可以以是:力力求使車車輛系統(tǒng)統(tǒng)在各種種工況下下都能使使一種較較為駕駛駛者適應(yīng)應(yīng)的特性性。隨著著多體動(dòng)動(dòng)力學(xué)的的發(fā)展及及相應(yīng)軟軟件的開(kāi)開(kāi)發(fā)和日日益成熟熟，功能能強(qiáng)大的的計(jì)算機(jī)機(jī)軟件能能夠有效效地模擬擬復(fù)雜的的車輛模模型，使使得汽車車系統(tǒng)動(dòng)動(dòng)力學(xué)成成為汽車車CAEE技術(shù)的的重要組組成部分分，并逐逐漸朝著著與電子子和液壓壓控制、有有限元分分析等技技術(shù)集成成的方向向發(fā)展?？煽梢灶A(yù)見(jiàn)見(jiàn)，未來(lái)來(lái)的發(fā)展展將在車車輛主動(dòng)動(dòng)控制、車車輛多體體動(dòng)力學(xué)學(xué)和向“人一車車一路”閉環(huán)系系統(tǒng)的擴(kuò)擴(kuò)展等方方面有所所體現(xiàn)。2.

29、2 汽汽車懸架架系統(tǒng)的的評(píng)價(jià)指指標(biāo) 車車輛良好好的乘坐坐舒適性性和操縱縱穩(wěn)定性性是懸架架動(dòng)態(tài)性性能的兩兩個(gè)重要要評(píng)價(jià)指指標(biāo)，可可用簧載載質(zhì)量加加速度、懸懸架動(dòng)撓撓度和輪輪胎動(dòng)載載荷來(lái)進(jìn)進(jìn)行定量量評(píng)價(jià)。這這三個(gè)基基本參數(shù)數(shù)能夠基基本反映映懸架系系統(tǒng)的動(dòng)動(dòng)態(tài)性能能，故本本文選擇擇三者作作為控制制研究中中的懸架架性能評(píng)評(píng)價(jià)參數(shù)數(shù)，這些些參數(shù)實(shí)實(shí)際上代代表了懸懸架互相相沖突的的不同性性能要求求，具體體介紹如如下。2.2.11簧載質(zhì)質(zhì)量加速速度 目目前，評(píng)評(píng)價(jià)汽車車的乘座座舒適性性有很多多種方法法。其中中最常用用的一種種方法就就是來(lái)源源于 IISO226311，該標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是國(guó)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)會(huì)在綜合合大量

30、資資料的基基礎(chǔ)上提提出的，它它是在1180HHZ振動(dòng)動(dòng)頻率范范圍內(nèi)，用用頻率加加權(quán)加速速度的均均方根值值給出了了人體對(duì)對(duì)振動(dòng)反反應(yīng)的三三種不同同的感覺(jué)覺(jué)界限，即即:1.暴露界界限:人人體可承承受的振振動(dòng)量上上限，如如超過(guò)此此界限，可可能損害害人體健健康;2.疲勞工作降降低界限限:該指指標(biāo)與人人能保持持工作效效能有關(guān)關(guān)，在此此界限內(nèi)內(nèi)，人能能夠正常常駕駛及及操作;3.舒適性性降低界界限221:保持良良好感覺(jué)覺(jué)及舒適適性界限限。 對(duì)對(duì)于橋車車而言垂垂直加速速度很大大程度上上決定了了車輛行行駛平順順性品質(zhì)質(zhì)，加權(quán)權(quán)函數(shù)反反映出人人體對(duì)4412.5Hzz這個(gè)頻頻率最敏敏感，而而在48Hzz及2HHz以

31、下下的頻率率范圍內(nèi)內(nèi)，人的的內(nèi)臟器器官就會(huì)會(huì)產(chǎn)生共共振。而而對(duì)貨車車來(lái)說(shuō)，縱縱向加速速度對(duì)乘乘員的不不舒適程程度影響響較大。諸諸多評(píng)價(jià)價(jià)方法中中最簡(jiǎn)單單且應(yīng)用用最多的的方法就就是加速速度均方方根值評(píng)評(píng)價(jià)方法法。因此此，簧載載質(zhì)量加加速度戈戈是評(píng)價(jià)價(jià)汽車乘乘坐舒適適性的重重要指標(biāo)標(biāo)。 2.2.2懸架架動(dòng)撓度度 懸懸架動(dòng)撓撓度是車車輪與車車身的位位移之差差，其懸懸架動(dòng)行行程定義義為懸架架動(dòng)撓度度的方均均根值，XXs-XXu方均均根值，以以參數(shù)SSWSrrms表表示，用用于描述述相對(duì)于于靜平衡衡位置的的懸架位位移變化化程度。根根據(jù)隨即即路面高高斯分布布的假設(shè)設(shè)，對(duì)懸懸架動(dòng)行行程線性性系統(tǒng)而而言，其其

