基于DSP的汽车磁流变减振悬架系统控制策略设计与研究

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1、中北大学2012届毕业设计说明书1 绪 论随着社会的发展和文明的进步，汽车作为一种交通工具，已成为人们出行的主要选择，汽车乘坐的安全性、舒适性已成为世人关注的焦点。汽车作为高速客运载体，其运行品质的好坏直接影响到人的生命安全，因此，与乘坐安全性、舒适性密切相关的轿车动力学性能的研究就显得非常重要。悬架系统汽车的一个重要组成部分，它连接车身与车轮，主要由弹簧、减震器和导向机构三部分组成。它能缓冲和吸收来自车轮的振动，传递车轮与地面的驱动力与制动力，还能在汽车转向时承受来自车身的侧倾力，在汽车启动和制动时抑制车身的俯仰和点头。悬架系统是提高车辆平顺性和操作稳定性、减少动载荷引起零部件损坏的关键。一

2、个好的悬架系统不仅要能改善汽车的舒适性，同时也要保证汽车行驶的安全性，而提高汽车的舒适性必须限制汽车车身的加速度，这就需要悬架有足够的变形吸收来自路面的作用力。然而为了保证汽车的安全性，悬架的变形必须限定在一个很小的范围内，为了改善悬架性能必须协调舒适性和操作稳定性之间的矛盾，而这个矛盾只有采用这折衷的控制策略才能合理的解决。因此，研究汽车振动、设计新型汽车悬架系统、将振动控制在最低水平是提高现代汽车性能的重要措施12。1.1 车车辆悬架架系统的的分类及及发展按工作原理理不同，悬悬架可分分为被动动悬架(Passsivve SSusppenssionn)、半半主动悬悬架(SSemii-Accti

3、vve SSusppenssionn)和主主动悬架架(Acctivve SSusppenssionn)三种种，如图图1.1所所示33。 （a）被动动悬架 (b)全全主动悬悬架 (c)半主动动悬架图 1.11 悬架架的分类类图1.1中中Mu为非簧载载质，Ms为簧载质质量，Ks为悬架刚刚度，Kt为轮胎刚刚度；CC1为被动动悬架阻阻尼，C2为半主动动悬架可可变阻尼尼，F为主动悬悬架作动动力。目前我国车车辆主要要还是采采用被动动悬架(Passsivve SSusppenssionn)。其其两自由由度系统统模型如如图1.1(aa)所示示。传统统的被动动悬架一一般由参参数固定定的弹簧簧和减振振器组成成，其

4、弹弹簧的弹弹性特性性和减振振器的阻阻尼特性性不能随随着车辆辆运行工工况的变变化而进进行调节节，而且且各元件件在工作作时不消消耗外界界能源，故故称为被被动悬架架。它的的结构简简单，性性能可靠靠，经过过不断改改进，现现在发展展的已比比较成熟熟。然而而，汽车车在行驶驶过程中中，其平平顺性和和操纵稳稳定性对对悬架参参数的要要求是不不同的，要要想同时时兼顾两两者是很很困难的的，即使使经过优优化，也也只能使使它在特特定的车车速和路路面下才才能达到到最佳。所所以，悬悬架的特特性参数数一经选选定，就就无法随随汽车运运行的工工况和激激励的变变化而进进行调节节，故其其减振性性能的进进一步提提高也就就会受到到限制。

5、为为了克服服被动悬悬架存在在的缺点点，人们们尝试了了很多方方法，如如采用非非线性变变刚度弹弹簧，虽虽然取得得了一定定的效果果，但是是仍不能能从根本本上消除除上述的的缺陷。改改善悬架架性能的的根本出出发点在在于改善善悬架对对车轮和和车身的的作用，这这可以从从改变悬悬架刚度度或阻尼尼或同时时改变两两者入手手.于是主主动、半半主动悬悬架的研研究就逐逐步开始始了。1954年年，GMM公司Errspiie.LLabrrosee在悬架架设计中中首先提提出主动动悬架的的思想3。主主动悬架架的基本本原理是是用可调调刚度的的弹簧或或可调阻阻尼的减减振器组组成的悬悬架系统统，该系系统采用用有源或或无源可可控制的的

6、元件组组成了一一个闭环环控制系系统，它它可以根根据车辆辆预测的的激励和和簧载质质量的加加速度响响应等反反馈信号号，按照照一定的的控制规规律调节节可调弹弹簧和可可调阻尼尼器的参参数，以以抑制车车体的运运动，使使悬架始始终处于于最优减减振状态态。主动动悬架的的特点就就是能够够根据外外界的输输入或车车辆本身身状态的的变化进进行动态态自适应应调节。这这种悬架架系统为为在根本本上改善善汽车悬悬架系统统的性能能，提供供了一条条崭新的的途径。图图1.1(bb)为两两自由度度全主动动悬架系系统(FFullly AActiive Susspennsioon)。该该系统是是由Feederrspiiel.labbr

7、ossse在在 19975年年发明的的4。它主主要由一一个可控控的电液液作动器器组成。作作动器相相当于一一个力发发生器，可可根据车车身质量量的速度度响应等等反馈信信号，按按照一定定的控制制规律产产生作用用力。它它可替代代被动悬悬架中的的弹簧和和减振器器，可以以任意变变更刚度度以及阻阻尼系数数。全主主动悬架架的最大大优点是是具有高高度的自自适应性性，可很很好地满满足不同同环境的的要求(如不同同道路条条件和行行驶速度度等)。这种种装置所所要求的的控制目目标是实实现一个个最佳的的隔振系系统，而而且不需需要对系系统作较较大的改改变.另外又又因为该该悬架系系统还能能控制车车轮的频频率范围围(10015H

