懸架系統(tǒng)汽車設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

第37頁共36頁1緒論隨著社會的發(fā)展和文明的進步，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。汽車作為高速客運載體，其運行品質(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)的轎車動力學性能的研究就顯得非常重要。懸架系統(tǒng)汽車的一個重要組成部分，它連接車身與車輪，主要由彈簧、減震器和導(dǎo)向機構(gòu)三部分組成。它能緩沖和吸收來自車輪的振動，傳遞車輪與地面的驅(qū)動力與制動力，還能在汽車轉(zhuǎn)向時承受來自車身的側(cè)傾力，在汽車啟動和制動時抑制車身的俯仰和點頭。懸架系統(tǒng)是提高車輛平順性和操作穩(wěn)定性、減少動載荷引起零部件損壞的關(guān)鍵。一個好的懸架系統(tǒng)不僅要能改善汽車的舒適性，同時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、設(shè)計新型汽車懸架系統(tǒng)、將振動控制在最低水平是提高現(xiàn)代汽車性能的重要措施[1][2]。 1.1車輛懸架系統(tǒng)的分類及發(fā)展按工作原理不同，懸架可分為被動懸架(PassiveSuspension)、半主動懸架(Semi-ActiveSuspension)和主動懸架(ActiveSuspension)三種，如圖1.1所示[3]。（a）被動懸架(b)全主動懸架(c)半主動懸架圖1.1懸架的分類圖1.1中Mu為非簧載質(zhì)，Ms為簧載質(zhì)量，Ks為懸架剛度，Kt為輪胎剛度；C1為被動懸架阻尼，C2為半主動懸架可變阻尼，F(xiàn)為主動懸架作動力。目前我國車輛主要還是采用被動懸架(PassiveSuspension)。其兩自由度系統(tǒng)模型如圖1.1(a)所示。傳統(tǒng)的被動懸架一般由參數(shù)固定的彈簧和減振器組成，其彈簧的彈性特性和減振器的阻尼特性不能隨著車輛運行工況的變化而進行調(diào)節(jié)，而且各元件在工作時不消耗外界能源，故稱為被動懸架。它的結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，經(jīng)過不斷改進，現(xiàn)在發(fā)展的已比較成熟。然而，汽車在行駛過程中，其平順性和操縱穩(wěn)定性對懸架參數(shù)的要求是不同的，要想同時兼顧兩者是很困難的，即使經(jīng)過優(yōu)化，也只能使它在特定的車速和路面下才能達到最佳。所以，懸架的特性參數(shù)一經(jīng)選定，就無法隨汽車運行的工況和激勵的變化而進行調(diào)節(jié)，故其減振性能的進一步提高也就會受到限制。為了克服被動懸架存在的缺點，人們嘗試了很多方法，如采用非線性變剛度彈簧，雖然取得了一定的效果，但是仍不能從根本上消除上述的缺陷。改善懸架性能的根本出發(fā)點在于改善懸架對車輪和車身的作用，這可以從改變懸架剛度或阻尼或同時改變兩者入手.于是主動、半主動懸架的研究就逐步開始了。1954年，GM公司Erspie.Labrose在懸架設(shè)計中首先提出主動懸架的思想[3]。主動懸架的基本原理是用可調(diào)剛度的彈簧或可調(diào)阻尼的減振器組成的懸架系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用有源或無源可控制的元件組成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，它可以根據(jù)車輛預(yù)測的激勵和簧載質(zhì)量的加速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧和可調(diào)阻尼器的參數(shù)，以抑制車體的運動，使懸架始終處于最優(yōu)減振狀態(tài)。主動懸架的特點就是能夠根據(jù)外界的輸入或車輛本身狀態(tài)的變化進行動態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)。這種懸架系統(tǒng)為在根本上改善汽車懸架系統(tǒng)的性能，提供了一條嶄新的途徑。圖1.1(b)為兩自由度全主動懸架系統(tǒng)(FullyActiveSuspension)。該系統(tǒng)是由Federspiel.labrosse在1975年發(fā)明的[4]。它主要由一個可控的電液作動器組成。作動器相當于一個力發(fā)生器，可根據(jù)車身質(zhì)量的速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生作用力。它可替代被動懸架中的彈簧和減振器，可以任意變更剛度以及阻尼系數(shù)。全主動懸架的最大優(yōu)點是具有高度的自適應(yīng)性，可很好地滿足不同環(huán)境的要求(如不同道路條件和行駛速度等)。這種裝置所要求的控制目標是實現(xiàn)一個最佳的隔振系統(tǒng)，而且不需要對系統(tǒng)作較大的改變.另外又因為該懸架系統(tǒng)還能控制車輪的頻率范圍(10～15Hz)，因其響應(yīng)特性很快，所以又把該懸架系統(tǒng)稱為“快”主動系統(tǒng)。這種系統(tǒng)功率消耗很大，一般達到l0Kw左右，另外傳感器的需用量也很多(如行程傳感器、加速度傳感器、力傳感器及某種情況下的壓力傳感器等)。因而盡管全主動懸架的性能非常優(yōu)越，但由于它的結(jié)構(gòu)相當復(fù)雜，而且造價也較為昂貴，一般僅限于在豪華轎車和客車上使用，所以其應(yīng)用范圍較小[5]。與主動懸架相比，半主動懸架沒有力發(fā)生器，它通過調(diào)節(jié)減振器的液力阻力，改善懸架的振動特性，圖1.1(c)為兩自由度半主動懸架（Semi-ActiveSuspension）。半主動懸架研究始于1974年美國加州大學戴維斯分校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)量的相對位移等反饋信號，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懸架。但由于半主動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懸架。其中半主動懸架又可以分為阻尼有級可調(diào)(On-Off)和阻尼連續(xù)可調(diào)（Contimuous）兩種類型。阻尼可調(diào)減振器主要有兩種：一種是機械式可變阻尼減振器，一般通過電磁閥或步進電機進行有級或無級調(diào)節(jié)截流孔的開口，改變通流面積來調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)。