32、響應(yīng)也也應(yīng)該具具有高斯斯性質(zhì)，并并可用正正態(tài)分布布描述。XXs-XXu與限限位行程程應(yīng)適當(dāng)當(dāng)配合，否否則會(huì)導(dǎo)導(dǎo)致行駛駛中發(fā)生生限位塊塊碰撞，致致使車輛輛行駛平平順性變變差，并并且懸架架動(dòng)撓度度過(guò)大還還會(huì)對(duì)操操縱穩(wěn)定定性產(chǎn)生生不利影影響。懸懸架動(dòng)撓撓度是評(píng)評(píng)價(jià)汽車車行駛平平順的另另一主要要指標(biāo)。2.2.33輪胎動(dòng)動(dòng)載荷 輪輪胎動(dòng)載載荷是輪輪胎對(duì)路路面作用用力的動(dòng)動(dòng)載荷KKt(XXu-XXr)。輪輪胎動(dòng)載載荷參數(shù)數(shù)DTLLrmss是相對(duì)對(duì)于靜平平衡的輪輪胎載荷荷變化的的方均根根值，它它是衡量量輪胎附附著力的的一個(gè)指指標(biāo)。當(dāng)當(dāng)輪胎載載荷隨懸懸架運(yùn)動(dòng)動(dòng)而波動(dòng)動(dòng)時(shí)，由由于輪胎胎動(dòng)態(tài)延延遲機(jī)理理的影響響，

33、導(dǎo)致致了可用用的有效效橫向或或縱向力力減小。因因此，若若能保持持穩(wěn)定的的法向載載荷，則則可獲得得較大的的輪胎力力;若輪輪胎動(dòng)載載荷波動(dòng)動(dòng)增加，隨隨著輪胎胎跳動(dòng)的的加劇，輪輪胎抓地地能力將將隨之減減弱。當(dāng)當(dāng)動(dòng)載變變化的幅幅值大于于靜載時(shí)時(shí)，就會(huì)會(huì)出現(xiàn)輪輪胎法向向載荷小小于零的的情況，此此時(shí)車輪輪會(huì)跳離離地面，及及所謂的的“輪跳”現(xiàn)象，這這時(shí)汽車車行駛安安全性將將惡化22。因此此，輪胎胎動(dòng)載荷荷通常作作為評(píng)價(jià)價(jià)懸架行行駛安全全性的一一個(gè)重要要指標(biāo)。2.3 系系統(tǒng)的動(dòng)動(dòng)態(tài)性能能及評(píng)價(jià)價(jià)指標(biāo)為了評(píng)價(jià)線線性系統(tǒng)統(tǒng)的時(shí)域域性能指指標(biāo)，需需要研究究控制系系統(tǒng)在典典型輸入入信號(hào)作作用下的的時(shí)間響響應(yīng)過(guò)程程。通

34、常常在階躍躍函數(shù)作作用下，測(cè)測(cè)定或計(jì)計(jì)算系統(tǒng)統(tǒng)的動(dòng)態(tài)態(tài)性能。如如果系統(tǒng)統(tǒng)在階躍躍函數(shù)作作用下的的動(dòng)態(tài)性性能滿足足要求，那那么系統(tǒng)統(tǒng)在其他他形式的的函數(shù)作作用下，其其動(dòng)態(tài)性性能也是是令人滿滿意的23。設(shè)一般形式式的二階階系統(tǒng)傳傳遞函數(shù)數(shù)為 (2.11)令稱為系統(tǒng)統(tǒng)無(wú)阻尼尼自振頻頻率，則則有稱為為系統(tǒng)阻阻尼比，則則即： (2.2)此為二階系系統(tǒng)傳遞遞函數(shù)的的標(biāo)準(zhǔn)形形式。其其特征方方程為 (2.3)兩個(gè)極點(diǎn)說(shuō)說(shuō)明阻尼尼比取值不不同，二二階系統(tǒng)統(tǒng)極點(diǎn)也也不相同同。通常常希望系系統(tǒng)工作作在欠阻阻尼(00 1)狀狀態(tài)下，它它使系統(tǒng)統(tǒng)具有適適當(dāng)振蕩蕩性及較較短過(guò)渡渡過(guò)程。為為了便于于分析和和比較，假假定系統(tǒng)

35、統(tǒng)在單位位階躍輸輸入信號(hào)號(hào)作用前前處于靜靜止?fàn)顟B(tài)態(tài)，而且且輸出量量及其各各階導(dǎo)數(shù)數(shù)均等于于零。二二階系統(tǒng)統(tǒng)在欠阻阻尼工作作狀態(tài)下下的單位位階躍響響應(yīng) hh (tt)（如圖圖2.1所示）。圖2.1 單位階階躍響應(yīng)應(yīng)其動(dòng)態(tài)性能能指標(biāo)如如下： 延遲時(shí)時(shí)間Dtt指響應(yīng)應(yīng)曲線第第一次達(dá)達(dá)到其終終值一半半所需的的時(shí)間。 上升時(shí)時(shí)間Rtt指響應(yīng)應(yīng)從終值值10上上升到終終值900所需需的時(shí)間間；對(duì)于于有振蕩蕩的系統(tǒng)統(tǒng)，亦可可定義為為響應(yīng)從從零第一一次上升升到終值值所需的的時(shí)間。上上升時(shí)間間是系統(tǒng)統(tǒng)響應(yīng)速速度的一一種度量量。上升升時(shí)間越越短，響響應(yīng)速度度越快。 峰值時(shí)時(shí)間Ptt指響應(yīng)應(yīng)超過(guò)其其終值到到達(dá)第一一個(gè)

