1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化二自由度振动系统的简单主动控制一、选题的背景与意义振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，可分为被动控制与主动控制两类。被动控制由于不需外界能源，装置结构简单，许多场合下减振效果与可靠性较好，已经获得广泛应用。但随着科学技术的发展，以及人们对振动环境、产品与结构振动特性越来越高的要求，被动控制已难以满足要求。本文将通过对车辆的振动特性进行分析，建立二自由度分析模型，选取适当的简单的控制方法，对其进行控制，使之平顺性更好。二、研究的基本内容与拟解决的主要问题21研究的基本内容（1）了解车辆平顺性和控制理论的相关背景知识；（2）建立二自由度系统，能够进行仿真
2、分析；（3）在模型中建立作动器，对模型进行改进；（4）对分析结果进行总结，分析控制前后模型的加速度均方根值的变化；22拟解决的主要问题对二自由度振动系统进行仿真模拟并对其动态特性进行研究，并加入控制系统，根据振动控制系统仿真结果，控制能达到良好的隔振效果。三、研究的方法与技术路线本课题的技术路线主要是通过分别建立1/4车辆振动系统的被动和主动悬架，并进行相应的仿真，最后通过对比来说明主动悬架和被动悬架对于车辆的减震效果的差异。课题的技术路线如下2图31技术路线图四、研究的总体安排与进度（1）了解车辆平顺性和控制理论的相关背景知识（1周）；（2）建立二自由度系统，能够进行仿真分析；（3周）；（3
3、）在模型中建立作动器，对模型进行改进；（4周）（4）对分析结果进行总结，分析控制前后模型的加速度均方根值的变化（2周）；（5）整理、撰写毕业论文（2周）。参考文献1冯崇毅汽车电子控制技术M，北京人民交通出版社，20052蔡兴旺汽车构造与原理下册M，北京机械工业出版社，20043王加春，李旦，董申机械振动主动控制技术的研究现状和发展综述J，机械强度，2001，2321561604蔺玉辉，靳晓雄，肖勇振动主动控制技术的研究进展J，上海汽车，2006，729315耿瑞基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真J，信息技术，20073443466王加春，李旦，董申超精密机床溜板的模糊PID振
4、动主动控制研究J，2001157607王辚，张科基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统J，探测与控制学报，200843073768阮观强，叶本钢基于MATLAB仿真的汽车主动悬架与被动悬架的研究J，上海电机学院学报，20071042842879DAVECROLLA，喻凡车辆动力学及其控制M，北京人民交通出版社，200410李迪，郭忠菊，王军方，等利用MATLAB的汽车主动悬架动力学仿真J，山东理工大学学报，2003176212511MARIANOFEBBOANDSERGIOAVERADYNAMICCHARACTERISTICSOF1AND2DEGREESOFFREEDOMSYSTEMSAC
5、TINGASDYNAMICVIBRATIONABSORBERSONCONTINUUMSYSTEMSJ，MECNICACOMPUTACIONALVOLXXIX，201074776512RABIHALKHATIBANDMFGOLNARAGHI，ACTIVESTRUCTURALVIBRATIONCONTROLAREVIEWJ，THESHOCKANDVIBRATIONDIGEST，2003353673844毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化二自由度振动系统的简单主动控制摘要为了改善车辆的平顺性，本文建立了车辆的二自由度振动模型。并阐述了振动主动控制中主要控制方法和策略及应用中存在的问题。同时，介绍
6、了国内的部分学者对振动主动控制方面的研究。最后，并对其进行了相应的总结。关键词二自由度振动主动控制1、引言振动主动控制主要应用主动闭环控制，其基本思想是通过适当的系统状态或输出反馈，产生一定的控制作用来主动改变被控制结构的闭环零、极点配置或结构参数，从而使系统满足预定的动态特性要求。控制规律的设计几乎涉及到控制理论的所有分支，如极点配置、最优控制、自适应控制、鲁棒控制、智能控制以及遗传算法等。本材料主要参考了振动主动控制技术的研究进展、基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统等论文的相关方法。2、1/4单轮车辆模型它是由车身质量MS、车轮质量MT、悬架弹簧刚度KS、车轮刚度系数KT、作动5器
