1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 半主动悬架振动控制方法研究 所在学院 专业班级 测控技术与仪器 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 当前人们对车辆乘坐舒适性的要求越来越高，对车辆悬架的控制技术已成为当今控制理论的重要研究课题之一。根据先前的研究，悬架 的数学模型有很多种，本次论文应用理论分析，选择和构建了二自由度四分之一半主动悬架的动力学模型，针对汽车悬架系统的动态特征，应用 PID 控制理论和模糊控制理论，先后设计了半主动悬架 PID 控制器，半主动悬架模糊控制器，半主动悬架模糊 PID控制器，在 matlab/simulink 软件中构建了实现这些策
2、略的悬架控制模型。通过仿真结果表明，半主动悬架模糊 PID 控制的实现是可行 的 、合理的，与被动悬架控制、单纯的 PID 控制、模糊控制相比，该控制方式能够有效得减小车身加速度的幅值， 减小车身的振动， 并使得加速度变化更加平缓 ，符 合汽车对平顺性的要求 。 关键词： 半主动悬架，模糊 PID，仿真 II Abstract At present people have become increasingly demanding comfort of vehicles,vehicle suspension controltheory has become one of the importa
3、nt research topics. According to previous studies, There are variety of the mathematical model of suspension , this thesis apply theoretical analysis, selected and constructed a quarter of two degrees of freedom dynamic model of semi-active suspension for the dynamic characteristics of vehicle suspe
4、nsion systems, applying PID control theory and fuzzy control theory, has designed a semi-active suspension PID controller, fuzzy controller semi-active suspension, semi-active suspension fuzzy PID controller, building the suspension to achieve these strategies Control model in the matlab / simulink
5、software. he simulation results show that the semi-active suspension Fuzzy PID control implementation is feasible, reasonable, comparing the passive suspension control, a simple PID control, fuzzy control compared to the control method can effectively reduce the body acceleration amplitude ， reduce
6、the vibration of the body， and make changes more gentle acceleration. meet the requirements of cars on the ride comfort. Keywords: Semi-active suspension, fuzzy PID, simulation III 目录 摘 要 . I Abstract . II 第一章 绪论 . 1 1.1课题的背景意义 . 1 1.2汽车悬架简介 . 1 1.2.1 汽车悬架的定义 . 1 1.2.2 汽车悬架的分类和比较 . 2 1.2.3 国内外半主动悬架的
7、发展现状 . 3 1.3 课题内容安排 . 4 第二章 半 主动悬架理论基础 . 5 2.1半主动悬架系统动力学建模 . 6 2.2半主动悬架系统控制策略 . 7 2.2.1 PID 控制策略 . 7 2.2.2 模糊 控制策略 . 8 2.3总体方案设计 . 11 第三章 开发环境 matlab/simulink 简介 . 12 第四章 半主动悬架控制仿真分析 . 13 4.1半主动悬架仿真模型设计 . 13 4.2 PID 控制器设计 . 15 4.3 模糊控制器的设计 . 17 4.4 模糊 PID 控制器的设计 . 20 4.5 仿真试验结果 . 31 第五章 结论 . 34 参考文献