8、Hz)，因因其响应应特性很很快，所所以又把把该悬架架系统称称为“快”主动系系统。这这种系统统功率消消耗很大大，一般般达到ll0Kww左右，另另外传感感器的需需用量也也很多(如行程程传感器器、加速速度传感感器、力力传感器器及某种种情况下下的压力力传感器器等)。因而而尽管全全主动悬悬架的性性能非常常优越，但但由于它它的结构构相当复复杂，而而且造价价也较为为昂贵，一一般仅限限于在豪豪华轿车车和客车车上使用用，所以以其应用用范围较较小55。与主动悬架架相比，半半主动悬悬架没有有力发生生器，它它通过调调节减振振器的液液力阻力力，改善善悬架的的振动特特性，图图1.1(cc)为两两自由度度半主动动悬架（Se

9、mi-Active Suspension）。半主动悬架研究始于1974年美国加州大学戴维斯分校 Karnopp的研究工作6。该系统主要由弹性原件与可调阻尼器构成，此可调阻尼器在其力的产生方面非常相似于被动悬架中的阻尼器，但其阻尼系数是根据车身质量的垂直加速度、簧载质量与非簧载质量的相对位移等反馈信号，按照一定的控制规律而瞬态变化的，因此其减振效果又接近全主动悬架。但由于半主动悬架中弹簧钢度为一定值，所以它的自适应性能要稍逊于全主动悬架。其中半主动悬架又可以分为阻尼有级可调(On-Off)和阻尼连续可调（Contimuous）两种类型。阻尼可调减减振器主主要有两两种：一一种是机机械式可可变阻尼尼

10、减振器器，一般般通过电电磁阀或或步进电电机进行行有级或或无级调调节截流流孔的开开口，改改变通流流面积来来调节阻阻尼系数数。该方方法成本本较高，结结构复杂杂，响应应快，不不易实现现细微调调节；另另一种是是通过改改变减振振器的粘粘性调节节阻尼。通通过使用用粘性连连续可控控得新型型减振液液（如磁磁流变液液、电流流变液）来来实现阻阻尼连续续变化，结结构简单单、制造造成本不不高、无无液压阀阀的振动动冲击和和噪声的的特点。电电流变液液依靠施施加一个个高压电电场来产产生电流流变效应应，电流流变液对对电场反反应迅速速，但是是在屈服服应力、温温度范围围、塑性性粘度和和稳定性性等方面面，磁流流变液强强于同类类电流

11、变变液。从以上分析析可以看看出，全全主动/半主动动悬架的的性能明明显优于于被动悬悬架，而而阻尼连连续可调调的磁流流变减振振器半主主动悬架架由于结结构简单单，可靠靠性较高高，在工工作中消消耗能量量很小，控控制易于于实现，性性能指标标与全主主动悬架架相近，因因此受到到车辆工工程界的的广泛重重视，应应用前景景将更为为广泛。1.2 磁磁流变液液和磁流流变效应应磁流变液(MaggnettorhheOII。 ggiCaalFlluidd，简称称MRFF)是119488年由美美国学者者RabbinoowJ发发明的一一种流变变性能可可随外界界磁场改改变而改改变的智智能材料料。它由由磁性微微粒、基基液及稳稳定剂

12、三三部分组组成。通通常磁性性微粒的的粒径在在110微微米范围围内，一一般采用用铁、钴钴、镍等等磁性材材料77，它它是使液液体获得得磁流变变效应的的主要成成分;基基液是作作为磁性性微粒的的载液，要要求具有有良好的的阻燃性性和温度度稳定性性，还应应保证不不会发生生腐蚀和和污染作作用;而而稳定剂剂是改善善磁流变变液的沉沉降稳定定性和凝凝聚稳定定性，通通常稳定定剂具有有特殊的的分子结结构:一一端对磁磁性颗粒粒界面能能够产生生高度的的亲和力力，吸附附于磁性性颗粒表表面，而而另一端端是极易易分散于于载液中中的具有有适当长长度的弹弹性基团团。一般般采用氧氧化硅胶胶添加剂剂或其他他表面活活化剂。磁磁流变液液的

13、流变变效应目目前还没没有完全全成熟明明确的理理论，通通过显微微镜可以以观察到到:在没没有施加加磁场的的情况下下，磁性性颗粒是是杂乱无无章分布布的。而而一旦施施加磁场场后，磁磁性微粒粒沿磁场场方向呈呈链或链链束状排排列，在在磁极之之间形成成粒子链链阻碍流流体的正正常流动动，使流流体成为为一种具具有一定定剪切屈屈服强度度的粘塑塑性体，如如图1.2所示示。 （a）不不加磁场场时 （b）加加磁场时时图1.2 磁流变变效应示示意图当没有磁场场作用时时，磁性性粒子悬悬浮于基基液中呈呈现出随随机分布布状态。而而施加磁磁场作用用后，粒粒子表面面出现极极化现象象，形成成磁偶极极子。磁磁偶极子子在克服服热运动动的

14、作用用下沿着着磁场方方向结成成链状结结构。极极化链中中各个相相邻粒子子之间的的吸引力力随外加加磁场强强度的增增加而增增加。当当磁场强强度增至至临界值值时，磁磁偶极子子相互作作用超过过热运动动，使粒粒子热运运动受阻阻，此时时磁流变变液呈现现固体状状态，相相邻粒子子间的吸吸引力也也达到最最大。磁磁流变液液的屈服服应力也也是随外外加磁场场强度的的增加而而增加的的，但当当达到某某一饱和和值后，如如果再增增加磁场场强度，屈屈服应力力不再增增加，这这时就达达到了饱饱和磁场场下的JJ态屈服服应力8910。磁流变效应应是磁流流变液走走向工程程应用的的基础，那那么具有有良好性性能的磁磁流变液液应满足足的以下下几