7、组成。其中，XG路面位移，XB车身位移，XW车轮位移。3、控制系统简介31独立模态空间法独立模态空间法的基本思想是利用模态坐标变换把整个结构的振动控制转化为对各阶主模态控制，目的在于直接改变结构的特定振型和刚度。这种方法直观简便，充分利用模态分析技术的特点，但先决条件是被控系统完全可控和可观，且必须预先知道应该控制的特定模态。32极点配置法极点配置法也称特征结构配置，包括特征值配置和特征向量配置两部分。系统的特征值决定系统的动态特性，特征向量影响系统的稳定性。根据对被控系统动态品质的要求，确定系统的特征值与特征向量的分布，通过反馈或输出反馈来改变极点位置，从而实现规定要求。33最优控制最优控制
8、方法就是利用极值原理、最优滤波或动态规划等最优化方法来求解结构振动最优控制输入的一种设计方法。由于最优控制规律是建立在系统理想数学模型基础之上的，而实际结构控制中往往采用降阶模型且存在多种约束条件，因此基于最优控制规律设计的控制器作用于实际的受控结构时，大都只能实现次最优控制。34自适应控制自适应控制主要应用于结构及参数具有严重不确定性的振动系统，大致可分为自适应前馈控制、自校正控制和模型参考自适应控制三类。自适应前馈控制通常假定干扰源可测；自校正控制是一种将受控结构参数在线辩识与受控器参数整定相结合的控制方式；而模型参考自适应控制是由自适应机构驱动受控制结构，使受控结构的输出跟踪参考模型的输
9、出。35鲁棒控制虽然自适应控制可用于具有不确定性振动系统，但自适应控制本身并不具备强的鲁棒性。鲁棒控制设计选择线性反馈律，使得闭环系统的稳定性对于扰动具有一定的抗干扰能力。636智能控制智能控制理论的产生与发展为振动主动控制带来了新的活力。模糊控制作为智能控制的一个重要分支，它不仅能提供系统的客观信息，而且可将人类的主观经验和直觉纳入控制系统，为解决不易或无法建模的复杂系统控制问题提供了有力的手段。神经网络系统是指利用工程技术手段模拟人脑神经网络的结构和功能的一种技术系统，是一种大规模并行的非线性动力学系统。神经网络以对信息的分布式存储和并行处理为基础，它具有自组织、自学习功能，对于非线性具有
10、很强的逼近能力。4、国内外研究现状王加春，李旦，董申1研究了振动主动控制技术在机械工程领域的应用。整机的振动主动控制和转子的振动主动控制是该领域的两个主要方面。在简单介绍振动主动控制原理和常用的传感器与作动器的基础上，概述了整机振动主动控制的发展情况，较系统地总结了转子常用的控制技术，并综述了主动控制常用的控制方法，同时简要介绍了振动主动控制在机械工程领域其他方面的应用情况。对微幅振动主动控制亦作了介绍。最后，对振动主动控制的发展作了简短评述和展望。蔺玉辉，靳晓雄，肖勇2研究了振动主动控制技术的研究现状作了简要评述，介绍了主动控制技术中常用传感器和作动器以及其应用情况，阐述了振动主动控制中主要
11、控制方法和策略及应用中存在的问题，并提出了振动主动控制技术的发展趋势。沈承，黄光宏，曹世宏，李源3研究PID控制系统的参数调节技巧。研究指出PID控制器参数调节的方法很多，概括起来有两大类一是理论计算法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算来确定控制器参数，这种方法可能会由于系统模型的不精确性使得所得到的PID参数不能直接应用，还必须通过工程实际进行调整和修改；二是工程方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，该方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。1王加春，李旦，董申机械振动主动控制技术的研究现状和发展综述J，机械强度，2001，2321561602蔺玉辉，靳晓雄，肖勇
12、振动主动控制技术的研究进展J，上海汽车，2006，729313沈承，黄光宏，曹世宏，李源PID控制系统的参数调节技巧J，机械工程与自动化，2008841551587耿瑞4研究基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真。其原理为在传统PID控制的基础上，将控制规则的条件和操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息如评价指标、初始PID参数等作为知识存入计算机知识库中，然后计算机根据控制系统的实际响应情况，运用模糊推理，即可自动实现对PID参数的最佳调整。研究指出，模糊自调整PID突破了传统方法需要编制大量程序的做法。用模糊推理的方法在动态过程中改变PID的参数，能够发挥两种控制