36、峰值值所需的的時(shí)間。對(duì)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)統(tǒng)超調(diào)量量所需時(shí)時(shí)間，也也是說(shuō)明明系統(tǒng)反反應(yīng)速度度的。 調(diào)節(jié)時(shí)時(shí)間Stt指響應(yīng)應(yīng)到達(dá)并并保持在在終值 55%（或或 2%）誤誤差內(nèi)所所需的最最短時(shí)間間。此時(shí)時(shí)間是說(shuō)說(shuō)明系統(tǒng)統(tǒng)慣性的的，反映映了系統(tǒng)統(tǒng)的反應(yīng)應(yīng)速度。 若h（tp）h（），則則響應(yīng)無(wú)無(wú)超調(diào)。它它是說(shuō)明明系統(tǒng)阻阻尼性即即振蕩性性的。阻阻尼大，振振蕩小，即即超調(diào)量量小，說(shuō)說(shuō)明系統(tǒng)統(tǒng)過(guò)渡過(guò)過(guò)程進(jìn)行行的平穩(wěn)穩(wěn)。上述五個(gè)動(dòng)動(dòng)態(tài)性能能指標(biāo)，基基本上可可以體現(xiàn)現(xiàn)系統(tǒng)動(dòng)動(dòng)態(tài)過(guò)程程的特征征。在實(shí)實(shí)際應(yīng)用用中，常常用的動(dòng)動(dòng)態(tài)性能能指標(biāo)多多為上升升時(shí)間、調(diào)調(diào)節(jié)時(shí)間間和超調(diào)調(diào)量。通通常，用用Rt或Pt評(píng)價(jià)價(jià)系統(tǒng)的的響應(yīng)速速度；

37、用用 %評(píng)價(jià)價(jià)系統(tǒng)的的阻尼程程度；而而St是同同時(shí)反映映響應(yīng)速速度和阻阻尼程度度的綜合合性指標(biāo)標(biāo)。2.4 汽汽車懸架架動(dòng)力學(xué)學(xué)模型研究者們?cè)谠谠O(shè)計(jì)汽汽車可控控懸架控控制律時(shí)時(shí)，采用用最為廣廣泛的的的模型是是1/44車輛模模型，此此模型只只有一個(gè)個(gè)車輪，是是車輛沿沿橫豎軸軸方向?qū)?duì)稱分割割后的任任意一個(gè)個(gè)角，它它基本能能反映評(píng)評(píng)價(jià)汽車車懸架性性能的一一些基本本參數(shù)的的特性:簧載質(zhì)質(zhì)量加速速度、懸懸架動(dòng)撓撓度與輪輪胎動(dòng)載載荷等，但但不能用用來(lái)研究究整車的的姿態(tài)控控制，但但，與復(fù)雜雜的整車車模型比比較，11/4單單輪車輛輛模型具具有以下下優(yōu)點(diǎn): 可以簡(jiǎn)簡(jiǎn)化系統(tǒng)統(tǒng)輸入； 容易理理解設(shè)計(jì)計(jì)與性能能之間的

38、的關(guān)系； 所涉及及的設(shè)計(jì)計(jì)參數(shù)和和性能參參數(shù)最少少244。因此，本文文選擇了了1/44汽車模模型作為為研究模模型，對(duì)對(duì)磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架控控制系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行研研究。2.4.11汽車懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)的簡(jiǎn)化化及建模模為了便于對(duì)對(duì)行駛動(dòng)動(dòng)力學(xué)模模型建立立的理解解，首先先從七自自由度整整車模型型開(kāi)始介介紹225，如如圖2.2所示。假假定車身身是一個(gè)個(gè)剛體，車車身、車車架及其其上的總總成構(gòu)成成了車輛輛的懸掛掛質(zhì)量mms:，車輪輪、車軸軸構(gòu)成了了非懸掛掛質(zhì)量mmu，Iy是懸懸掛質(zhì)量量ms繞通過(guò)過(guò)質(zhì)心的的橫軸yy的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣量。此此時(shí)車輛輛在水平平面做勻勻速直線線運(yùn)動(dòng)時(shí)時(shí)，車身身具有三三個(gè)自由由度。由由于四個(gè)個(gè)車輪