15、点要要求: 磁场作作用下有有较高的的屈服应应力; 零场作作用时具具有较低低的勃度度; 较宽的的工作温温度范围围; 长期的的沉降稳稳定性和和凝聚稳稳定性; 较好的的化学稳稳定性; 响应时时间短; 与密封封元件不不发生化化学作用用。1.3 磁磁流变减减振器工工作原理理磁流变减振振器利用用磁流变变液的流流变特性性可受外外加磁场场控制的的特性，实实现减振振器阻尼尼系数的的可控，从从而实现现阻尼力力的控制制。(a)流动动模式 (b)剪切模模式图1.3 磁流变变液减振振器的工工作模式式汽车磁流变变减振器器的工作作原理一一般都基基于两种种工作模模式:剪剪切模式式和流动动模式11(见图图1.3)在流动动模式中

16、中磁流变变液位于于两个相相对静止止的极板板之间，磁磁流变液液流经阻阻尼通道道所产生生的压力力差受外外界磁场场控制的的，从而而推动磁磁流变液液流动的的活塞所所受到的的阻尼力力就受外外界磁场场控制;在剪切切模式中中，磁流流变液位位于两相相对运动动的极板板之间，外外加磁场场方向垂垂直于极极板的相相对运动动方向，磁磁场强度度受控制制系统控控制，由由于不同同的磁场场可以使使磁流变变液产生生不同的的剪切屈屈服应力力，从而而极板之之间相对对运动所所产生的的阻力就就受到了了磁场的的控制。将将剪切模模式和流流动模式式融为一一体就形形成混合合工作模模式，对对于这种种模式，活活塞的移移动引起起磁流变变液的流流动与剪

17、剪切，但但由于流流动引起起的阻尼尼力比剪剪切引起起的阻尼尼力大得得多，所所以只按按流动模模式计算算阻尼力力。1.4 汽汽车悬架架控制策策略简述述关于车辆悬悬架系统统的振动动控制研研究与开开发是控控制领域域和车辆辆动力学学领域研研究的国国际前沿沿课题。随随着现代代控制理理论的不不断深入入发展，有有关汽车车半主动动悬架的的控制策策略也是是越来越越多。自自上世纪纪七十年年代以来来，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、鲁棒棒控制、神神经网络络控制等等等。天棚阻尼控控制是kkarnnoppp提出的的一种关关于半主主动悬架架的控制制方法，这这是最早早提出的的一种悬悬架控制制方

18、法，它它提出了了用开关关控制实实现近似似于理想想的“天棚”阻尼的的半主动动控制方方法112。实实现该策策略所需需的测试试仪器较较少且控控制的算算法简单单，使得得对这种种算法的的研究最最多，也也是应用用最广的的。但是是纯粹的的天棚阻阻尼控制制策略只只是提高高了车辆辆行驶的的舒适性性，操纵纵稳定性性却没有有改善，所所以目前前的研究究重点是是改进型型的天棚棚阻尼控控制。 经经典的PPID控控制只需需要对调调节参数数根据经经验进行行在线调调整，不不需要精精确数学学模型就就可以得得到比较较满意的的结果，虽虽然它简简单容易易实现，但但是被控控对象对对参数的的变化很很敏感，模模糊PIID控制制是该策策略的研

19、研究方向向133。最优控制包包含最优优预瞄控控制、HH控制和和线性最最优控制制。最优优控制可可以改善善汽车的的行驶平平顺性和和操纵稳稳定性，但但是它只只能对理理想的参参数模型型实现最最佳性能能144。当当汽车参参数发生生变化到到一定程程度时，性性能将不不再最优优甚至恶恶化，系系统将变变得不稳稳定，因因此它在在半主动动悬架的的控制中中用得比比较少。模糊控制无无需精确确的数学学模型就就可实现现控制，对对于半主主动悬架架这样复复杂的非非线性系系统很有有利，此此外它能能减少控控制器存存储，从从而降低低成本缩缩短控制制对象的的延时，提提高悬架架的可靠靠性115。虽虽然如此此，它的的自适应应能力较较差，控

20、控制精度度不高。自适应控制制可以分分为模型型参考自自适应控控制和自自校正自自适应控控制两类类。它可可进行参参数识别别，使其其适应悬悬架载荷荷和参数数的变化化，自动动在线调调整控制制参数，从从而降低低汽车悬悬架控制制系统的的不确定定性，确确保性能能最优16。但是是该算法法比较复复杂，因因此对系系统的要要求高，还还存在某某些参数数具有时时变性的的缺点。神经网络控控制是一一个高度度并行的的非线性性动力系系统，它它由大量量的处理理单元组组成，具具有可学学习性和和巨量并并行性的的特点，在在车辆悬悬架系统统的振动动控制中中应用前前景良好好177。于规则则的知识识需要长长时间的的训练，因因此它需需要和其其他

21、的控控制方法法结合使使用才能能发挥更更大的效效用。对于鲁棒控控制的HH控制来来说，它它能够对对车辆的的悬架系系统的车车身振动动模态、减减振器阻阻尼系统统、悬架架动挠度度、轮胎胎刚度和和车身质质量等具具有很强强的鲁棒棒性，改改善悬架架性能18。综上所所述，随随着现代代控制理理论的不不断发展展，使得得越来越越多的现现代控制制方法运运用于半半主动悬悬架的控控制中，但但是每种种单一的的控制方方法总存存在其不不足。所所以，研研究复合合控制策策略成了了对半主主动悬架架进行控控制的主主流方向向。现代代控制理理论的不不断进步步也将促促进对半半主动悬悬架振动动控制系系统的研研究。1.5 汽汽车悬架架系统控控制策

22、略略研究的的意义近年来，随随着我国国国民经经济的飞飞速增长长，高速速公路网网大量新新建，人人们对交交通的需需求越来来越高，这这使得我我国的汽汽车工业业迅速发发展，随随之汽车车保有量量和总产产量也增增长迅速速。据国国家统计计局网站站在20011年年3月4日公布布的“十一五五”经济社社会发展展成就系系列报告告显示，“十一五”期间，交通运输业成就卓著，高速公路里程达到7.41万公里，居世界第二位。国家高速公路网主骨架预计“十二五”末将基本建成，届时，中国高速公路通车总里程将有望达10万公里，超过美国跃居世界第一。此外交通部表示，到20巧年，农村公路总里程达390万公里，实现所有乡镇和90%的建制村通