13、方式的优点，克服两者的缺点，提高控制质量。王辚，张科5研究基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统。研究针对常规PID控制器参数整定不良、适应性差、控制精度不理想的现状，提出了动态过程中参数自动整定的模糊PID控制系统。并利用MATLAB的SUMLINK工具箱，对系统进行仿真，仿真试验结果表明模糊PID控制鲁棒性好、控制精度提高。卫明社，李国勇6研究基于可编程控制器的PID控制系统开发。可编程控制器是当代工业自动化的三大支柱包括计算机辅助设计与加工、机器人和可编程控制器之一。在其产生初期，主要用于逻辑控制的场合；而如今已进入包括过程控制、位置控制等场合的控制领域。针对可编程控制器的发展现状，
14、他们研究了一种利用西门子公司的S7300系列PLC的编程软件STEP7及组态软件WINCC开发并实现PID控制的方法，结果表明该方法操作方便，画面直观，且可靠性高。李秀娟，甄冒发7研究基于虚拟仪器技术在PID控制系统中的应用。他们以NI公司生产的M系列数据采集卡PCI6221为硬件，以LABVIEW71软件为开发平台，设计出具有实时温度信号控制的系统。系统调试结果表明，该系统具有界面友好，测量控制精度高、工作安全可靠、易于操作等特点。续欣莹，谢琚，谢克明8针对传统二自由度PID控制中用ZIEGLERNICHOLS稳定边界法整定干扰抑制参数K，KL，K0，其对外界扰动敏感性较强，难以达到系统控制
15、要求这一问题，给出了一种基于模糊逻辑的二自由度PID的实现，运用模糊4耿瑞基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真J，信息技术，2007443465王辚，张科基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统J，探测与控制学报，200843073766卫明社，李国勇基于可编程控制器的PID控制系统开发J，电气电子教学学报，2009，23143457李秀娟，甄冒发基于虚拟仪器技术在PID控制系统中的应用J，测控技术，20073649518续欣莹，谢琚，谢克明一种基于模糊逻辑的二自由度PID的实现J，太原理工大学学报，20043555205248逻辑算法对KP，KL，K0三参数进行整定，较好地
16、改善了系统的抗干扰性能。仿真结果表明该控制器具有良好的干扰抑制特性和设定值跟踪特性。杨丽娟9根据目标值滤波器型二自由度PID控制器，提出一种新型二自由度PID控制器。实验表明该算法使用可靠、精度高，而且具有较强的抗干扰能力和鲁棒性，可大大提高系统的控制品质。王加春，李旦，董申10振动是影响超精密加工质量的关键因素之一，而耀扳的横向振动将通过刀架直接影响被加工工件的表面质量。为此，本文提出了耀扳的振动主动控制。作动器采用自行研制的主动空气轴承作动器，以实现无摩擦接触，从而实现溜扳纵向运动中的横向振动控制控制采用模糊。PID控制，误差太时。采用模糊控制；误差小时，采用PID控制。实验结果表明，基于
17、主动空气轴承的模糊PID控制可以有效地减小溜扳振动。同时，MARIANOFEBBO，SERGIOAVERA11，RABIHALKHATIB，MFGOLNARAGHI12等也进行了这一方面类似的研究。5、发展趋势虽然主动控制悬架系统已应用于实车，但其市场普及依然存在很大困难，这主要有两个方面的原因一是成本太高；二是能量消耗过大。因此目前仅限于装载在排量较大的一些高档车型上。为解决上述问题，应着重进行两方面的研究1对主动悬架、转向、驱动和防抱死等系统进行联合控制。联合控制涉及到车辆动力学的各个方面和环节，需要对车辆的全部状态和控制目标作总体考虑和最优的权衡策略。而大规模联合控制系统的实现，不仅使系
18、统对传感器、油压源、控制器共同利用，以降低成本和车身质量，还可防止各种控制间的干扰，将使汽车的动态性能得到更大的改善。2由于主动悬架需要消耗发动机的一部分功率，因此如何减少系统的功9杨丽娟，一种改进的二自由度PID控制器J，工业仪表与自动化装置，20034141510王加春，李旦，董申超精密机床溜板的模糊PID振动主动控制研究J，20011576011MARIANOFEBBOANDSERGIOAVERADYNAMICCHARACTERISTICSOF1AND2DEGREESOFFREEDOMSYSTEMSACTINGASDYNAMICVIBRATIONABSORBERSONCONTINUUMS