該方法成本較高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)快，不易實現(xiàn)細微調(diào)節(jié)；另一種是通過改變減振器的粘性調(diào)節(jié)阻尼。通過使用粘性連續(xù)可控得新型減振液（如磁流變液、電流變液）來實現(xiàn)阻尼連續(xù)變化，結(jié)構(gòu)簡單、制造成本不高、無液壓閥的振動沖擊和噪聲的特點。電流變液依靠施加一個高壓電場來產(chǎn)生電流變效應(yīng)，電流變液對電場反應(yīng)迅速，但是在屈服應(yīng)力、溫度范圍、塑性粘度和穩(wěn)定性等方面，磁流變液強于同類電流變液。從以上分析可以看出，全主動/半主動懸架的性能明顯優(yōu)于被動懸架，而阻尼連續(xù)可調(diào)的磁流變減振器半主動懸架由于結(jié)構(gòu)簡單，可靠性較高，在工作中消耗能量很小，控制易于實現(xiàn)，性能指標與全主動懸架相近，因此受到車輛工程界的廣泛重視，應(yīng)用前景將更為廣泛。1.2磁流變液和磁流變效應(yīng)磁流變液(MagnetorheOI。giCalFluid，簡稱MRF)是1948年由美國學者RabinowJ發(fā)明的一種流變性能可隨外界磁場改變而改變的智能材料。它由磁性微粒、基液及穩(wěn)定劑三部分組成。通常磁性微粒的粒徑在1～10微米范圍內(nèi)，一般采用鐵、鈷、鎳等磁性材料[7]，它是使液體獲得磁流變效應(yīng)的主要成分;基液是作為磁性微粒的載液，要求具有良好的阻燃性和溫度穩(wěn)定性，還應(yīng)保證不會發(fā)生腐蝕和污染作用;而穩(wěn)定劑是改善磁流變液的沉降穩(wěn)定性和凝聚穩(wěn)定性，通常穩(wěn)定劑具有特殊的分子結(jié)構(gòu):一端對磁性顆粒界面能夠產(chǎn)生高度的親和力，吸附于磁性顆粒表面，而另一端是極易分散于載液中的具有適當長度的彈性基團。一般采用氧化硅膠添加劑或其他表面活化劑。磁流變液的流變效應(yīng)目前還沒有完全成熟明確的理論，通過顯微鏡可以觀察到:在沒有施加磁場的情況下，磁性顆粒是雜亂無章分布的。而一旦施加磁場后，磁性微粒沿磁場方向呈鏈或鏈束狀排列，在磁極之間形成粒子鏈阻礙流體的正常流動，使流體成為一種具有一定剪切屈服強度的粘塑性體，如圖1.2所示。（a）不加磁場時（b）加磁場時圖1.2磁流變效應(yīng)示意圖當沒有磁場作用時，磁性粒子懸浮于基液中呈現(xiàn)出隨機分布狀態(tài)。而施加磁場作用后，粒子表面出現(xiàn)極化現(xiàn)象，形成磁偶極子。磁偶極子在克服熱運動的作用下沿著磁場方向結(jié)成鏈狀結(jié)構(gòu)。極化鏈中各個相鄰粒子之間的吸引力隨外加磁場強度的增加而增加。當磁場強度增至臨界值時，磁偶極子相互作用超過熱運動，使粒子熱運動受阻，此時磁流變液呈現(xiàn)固體狀態(tài)，相鄰粒子間的吸引力也達到最大。磁流變液的屈服應(yīng)力也是隨外加磁場強度的增加而增加的，但當達到某一飽和值后，如果再增加磁場強度，屈服應(yīng)力不再增加，這時就達到了飽和磁場下的J態(tài)屈服應(yīng)力[8][9][10]。磁流變效應(yīng)是磁流變液走向工程應(yīng)用的基礎(chǔ)，那么具有良好性能的磁流變液應(yīng)滿足的以下幾點要求:①磁場作用下有較高的屈服應(yīng)力;②零場作用時具有較低的勃度;③較寬的工作溫度范圍;④長期的沉降穩(wěn)定性和凝聚穩(wěn)定性;⑤較好的化學穩(wěn)定性;⑥響應(yīng)時間短;⑦與密封元件不發(fā)生化學作用。1.3磁流變減振器工作原理磁流變減振器利用磁流變液的流變特性可受外加磁場控制的特性，實現(xiàn)減振器阻尼系數(shù)的可控，從而實現(xiàn)阻尼力的控制。(a)流動模式(b)剪切模式圖1.3磁流變液減振器的工作模式汽車磁流變減振器的工作原理一般都基于兩種工作模式:剪切模式和流動模式[11](見圖1.3)在流動模式中磁流變液位于兩個相對靜止的極板之間，磁流變液流經(jīng)阻尼通道所產(chǎn)生的壓力差受外界磁場控制的，從而推動磁流變液流動的活塞所受到的阻尼力就受外界磁場控制;在剪切模式中，磁流變液位于兩相對運動的極板之間，外加磁場方向垂直于極板的相對運動方向，磁場強度受控制系統(tǒng)控制，由于不同的磁場可以使磁流變液產(chǎn)生不同的剪切屈服應(yīng)力，從而極板之間相對運動所產(chǎn)生的阻力就受到了磁場的控制。將剪切模式和流動模式融為一體就形成混合工作模式，對于這種模式，活塞的移動引起磁流變液的流動與剪切，但由于流動引起的阻尼力比剪切引起的阻尼力大得多，所以只按流動模式計算阻尼力。1.4汽車懸架控制策略簡述關(guān)于車輛懸架系統(tǒng)的振動控制研究與開發(fā)是控制領(lǐng)域和車輛動力學領(lǐng)域研究的國際前沿課題。隨著現(xiàn)代控制理論的不斷深入發(fā)展，有關(guān)汽車半主動懸架的控制策略也是越來越多。自上世紀七十年代以來，典型的控制方法有天棚阻尼控制、PID控制、模糊控制、魯棒控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等等。天棚阻尼控制是karnopp提出的一種關(guān)于半主動懸架的控制方法，這是最早提出的一種懸架控制方法，它提出了用開關(guān)控制實現(xiàn)近似于理想的“天棚”阻尼的半主動控制方法[12]。實現(xiàn)該策略所需的測試儀器較少且控制的算法簡單，使得對這種算法的研究最多，也是應(yīng)用最廣的。但是純粹的天棚阻尼控制策略只是提高了車輛行駛的舒適性，操縱穩(wěn)定性卻沒有改善，所以目前的研究重點是改進型的天棚阻尼控制。經(jīng)典的PID控制只需要對調(diào)節(jié)參數(shù)根據(jù)經(jīng)驗進行在線調(diào)整，不需要精確數(shù)學模型就可以得到比較滿意的結(jié)果，雖然它簡單容易實現(xiàn)，但是被控對象對參數(shù)的變化很敏感，模糊PID控制是該策略的研究方向[13]。最優(yōu)控制包含最優(yōu)預(yù)瞄控制、H∞控制和線性最優(yōu)控制。最優(yōu)控制可以改善汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，但是它只能對理想的參數(shù)模型實現(xiàn)最佳性能[14]。當汽車參數(shù)發(fā)生變化到一定程度時，性能將不再最優(yōu)甚至惡化，系統(tǒng)將變得不穩(wěn)定，因此它在半主動懸架的控制中用得比較少。模糊控制無需精確的數(shù)學模型就可實現(xiàn)控制，對于半主動懸架這樣復(fù)雜的非線性系統(tǒng)很有利，此外它能減少控制器存儲，從而降低成本縮短控制對象的延時，提高懸架的可靠性[15]。雖然如此，它的自適應(yīng)能力較差，控制精度不高。自適應(yīng)控制可以分為模型參考自適應(yīng)控制和自校正自適應(yīng)控制兩類。