23、班车。截至2010年底，全国公路网总里程已达到398.4万公里，5年增加了6.9万公里。2007年底，“五纵七横”12条国道主干线提前13年全部建成，西部开发8条省际通道基本贯通，全国公路网密度由“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，我国机动车保有量达到2.11亿辆，2010年全国新增机动车2048万辆、驾驶人1317万，有20个城市的机动车保有量超过100万辆19。迅速发展的公路网拉动了人们对汽车的消费需求，同时也对乘坐舒适性也有了更高的要求，对汽车的总体性能也提出了更高的要求。汽车悬架是汽车上的关键部件，悬架的好坏直接影响到汽车的行驶平顺性、乘坐舒适性

24、以及操纵稳定性等多种使用性能。所以一直以来人们都非常关注于悬架的设计。汽车磁流变变半主动动悬架系系统主要要由四个个部分组组成:传感器器、控制制器、驱驱动器和和执行器器200。对对于汽车车磁流变变半主动动悬架系系统设计计来说，磁磁流变减减振器的的研制和和磁流变变悬架的的控制器器设计是是两大关关键技术术。目前前，由于于各项研研究均刚刚刚起步步，还有有许多问问题需要要更加深深入的研研究。而而控制器器的性能能好坏直直接体现现了整个个系统的的智能化化程度，它它对半主主动悬架架的性能能发挥起起着非常常关键的的作用。磁磁流变半半主动悬悬架具有有非线性性高阶时时变的特特点，并并且由于于载荷分分布，道道路情况况

25、等多种种不确定定的因素素存在，由由于磁流流变阻尼尼器本身身还存在在饱和滞滞回、参参数一致致性和稳稳定性等等问题，使使得控制制策略发发设计难难度大大大增加。目目前主要要采用经经典的半半主动悬悬架控制制算法，忽忽略了阻阻尼器调调节方式式与控制制策略的的匹配问问题，通通常都是是以不变变的控制制模态去去面对复复杂多变变的车辆辆行驶工工况，所所以在实实际应用用中，其其控制效效果与理理论预言言的效果果还有一一定的差差距，目目前的研研究主要要集中在在实验室室仿真阶阶段。在在保证车车辆操纵纵稳定性性的前提提下，为为获得更更加理想想的车辆辆控制效效果，对对汽车悬悬架系统统的动力力学特性性研究和和振动控控制研究究

26、也非常常的重要要。综上所述，研研究适合合于汽车车磁流变变半主动动悬架的的控制策策略，使使其更加加智能化化实用化化，进而而开发出出具有自自主知识识产权的的智能悬悬架系统统，降低低核心技技术对国国外汽车车技术的的依赖，从从而提高高我国汽汽车产品品的市场场竞争力力，这对对振兴民民族汽车车工业具具有非常常重要的的现实意意义。1.6 本本文研究究的主要要内容本课题是以以1/44汽车磁磁流变半半主动悬悬架为研研究对象象。根据据磁流变变半主动动悬架的的结构特特点，选选取合适适控制参参数，建建立汽车车1/44磁流变变半主动动悬架模模型，选选择阶跃跃信号作作为输入入并在不不同的控控制算法法下进行行系统的的优化。

27、运运用 Mattlabb/Siimullinkk软件设设计天棚棚阻尼控控制器、PID控制器、模糊控制器、模糊PID控制器，对1/4汽车磁流变半主动悬架进行建模仿真研究，并对其结果进行分析对比，验证控制算法的有效性。第 51 页 共 36页 2.汽车悬悬架系统统动力学学模型的的建立及及分析2.1.汽汽车动力力学发展展趋势传统的车辆辆动力学学研究都都是针对对被动元元件的设设计而言言，而采采用主动动控制来来改变车车辆动态态性能的的理念，则则为车辆辆动力学学开辟了了一个崭崭新的研研究领域域。在车车辆系统统动力学学研究中中，采用用“人一车车一路”大闭环环的概念念应该是是未来的的趋势。作作为驾驶驶者，人人

28、既起着着控制器器的作用用，又是是车辆性性能的最最终评价价者。控控制技术术的应用用，使得得车辆设设计的目目标可以以是:力力求使车车辆系统统在各种种工况下下都能使使一种较较为驾驶驶者适应应的特性性。随着着多体动动力学的的发展及及相应软软件的开开发和日日益成熟熟，功能能强大的的计算机机软件能能够有效效地模拟拟复杂的的车辆模模型，使使得汽车车系统动动力学成成为汽车车CAEE技术的的重要组组成部分分，并逐逐渐朝着着与电子子和液压压控制、有有限元分分析等技技术集成成的方向向发展。可可以预见见，未来来的发展展将在车车辆主动动控制、车车辆多体体动力学学和向“人一车车一路”闭环系系统的扩扩展等方方面有所所体现。

29、2.2 汽汽车悬架架系统的的评价指指标 车车辆良好好的乘坐坐舒适性性和操纵纵稳定性性是悬架架动态性性能的两两个重要要评价指指标，可可用簧载载质量加加速度、悬悬架动挠挠度和轮轮胎动载载荷来进进行定量量评价。这这三个基基本参数数能够基基本反映映悬架系系统的动动态性能能，故本本文选择择三者作作为控制制研究中中的悬架架性能评评价参数数，这些些参数实实际上代代表了悬悬架互相相冲突的的不同性性能要求求，具体体介绍如如下。2.2.11簧载质质量加速速度 目目前，评评价汽车车的乘座座舒适性性有很多多种方法法。其中中最常用用的一种种方法就就是来源源于 IISO226311，该标标准是国国际标准准化协会会在综合合