19、YSTEMSJ，MECNICACOMPUTACIONALVOLXXIX，201074776512RABIHALKHATIBANDMFGOLNARAGHI，ACTIVESTRUCTURALVIBRATIONCONTROLAREVIEWJ，THESHOCKANDVIBRATIONDIGEST，2003353673849率消耗，也是一个值得研究的问题。应从理论和实验两个方面研究了可吸收、存储振动能量，并用于悬架控制的新型系统。该系统由能力转换器、能量管理设备、能量储存单元以及控制和测量设备构成。在需要消耗悬架振动能量的时候，将能量储存起来；在需要向系统输入能量时再将其释放到系统中。考虑到车辆节能的重
20、大意义，对悬架系统能量转换及再利用的原理和机构的研究，也将成为今后主动悬架技术的一个重要发展方向。6、小结在研究了各种主动控制方法后，得出各种控制方法有各自的优缺点。对主动控制下的隔振效果，经比较分析得出如下结论被动控制虽然对环境微振动干扰能进行有效的抑制，但对直接作用在装置的干扰力不能进行有效的隔离，只能采用主动振动控制才能达到对装置的隔振要求。参考文献1王加春，李旦，董申机械振动主动控制技术的研究现状和发展综述J，机械强度，2001，2321561602蔺玉辉，靳晓雄，肖勇振动主动控制技术的研究进展J，上海汽车，2006，729313沈承，黄光宏，曹世宏，李源PID控制系统的参数调节技巧J
21、，机械工程与自动化，2008841551584耿瑞基于MATLAB的自适应模糊PID控制系统计算机仿真J，信息技术，2007443465王辚，张科基于MATLAB的自整定模糊PID控制系统J，探测与控制学报，200843073766卫明社，李国勇基于可编程控制器的PID控制系统开发J，电气电子教学学报，2009，23143457李秀娟，甄冒发基于虚拟仪器技术在PID控制系统中的应用J，测控技术，20073649518续欣莹，谢琚，谢克明一种基于模糊逻辑的二自由度PID的实现J，太原理工大学学报，20043555205249杨丽娟，一种改进的二自由度PID控制器J，工业仪表与自动化装置，2003
22、4141510王加春，李旦，董申超精密机床溜板的模糊PID振动主动控制研究J，2001157601011MARIANOFEBBOANDSERGIOAVERADYNAMICCHARACTERISTICSOF1AND2DEGREESOFFREEDOMSYSTEMSACTINGASDYNAMICVIBRATIONABSORBERSONCONTINUUMSYSTEMSJ，MECNICACOMPUTACIONALVOLXXIX，201074776512RABIHALKHATIBANDMFGOLNARAGHI，ACTIVESTRUCTURALVIBRATIONCONTROLAREVIEWJ，THESHOC
23、KANDVIBRATIONDIGEST，20033536738411本科毕业论文（20届）二自由度振动系统的简单主动控制12摘要摘要为了提高汽车乘坐的操纵安全性和舒适性，一般主要是通过对悬架性能的提高来得以实现。悬架就是车架与车轮之间连接装置的总称。传统的被动悬架由于其参数固定不变，因此，传统的悬架性能不够理想。而简单的主动悬架能够通过作动器来输出相应的力，以降低汽车振动的性能较好。本文主要通过汽车振动系统的被动悬架和简单的主动悬架的建模对比，来说明简单的主动悬架对改善汽车的操纵安全性和舒适性起到了积极的改善的作用。在简单的主动悬架中，以高斯白噪声为输入，通过随机线性最优控制理论以及主动悬架L
24、QG控制器的应用，并利用MATLAB语言强大的算法能力来对其编制仿真控制软件，并在SIMULINK环境下对1/4汽车振动系统的简单的主动悬架模型来进行计算机仿真，其仿真结果表明，此算法设计的LQG控制器具有良好的性能指标。本文通过主动悬架和被动悬架的比较，可以得出主动悬架相对于被动悬架具有更好的调节性能，对于车辆的平顺性的改善较大。关键词悬架；二自由度；MATLABSIMULINK；LQG控制器。13ABSTRACTINORDERTOIMPROVETHECARSHANDLINGSAFETYANDRIDINGCOMFORT,GENERALPERFORMANCEMAINLYTHROUGHTHEIM