8、 . 36 致谢 . 37 附录 . 38 附录图 1. 38 附录图 2. 38 附录图 3. 39 附录图 4. 40 附录图 5. 38 附录图 6. 40 附录图 7. 40 附录图 8. 40 毕业设计（论文）题目 1 第一章 绪论 1.1 课题的背景意义 随着现 代生活的水平的不断提高、国民经济的飞速发展，汽车已逐渐融入到人们的工作生活之中，而现代汽车也正朝着智慧化、舒适度、安全化的方向发展 1。悬架系统是影响汽车性能的关键部件，由于汽车结构和功能的不断完善，研究汽车隔振悬架，设计新型悬架系统，将振动控制在最低水平是提高现代汽车质量的重要举措。车辆的半主动悬架系统解决了被动悬架系统
9、一直存在的稳定性和舒适性不能同时兼顾的问题，并能根据行驶状况和道路的变化而作出相应改变。半主动悬架是典型的非线性机、电、液一体化动力系统。近年来，由于电子技术、测控技术和机械力学等学科的 飞速发展，特别是信息科学中对最优控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制等的研究，不仅在理论上取得了举世瞩目的成果，同时也开始应用于汽车半主动悬架的控制当中，使得半主动悬架系统在现代技术下越来越成为研究的热点 2。 1.2 汽车悬架简介 1.2.1 汽车悬架的定义 悬架是现在汽车的重要组成部分，它是车身与车轮之间的弹性连接装置，作用是传递作用在它们之间的力和力矩，并且缓冲不平路面对车身的冲击力，衰减由此承载系
10、统的振动，保证汽车行驶的舒适性。一个典型的悬架系统由减震器、弹性元件和导向机构组成。 图 1-1 汽车悬架结构图 毕业设计（论文）题目 2 1.2.2 汽车悬架的分类和比较状 目前车辆悬架按振动的控制方法分为 3 种：被动控制、半主动控制和主动控制。 3 种悬架的结构简图如下所示： 图 1-2 3 种悬架的基本结构图 a）被动悬架 b)半主动悬架 c)主动悬架 由于基于经典隔振理论的被动悬架系统的刚度、阻尼等参数是固定不变的，当路面情况发生变化时该悬架系统不能及时作出相应的变化，不能同时保证汽车的操纵稳定性和行驶舒适性的要求，对路面的适应性较差。主动悬架虽然能兼顾操作稳定性和驾驶舒适性，获得一
11、个优质的隔振系统，做到理想的振动控制效果， 但由于其能耗大、结构复杂、测量精度和成本较高等原因而未能推广使用。半主动悬架结合了主动和被动悬架的特点，可根据路面情况、载荷、行驶速度等情况实时调节减震器的阻尼，显著降低悬架系统的变形和加速度，使汽车具有良好的舒适性和操作性；半主动悬架系统结构简单，能量损耗小，而它的控制效果却能接近主动悬架，因而是近期最有可能走向市场推广应用的新兴技术。 1.2.3 国内外半主动悬架的发展现 1.2.3.1国外半主动悬架的发展 半主动悬架始于 1973 年，由 D.A.Crosby 和 D.C.Karnopp 首次提出。它是毕业设计（论文）题目 3 用一个阻尼系 数
12、在一定范围内可调节的阻尼器替代了被动悬架的阻尼器，实现实时调整阻尼力 3。 1975 年， Maugolis 等人演示了“开 /关”控制的办主动悬架，它能产生较大的阻尼力，而改进后的这种悬架于近十年在汽车工业中得到了广泛的应用。 1976 年， Hu-bbard 等人突出了通过改变弹簧刚度的办主动悬架系统。它是通过切换空气弹簧得以实现，与传统的机械弹簧相比，空气弹簧存在更多的优势，因此早在 80 年代国外就已经将空气弹簧应用于汽车悬架中了。 日产公司于 1984 年研制了一种名为“声纳式”半主动悬架，它通过声纳装置预测前方路 面情况，有“柔和”、“适中”、“稳定”三檔。日本丰田的 LEXUS
13、LS400GT 轿车的阻尼器就有这种选择状态。 Mannesmann 公司的 Matthias Raulf和 Thomas Kutsche 以及 WABCO 公司 Hans-Otto Becher 研制了一种应用于重型卡车上的具有模拟比例液压阀的连续可调阻尼器，通过控制比例阀的输入电流以调节阻尼力。 1996 年， Hans-jorg Feigel 和 Nino Romano 研制出一种可用于半主动悬架的单级电液比例阀，它具有功耗低、成本低、回应快、抗污染的特点。 Mercedes-Benz公司的 Huang Zhen 等人研制的一种可调的液压减震器，它在简式减震器的两腔安装可控液压阀和蓄能器
14、，通过电气控制和主阀配合，可以提供 4 中不同的减振性能。 1991 年， Mercedes-Benz 公司在赛车上采用了一套 ABC（ Active Body Control）系统，通过传感器检测车身运动的相关信号，通过微处理器控制液压机构，为悬架提供可变阻尼力，并与 1999 年在 Benz CL 系列中采用 ABC 系统。英国的 Kakizaki Shinobu 等人与 1995年研制出一种具有可调阻尼和自我诊断的液压减震器，当出现故障时，减震器系统会自动降至最小阻尼。 德国的 Forster Andreas 也于 1995 年研制了可调减震器，其特点是：减震器带有线圈和芯子的电磁控制阀