39、的的非懸掛掛質(zhì)量mmu有四個(gè)個(gè)自由度度，在此此基礎(chǔ)上上還要增增加一個(gè)個(gè)垂向自自由度，因因此，就就形成了了八自由由度的整整車系統(tǒng)統(tǒng)模型。圖2.2 簡(jiǎn)化的的汽車模模型當(dāng)車輛對(duì)稱稱于縱軸軸線且左左、右車車軸的不不平度函函數(shù)x(I)=y(II)時(shí)，此此時(shí)車身身沒(méi)有繞繞x軸的的角振動(dòng)動(dòng)，只有有垂直振振動(dòng)z和和繞y軸軸縱向角角振動(dòng)，這時(shí)時(shí)七自由由度模型型就簡(jiǎn)化化為四自自由度的的半車模模型，如如圖2.3所示示。圖2.3 簡(jiǎn)化的的1/22汽車模模型在動(dòng)力學(xué)等等效處理理中，車車輛振動(dòng)動(dòng)系統(tǒng)的的三個(gè)等等效質(zhì)量量必須滿滿足三個(gè)個(gè)力學(xué)條條件，即即把質(zhì)量量為mss，轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣量IIy的車身身分解為為前軸上上、后軸軸上及質(zhì)

40、質(zhì)心C上上的三個(gè)個(gè)集中質(zhì)質(zhì)量msf，msr及msc，這這里忽略略輪胎阻阻尼?？傎|(zhì)量不變變: （22.4）質(zhì)心位置不不變： （2.5）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不不變： （22.6）式中，a、bb分別為為車身質(zhì)質(zhì)量部分分的質(zhì)心心至前、后后軸的距距離，幾幾繞橫軸軸y的回回轉(zhuǎn)半徑徑。三個(gè)個(gè)集中質(zhì)質(zhì)量可由由公式(4.44)、(4.55)、(4.66)求得得: （22.7）其中，L為為前、后后軸軸距距。由上上述幾個(gè)個(gè)公式可可知，如如果，則則。為零零。這時(shí)時(shí)前、后后軸垂直直方向的的運(yùn)動(dòng)相相互獨(dú)立立，不產(chǎn)產(chǎn)生禍合合。通常常橋車的的車輛參參數(shù)大多多近似滿滿足這一一條件，且且msc很小小，說(shuō)明明橋車前前后部分分之間的的相互影影響

41、很小小，即禍禍合關(guān)系系很小。可可見(jiàn)，某某些情況況下四自自由度半半車模型型問(wèn)題可可進(jìn)一步步簡(jiǎn)化成成兩個(gè)子子問(wèn)題，即即:前懸架架決定mmsf質(zhì)量量快的運(yùn)運(yùn)動(dòng);后懸架架決定mmsr質(zhì)量量快的運(yùn)運(yùn)動(dòng)。而而輪距之之間任何何位置的的運(yùn)動(dòng)則則可由幾幾何關(guān)系系方便地地求出。因因此，每每個(gè)問(wèn)題題只需通通過(guò)一個(gè)個(gè)簡(jiǎn)單的的單輪車車輛模型型來(lái)研究究，即簡(jiǎn)簡(jiǎn)化后的的1/44車輛模模型，如如圖2.4所示。 圖2.4 1/44單輪車車輛兩自自由度的的汽車懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)的振動(dòng)動(dòng)模型在車輛可控控懸架控控制歸律律研究中中應(yīng)用得得最多的的和最基基本的模模型就是是1/44車輛模模型。11/4車車輛模型型的特點(diǎn)點(diǎn)是是車車輛橫豎豎分割后后

42、的任意意一個(gè)角角，它能能基本能能反映汽汽車懸架架中簧載載質(zhì)量加加速度、懸懸架動(dòng)撓撓度和輪輪胎動(dòng)載載荷這些些有關(guān)懸懸架性能能的基本本參數(shù)的的特性。根據(jù)圖2.4可以以建立動(dòng)動(dòng)力學(xué)方方程如下下: （22.8）其中，簧簧載質(zhì)量量和非簧簧載質(zhì)量量；，懸架彈彈簧剛度度和輪胎胎剛度；,路面位位移，簧簧載質(zhì)量量位移和和非簧載載質(zhì)量位位移；阻尼器器的阻尼尼系數(shù)。對(duì)(2.88)式進(jìn)進(jìn)行拉氏氏變換，可可得: (2.99)解方程組得得 （22.100） 其中由此可得，簧簧載質(zhì)量量振動(dòng)加加速度相相對(duì)于路路面輸入入的傳遞遞函數(shù)為為: （22.111）懸架動(dòng)撓度度相對(duì)于于路面輸輸入的傳傳遞函數(shù)數(shù)為: （2.12）輪胎動(dòng)載荷

43、荷相對(duì)于于路面輸輸入的傳傳遞函數(shù)數(shù)為 （22.133）本文選用的的某微型型車的懸懸架參數(shù)數(shù)如表11.1所示示 表1.11 某某微型車車懸架系系統(tǒng)的主主要參數(shù)數(shù)參數(shù)數(shù)值簧載質(zhì)量210 KKg非簧載質(zhì)量量30 Kgg彈簧剛度160000 N/m續(xù)表1.11 某微微型車懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)的主要要參數(shù)減震器阻尼尼系數(shù)200 NNs/mm輪胎剛度1600000 NN/m2.4.22 懸架架狀態(tài)方方程模型型的建立立根據(jù)懸架的的1/44汽車模模型建立立的汽車車磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架模模型如圖圖2.5所所示，由由于磁流流變減振振器的阻阻尼力由由庫(kù)倫阻阻尼力和和粘滯阻阻尼力兩兩部分組組成。假假設(shè)磁變變液的粘粘度系數(shù)數(shù)為