25、PROVEMENTOFTHESUSPENSIONTOBEREALIZEDSUSPENSIONISBETWEENTHEFRAMEANDWHEELSLINKINGDEVICEBECAUSEOFITSTRADITIONALPASSIVESUSPENSIONPARAMETERSAREFIXED,WHILETHESUSPENSIONPERFORMANCEISNOTIDEALANDSIMPLEACTIVESUSPENSIONCANUSEACTUATORSTOOUTPUTCORRESPONDINGFORCE,ANDHAVEAGOODPERFORMANCETOREDUCEAUTOMOBILESSHOCKSIM
26、PLEANDACTIVESUSPENSIONPERFORMANCEISBETTERINTHISPAPER,THROUGHTHEVEHICLEVIBRATIONSYSTEMSPASSIVESUSPENSIONANDACTIVESUSPENSIONMODELINGSASIMPLECOMPARISONTOILLUSTRATEASIMPLEACTIVESUSPENSIONPLAYSAPOSITIVEROLETOIMPROVEVEHICLESAFETYANDCOMFORTINASIMPLEACTIVESUSPENSION,WITHWHITENOISEINPUT,THROUGHTHESTOCHASTICL
27、INEAROPTIMALCONTROLTHEORYANDLQGACTIVESUSPENSIONCONTROLLERSAPPLICATIONSANDUSINGMATLABLANGUAGESPOWERFULALGORITHMSCAPABILITIESTOCONTROLOFTHEPREPARATIONOFSIMULATIONSOFTWAREANDUNDERTHESIMULINKENVIRONMENT,THESYSTEMOF1/4VEHICLEVIBRATIONOFASIMPLEMODELOFACTIVESUSPENSIONSCOMPUTERSIMULATION,THESIMULATIONRESULT
28、SSHOWTHATTHEALGORITHMDESIGNEDLQGCONTROLLERHASGOODPERFORMANCEACTIVESUSPENSIONANDPASSIVESUSPENSIONBYCOMPARISON,ITCANBEDRAWNRELATIVETOTHEPASSIVESUSPENSION,ACTIVESUSPENSIONSYSTEMHASBETTERREGULATIONPERFORMANCEANDFORTHEHIGHERIMPROVEMENTOFVEHICLESRIDINGKEYWORDSSUSPENSION；TWODEGREES；MATLAB/SIMULINK；LQGCONTR
29、OLLER。14目录摘要12TWODEGREESOFVIBRATIONSYSTEMSSIMPLEACTIVECONTROL错误未定义书签。目录141序言1511选题的目的1512悬架概念及分类15121被动悬架17122半主动悬架17123主动悬架1713主动悬架的发展历史介绍1714选题的意义1815研究内容1816技术路线182汽车振动系统中的被动悬架1921被动悬架模型的选取2022被动悬架系统模型的建立2023MATLAB/SIMULINK简介21231MATLAB简介21232SIMULINK简介2224高斯白噪声输入下的仿真及仿真结果223汽车振动系统中的主动悬架2631主动悬架模
30、型的选取2632主动悬架模型的建立2733随机线性最优控制2834高斯白噪声输入下的控制仿真及仿真结果304汽车振动系统中的被动悬架和主动悬架的比较3241SIMULINK环境下的被动悬架和主动悬架系统仿真框图3342被动悬架和主动悬架仿真结果的对比分析345总结35参考文献37附录38151序言11选题的目的汽车是数量最多、活动范围最广泛、最普及、运输量最大的重要的现代化陆地交通工具。可以这么说，至今为止没有哪种机械产品能像汽车那样对我们的生活产生如此广泛而又深远的影响。同时随着制造工艺的不断改进，汽车的外形越来越流线化，速度也在不断提高。然而人们对汽车的要求并不只仅限于此，人们对汽车的乘坐