30、大量资资料的基基础上提提出的，它它是在1180HHZ振动动频率范范围内，用用频率加加权加速速度的均均方根值值给出了了人体对对振动反反应的三三种不同同的感觉觉界限，即即:1.暴露界界限:人人体可承承受的振振动量上上限，如如超过此此界限，可可能损害害人体健健康;2.疲劳工作降降低界限限:该指指标与人人能保持持工作效效能有关关，在此此界限内内，人能能够正常常驾驶及及操作;3.舒适性性降低界界限221:保持良良好感觉觉及舒适适性界限限。 对对于桥车车而言垂垂直加速速度很大大程度上上决定了了车辆行行驶平顺顺性品质质，加权权函数反反映出人人体对4412.5Hzz这个频频率最敏敏感，而而在48Hzz及2HH

31、z以下下的频率率范围内内，人的的内脏器器官就会会产生共共振。而而对货车车来说，纵纵向加速速度对乘乘员的不不舒适程程度影响响较大。诸诸多评价价方法中中最简单单且应用用最多的的方法就就是加速速度均方方根值评评价方法法。因此此，簧载载质量加加速度戈戈是评价价汽车乘乘坐舒适适性的重重要指标标。 2.2.2悬架架动挠度度 悬悬架动挠挠度是车车轮与车车身的位位移之差差，其悬悬架动行行程定义义为悬架架动挠度度的方均均根值，XXs-XXu方均均根值，以以参数SSWSrrms表表示，用用于描述述相对于于静平衡衡位置的的悬架位位移变化化程度。根根据随即即路面高高斯分布布的假设设，对悬悬架动行行程线性性系统而而言，

32、其其响应也也应该具具有高斯斯性质，并并可用正正态分布布描述。XXs-XXu与限限位行程程应适当当配合，否否则会导导致行驶驶中发生生限位块块碰撞，致致使车辆辆行驶平平顺性变变差，并并且悬架架动挠度度过大还还会对操操纵稳定定性产生生不利影影响。悬悬架动挠挠度是评评价汽车车行驶平平顺的另另一主要要指标。2.2.33轮胎动动载荷 轮轮胎动载载荷是轮轮胎对路路面作用用力的动动载荷KKt(XXu-XXr)。轮轮胎动载载荷参数数DTLLrmss是相对对于静平平衡的轮轮胎载荷荷变化的的方均根根值，它它是衡量量轮胎附附着力的的一个指指标。当当轮胎载载荷随悬悬架运动动而波动动时，由由于轮胎胎动态延延迟机理理的影响

33、响，导致致了可用用的有效效横向或或纵向力力减小。因因此，若若能保持持稳定的的法向载载荷，则则可获得得较大的的轮胎力力;若轮轮胎动载载荷波动动增加，随随着轮胎胎跳动的的加剧，轮轮胎抓地地能力将将随之减减弱。当当动载变变化的幅幅值大于于静载时时，就会会出现轮轮胎法向向载荷小小于零的的情况，此此时车轮轮会跳离离地面，及及所谓的的“轮跳”现象，这这时汽车车行驶安安全性将将恶化22。因此此，轮胎胎动载荷荷通常作作为评价价悬架行行驶安全全性的一一个重要要指标。2.3 系系统的动动态性能能及评价价指标为了评价线线性系统统的时域域性能指指标，需需要研究究控制系系统在典典型输入入信号作作用下的的时间响响应过程程

34、。通常常在阶跃跃函数作作用下，测测定或计计算系统统的动态态性能。如如果系统统在阶跃跃函数作作用下的的动态性性能满足足要求，那那么系统统在其他他形式的的函数作作用下，其其动态性性能也是是令人满满意的23。设一般形式式的二阶阶系统传传递函数数为 (2.11)令称为系统统无阻尼尼自振频频率，则则有称为为系统阻阻尼比，则则即： (2.2)此为二阶系系统传递递函数的的标准形形式。其其特征方方程为 (2.3)两个极点说说明阻尼尼比取值不不同，二二阶系统统极点也也不相同同。通常常希望系系统工作作在欠阻阻尼(00 1)状状态下，它它使系统统具有适适当振荡荡性及较较短过渡渡过程。为为了便于于分析和和比较，假假定

35、系统统在单位位阶跃输输入信号号作用前前处于静静止状态态，而且且输出量量及其各各阶导数数均等于于零。二二阶系统统在欠阻阻尼工作作状态下下的单位位阶跃响响应 hh (tt)（如图图2.1所示）。图2.1 单位阶阶跃响应应其动态性能能指标如如下： 延迟时时间Dtt指响应应曲线第第一次达达到其终终值一半半所需的的时间。 上升时时间Rtt指响应应从终值值10上上升到终终值900所需需的时间间；对于于有振荡荡的系统统，亦可可定义为为响应从从零第一一次上升升到终值值所需的的时间。上上升时间间是系统统响应速速度的一一种度量量。上升升时间越越短，响响应速度度越快。 峰值时时间Ptt指响应应超过其其终值到到达第一

36、一个峰值值所需的的时间。对对应系统统超调量量所需时时间，也也是说明明系统反反应速度度的。 调节时时间Stt指响应应到达并并保持在在终值 55%（或或 2%）误误差内所所需的最最短时间间。此时时间是说说明系统统惯性的的，反映映了系统统的反应应速度。 若h（tp）h（），则则响应无无超调。它它是说明明系统阻阻尼性即即振荡性性的。阻阻尼大，振振荡小，即即超调量量小，说说明系统统过渡过过程进行行的平稳稳。上述五个动动态性能能指标，基基本上可可以体现现系统动动态过程程的特征征。在实实际应用用中，常常用的动动态性能能指标多多为上升升时间、调调节时间间和超调调量。通通常，用用Rt或Pt评价价系统的的响应速速