44、常數(shù)數(shù)，一旦旦減振器器的幾何何尺寸確確定，庫(kù)庫(kù)侖阻尼尼力只是是磁流變變液屈服服應(yīng)力的的函數(shù)，屈屈服應(yīng)力力受磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)度控控制，因因而可以以認(rèn)為庫(kù)庫(kù)侖阻尼尼力只是是勵(lì)磁電電流的函函數(shù)，而而這時(shí)的的粘滯阻阻尼力只只是活塞塞運(yùn)動(dòng)速速度的函函數(shù)，那那么磁流流變阻尼尼器的阻阻尼力可可表示為為: （22.144）式中，庫(kù)倫倫阻尼力力 (2.115)粘滯阻尼系系數(shù) (2.16)圖2.5 磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架11/4模模型根據(jù)2-55所示的的模型，可可以建立立汽車磁磁流變半半主動(dòng)懸懸架的動(dòng)動(dòng)力學(xué)方方程式如如下 (22.177)其中，簧簧載質(zhì)量量和非簧簧載質(zhì)量量；，懸架彈彈簧剛度度和輪胎胎剛度；,路面位位移，簧簧

45、載質(zhì)量量位移和和非簧載載質(zhì)量位位移；CCe FMR粘滯阻阻尼系數(shù)數(shù)和庫(kù)倫倫阻尼力力。由于系統(tǒng)具具有路面面激勵(lì)和和控制力力兩個(gè)輸輸入，因因此運(yùn)用用現(xiàn)代控控制理論論分析系系統(tǒng)響應(yīng)應(yīng)更為方方便。取取狀態(tài)變變量 (22.188)其中，系統(tǒng)統(tǒng)輸出變變量為 (22.199)其中，分別表表示簧載載質(zhì)量加加速度，懸懸架動(dòng)撓撓度、輪輪胎動(dòng)載載荷和非非簧載質(zhì)質(zhì)量速度度。方程程組（22.177）可改改寫(xiě)為 （22.200）其中，狀態(tài)態(tài)矩陣，輸入矩陣，輸出矩陣，直接傳遞矩矩陣，2.5 本本章小結(jié)結(jié)對(duì)車輛懸架架系統(tǒng)而而言，其其性能可可用簧載載質(zhì)量加加速度、懸懸架動(dòng)撓撓度與車車輪動(dòng)載載荷這三三個(gè)參數(shù)數(shù)作為評(píng)評(píng)價(jià)指標(biāo)標(biāo)。本

46、文文中的磁磁流變半半主動(dòng)懸懸架的控控制研究究，選擇擇了這三三個(gè)參數(shù)數(shù)來(lái)定量量評(píng)價(jià)懸懸架動(dòng)態(tài)態(tài)性能;選擇路路面輸入入為一理理想的階階躍響應(yīng)應(yīng);對(duì)汽汽車的振振動(dòng)系統(tǒng)統(tǒng)進(jìn)行了了合理的的簡(jiǎn)化，并并由此建建立了11/4車車輛懸架架的動(dòng)力力學(xué)模型型;運(yùn)用用現(xiàn)代控控制理論論，選取取合適的的狀態(tài)變變量，得得出了汽汽車懸架架系統(tǒng)的的數(shù)學(xué)模模型。3 磁流變變半主動(dòng)動(dòng)懸架控控制策略略仿真與與分析3.1 mmatllab簡(jiǎn)簡(jiǎn)介本文主要的的研究工工具是基基于數(shù)字字計(jì)算機(jī)機(jī)的MAAILAAB/ssimuulinnk仿真真軟件。MATLAB是目前世界上最常用的以數(shù)值計(jì)算為主的軟件，其圖形化仿真平臺(tái)Simulink能建立動(dòng)態(tài)

47、系統(tǒng)、仿真和分析，方便用戶不斷地完善設(shè)計(jì)。它的建模范圍很廣，對(duì)于任何可以用數(shù)學(xué)描述的系統(tǒng)進(jìn)行建模，還適用于實(shí)時(shí)控制，具有很強(qiáng)直觀性、實(shí)用性、靈活性。Simulink還具有如下優(yōu)點(diǎn)26:方便友好的界面環(huán)境、直觀的模塊化操作且允許自定義模塊、允許多種語(yǔ)言編程、豐富的可視功能、無(wú)縫使用相關(guān)分析工具、子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)利于復(fù)雜設(shè)計(jì)的管理等等。Simulink通過(guò)操作各個(gè)功能模塊進(jìn)行系統(tǒng)的構(gòu)建。功能模塊本質(zhì)是用圖形化方法封裝的各種函數(shù)，用戶只要知道這些模塊的輸入、輸出及功能，而不用知道其內(nèi)部的代碼實(shí)現(xiàn)，通過(guò)直觀、簡(jiǎn)潔的模塊連接來(lái)代替繁瑣的函數(shù)操作。simuhnk提供了如下一系列按功能分類的基本模塊庫(kù):連續(xù)模塊