31、舒适性和操纵安全性提出了更高的要求。一般而言，好的汽车的悬架设计将会直接提高汽车驾驶的舒适性、行驶的平顺性、行驶的安全性等。同时，舒适性是汽车最重要的使用性能之一。因为舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的性能相关。1所以汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。这就是汽车悬架通常被列为重要部件，而编入汽车的技术规范表，使其作为衡量汽车质量的指标之一的原因。通常而言，我们都从控制力学的角度，将过去的常规悬架称作被动悬架。同时，随着当今汽车速度的提高以及操纵稳定性、平顺性等综合性能高要求，被动悬架已经不能满足现代汽车工业的发展的需要。随着社会的进步和科学的发展，最近十几年来在汽
32、车工业领域相继出现了性能更加优越的简单主动悬架。12悬架概念及分类悬架就是车架与车轮之间连接装置的总称。它的功用就是把路面作用于车轮上的支撑力、驱动力和制动力以及由这些力所造成的力矩传递到车架上，从而来保证汽车的正常行驶。现代汽车的悬架虽然有不同的结构形式，但一般都有弹性元件、减振器和导向机构这三部分组成，如图11所示。弹性元件是使车架与车桥或车轮之间所做的弹性联系，在弹性系统受到冲击后，将产生相应的振动。持续的振动容易是使乘员感到不舒服和疲惫，所以悬架还应该具有减振的作用，使振动快速衰减，因此，在许多结构型式的汽车悬架中都设有专门的减振器。在车轮和车身跳动时，车轮的运动轨迹应符合一定的要求，
33、不然的话，汽车的某些性能（如操纵稳定型）会产生不利的影响。因此，悬架中的一些传力机构16还同时承担着使车轮相对于车架和车身按一定的轨迹跳动的任务，所以，这些传力机构还起导向作用，故称导向机构。由此可以看出这三者分别起着缓冲、减振和导向的作用。为避免车身在转向等情况下，发生太大的横向倾斜，在大部分的汽车上的悬架中还布置了辅助弹性元件横向稳定器。1弹性元件；2纵向推力杆；3减振器；4横向稳定器；5横向推力杆图11汽车悬架结构示意图同时，并不是所有的悬架都布置了上述这些装置不可。比如一般的钢板弹簧，其除了作为弹性元件起缓冲作用外，当它纵向安置在汽车上时，并且其一端与车架作固定铰接时，既可担负起传递各
34、个方向的力和力矩，也决定了车轮运动轨迹的任务，所以也就没有必要再另外设置导向机构。2由此可以看出这三者分别起着缓冲、减振和导向的作用。此外，悬架可以分为两大类，即非独立悬架和独立悬架，如图12所示。非独立悬架的结构特征是两侧的车轮是由一根整体式车桥相连接，车轮和车桥一起通过弹性悬架挂在车身下面。独立悬架则是每一侧的车轮单独地通过弹性悬架悬挂在车身的下面。当采用独立悬架时，车桥是做成断开的。非独立悬架独立悬架图12非独立悬架与独立悬架示意图为了加速车身振动的衰减，来改善汽车的行驶的平顺性，在大部分汽车的悬架系统内部基本上装有减振器。减振器和弹性元件都是并联安装的。通常，现代汽车上基本上是采用具有
35、减振器和弹性元件组成的常规悬架。即17使我们采用了优化方法来设计悬架，只能把其性能提高到一定程度，因此这种悬架还是受到很多限制。因此，需对常规悬架进行改进。同时，为了与常规悬架进行比较，我们对悬架进行了分类。悬架主要分为被动悬架、半主动悬架、主动悬架。3121被动悬架被动悬架一般主要是由弹簧和阻尼器组成。其中，弹簧主要用来支持弹簧上的质量，而阻尼器主要用来消耗系统的能量而起到减振的作用。其仅仅是对行驶平顺性、操纵稳定性和车身姿态控制等设计要求的综合考虑，并取其折中的最优。122半主动悬架半主动悬架一般主要是由阻尼器和弹性元件组成。阻尼器的阻尼系数能在大范围内进行调节。半主动悬架的阻尼器能根据弹
36、簧上承载质量的速度响应等反馈信号，并按照一定的控制规律而瞬态变动。其减振效果仅能适应较少的车况和路况。123主动悬架主动悬架主要是由一个力发生器和弹性元件组成。其中力发生器能根据车身的速度响应等反馈信号，来按照一定的控制规律产生力，其减振效果能在绝大部分的车况和路况下都能达到最优。主动悬架的作用在于对供给系统能量和系统的能量消耗的改进。13主动悬架的发展历史介绍二战后，伴随着公路交通状况的不断发展，汽车的车速有了很大的提高，被动悬架的缺点逐渐成为遏制提高汽车性能的主要瓶颈，因此人们便开发了能兼顾操纵稳定和舒适的主动悬架。主动悬架是在1954年由美国通用汽车公司在悬架设计中率先提出的。主动悬架是
37、在被动悬架的基础上，增加了可调节刚度和阻尼的控制装置，使汽车的悬架在任何路面上都保持了最佳的运行状态。控制装置一般是由测量系统、反馈控制系统、能源系统等几部分系统来组成。在1980年后，世界上各大著名的汽车公司都竞相研制开发这种悬架。奔驰、丰田、沃尔沃等都18在汽车上进行了较为成功的试验。在装备了主动悬架后的汽车，能在不良路面上高速行驶时，车身能保持非常平稳，轮胎的噪音小。而且在转向和制动时，车身同样能保持水平。其最大的优点是乘坐非常舒服，但不同程度存在着成本昂贵、结构复杂、可靠性、能耗高等问题。414选题的意义伴随着人们对提高驾驶舒适性和操纵稳定性的高要求以及性能优良、成本低廉悬架的市场竞争