它可進行參數(shù)識別，使其適應(yīng)懸架載荷和參數(shù)的變化，自動在線調(diào)整控制參數(shù)，從而降低汽車懸架控制系統(tǒng)的不確定性，確保性能最優(yōu)[16]。但是該算法比較復(fù)雜，因此對系統(tǒng)的要求高，還存在某些參數(shù)具有時變性的缺點。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一個高度并行的非線性動力系統(tǒng)，它由大量的處理單元組成，具有可學習性和巨量并行性的特點，在車輛懸架系統(tǒng)的振動控制中應(yīng)用前景良好[17]。于規(guī)則的知識需要長時間的訓練，因此它需要和其他的控制方法結(jié)合使用才能發(fā)揮更大的效用。對于魯棒控制的H∞控制來說，它能夠?qū)囕v的懸架系統(tǒng)的車身振動模態(tài)、減振器阻尼系統(tǒng)、懸架動撓度、輪胎剛度和車身質(zhì)量等具有很強的魯棒性，改善懸架性能[18]。綜上所述，隨著現(xiàn)代控制理論的不斷發(fā)展，使得越來越多的現(xiàn)代控制方法運用于半主動懸架的控制中，但是每種單一的控制方法總存在其不足。所以，研究復(fù)合控制策略成了對半主動懸架進行控制的主流方向?，F(xiàn)代控制理論的不斷進步也將促進對半主動懸架振動控制系統(tǒng)的研究。1.5汽車懸架系統(tǒng)控制策略研究的意義近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的飛速增長，高速公路網(wǎng)大量新建，人們對交通的需求越來越高，這使得我國的汽車工業(yè)迅速發(fā)展，隨之汽車保有量和總產(chǎn)量也增長迅速。據(jù)國家統(tǒng)計局網(wǎng)站在2011年3月4日公布的“十一五”經(jīng)濟社會發(fā)展成就系列報告顯示，“十一五”期間，交通運輸業(yè)成就卓著，高速公路里程達到7.41萬公里，居世界第二位。國家高速公路網(wǎng)主骨架預(yù)計“十二五”末將基本建成，屆時，中國高速公路通車總里程將有望達10萬公里，超過美國躍居世界第一。此外交通部表示，到20巧年，農(nóng)村公路總里程達390萬公里，實現(xiàn)所有鄉(xiāng)鎮(zhèn)和90%的建制村通班車。截至2010年底，全國公路網(wǎng)總里程已達到398.4萬公里，5年增加了6.9萬公里。2007年底，“五縱七橫”12條國道主干線提前13年全部建成，西部開發(fā)8條省際通道基本貫通，全國公路網(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，我國機動車保有量達到2.11億輛，2010年全國新增機動車2048萬輛、駕駛?cè)?317萬，有20個城市的機動車保有量超過100萬輛[19]。迅速發(fā)展的公路網(wǎng)拉動了人們對汽車的消費需求，同時也對乘坐舒適性也有了更高的要求，對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。所以一直以來人們都非常關(guān)注于懸架的設(shè)計。汽車磁流變半主動懸架系統(tǒng)主要由四個部分組成:傳感器、控制器、驅(qū)動器和執(zhí)行器[20]。對于汽車磁流變半主動懸架系統(tǒng)設(shè)計來說，磁流變減振器的研制和磁流變懸架的控制器設(shè)計是兩大關(guān)鍵技術(shù)。目前，由于各項研究均剛剛起步，還有許多問題需要更加深入的研究。而控制器的性能好壞直接體現(xiàn)了整個系統(tǒng)的智能化程度，它對半主動懸架的性能發(fā)揮起著非常關(guān)鍵的作用。磁流變半主動懸架具有非線性高階時變的特點，并且由于載荷分布，道路情況等多種不確定的因素存在，由于磁流變阻尼器本身還存在飽和滯回、參數(shù)一致性和穩(wěn)定性等問題，使得控制策略發(fā)設(shè)計難度大大增加。目前主要采用經(jīng)典的半主動懸架控制算法，忽略了阻尼器調(diào)節(jié)方式與控制策略的匹配問題，通常都是以不變的控制模態(tài)去面對復(fù)雜多變的車輛行駛工況，所以在實際應(yīng)用中，其控制效果與理論預(yù)言的效果還有一定的差距，目前的研究主要集中在實驗室仿真階段。在保證車輛操縱穩(wěn)定性的前提下，為獲得更加理想的車輛控制效果，對汽車懸架系統(tǒng)的動力學特性研究和振動控制研究也非常的重要。綜上所述，研究適合于汽車磁流變半主動懸架的控制策略，使其更加智能化實用化，進而開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的智能懸架系統(tǒng)，降低核心技術(shù)對國外汽車技術(shù)的依賴，從而提高我國汽車產(chǎn)品的市場競爭力，這對振興民族汽車工業(yè)具有非常重要的現(xiàn)實意義。1.6本文研究的主要內(nèi)容本課題是以1/4汽車磁流變半主動懸架為研究對象。根據(jù)磁流變半主動懸架的結(jié)構(gòu)特點，選取合適控制參數(shù)，建立汽車1/4磁流變半主動懸架模型，選擇階躍信號作為輸入并在不同的控制算法下進行系統(tǒng)的優(yōu)化。運用Matlab/Simulink軟件設(shè)計天棚阻尼控制器、PID控制器、模糊控制器、模糊PID控制器，對1/4汽車磁流變半主動懸架進行建模仿真研究，并對其結(jié)果進行分析對比，驗證控制算法的有效性。2.汽車懸架系統(tǒng)動力學模型的建立及分析2.1.汽車動力學發(fā)展趨勢傳統(tǒng)的車輛動力學研究都是針對被動元件的設(shè)計而言，而采用主動控制來改變車輛動態(tài)性能的理念，則為車輛動力學開辟了一個嶄新的研究領(lǐng)域。在車輛系統(tǒng)動力學研究中，采用“人一車一路”大閉環(huán)的概念應(yīng)該是未來的趨勢。作為駕駛者，人既起著控制器的作用，又是車輛性能的最終評價者?？刂萍夹g(shù)的應(yīng)用，使得車輛設(shè)計的目標可以是:力求使車輛系統(tǒng)在各種工況下都能使一種較為駕駛者適應(yīng)的特性。隨著多體動力學的發(fā)展及相應(yīng)軟件的開發(fā)和日益成熟，功能強大的計算機軟件能夠有效地模擬復(fù)雜的車輛模型，使得汽車系統(tǒng)動力學成為汽車CAE技術(shù)的重要組成部分，并逐漸朝著與電子和液壓控制、有限元分析等技術(shù)集成的方向發(fā)展。可以預(yù)見，未來的發(fā)展將在車輛主動控制、車輛多體動力學和向“人一車一路”閉環(huán)系統(tǒng)的擴展等方面有所體現(xiàn)。2.2汽車懸架系統(tǒng)的評價指標車輛良好的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性是懸架動態(tài)性能的兩個重要評價指標，可用簧載質(zhì)量加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷來進行定量評價。