48、庫(kù)(Coniinuous)、離散模塊庫(kù)(Diserete)、數(shù)學(xué)運(yùn)算模塊庫(kù)(Math)、輸入信號(hào)源模塊庫(kù)(Sources)、輸出模塊庫(kù)(Sinks)、端口與子系統(tǒng)模塊庫(kù)(ports&Subsystems)、用戶自定義模塊庫(kù)(Use Defined Functions)等，這些大部分也是本文仿真需要用到的模塊庫(kù)。其中，自定義模塊庫(kù)可以實(shí)現(xiàn)simuhnk的功能擴(kuò)展，用戶可以根據(jù)需要通過(guò)語(yǔ)言編程建立獨(dú)特的功能模塊，并被調(diào)用。在simuulinnk構(gòu)建建好仿真真對(duì)象后后，仿真真參數(shù)的的設(shè)置非非常重要要，必須須合理的的設(shè)置仿仿真時(shí)間間和仿真真步長(zhǎng)、選選擇解法法器的類類型等，不不同的解解法器具具有不同同的

49、使用用范圍和和數(shù)值精精度。運(yùn)運(yùn)行仿真真結(jié)束后后，可對(duì)對(duì)輸出模模塊如示示波器的的可視化化結(jié)果及及各狀態(tài)態(tài)變量進(jìn)進(jìn)行分析析，并進(jìn)進(jìn)一步修修正或調(diào)調(diào)整。3.2天棚棚阻尼控控制3.2.11天棚阻阻尼控制制器模型型天棚阻尼控控制 (ShyyhoookCoontrrol)是由在在19774年Karrnoppp等人人在提出出的一種種經(jīng)典的的汽車懸懸架控制制方法。它它的特點(diǎn)點(diǎn)在于其其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)簡(jiǎn)單、車車本低廉廉，因此此在懸架架半主動(dòng)動(dòng)控制研研究中得得到了最最為廣泛泛的應(yīng)用用，甚至至在一些些商業(yè)車車型中也也得到了了一定程程度的應(yīng)應(yīng)用。在在許多參參考文獻(xiàn)獻(xiàn)中，研研究者們們常常把把天棚阻阻尼控制制作為新新控制算算法的比

50、比較對(duì)象象。天棚棚阻尼控控制的理理想動(dòng)力力學(xué)模型型如圖33.1所示，它它假設(shè)將將減振器器安裝在在簧載質(zhì)質(zhì)量m;與虛擬擬的慣性性空間SSky之之間，理理想天棚棚阻尼力力為： （33.1）式中的為天天棚阻尼尼系數(shù)。圖3.1 天棚阻阻尼控制制模型根據(jù)圖3.1建立立天棚阻阻尼理想想模型的的動(dòng)力學(xué)學(xué)方程： （33.2）式中的各個(gè)個(gè)系數(shù)如如下： ：簧載質(zhì)質(zhì)量；：非簧載載質(zhì)量； ：懸架彈彈簧剛度度； ：輪胎剛剛度 ：路面位位移；：彈簧質(zhì)質(zhì)量位移移； ：非彈簧簧質(zhì)量位位移；對(duì)式3.22進(jìn)行拉拉式變換換得到如如下關(guān)系系式: (3.33)解方程得： （33.4）由式（3.3）得得輪胎著著地性傳傳遞函數(shù)數(shù)為： （3

51、3.5）平順性傳遞遞函數(shù)為為： （33.6）為使懸架達(dá)達(dá)到理想想的操縱縱穩(wěn)定性性，要使使輪胎在在各種情情況下都都能抓緊緊地面，而而理想的的平順性性則期望望車身盡盡量保持持靜止。通通過(guò)改變變Cskky的值值從而改改變輪胎胎的著地地性和平平順性。3.2.22 天棚棚阻尼控控制算法法的實(shí)現(xiàn)現(xiàn) 圖圖 3.1 所所示的磁磁流變半半主動(dòng)懸懸架系統(tǒng)統(tǒng)中簧載載質(zhì)量和和非簧載載質(zhì)量之之間半主主動(dòng)控制制的阻尼尼力是可可以變化化的，根根據(jù)天棚棚阻尼等等效的原原則，減減振器的的庫(kù)侖阻阻尼力應(yīng)應(yīng)該盡量量滿足FFMR=FFs。假設(shè)簧載質(zhì)質(zhì)量對(duì)非非簧載質(zhì)質(zhì)量的相相對(duì)速度度 ()在兩者者分開(kāi)時(shí)時(shí)為正，簧簧載質(zhì)量量的速度度向上