37、度；用用 %评价价系统的的阻尼程程度；而而St是同同时反映映响应速速度和阻阻尼程度度的综合合性指标标。2.4 汽汽车悬架架动力学学模型研究者们在在设计汽汽车可控控悬架控控制律时时，采用用最为广广泛的的的模型是是1/44车辆模模型，此此模型只只有一个个车轮，是是车辆沿沿横竖轴轴方向对对称分割割后的任任意一个个角，它它基本能能反映评评价汽车车悬架性性能的一一些基本本参数的的特性:簧载质质量加速速度、悬悬架动挠挠度与轮轮胎动载载荷等，但但不能用用来研究究整车的的姿态控控制，但但，与复杂杂的整车车模型比比较，11/4单单轮车辆辆模型具具有以下下优点: 可以简简化系统统输入； 容易理理解设计计与性能能之

38、间的的关系； 所涉及及的设计计参数和和性能参参数最少少244。因此，本文文选择了了1/44汽车模模型作为为研究模模型，对对磁流变变半主动动悬架控控制系统统进行研研究。2.4.11汽车悬悬架系统统的简化化及建模模为了便于对对行驶动动力学模模型建立立的理解解，首先先从七自自由度整整车模型型开始介介绍225，如如图2.2所示。假假定车身身是一个个刚体，车车身、车车架及其其上的总总成构成成了车辆辆的悬挂挂质量mms:，车轮轮、车轴轴构成了了非悬挂挂质量mmu，Iy是悬悬挂质量量ms绕通过过质心的的横轴yy的转动动惯量。此此时车辆辆在水平平面做匀匀速直线线运动时时，车身身具有三三个自由由度。由由于四个个

39、车轮的的非悬挂挂质量mmu有四个个自由度度，在此此基础上上还要增增加一个个垂向自自由度，因因此，就就形成了了八自由由度的整整车系统统模型。图2.2 简化的的汽车模模型当车辆对称称于纵轴轴线且左左、右车车轴的不不平度函函数x(I)=y(II)时，此此时车身身没有绕绕x轴的的角振动动，只有有垂直振振动z和和绕y轴轴纵向角角振动，这时时七自由由度模型型就简化化为四自自由度的的半车模模型，如如图2.3所示示。图2.3 简化的的1/22汽车模模型在动力学等等效处理理中，车车辆振动动系统的的三个等等效质量量必须满满足三个个力学条条件，即即把质量量为mss，转动动惯量IIy的车身身分解为为前轴上上、后轴轴上

40、及质质心C上上的三个个集中质质量msf，msr及msc，这这里忽略略轮胎阻阻尼。总质量不变变: （22.4）质心位置不不变： （2.5）转动惯量不不变： （22.6）式中，a、bb分别为为车身质质量部分分的质心心至前、后后轴的距距离，几几绕横轴轴y的回回转半径径。三个个集中质质量可由由公式(4.44)、(4.55)、(4.66)求得得: （22.7）其中，L为为前、后后轴轴距距。由上上述几个个公式可可知，如如果，则则。为零零。这时时前、后后轴垂直直方向的的运动相相互独立立，不产产生祸合合。通常常桥车的的车辆参参数大多多近似满满足这一一条件，且且msc很小小，说明明桥车前前后部分分之间的的相互影

41、影响很小小，即祸祸合关系系很小。可可见，某某些情况况下四自自由度半半车模型型问题可可进一步步简化成成两个子子问题，即即:前悬架架决定mmsf质量量快的运运动;后悬架架决定mmsr质量量快的运运动。而而轮距之之间任何何位置的的运动则则可由几几何关系系方便地地求出。因因此，每每个问题题只需通通过一个个简单的的单轮车车辆模型型来研究究，即简简化后的的1/44车辆模模型，如如图2.4所示。 图2.4 1/44单轮车车辆两自自由度的的汽车悬悬架系统统的振动动模型在车辆可控控悬架控控制归律律研究中中应用得得最多的的和最基基本的模模型就是是1/44车辆模模型。11/4车车辆模型型的特点点是是车车辆横竖竖分割

42、后后的任意意一个角角，它能能基本能能反映汽汽车悬架架中簧载载质量加加速度、悬悬架动挠挠度和轮轮胎动载载荷这些些有关悬悬架性能能的基本本参数的的特性。根据图2.4可以以建立动动力学方方程如下下: （22.8）其中，簧簧载质量量和非簧簧载质量量；，悬架弹弹簧刚度度和轮胎胎刚度；,路面位位移，簧簧载质量量位移和和非簧载载质量位位移；阻尼器器的阻尼尼系数。对(2.88)式进进行拉氏氏变换，可可得: (2.99)解方程组得得 （22.100） 其中由此可得，簧簧载质量量振动加加速度相相对于路路面输入入的传递递函数为为: （22.111）悬架动挠度度相对于于路面输输入的传传递函数数为: （2.12）轮胎动

43、载荷荷相对于于路面输输入的传传递函数数为 （22.133）本文选用的的某微型型车的悬悬架参数数如表11.1所示示 表1.11 某某微型车车悬架系系统的主主要参数数参数数值簧载质量210 KKg非簧载质量量30 Kgg弹簧刚度160000 N/m续表1.11 某微微型车悬悬架系统统的主要要参数减震器阻尼尼系数200 NNs/mm轮胎刚度1600000 NN/m2.4.22 悬架架状态方方程模型型的建立立根据悬架的的1/44汽车模模型建立立的汽车车磁流变变半主动动悬架模模型如图图2.5所所示，由由于磁流流变减振振器的阻阻尼力由由库伦阻阻尼力和和粘滞阻阻尼力两两部分组组成。假假设磁变变液的粘粘度系数