這三個基本參數(shù)能夠基本反映懸架系統(tǒng)的動態(tài)性能，故本文選擇三者作為控制研究中的懸架性能評價參數(shù)，這些參數(shù)實際上代表了懸架互相沖突的不同性能要求，具體介紹如下。2.2.1簧載質(zhì)量加速度目前，評價汽車的乘座舒適性有很多種方法。其中最常用的一種方法就是來源于ISO2631，該標準是國際標準化協(xié)會在綜合大量資料的基礎(chǔ)上提出的，它是在1～80HZ振動頻率范圍內(nèi)，用頻率加權(quán)加速度的均方根值給出了人體對振動反應(yīng)的三種不同的感覺界限，即:1.暴露界限:人體可承受的振動量上限，如超過此界限，可能損害人體健康;2.疲勞—工作降低界限:該指標與人能保持工作效能有關(guān)，在此界限內(nèi)，人能夠正常駕駛及操作;3.舒適性降低界限[21]:保持良好感覺及舒適性界限。對于橋車而言垂直加速度很大程度上決定了車輛行駛平順性品質(zhì)，加權(quán)函數(shù)反映出人體對4～12.5Hz這個頻率最敏感，而在4～8Hz及2Hz以下的頻率范圍內(nèi)，人的內(nèi)臟器官就會產(chǎn)生共振。而對貨車來說，縱向加速度對乘員的不舒適程度影響較大。諸多評價方法中最簡單且應(yīng)用最多的方法就是加速度均方根值評價方法。因此，簧載質(zhì)量加速度戈是評價汽車乘坐舒適性的重要指標。2.2.2懸架動撓度懸架動撓度是車輪與車身的位移之差，其懸架動行程定義為懸架動撓度的方均根值，Xs-Xu方均根值，以參數(shù)SWSrms表示，用于描述相對于靜平衡位置的懸架位移變化程度。根據(jù)隨即路面高斯分布的假設(shè)，對懸架動行程線性系統(tǒng)而言，其響應(yīng)也應(yīng)該具有高斯性質(zhì)，并可用正態(tài)分布描述。Xs-Xu與限位行程應(yīng)適當配合，否則會導(dǎo)致行駛中發(fā)生限位塊碰撞，致使車輛行駛平順性變差，并且懸架動撓度過大還會對操縱穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。懸架動撓度是評價汽車行駛平順的另一主要指標。2.2.3輪胎動載荷輪胎動載荷是輪胎對路面作用力的動載荷Kt(Xu-Xr)。輪胎動載荷參數(shù)DTLrms是相對于靜平衡的輪胎載荷變化的方均根值，它是衡量輪胎附著力的一個指標。當輪胎載荷隨懸架運動而波動時，由于輪胎動態(tài)延遲機理的影響，導(dǎo)致了可用的有效橫向或縱向力減小。因此，若能保持穩(wěn)定的法向載荷，則可獲得較大的輪胎力;若輪胎動載荷波動增加，隨著輪胎跳動的加劇，輪胎抓地能力將隨之減弱。當動載變化的幅值大于靜載時，就會出現(xiàn)輪胎法向載荷小于零的情況，此時車輪會跳離地面，及所謂的“輪跳”現(xiàn)象，這時汽車行駛安全性將惡化[22]。因此，輪胎動載荷通常作為評價懸架行駛安全性的一個重要指標。2.3系統(tǒng)的動態(tài)性能及評價指標為了評價線性系統(tǒng)的時域性能指標，需要研究控制系統(tǒng)在典型輸入信號作用下的時間響應(yīng)過程。通常在階躍函數(shù)作用下，測定或計算系統(tǒng)的動態(tài)性能。如果系統(tǒng)在階躍函數(shù)作用下的動態(tài)性能滿足要求，那么系統(tǒng)在其他形式的函數(shù)作用下，其動態(tài)性能也是令人滿意的[23]。設(shè)一般形式的二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為(2.1)令稱為系統(tǒng)無阻尼自振頻率，則有稱為系統(tǒng)阻尼比，則即：(2.2)此為二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)的標準形式。其特征方程為(2.3)兩個極點說明阻尼比ζ取值不同，二階系統(tǒng)極點也不相同。通常希望系統(tǒng)工作在欠阻尼(0<ζ<1)狀態(tài)下，它使系統(tǒng)具有適當振蕩性及較短過渡過程。為了便于分析和比較，假定系統(tǒng)在單位階躍輸入信號作用前處于靜止狀態(tài)，而且輸出量及其各階導(dǎo)數(shù)均等于零。二階系統(tǒng)在欠阻尼工作狀態(tài)下的單位階躍響應(yīng)h(t)（如圖2.1所示）。圖2.1單位階躍響應(yīng)其動態(tài)性能指標如下：①延遲時間Dt指響應(yīng)曲線第一次達到其終值一半所需的時間。②上升時間Rt指響應(yīng)從終值10％上升到終值90％所需的時間；對于有振蕩的系統(tǒng)，亦可定義為響應(yīng)從零第一次上升到終值所需的時間。上升時間是系統(tǒng)響應(yīng)速度的一種度量。上升時間越短，響應(yīng)速度越快。③峰值時間Pt指響應(yīng)超過其終值到達第一個峰值所需的時間。對應(yīng)系統(tǒng)超調(diào)量所需時間，也是說明系統(tǒng)反應(yīng)速度的。④調(diào)節(jié)時間St指響應(yīng)到達并保持在終值±5%（或±2%）誤差內(nèi)所需的最短時間。此時間是說明系統(tǒng)慣性的，反映了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。⑤若h（tp）＜h（?），則響應(yīng)無超調(diào)。它是說明系統(tǒng)阻尼性即振蕩性的。阻尼大，振蕩小，即超調(diào)量小，說明系統(tǒng)過渡過程進行的平穩(wěn)。上述五個動態(tài)性能指標，基本上可以體現(xiàn)系統(tǒng)動態(tài)過程的特征。在實際應(yīng)用中，常用的動態(tài)性能指標多為上升時間、調(diào)節(jié)時間和超調(diào)量。通常，用Rt或Pt評價系統(tǒng)的響應(yīng)速度；用σ%評價系統(tǒng)的阻尼程度；而St是同時反映響應(yīng)速度和阻尼程度的綜合性指標。2.4汽車懸架動力學模型研究者們在設(shè)計汽車可控懸架控制律時，采用最為廣泛的的模型是1/4車輛模型，此模型只有一個車輪，是車輛沿橫豎軸方向?qū)ΨQ分割后的任意一個角，它基本能反映評價汽車懸架性能的一些基本參數(shù)的特性:簧載質(zhì)量加速度、懸架動撓度與輪胎動載荷等，但不能用來研究整車的姿態(tài)控制，但，與復(fù)雜的整車模型比較，1/4單輪車輛模型具有以下優(yōu)點:①可以簡化系統(tǒng)輸入；②容易理解設(shè)計與性能之間的關(guān)系；③所涉及的設(shè)計參數(shù)和性能參數(shù)最少[24]。因此，本文選擇了1/4汽車模型作為研究模型，對磁流變半主動懸架控制系統(tǒng)進行研究。2.4.1汽車懸架系統(tǒng)的簡化及建模為了便于對行駛動力學模型建立的理解，首先從七自由度整車模型開始介紹[25]，如圖2.2所示。