52、為為正。下下面討論論磁流變變阻尼器器能否提提供等效效的天棚棚阻尼力力：當(dāng) ( )0且時(shí)，阻阻尼器受受拉伸，它它施加到到簧載質(zhì)質(zhì)量上的的力是向向下的，與與速度的的方向相相反，但但與天棚棚阻尼力力同向，所所以可以以改變勵(lì)勵(lì)磁電流流大小來(lái)來(lái)使FMMR=FFs。當(dāng) ( )0且時(shí)，阻阻尼器受受拉伸，它它施加到到簧載質(zhì)質(zhì)量上的的力是向向下的，與與速度的的方向相相同，但但與天棚棚阻尼力力反向，實(shí)實(shí)際中為為了盡可可能減小小差異，只只有取FFMR=00。分析其他兩兩種工況況也可得得到以上上的結(jié)論論。由于于，歸納納起來(lái)，其其取值可可用下面面的式子子： （33.7）3.3 模模糊控制制汽車懸架系系統(tǒng)是一一個(gè)非常常復(fù)

53、雜的的非線性性動(dòng)力學(xué)學(xué)系統(tǒng)，且且存在復(fù)復(fù)雜性、非非線性、時(shí)時(shí)變性、不不確定性性和不完完全性等等不利因因素，因因此難以以建立精精確的模模型。二二十世紀(jì)紀(jì)七十年年代末，一一些學(xué)者者逐步開(kāi)開(kāi)始了智智能控制制理論的的研究，人人們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)，一個(gè)個(gè)復(fù)雜的的控制系系統(tǒng)可由由操作人人員憑著著豐富的的經(jīng)驗(yàn)得得到滿意意的控制制效果。這這說(shuō)明，如如果通過(guò)過(guò)模擬人人腦的思思維方法法來(lái)設(shè)計(jì)計(jì)控制器器，可實(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜雜系統(tǒng)的的控制，由由此產(chǎn)生生了模糊糊控制。在在模糊控控制算法法中，我我們用“負(fù)負(fù)大”、“負(fù)負(fù)中”、“負(fù)負(fù)小”、“零零”、“正正大”、“正正中”、“正正小”七七個(gè)模糊糊語(yǔ)言來(lái)來(lái)對(duì)輸入入輸出變變量進(jìn)行行描述，模模糊推

54、理理規(guī)則采采用條件件語(yǔ)句來(lái)來(lái)描述，按按模糊推推理合成成規(guī)則計(jì)計(jì)算控制制量。它它具有很很強(qiáng)的魯魯棒性，適適用于存存在非線線性、強(qiáng)強(qiáng)禍合、時(shí)時(shí)變性和和大遲滯滯的復(fù)雜雜系統(tǒng)，也也適合難難以建立立精確數(shù)數(shù)學(xué)模型型的非線線性系統(tǒng)統(tǒng)，因此此被廣泛泛地應(yīng)用用于汽車車懸架系系統(tǒng)的控控制研究究中。3.3.11模糊控控制的原原理 模模糊控制制 (FFuzzzy CConttroll)是以以模糊集集理論、模模糊語(yǔ)言言變量和和模糊邏邏輯推理理為基礎(chǔ)礎(chǔ)的一種種智能控控制方法法，其基基本原理理框圖如如圖3.2所示示。它從從行為上上模仿人人的模糊糊推理和和決策過(guò)過(guò)程。它它的核心心部分為為，如圖圖中點(diǎn)畫(huà)畫(huà)線中部部分為模模糊控

55、制制器，它它是模糊糊控制的的核心，其其控制規(guī)規(guī)律由計(jì)計(jì)算機(jī)的的程序?qū)崒?shí)現(xiàn)。模模糊控制制器的組組成如圖圖3.3所所示。下面簡(jiǎn)單介介紹實(shí)現(xiàn)現(xiàn)模糊控控制算法法的過(guò)程程:微機(jī)機(jī)經(jīng)中斷斷采樣獲獲取被控控制量的的精確值值，然后后將此量量與給定定比較得得到誤差差信號(hào)EE，將其其作為模模糊控制制器的一一個(gè)輸入入量。把把誤差EE的精確確量進(jìn)行行模糊化化變成模模糊量。誤誤差信號(hào)號(hào)E的模模糊量可可用相應(yīng)應(yīng)的模糊糊語(yǔ)言來(lái)來(lái)描述，得得到誤差差E的模模糊語(yǔ)言言集合的的一個(gè)子子集e(e是一一個(gè)模糊糊矢量)，再根根據(jù)推理理的合成成規(guī)則進(jìn)進(jìn)行模糊糊決策，由由e和模模糊關(guān)系系R得出出模糊控控制量uu，即 （33.8）圖3.2 模