38、的需求，这一切为开发性能好的汽车主动悬架提供了条件。长期以来汽车上使用的由弹簧和阻尼组成的传统常规悬架，这种悬架只能在很窄的频带内具有较好的减振性能。因而人们提出了性能更加优越的主动悬架和半主动悬架。人们开始借助于现代控制理论、传感器、传动器技术、计算机科学等交叉学科的发展，其为自动控制理论的汽车主动控制悬架的研究奠定了良好基础。得出了汽车主动控制悬架能取得较好的减振效果。同时，伴随着现代机电液一体化技术的逐步完善，主动控制悬架的设计也越来越受到重视。这将无疑在很大程度上改善汽车的舒适性，为新一代汽车悬架的研究开发提供了关键技术。汽车悬架系统的动态仿真对于改进悬架系统的设计，提高汽车行驶的平顺
39、性和安全性都具有非常重要的意义。因此，这个选题具有重要的理论意义和实用价值。15研究内容本文研究的主要内容（1）1/4车辆振动系统的被动悬架模型的建立，并通过MATLAB/SIMULINK进行相应的仿真。（2）1/4车辆振动系统的主动悬架模型的建立，另外，在设计好主动悬架的控制系统模型的建立，并通过MATLAB/SIMULINK进行相应的仿真。（3）通过主动悬架和被动悬架的仿真结果的分析，得出主动悬架和被动悬架在车辆振动系统的减震方面性能上的差异。16技术路线191/4车辆振动系统中主动悬架模型的建立控制系统模型的模型设计主动悬架振动控制系统的仿真结果振动控制系统的仿真结果1/4车辆振动系统中
40、被动悬架模型的建立被动悬架的振动系统的仿真结果振动控制系统的仿真结果通过对比得出，主动悬架和被动悬架性能上的差异图13技术路线图如图13所示，本文的技术路线主要是通过分别建立1/4车辆振动系统的被动和主动悬架，并进行相应的仿真，最后通过对比来说明主动悬架和被动悬架对于车辆的减振效果的差异。在进行主动悬架控制系统模型的设计过程中，将会利用MATLAB函数LQG来计算状态反馈，最优控制目标是当悬架动行程保持在允许的范围内时，使车身加速度、轮胎动位移最小。LQG线性二次调节器是设计最优动态调节器的一种状态空间技术。52汽车振动系统中的被动悬架2021被动悬架模型的选取在本次的设计任务书中，选取的是汽
41、车的1/4悬架系统两自由度模型来进行研究，如图21所示。车身质量车轮质量悬架弹簧刚度轮胎刚度车身位移车身速度BXBXBMSKTKWMWX车轮位移WX车身速度GX路面位移阻尼SC图211/4单轮车辆被动悬架模型它是由车身质量BM、车轮质量WM、悬架弹簧刚度SK、车轮刚度系数TK和悬架阻尼SC组成。其中，GX路面位移，BX车身位移，WX车轮位移。22被动悬架系统模型的建立首先，建立一个具有被动悬架系统的车辆动力学模型。根据牛顿定律，得出系统的运动方程如下TXTXCTXTXKTXMWBSWBSBB（21）TXTXCTXTXKTXTXKTXMWBSGWTWBSWW（22）式中BM为车身质量；WM为车轮
42、质量；BX为车身位移；WX为车轮位移；SK为悬架弹簧刚度；TK为轮胎刚度；SC为悬架阻尼；GX为路面位移；BX为车身速度；BX为车身加速度；WX为车轮速度；WX为车轮加速度；在这里，我们引入一个白噪声作为路面的输入模型6，即22000TWUGTXFTXGG（23）式中0F为下截止频率，HZ；0G为路面不平度系数，M3/每循环周期；0U为车辆前进速度，M/S；W为均值为零的高斯白噪声；结合式（21）、（22）、（23），将系统运动方程和系统输入方程写成矩阵形式，即得出了系统的状态空间矩阵形式，即21TFWTAXTX（24）式中TGWBWBXXXXXX；TWW为高斯白噪声输入矩阵；A为状态矩阵；F
43、为输入矩阵，其值如下02000000010000010FMKMKKMKMCMCMKMKMCMCAWTWSTWSWSWSBSBSBSBSTUGF0020000。车辆的性能指标是由车身加速度、轮胎动位移、悬架动行程组成，即TWBGWBXXXXXY（25）在此，可以将性能指标表示成状态变量和输入信号的线性组合形式，即CXY，其中，C是输出矩阵23MATLAB/SIMULINK简介由上面的计算可以看出，在计算悬架的相关算式时，运算量较大并且复杂。同时，随着悬架系统逐渐趋于复杂化和对悬架系统性能的要求不断提高，传统的利用微分方程和差分方程来建模并进行动态特性仿真的方法需要大量的编程，其效率低、工作量大，