假定車身是一個剛體，車身、車架及其上的總成構(gòu)成了車輛的懸掛質(zhì)量ms:，車輪、車軸構(gòu)成了非懸掛質(zhì)量mu，Iy是懸掛質(zhì)量ms繞通過質(zhì)心的橫軸y的轉(zhuǎn)動慣量。此時車輛在水平面做勻速直線運動時，車身具有三個自由度。由于四個車輪的非懸掛質(zhì)量mu有四個自由度，在此基礎(chǔ)上還要增加一個垂向自由度，因此，就形成了八自由度的整車系統(tǒng)模型。圖2.2簡化的汽車模型當車輛對稱于縱軸線且左、右車軸的不平度函數(shù)x(I)=y(I)時，此時車身沒有繞x軸的角振動，只有垂直振動z和繞y軸縱向角振動θ，這時七自由度模型就簡化為四自由度的半車模型，如圖2.3所示。圖2.3簡化的1/2汽車模型在動力學等效處理中，車輛振動系統(tǒng)的三個等效質(zhì)量必須滿足三個力學條件，即把質(zhì)量為ms，轉(zhuǎn)動慣量Iy的車身分解為前軸上、后軸上及質(zhì)心C上的三個集中質(zhì)量msf，msr及msc，這里忽略輪胎阻尼?？傎|(zhì)量不變:（2.4）質(zhì)心位置不變：（2.5）轉(zhuǎn)動慣量不變：（2.6）式中，a、b分別為車身質(zhì)量部分的質(zhì)心至前、后軸的距離，幾—繞橫軸y的回轉(zhuǎn)半徑。三個集中質(zhì)量可由公式(4.4)、(4.5)、(4.6)求得:（2.7）其中，L為前、后軸軸距。由上述幾個公式可知，如果，則。為零。這時前、后軸垂直方向的運動相互獨立，不產(chǎn)生禍合。通常橋車的車輛參數(shù)大多近似滿足這一條件，且msc很小，說明橋車前后部分之間的相互影響很小，即禍合關(guān)系很小?？梢姡承┣闆r下四自由度半車模型問題可進一步簡化成兩個子問題，即:前懸架決定msf質(zhì)量快的運動;后懸架決定msr質(zhì)量快的運動。而輪距之間任何位置的運動則可由幾何關(guān)系方便地求出。因此，每個問題只需通過一個簡單的單輪車輛模型來研究，即簡化后的1/4車輛模型，如圖2.4所示。圖2.41/4單輪車輛兩自由度的汽車懸架系統(tǒng)的振動模型在車輛可控懸架控制歸律研究中應(yīng)用得最多的和最基本的模型就是1/4車輛模型。1/4車輛模型的特點是是車輛橫豎分割后的任意一個角，它能基本能反映汽車懸架中簧載質(zhì)量加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷這些有關(guān)懸架性能的基本參數(shù)的特性。根據(jù)圖2.4可以建立動力學方程如下:（2.8）其中，—簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量；，—懸架彈簧剛度和輪胎剛度；,,—路面位移，簧載質(zhì)量位移和非簧載質(zhì)量位移；—阻尼器的阻尼系數(shù)。對(2.8)式進行拉氏變換，可得:(2.9)解方程組得（2.10）其中由此可得，簧載質(zhì)量振動加速度相對于路面輸入的傳遞函數(shù)為:（2.11）懸架動撓度相對于路面輸入的傳遞函數(shù)為:（2.12）輪胎動載荷相對于路面輸入的傳遞函數(shù)為（2.13）本文選用的某微型車的懸架參數(shù)如表1.1所示表1.1某微型車懸架系統(tǒng)的主要參數(shù)參數(shù)數(shù)值簧載質(zhì)量210Kg非簧載質(zhì)量30Kg彈簧剛度16000N/m續(xù)表1.1某微型車懸架系統(tǒng)的主要參數(shù)減震器阻尼系數(shù)200Ns/m輪胎剛度160000N/m2.4.2懸架狀態(tài)方程模型的建立根據(jù)懸架的1/4汽車模型建立的汽車磁流變半主動懸架模型如圖2.5所示，由于磁流變減振器的阻尼力由庫倫阻尼力和粘滯阻尼力兩部分組成。假設(shè)磁變液的粘度系數(shù)為常數(shù)，一旦減振器的幾何尺寸確定，庫侖阻尼力只是磁流變液屈服應(yīng)力的函數(shù)，屈服應(yīng)力受磁場強度控制，因而可以認為庫侖阻尼力只是勵磁電流的函數(shù)，而這時的粘滯阻尼力只是活塞運動速度的函數(shù)，那么磁流變阻尼器的阻尼力可表示為:（2.14）式中，庫倫阻尼力(2.15)粘滯阻尼系數(shù)(2.16)圖2.5磁流變半主動懸架1/4模型根據(jù)2-5所示的模型，可以建立汽車磁流變半主動懸架的動力學方程式如下(2.17)其中，—簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量；，—懸架彈簧剛度和輪胎剛度；,,—路面位移，簧載質(zhì)量位移和非簧載質(zhì)量位移；CeFMR—粘滯阻尼系數(shù)和庫倫阻尼力。由于系統(tǒng)具有路面激勵和控制力兩個輸入，因此運用現(xiàn)代控制理論分析系統(tǒng)響應(yīng)更為方便。取狀態(tài)變量(2.18)其中，，，，系統(tǒng)輸出變量為(2.19)其中，，，，分別表示簧載質(zhì)量加速度，懸架動撓度、輪胎動載荷和非簧載質(zhì)量速度。方程組（2.17）可改寫為（2.20）其中，狀態(tài)矩陣，輸入矩陣，輸出矩陣，直接傳遞矩陣，2.5本章小結(jié)對車輛懸架系統(tǒng)而言，其性能可用簧載質(zhì)量加速度、懸架動撓度與車輪動載荷這三個參數(shù)作為評價指標。本文中的磁流變半主動懸架的控制研究，選擇了這三個參數(shù)來定量評價懸架動態(tài)性能;選擇路面輸入為一理想的階躍響應(yīng);對汽車的振動系統(tǒng)進行了合理的簡化，并由此建立了1/4車輛懸架的動力學模型;運用現(xiàn)代控制理論，選取合適的狀態(tài)變量，得出了汽車懸架系統(tǒng)的數(shù)學模型。3磁流變半主動懸架控制策略仿真與分析3.1matlab簡介本文主要的研究工具是基于數(shù)字計算機的MAILAB/simulink仿真軟件。MATLAB是目前世界上最常用的以數(shù)值計算為主的軟件，其圖形化仿真平臺Simulink能建立動態(tài)系統(tǒng)、仿真和分析，方便用戶不斷地完善設(shè)計。它的建模范圍很廣，對于任何可以用數(shù)學描述的系統(tǒng)進行建模，還適用于實時控制，具有很強直觀性、實用性、靈活性。Simulink還具有如下優(yōu)點[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、允許多種語言編程、豐富的可視功能、無縫使用相關(guān)分析工具、子系統(tǒng)的設(shè)計利于復(fù)雜設(shè)計的管理等等。Simulink通過操作各個功能模塊進行系統(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)部的代碼實現(xiàn)，通過直觀、簡潔的模塊連接來代替繁瑣的函數(shù)操作。simuhnk提供了如下一系列按功能分類的基本模塊庫:連續(xù)模塊庫(Coniinuous)、離散模塊庫(Diserete)、數(shù)學運算模塊庫(Math)、輸入信號源模塊庫(Sources)、輸出模塊庫(Sinks)、端口與子系統(tǒng)模塊庫(ports&Subsystems)、用戶自定義模塊庫(UseDefinedFunctions)等，這些大部分也是本文仿真需要用到的模塊庫。