56、糊控控制原理理圖圖3.3 模糊控控制控制制器的組組成框圖圖3.3.22模糊控控制器的的設(shè)計(jì)針對(duì)圖3.2所示示的模糊糊控制原原理圖，設(shè)設(shè)計(jì)一個(gè)個(gè)模糊控控制系統(tǒng)統(tǒng)，系統(tǒng)統(tǒng)框圖如如圖3.4 所所示。系系統(tǒng)中的的模糊控控制器是是一個(gè)常常規(guī)的雙雙輸入單單輸出二二維模糊糊控制器器。圖3.4 懸架系系統(tǒng)的模模糊控制制框圖 輸入輸輸出變量量的選取取本文選擇輸輸入變量量E和EC分別別為簧載載質(zhì)量速速度和簧簧載質(zhì)量量加速度度，輸出出變量UU為磁流流變減振振器產(chǎn)生生的阻尼尼力Fdd。本文文依據(jù)磁磁流變半半主動(dòng)懸懸架的特特點(diǎn)，對(duì)對(duì)模糊控控制器的的輸入以以及輸出出均取77個(gè)語(yǔ)言言值，即即輸入和和輸出均均為負(fù)大大、負(fù)中中

57、、負(fù)小小、零、正正小、正正中、正正大，可可表示為為: (3.99)輸入變量EE、ECC及輸出出變量UU的七個(gè)個(gè)模糊語(yǔ)語(yǔ)言值NB，NNM，NNS，ZZ，PSS，PMM，PBB的隸隸屬函數(shù)數(shù)均為三三角型，其其隸屬函函數(shù)如下下: （33.100） 量化因因子與比比例因子子設(shè)誤差的基基本論域域?yàn)?e ee，誤誤差所取取的模糊糊集合的的論域?yàn)闉閄=-n，-n+11，o，11，n-1，nn ee是表征征誤差大大小的精精確量，nn是誤差差離散化化后分成成的檔數(shù)數(shù)，它構(gòu)構(gòu)成論域域X的元元素，一一般常取取n=66或7。在在實(shí)際的的控制系系統(tǒng)中需需要通過(guò)過(guò)量化因因子進(jìn)行行論域變變換。其其中量化化因子kke定義義為

58、: (3.111) 當(dāng)量化因子子確定后后，系統(tǒng)統(tǒng)的任何何誤差總總可以量量化到論論域X上的某某一個(gè)元元素。而而一旦選選定基本本論域-e e的的量化等等級(jí)數(shù)nn后，量量化因子子ke值大小小可使基基本論域域-ee e發(fā)生不不同程度度的放大大或縮小小，即:當(dāng)ke縮小時(shí)時(shí)，基本本論域-e e放放大;當(dāng)ke增大時(shí)時(shí)，基本本論域-e e縮縮小，從從而改善善了模糊糊控制中中誤差的的控制精精度。同理，誤差差變化率率的基本本論域-ecc ecc，若若整數(shù)論論域Y=-mm，-m+1，0，1，m-11，m的量量化檔數(shù)數(shù)m一旦確確定后，則則誤差變變化率eec的量量化因子子kec可定定義為： (3.12)這時(shí)，在改改變基

59、本本論域和和控制精精度方面面，量化化因子kke。具具有與kke完全相相同的特特性。對(duì)對(duì)于系統(tǒng)統(tǒng)輸出量量u，與與定義量量化因子子的方法法類似，比比例因子子ku可表示示為: (33.133)其中，-u uu為控制量量增量的的基本論論域，1為基本論論域-u uu的量量化檔數(shù)數(shù)；e、ec為u的基本本論域，其其范圍均均為-1 11；當(dāng)kec的取取值較小小時(shí)，超超調(diào)量會(huì)會(huì)隨之減減小，但但系統(tǒng)的的響應(yīng)時(shí)時(shí)間延長(zhǎng)長(zhǎng);而當(dāng)ke的取值值比較大大時(shí)，系系統(tǒng)的超超調(diào)將增增大，過(guò)過(guò)渡時(shí)間間變長(zhǎng)。同同樣，比比例因子子ku的選取取大小直直接影響響著模糊糊控制系系統(tǒng)中整整個(gè)回路路的增益益，一般般選取比比較大的的ku值，這這時(shí)

60、系統(tǒng)統(tǒng)響應(yīng)速速度快，且且不會(huì)造造成系統(tǒng)統(tǒng)不穩(wěn)定定277。因此，在在設(shè)計(jì)模模糊控制制器時(shí)，應(yīng)應(yīng)合理選選擇模糊糊控制器器中輸入入變量的的量化因因子ke和kec。以以及輸出出控制量量的比例例因子kku。 模糊規(guī)規(guī)則的設(shè)設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)規(guī)則集形形式為：其中，得出模模糊規(guī)則則共499條，本文根根據(jù)懸架架的動(dòng)力力學(xué)分析析，以及及已有文文獻(xiàn)228得得出初步步的模糊糊控制規(guī)規(guī)則集，然然后根據(jù)據(jù)仿真的的結(jié)果進(jìn)進(jìn)行多輪輪調(diào)整后后最終確確定。設(shè)設(shè)計(jì)和調(diào)調(diào)整模糊糊控制規(guī)規(guī)則集的的準(zhǔn)則是是:簧載質(zhì)質(zhì)量加速速度和懸懸架動(dòng)撓撓度的幅幅值盡量量的小，并并確保輪輪胎動(dòng)載載荷在給給定的范范圍內(nèi)，以以使懸架架性能相相對(duì)最優(yōu)優(yōu)。經(jīng)過(guò)過(guò)