44、数为常数数，一旦旦减振器器的几何何尺寸确确定，库库仑阻尼尼力只是是磁流变变液屈服服应力的的函数，屈屈服应力力受磁场场强度控控制，因因而可以以认为库库仑阻尼尼力只是是励磁电电流的函函数，而而这时的的粘滞阻阻尼力只只是活塞塞运动速速度的函函数，那那么磁流流变阻尼尼器的阻阻尼力可可表示为为: （22.144）式中，库伦伦阻尼力力 (2.115)粘滞阻尼系系数 (2.16)图2.5 磁流变变半主动动悬架11/4模模型根据2-55所示的的模型，可可以建立立汽车磁磁流变半半主动悬悬架的动动力学方方程式如如下 (22.177)其中，簧簧载质量量和非簧簧载质量量；，悬架弹弹簧刚度度和轮胎胎刚度；,路面位位移，

45、簧簧载质量量位移和和非簧载载质量位位移；CCe FMR粘滞阻阻尼系数数和库伦伦阻尼力力。由于系统具具有路面面激励和和控制力力两个输输入，因因此运用用现代控控制理论论分析系系统响应应更为方方便。取取状态变变量 (22.188)其中，系统统输出变变量为 (22.199)其中，分别表表示簧载载质量加加速度，悬悬架动挠挠度、轮轮胎动载载荷和非非簧载质质量速度度。方程程组（22.177）可改改写为 （22.200）其中，状态态矩阵，输入矩阵，输出矩阵，直接传递矩矩阵，2.5 本本章小结结对车辆悬架架系统而而言，其其性能可可用簧载载质量加加速度、悬悬架动挠挠度与车车轮动载载荷这三三个参数数作为评评价指标标

46、。本文文中的磁磁流变半半主动悬悬架的控控制研究究，选择择了这三三个参数数来定量量评价悬悬架动态态性能;选择路路面输入入为一理理想的阶阶跃响应应;对汽汽车的振振动系统统进行了了合理的的简化，并并由此建建立了11/4车车辆悬架架的动力力学模型型;运用用现代控控制理论论，选取取合适的的状态变变量，得得出了汽汽车悬架架系统的的数学模模型。3 磁流变变半主动动悬架控控制策略略仿真与与分析3.1 mmatllab简简介本文主要的的研究工工具是基基于数字字计算机机的MAAILAAB/ssimuulinnk仿真真软件。MATLAB是目前世界上最常用的以数值计算为主的软件，其图形化仿真平台Simulink能建立

47、动态系统、仿真和分析，方便用户不断地完善设计。它的建模范围很广，对于任何可以用数学描述的系统进行建模，还适用于实时控制，具有很强直观性、实用性、灵活性。Simulink还具有如下优点26:方便友好的界面环境、直观的模块化操作且允许自定义模块、允许多种语言编程、丰富的可视功能、无缝使用相关分析工具、子系统的设计利于复杂设计的管理等等。Simulink通过操作各个功能模块进行系统的构建。功能模块本质是用图形化方法封装的各种函数，用户只要知道这些模块的输入、输出及功能，而不用知道其内部的代码实现，通过直观、简洁的模块连接来代替繁琐的函数操作。simuhnk提供了如下一系列按功能分类的基本模块库:连续

48、模块库(Coniinuous)、离散模块库(Diserete)、数学运算模块库(Math)、输入信号源模块库(Sources)、输出模块库(Sinks)、端口与子系统模块库(ports&Subsystems)、用户自定义模块库(Use Defined Functions)等，这些大部分也是本文仿真需要用到的模块库。其中，自定义模块库可以实现simuhnk的功能扩展，用户可以根据需要通过语言编程建立独特的功能模块，并被调用。在simuulinnk构建建好仿真真对象后后，仿真真参数的的设置非非常重要要，必须须合理的的设置仿仿真时间间和仿真真步长、选选择解法法器的类类型等，不不同的解解法器具具有不同

49、同的使用用范围和和数值精精度。运运行仿真真结束后后，可对对输出模模块如示示波器的的可视化化结果及及各状态态变量进进行分析析，并进进一步修修正或调调整。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种种经典的的汽车悬悬架控制制方法。它它的特点点在于其其结构简简单、车车本低廉廉，因此此在悬架架半主动动控制研研究中得得到了最最为广泛泛的应用用，甚至至在一些些商业车车型中也也得到了了一定程程度的应应用。在在许多参参考文献献中，研研究者们们常常把把天棚阻阻尼控制制作为新新控制算算法

50、的比比较对象象。天棚棚阻尼控控制的理理想动力力学模型型如图33.1所示，它它假设将将减振器器安装在在簧载质质量m;与虚拟拟的惯性性空间SSky之之间，理理想天棚棚阻尼力力为： （33.1）式中的为天天棚阻尼尼系数。图3.1 天棚阻阻尼控制制模型根据图3.1建立立天棚阻阻尼理想想模型的的动力学学方程： （33.2）式中的各个个系数如如下： ：簧载质质量；：非簧载载质量； ：悬架弹弹簧刚度度； ：轮胎刚刚度 ：路面位位移；：弹簧质质量位移移； ：非弹簧簧质量位位移；对式3.22进行拉拉式变换换得到如如下关系系式: (3.33)解方程得： （33.4）由式（3.3）得得轮胎着着地性传传递函数数为：

51、（33.5）平顺性传递递函数为为： （33.6）为使悬架达达到理想想的操纵纵稳定性性，要使使轮胎在在各种情情况下都都能抓紧紧地面，而而理想的的平顺性性则期望望车身尽尽量保持持静止。通通过改变变Cskky的值值从而改改变轮胎胎的着地地性和平平顺性。3.2.22 天棚棚阻尼控控制算法法的实现现 图图 3.1 所所示的磁磁流变半半主动悬悬架系统统中簧载载质量和和非簧载载质量之之间半主主动控制制的阻尼尼力是可可以变化化的，根根据天棚棚阻尼等等效的原原则，减减振器的的库仑阻阻尼力应应该尽量量满足FFMR=FFs。假设簧载质质量对非非簧载质质量的相相对速度度 ()在两者者分开时时为正，簧簧载质量量的速度度