其中，自定義模塊庫可以實現(xiàn)simuhnk的功能擴展，用戶可以根據(jù)需要通過語言編程建立獨特的功能模塊，并被調(diào)用。在simulink構(gòu)建好仿真對象后，仿真參數(shù)的設(shè)置非常重要，必須合理的設(shè)置仿真時間和仿真步長、選擇解法器的類型等，不同的解法器具有不同的使用范圍和數(shù)值精度。運行仿真結(jié)束后，可對輸出模塊如示波器的可視化結(jié)果及各狀態(tài)變量進行分析，并進一步修正或調(diào)整。3.2天棚阻尼控制3.2.1天棚阻尼控制器模型天棚阻尼控制(ShyhookControl)是由在1974年Karnopp等人在提出的一種經(jīng)典的汽車懸架控制方法。它的特點在于其結(jié)構(gòu)簡單、車本低廉，因此在懸架半主動控制研究中得到了最為廣泛的應(yīng)用，甚至在一些商業(yè)車型中也得到了一定程度的應(yīng)用。在許多參考文獻中，研究者們常常把天棚阻尼控制作為新控制算法的比較對象。天棚阻尼控制的理想動力學模型如圖3.1所示，它假設(shè)將減振器安裝在簧載質(zhì)量m;與虛擬的慣性空間Sky之間，理想天棚阻尼力為：（3.1）式中的為天棚阻尼系數(shù)。圖3.1天棚阻尼控制模型根據(jù)圖3.1建立天棚阻尼理想模型的動力學方程：（3.2）式中的各個系數(shù)如下：：簧載質(zhì)量；：非簧載質(zhì)量；：懸架彈簧剛度；：輪胎剛度：路面位移；：彈簧質(zhì)量位移；：非彈簧質(zhì)量位移；對式3.2進行拉式變換得到如下關(guān)系式:(3.3)解方程得：（3.4）由式（3.3）得輪胎著地性傳遞函數(shù)為： （3.5）平順性傳遞函數(shù)為：（3.6）為使懸架達到理想的操縱穩(wěn)定性，要使輪胎在各種情況下都能抓緊地面，而理想的平順性則期望車身盡量保持靜止。通過改變Csky的值從而改變輪胎的著地性和平順性。3.2.2天棚阻尼控制算法的實現(xiàn)圖3.1所示的磁流變半主動懸架系統(tǒng)中簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量之間半主動控制的阻尼力是可以變化的，根據(jù)天棚阻尼等效的原則，減振器的庫侖阻尼力應(yīng)該盡量滿足FMR=Fs。假設(shè)簧載質(zhì)量對非簧載質(zhì)量的相對速度()在兩者分開時為正，簧載質(zhì)量的速度向上為正。下面討論磁流變阻尼器能否提供等效的天棚阻尼力：當()≥0且時，阻尼器受拉伸，它施加到簧載質(zhì)量上的力是向下的，與速度的方向相反，但與天棚阻尼力同向，所以可以改變勵磁電流大小來使FMR=Fs。當()≥0且時，阻尼器受拉伸，它施加到簧載質(zhì)量上的力是向下的，與速度的方向相同，但與天棚阻尼力反向，實際中為了盡可能減小差異，只有取FMR=0。分析其他兩種工況也可得到以上的結(jié)論。由于，歸納起來，其取值可用下面的式子：（3.7）3.3模糊控制汽車懸架系統(tǒng)是一個非常復(fù)雜的非線性動力學系統(tǒng)，且存在復(fù)雜性、非線性、時變性、不確定性和不完全性等不利因素，因此難以建立精確的模型。二十世紀七十年代末，一些學者逐步開始了智能控制理論的研究，人們發(fā)現(xiàn)，一個復(fù)雜的控制系統(tǒng)可由操作人員憑著豐富的經(jīng)驗得到滿意的控制效果。這說明，如果通過模擬人腦的思維方法來設(shè)計控制器，可實現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制，由此產(chǎn)生了模糊控制。在模糊控制算法中，我們用“負大”、“負中”、“負小”、“零”、“正大”、“正中”、“正小”七個模糊語言來對輸入輸出變量進行描述，模糊推理規(guī)則采用條件語句來描述，按模糊推理合成規(guī)則計算控制量。它具有很強的魯棒性，適用于存在非線性、強禍合、時變性和大遲滯的復(fù)雜系統(tǒng)，也適合難以建立精確數(shù)學模型的非線性系統(tǒng)，因此被廣泛地應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的控制研究中。3.3.1模糊控制的原理模糊控制(FuzzyControl)是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種智能控制方法，其基本原理框圖如圖3.2所示。它從行為上模仿人的模糊推理和決策過程。它的核心部分為，如圖中點畫線中部分為模糊控制器，它是模糊控制的核心，其控制規(guī)律由計算機的程序?qū)崿F(xiàn)。模糊控制器的組成如圖3.3所示。下面簡單介紹實現(xiàn)模糊控制算法的過程:微機經(jīng)中斷采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定比較得到誤差信號E，將其作為模糊控制器的一個輸入量。把誤差E的精確量進行模糊化變成模糊量。誤差信號E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言來描述，得到誤差E的模糊語言集合的一個子集e(e是一個模糊矢量)，再根據(jù)推理的合成規(guī)則進行模糊決策，由e和模糊關(guān)系R得出模糊控制量u，即（3.8）圖3.2模糊控制原理圖圖3.3模糊控制控制器的組成框圖3.3.2模糊控制器的設(shè)計針對圖3.2所示的模糊控制原理圖，設(shè)計一個模糊控制系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3.4所示。系統(tǒng)中的模糊控制器是一個常規(guī)的雙輸入單輸出二維模糊控制器。圖3.4懸架系統(tǒng)的模糊控制框圖①輸入輸出變量的選取本文選擇輸入變量E和EC分別為簧載質(zhì)量速度和簧載質(zhì)量加速度，輸出變量U為磁流變減振器產(chǎn)生的阻尼力Fd。本文依據(jù)磁流變半主動懸架的特點，對模糊控制器的輸入以及輸出均取7個語言值，即輸入和輸出均為負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，可表示為:(3.9)輸入變量E、EC及輸出變量U的七個模糊語言值{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}的隸屬函數(shù)均為三角型，其隸屬函數(shù)如下:（3.10）②量化因子與比例因子 設(shè)誤差的基本論域為[-ee]，誤差所取的模糊集合的論域為X={-n，-n+1，…，o，1，n-1，···，n}e是表征誤差大小的精確量，n是誤差離散化后分成的檔數(shù)，它構(gòu)成論域X的元素，一般常取n=6或7。