15、，同时采用空心活塞杆以减少结构尺寸，空心杆起导磁体的作用，使得磁通量反向闭合。 半主动悬架的另一种执行机构是采用电流变和磁流变。英国的 Kawamata Satoru 等研制出了可调液压减震器，并申请了专利，它的原理是：减震器的两腔用软膜片隔开，并充满电流变液。当通向减震器的电流改变时，电流变液的粘性也随之发生变化，从而改变阻尼力。 Pinkos 和 Sturk 等人也在电流变液方面作了研究。 由于军用车的越野和高速行驶的需要，美国军方进行了半主动悬架外置液压悬架系统的性能试验，其中以 Bradley 战车为试验平台，实验表明：系统在减振和提高车辆机动以及可靠性方面较被动悬架有了极大的提高。美
16、国陆军在M1A1 坦克上也进行了半主动悬架的实验 4。 毕业设计（论文）题目 4 美国马里兰大学航空工程系在磁流变减震器的研究一直处于世界领先，并开发了充气补偿结构的汽车磁流变减震器。美国 Lord 公司、德尔福公司、福特公司、德国 BASF 公司已经开发出商业产品，应用于实车之中，如 2002 Cadillac Seville STS 车上的磁流变减震器，其响应时间在 1ms 内，比传统可调减震器还快 5 倍以上 5。 1.2.3.2我国半主动悬架的发展现状 我国对悬架的研究起步较晚，与世界先进水平仍有一定的差距，但相关研究人员也一直努力从事减震器的研究工作，并且取得了一定的成绩。 针对国外
17、电流变和磁流变作为半主动悬架的执行机构新型研究，北京理工大学魏宸官教授也对电流变减震器做了大量的研究工作，并申请了专利。北京理工大学也成功研制出叶片式可控减震器，并已装备在车上。 重庆大学的李以农和郑玲对基于磁流变减震器的汽车半 主动悬架非线性控制方法进行了研究。考略到磁流变减震器阻尼力和悬架弹性元件的非线性特性，应用微分几何非线性控制，实现半主动悬架的精确线性化，仿真结果表明：这种基于磁流变减振器的汽车半主动悬架承受的冲击响应小、振动强度小，有效提高了悬架的工作性能，改善了汽车的行驶舒适性 6。 江苏理工大学 的陈龙、李德超提出了一种车辆半主动悬架系统的自适应模糊控制方法。该方法以模糊控制原
18、理为基础，融合了自适应方法，在模糊控制器内采用“软反馈”并对自适应模糊控制规则进行修正，简化了运算，是系统的控制不断改善，显著减少了车辆振动和 干扰，提高了车辆的行驶舒适性，达到最佳控制效果 7。 华东交通大学 的张勇明、陈梦成提出了将神经网络反馈控制应用在汽车变阻尼半主动悬架的控制，通过仿真表明应用神经网络反馈控制的变阻尼半主动悬架能较好的改善汽车的平顺性和操纵稳定性，证明了其有效性和可行性。 8 1.3 课题的内容安排 本次论文的主要研究内容是以二自由度四分之一半主动悬架为研究对象，应用 PID 控制、模糊控制、模糊 PID 控制策略来验证半主动悬架的控制效果。 1、绪论章节主要介绍了汽车
19、悬架的概念、类别和重要性，并引出课题研究的对象 半主动悬架，以 此围绕半主动悬架介绍它的特性和发展。 2、第二章主要介绍相关的理论基础 -PID 控制和模糊控制策略，并建立了二自由度四分之一半主动悬架的动力学模型。 3、第三章简单介绍本次论文的仿真平台 MATLAB/simulink 以及它的发展。 4、第四章应用 MATLAB/simulink 分别建立了二自由度四分之一半主动悬毕业设计（论文）题目 5 架、 PID 控制器、模糊控制器、模糊 PID 控制器的仿真模型，并通过仿真结果得出结论。 5、结论章节总结全文，并对下一步工作作出展望。毕业设计（论文）题目 6 第二章 半主动悬架理论基础
20、 2.1 半主动悬架系统动力学建模 建立一个简单合理的数学模型，是进行仿真计算、分析问题的重要一步。然而悬架系统是一个复杂的多自由度振动系统，其内部又存在多种力的相互干扰，如果对其进行精确的分析和描述， 其工程量相当繁重。已有的文献从不同的角度、不同的侧重点和不同的目标进行分析，出现了不同自由度的模型，比较典型的有七自由度 1/2 模型、四自由度 1/2 模型、二自由度 1/4 模型等等，其自由度数越多，计算出的模型就越接近实际系统，但也意味着它的仿真计算量越繁重 8。这里，不妨根据现有的研究条件，采取简化的二自由度 1/4 力学模型。虽然 1/4 模型并不 能表示出整体汽车的的几何信息，但它已经包含了实际大部分的问题，例如负载变化、悬架系统的受力情况等，正因为它求解容易，计算量小，包含了汽车平顺性分析的主要特征，已经成为了研究人员常用的理论模型。 如图 2-1 所示为二自由度 1/4 悬架的典型模型： 图 2-1 二自由度 1/4 悬架的典型模型 图中符号含义如下： 1M 车身质量 ; 2M 车轮质量 ;