44、并且不能很好的满足仿真的需要。MATLAB语言集科学计算、信号处理、自动控制等功能于一体，其具有很高的编程效率。另外，MATLAB还提供了SIMULINK工具箱，利用该软件可以方便的对悬架系统的动态特性进行仿真。在MATLAB环境下，通过SIMULINK可以快速有效的完成控制器对悬架系统的仿真模拟。因此,本文是在建立数学模型的基础上，运用MATLASIMULINK进行的动态仿真。7231MATLAB简介01100110000BSBSBSBSMKMKMCMCC22MATLAB语言不仅仅是一个“矩阵实验室”，它现在已经是一种应用广泛的全新的“计算机高级语言”。MATLAB语言和其它语言的关系，就如
45、高级语言和汇编语言的关系一样。因为高级语言的执行效率要比汇编语言低，然而其编程效率和可读性、可移植性要比汇编语言高很多。同样，MATLAB比其它语言的执行效率低，而起编程效率、可读性、可移植性要比其它语言高很多，它易于实现C和FORTRAN语言的几乎全部功能。它提供了非常丰富的WINDOW图形界面设计方法，为广大用户在不失强大功能的前提下，设计出了良好的图形界面和提供便利的工具。其中，特别是图形交互式的模型输入计算机仿真环境SIMULINK的出现为MATLAB的进一步推广起到了积极的作用。8232SIMULINK简介SIMULINK软件是使用MATLAB语言建立的一种新型的图形建模工具。它免去
46、了程序代码程序带来的繁琐和低效，即其可以用于动力学模拟又适用于时域控制系统的设计。同时，各种功能模块化，可以直接用鼠标进行拖放模块，建立信号连接，形成建模。它是一个开放的系统，各种成熟的工具箱不断扩展并加入到系统中。它是以模块来进行建模，每个子模块的参数可以进行单独的修改，而不影响其它模块运行，从而给系统的扩展带来极大的方便。由于被控对象的模块化、标准化，采用不同的控制模块可以直接对比不同控制方法的优劣，并从中选择最佳的控制算法。MATLABSIMULINK是实现了动态特性建模、仿真于一体的一个集成环境，它能使MATLAB的功能得到更进一步的扩展。SIMULINK工具箱的优势在于1实现可视化建
47、模，在WINDOW视窗里面，用户可以通过简单的鼠标操作就建立了直观的系统模型，并进行仿真；2实现了多工作环境间的数据交换和文件互用，并且具有直观、方便和灵活等优势。所以，SIMULINK工具箱是对悬架系统的动态特性进行仿真的强有力工具。924高斯白噪声输入下的仿真及仿真结果为了使设计更加接近真实路面情况，将输入设置为白噪声。白噪声是指其功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。其所有的频率都具有相同能量的随机23噪声称作白噪声。从我们耳朵的频率响应听起来，它就是非常明亮的“咝”声。10一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程是白噪声。换言之，其信号在各个频段上的功率是相同的。因为由各种频率的单色
48、光混合成了白光，所以这个信号的这种具有平坦功率谱的特点被称之是“白色的”，这个信号也因此被称之为白噪声。相比较而言，其它不具有这一特点的噪声信号被称作有色噪声。一般的，理想的白噪声是具有无限的带宽，所以，它的能量是无穷大的，但这在现实世界是不可能存在的。事实上，我们常常将有限带宽的平整信号视作白噪音，因为这将使我们在数学分析上比较容易。通常只要一个噪声过程所具有的频谱宽度远远大于其所作用系统的带宽，同时在该带宽中其频谱密度基本上可以作为一个常数来考虑，就可以把它当作白噪声来处理。例如，散弹噪声和热噪声在很宽的频率范围内具有均匀的功率谱密度，通常可以认为它们是白噪声。11同时，白噪声的种类较多。
49、本文选取的高斯白噪声。高斯白噪声是如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声。另外，关于系统仿真的一些参数包括，车辆模型参数、仿真路面输入参数、控制器的设计参数，见下表21。表21单轮模型仿真输入参数值车辆模型参数符号数值单位1/4车身质量BM300KG车轮质量WM30KG24悬架刚度SK18000N/M轮胎刚度TK180000N/M阻尼SC1000N/M允许的悬架工作空间SWS01M仿真路面输入参数路面不平度系数0G40X106M3/CYCLE车速0U30M/S下截止频率0F01HZ性能指标加权系数轮胎动位移1Q78000悬架动行程2Q4车身加速度1现在，在SIMULINK中加入高斯白噪声模块，来观看其控制结果图22高斯白噪声输入的路面位移图23高斯白噪声输入下被动悬架的车身加速度25图24高斯白噪声输入下