在實際的控制系統(tǒng)中需要通過量化因子進行論域變換。其中量化因子ke定義為:(3.11)當量化因子確定后，系統(tǒng)的任何誤差總可以量化到論域X上的某一個元素。而一旦選定基本論域[-ee]的量化等級數(shù)n后，量化因子ke值大小可使基本論域[-ee]發(fā)生不同程度的放大或縮小，即:當ke縮小時，基本論域[-ee]放大;當ke增大時，基本論域[-ee]縮小，從而改善了模糊控制中誤差的控制精度。同理，誤差變化率的基本論域[-ecec]，若整數(shù)論域Y={-m，-m+1，…，0，1，…，m-1，m}的量化檔數(shù)m一旦確定后，則誤差變化率ec的量化因子kec可定義為：(3.12)這時，在改變基本論域和控制精度方面，量化因子ke。具有與ke完全相同的特性。對于系統(tǒng)輸出量u，與定義量化因子的方法類似，比例因子ku可表示為:(3.13)其中，[-uu]為控制量增量的基本論域，1為基本論域[-uu]的量化檔數(shù)；e、ec為u的基本論域，其范圍均為[-11]；當kec的取值較小時，超調(diào)量會隨之減小，但系統(tǒng)的響應(yīng)時間延長;而當ke的取值比較大時，系統(tǒng)的超調(diào)將增大，過渡時間變長。同樣，比例因子ku的選取大小直接影響著模糊控制系統(tǒng)中整個回路的增益，一般選取比較大的ku值，這時系統(tǒng)響應(yīng)速度快，且不會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定[27]。因此，在設(shè)計模糊控制器時，應(yīng)合理選擇模糊控制器中輸入變量的量化因子ke和kec。以及輸出控制量的比例因子ku。③模糊規(guī)則的設(shè)計模糊控制規(guī)則集形式為：其中，，，得出模糊規(guī)則共49條，本文根據(jù)懸架的動力學分析，以及已有文獻[28]得出初步的模糊控制規(guī)則集，然后根據(jù)仿真的結(jié)果進行多輪調(diào)整后最終確定。設(shè)計和調(diào)整模糊控制規(guī)則集的準則是:簧載質(zhì)量加速度和懸架動撓度的幅值盡量的小，并確保輪胎動載荷在給定的范圍內(nèi)，以使懸架性能相對最優(yōu)。經(jīng)過多輪調(diào)試后，本文模糊控制器的49條模糊規(guī)則最終得以確定，在表3.1中給出。表3.1半主動懸架模糊控制規(guī)則表輸出量U速度ENBNMNSZEPSPMPB加速度ECNBPBPBPMPSPSPSZENMPBPMPSZEPSZENSNSPMPSZEZEZENSNMZEPMPSZEZEZENSNMPSPMPSZEZEZENSNMPMPSZENSZENSNMNBPBZENSNSNSNMNBNB因為緊接在下節(jié)中將用到模糊PID控制，單獨的模糊控制參數(shù)就沒有在本節(jié)給出。模糊控制在一定程度上結(jié)合了PID的參數(shù)調(diào)節(jié)，在下面我們將給出詳細的模糊控制參數(shù)設(shè)置，在這里就沒有對模糊控制進行仿真了。3.4模糊PID控制3.4.1PID控制規(guī)律（3.14）式中，Keq\o(\s\up6(),\s\do2(p))為比例系數(shù)Teq\o(\s\up7(),\s\do3(I));為積分時間常數(shù);Teq\o(\s\up6(),\s\do2(D))為微分時間常數(shù)。①比例環(huán)節(jié)及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。比例系數(shù)keq\o(\s\up6(),\s\do2(P))的作用在于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度。keq\o(\s\up6(),\s\do2(P))越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，也就是對偏差的分辨率(重視程度)越高，但將產(chǎn)生超調(diào)，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。keq\o(\s\up6(),\s\do2(P))取值過小，則會降低調(diào)節(jié)精度，尤其是使響應(yīng)速度緩慢，從而延長調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動態(tài)特性變壞。②積分環(huán)節(jié)主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)τ，τ越大，積分作用越弱，反之則越強。積分作用系數(shù)越大，系統(tǒng)靜態(tài)誤差消除越大，但積分作用過大，在響應(yīng)過程的初期會產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過程的較大超調(diào)。若積分作用系數(shù)過小，將使系統(tǒng)靜差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。③微分環(huán)節(jié)能反映偏差信號的變化趨勢(變化速率)，并能在偏差信號值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減少調(diào)節(jié)時間。3.4.2PID控制器的設(shè)計及計算機仿真分析根據(jù)第二章式（2.12）可知懸架動撓度相對于路面輸入的傳遞函數(shù)為：以H(S)為系統(tǒng)函數(shù)，我們先來看一下系統(tǒng)在沒有加入任何控制器的情況下系統(tǒng)的仿真模型以及階躍響應(yīng)如圖3.5所示。圖3.5無控制器的汽車懸架系統(tǒng)仿真然后給系統(tǒng)加上PID調(diào)節(jié)器，根據(jù)PID的整定原則，通過反復(fù)控制，比較控制效果，也就是"試湊法"，得出針對系統(tǒng)PID的的整定值為：比例環(huán)節(jié)系數(shù)1.5，積分環(huán)節(jié)系數(shù)25，微分環(huán)節(jié)系數(shù)0.3。系統(tǒng)仿真圖及階躍響應(yīng)曲線如圖3.6所示圖3.6PID控制汽車懸架系統(tǒng)仿真由圖3.5、3.6比較可以看出，加入PID調(diào)節(jié)器可以明顯的改善系統(tǒng)的性能。3.4.3模糊PID控制器的設(shè)計模糊PID控制是結(jié)合PID控制和模糊控制的一種新型控制方式，其基本原理圖如下圖3.7：圖3.7.模糊PID參數(shù)整定基本類型模糊PID控制重要的任務(wù)就是找出PID的三個參數(shù)與誤差E和誤差變化率EC之間的模糊關(guān)系，在運行中不斷檢測E和EC，根據(jù)確定的模糊控制規(guī)則來對三個參數(shù)進行在線調(diào)整，滿足不同E和EC對三個參數(shù)的不同要求，一般來說，不同的偏差率E和偏差變化率EC對PID控制器的參數(shù)kp、ki和kd有不同的要求。