52、向上为为正。下下面讨论论磁流变变阻尼器器能否提提供等效效的天棚棚阻尼力力：当 ( )0且时，阻阻尼器受受拉伸，它它施加到到簧载质质量上的的力是向向下的，与与速度的的方向相相反，但但与天棚棚阻尼力力同向，所所以可以以改变励励磁电流流大小来来使FMMR=FFs。当 ( )0且时，阻阻尼器受受拉伸，它它施加到到簧载质质量上的的力是向向下的，与与速度的的方向相相同，但但与天棚棚阻尼力力反向，实实际中为为了尽可可能减小小差异，只只有取FFMR=00。分析其他两两种工况况也可得得到以上上的结论论。由于于，归纳纳起来，其其取值可可用下面面的式子子： （33.7）3.3 模模糊控制制汽车悬架系系统是一一个非常

53、常复杂的的非线性性动力学学系统，且且存在复复杂性、非非线性、时时变性、不不确定性性和不完完全性等等不利因因素，因因此难以以建立精精确的模模型。二二十世纪纪七十年年代末，一一些学者者逐步开开始了智智能控制制理论的的研究，人人们发现现，一个个复杂的的控制系系统可由由操作人人员凭着着丰富的的经验得得到满意意的控制制效果。这这说明，如如果通过过模拟人人脑的思思维方法法来设计计控制器器，可实实现复杂杂系统的的控制，由由此产生生了模糊糊控制。在在模糊控控制算法法中，我我们用“负负大”、“负负中”、“负负小”、“零零”、“正正大”、“正正中”、“正正小”七七个模糊糊语言来来对输入入输出变变量进行行描述，模模

54、糊推理理规则采采用条件件语句来来描述，按按模糊推推理合成成规则计计算控制制量。它它具有很很强的鲁鲁棒性，适适用于存存在非线线性、强强祸合、时时变性和和大迟滞滞的复杂杂系统，也也适合难难以建立立精确数数学模型型的非线线性系统统，因此此被广泛泛地应用用于汽车车悬架系系统的控控制研究究中。3.3.11模糊控控制的原原理 模模糊控制制 (FFuzzzy CConttroll)是以以模糊集集理论、模模糊语言言变量和和模糊逻逻辑推理理为基础础的一种种智能控控制方法法，其基基本原理理框图如如图3.2所示示。它从从行为上上模仿人人的模糊糊推理和和决策过过程。它它的核心心部分为为，如图图中点画画线中部部分为模模

55、糊控制制器，它它是模糊糊控制的的核心，其其控制规规律由计计算机的的程序实实现。模模糊控制制器的组组成如图图3.3所所示。下面简单介介绍实现现模糊控控制算法法的过程程:微机机经中断断采样获获取被控控制量的的精确值值，然后后将此量量与给定定比较得得到误差差信号EE，将其其作为模模糊控制制器的一一个输入入量。把把误差EE的精确确量进行行模糊化化变成模模糊量。误误差信号号E的模模糊量可可用相应应的模糊糊语言来来描述，得得到误差差E的模模糊语言言集合的的一个子子集e(e是一一个模糊糊矢量)，再根根据推理理的合成成规则进进行模糊糊决策，由由e和模模糊关系系R得出出模糊控控制量uu，即 （33.8）图3.2

56、 模糊控控制原理理图图3.3 模糊控控制控制制器的组组成框图图3.3.22模糊控控制器的的设计针对图3.2所示示的模糊糊控制原原理图，设设计一个个模糊控控制系统统，系统统框图如如图3.4 所所示。系系统中的的模糊控控制器是是一个常常规的双双输入单单输出二二维模糊糊控制器器。图3.4 悬架系系统的模模糊控制制框图 输入输输出变量量的选取取本文选择输输入变量量E和EC分别别为簧载载质量速速度和簧簧载质量量加速度度，输出出变量UU为磁流流变减振振器产生生的阻尼尼力Fdd。本文文依据磁磁流变半半主动悬悬架的特特点，对对模糊控控制器的的输入以以及输出出均取77个语言言值，即即输入和和输出均均为负大大、负

57、中中、负小小、零、正正小、正正中、正正大，可可表示为为: (3.99)输入变量EE、ECC及输出出变量UU的七个个模糊语语言值NB，NNM，NNS，ZZ，PSS，PMM，PBB的隶隶属函数数均为三三角型，其其隶属函函数如下下: （33.100） 量化因因子与比比例因子子设误差的基基本论域域为-e ee，误误差所取取的模糊糊集合的的论域为为X=-n，-n+11，o，11，n-1，nn ee是表征征误差大大小的精精确量，nn是误差差离散化化后分成成的档数数，它构构成论域域X的元元素，一一般常取取n=66或7。在在实际的的控制系系统中需需要通过过量化因因子进行行论域变变换。其其中量化化因子kke定义

58、义为: (3.111) 当量化因子子确定后后，系统统的任何何误差总总可以量量化到论论域X上的某某一个元元素。而而一旦选选定基本本论域-e e的的量化等等级数nn后，量量化因子子ke值大小小可使基基本论域域-ee e发生不不同程度度的放大大或缩小小，即:当ke缩小时时，基本本论域-e e放放大;当ke增大时时，基本本论域-e e缩缩小，从从而改善善了模糊糊控制中中误差的的控制精精度。同理，误差差变化率率的基本本论域-ecc ecc，若若整数论论域Y=-mm，-m+1，0，1，m-11，m的量量化档数数m一旦确确定后，则则误差变变化率eec的量量化因子子kec可定定义为： (3.12)这时，在改改变基本本论域和和控制精精度方面面，量化化因子kke。具具有与kke完全相相同