以典型的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)的誤差曲線為例進行分析如下：圖3.8二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)誤差曲線從誤差曲線看出：①當誤差的絕對值較大，不論誤差的變化趨勢如何，都應(yīng)該考慮控制器的kp取較大值，以提高響應(yīng)的快速性；而為防止誤差的絕對值瞬時過大，kd應(yīng)該取較小的值；為控制超調(diào)，ki也應(yīng)該取值較小。②當誤差的絕對值在中等大小時，為保證系統(tǒng)的相應(yīng)速度并控制超調(diào)，應(yīng)減小kp，ki值應(yīng)增大，kd應(yīng)適中。③當誤差的絕對值較小時，為保證系統(tǒng)有良好的穩(wěn)態(tài)特性，應(yīng)加大kp、ki的取值，同時為避免產(chǎn)生震蕩，kd的取值應(yīng)該和誤差的絕對值聯(lián)系起來。模糊PID控制根據(jù)系統(tǒng)運行的不同狀態(tài)，考慮kp、kd、ki三者的關(guān)聯(lián)，根據(jù)工作經(jīng)驗設(shè)計模糊整定這三個參數(shù)，選擇輸入語言變量為誤差E和偏差變化率EC，語言變量取值{NB，NM，NS，O，PM，PS，PB}七個模糊值；選擇輸出語言變量為Δkp、Δkd、Δki，語言變量值也取{NB，NM，NS，O，PM，PS，PB}七個模糊值，建立Δkp、Δkd、Δki的模糊規(guī)則表如下表3.2、表3.3、表3.4。表3.1Δkp的模糊規(guī)則表ΔkpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBPBPSZONSNMPBPBPMPMZONSNMNSPBPMPMPSNSNMNBZOZOZOZOZOZOZOZOPSNBNMNSPSPMPMPBPMNMNSZOPMPBPBPBPBNSZOPSPBPBPBPB表3.2Δkd的模糊規(guī)則表ΔkpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBNBNBNMNSNMPBPBPMNMZOPSPMNSPBPMPMNSPMPBPBZOZOZOZOZOZOZOZOPSPBPBPMNSPMPMPBPMPMPSZONMPMPBPBPBNSNMNBNBPBPBPB表3.3Δki的模糊規(guī)則表ΔkpNBNMNSZOPSPMPBNBPBPBPBPBNSNMNBNMPBPBPMPMNMNBNBNSPBPMPSPSNBNBNBZOZOZOZOZOZOZOZOPSNBNBNBPSPSPMPB續(xù)表3.3Δki的模糊規(guī)則表PMNBNBNMPMPMPBPBPBNBNMNSPBPBPBPB根據(jù)模糊規(guī)則表，可以對kp，ki、kd進行動態(tài)整定，設(shè)kp1，ki1、kd1為采用常規(guī)整定方法得到的相應(yīng)預(yù)整定值，選擇適當?shù)哪：腿ツ：姆椒?，則模糊PID參數(shù)：kp=kp1+Δkpki=ki1+Δkikd=kd1+Δkd3.4.4計算機仿真及結(jié)果分析1.模糊控制器的生成根據(jù)3.4.3節(jié)所述模糊控制器的設(shè)計方法，再結(jié)合參考有關(guān)MATLAB模糊控制的應(yīng)用書籍[29][30]很容易建立如圖3.9所示的模糊控制器圖3.9（a）模糊控制規(guī)則編輯器圖3.9（b）模糊控制隸屬函數(shù)編輯器圖3.9（c)模糊規(guī)則編輯2模糊PID控制器模型的建立及仿真我們還是以H(s)為系統(tǒng)傳函，建立系統(tǒng)的仿真模型及階躍響應(yīng)曲線如圖3.10所示：圖3.10（a）模糊PID控制系統(tǒng)仿真模型圖3.10（b）系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線為比較PID控制器和模糊PID控制器的控制性能，我們將兩者的系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線放在一個示波器上來比較，得到仿真模型和仿真曲線如圖3.11所示：圖3.11PID控制與模糊PID控制的階躍響應(yīng)曲線比較（圖中紅色曲線代表模糊PID控制響應(yīng)，黃色曲線代表是PID控制響應(yīng)）3仿真結(jié)果分析由上述結(jié)果，結(jié)合系統(tǒng)動態(tài)性能評價指標可以看出，模糊PID控制使系統(tǒng)的響應(yīng)速度和調(diào)節(jié)時間都要優(yōu)于PID控制。4總結(jié)與展望4.1總結(jié)汽車磁流變半主動懸架是智能懸架中的一種，開發(fā)并實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用磁流變半主動懸架是提高汽車的行駛平順性和安全性的一條重要途徑。本文的主要研究工作和結(jié)論如下:1.闡述了汽車懸架的發(fā)展史及發(fā)展趨勢，通過被動懸架和主動懸架(包括半主動懸架和全主動懸架)的對比，提出半主動懸架將是今后一段時期內(nèi)懸架的主要發(fā)展方向。3.以1/4汽車磁流變半主動懸架為研究對象。建立汽車1/4磁流變半主動懸架模型，在熟悉天棚阻尼控制、模糊控制以及模糊PID控制算法基礎(chǔ)上，分別應(yīng)用這三種控制算法，運用Matlab/Simulink軟件對1/4汽車磁流變半主動懸架進行仿真，并對其仿真結(jié)果進行分析對比研究，進一步驗證了控制算法的有效性。4.2展望本文的不足之處在于:由于各方面原因，沒有完成天棚阻尼和模糊控制的階躍仿真曲線，在最后的對比上沒有拿出比較完美的可觀性。在論文已完成的磁流變半主動懸架設(shè)計及計算機控制仿真分析基礎(chǔ)上，期望還能在以下方面有進一步研究:1.對磁流變液液體磁化機理、減振器設(shè)計及制造工藝進行深入研究，以使得懸架性能在計算機實驗仿真研究結(jié)果具有更高的精度，從而指導(dǎo)磁流變減振器的設(shè)計，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本的目的，加快磁流變半主動懸架的商品化進程。2.磁流變半主動懸架的控制方法研究:模糊PID的另外一種自整定參數(shù)的方法kp=kp1·Δkp，ki=ki1·Δki，kd=kd1·Δkd；使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制相結(jié)合的方法對汽車懸架性能進行仿真研究和實驗驗證有效性研究，以確定最佳的控制方法。

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