基于2自由度模型的汽车半主动悬挂系统设计

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1、 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 27 页基于二自由度模型的汽车半主动悬挂系统设计作者：侯书毅 指导老师：宋 宇（安徽农业大学工学院 04 级机械设计制造及其自动化 合肥 230036）摘要：汽车悬架系统性能的优劣直接影响汽车的乘坐舒适性和操纵安全性。传统的被动悬架由于其参数固定不变，而悬架性能不够理想；主动悬架虽性能较好，但是需要消耗过多的能源，都没有被广泛应用，近年来半主动悬架因其不需要过多的能源，且其性能也接近于主动悬架，因此半主动悬架的发展前景有待看好。对于汽车半主动悬架系统的建模，分别以阶跃函数和白噪声为输入并进行PID控制，利用matlab语言强

2、大的算法能力对其编制仿真控制软件，并在simulink环境下对汽车1/4半主动悬架模型进行计算机仿真，仿真结果表明，此算法设计的PID控制器有良好的性能指标。关键词：PID；控制器；Matlab;半主动悬架1 引言汽车自 19 世纪末诞生至今 100 余年期间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展，写下了人类近代文明的重要篇章。汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的重要的现代化陆地交通工具。可以断言，没有哪种机械产品像汽车那样对人类社会产生如此广泛而深远的影响。随着制造工艺的不断发展，汽车的外形越来越流线化，速度也在不断上升。但是人们对汽车的要求并不只限于这些，人们对汽车的乘坐舒适

3、性提出了更高的要求。汽车的悬架设计的好坏直接影响到汽车行驶的平顺性、驾驶的舒适性、行驶的安全性等，其中，舒适性是轿车最重要的使用性能之一。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特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。从控制力学角度将过去的常规悬架称为被动悬架,被动悬架性能逐渐满足不了人们的需要，随着科学的发展以及社会的进步，最近在汽车工业相续出现性能更加优越的主动悬架和半主动悬架

4、，其中主动悬架耗能较大，而半主动悬架又以低能耗和结 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 27 页构简单，将会被看好，并且已经受到了不少汽车生产厂家以及汽车设计师们的青睐。2 悬架简介2.1 悬架概念及分类悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支撑力） 、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。图 1 奇瑞 A5 的悬架图 1 为奇瑞 A5 车型上的悬架，我们看到此悬架结构还是比较简洁的，现代汽车上普遍采用具有弹性元件和

5、减振器组成的常规悬架，这种悬架受到很多限制，即使采用优化方法来设计只能把其性能提高到一定程度。为克服常规悬架对其性能改进的限制，悬架又被被动悬架，半主动悬架，主动悬架之分。(1)被动悬架 一般主要由弹簧阻尼器构造，其中弹簧主要用来支持簧上质量，而阻尼器主要用来消耗系统的能量而起减振的作用。(2)半主动悬架 在半主动悬架系统中，力发生器被一个阻尼系数能在大范围内调节的阻尼器代替， 。半主动悬架的可调阻尼器在其力的产生方面类似于被动悬架的阻尼器，但其阻尼器能根据簧上质量的速度响应等反馈信号，并按照 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 27 页一定的控制规律而瞬态变动

6、，其减振效果有类似与主动悬架。(3)主动悬架 由弹性元件和一个力发生器组成。其中力发生器根据车身的速度响应等反馈信号按照一定的控制规律产生力。它的作用在于改进系统的能量消耗和供给系统能量。2.2 三种悬架的性能比较在主动悬架和半主动悬架中，力发生器和可调阻尼器的力的产生能根据汽车的行驶状态和环境条件而变化，它们仅仅受限于所设计的控制律。因而主动悬架和半主动悬架的设计比被动悬架的设计具有更大的能动性，其性能比被动悬架优越的多。虽然主动悬架和半主动悬架都能改善在不同路面行驶车辆的平顺性，但是由于主动控制器结构复杂、控制能耗大、可靠性差相对而言，半主动悬架是在传统被动悬架基础上通过一定的控制逻辑，调

7、节阻尼器的进出油阀门来改变阻尼力。当阻尼力加剧振动时，打开出油阀门，使得阻尼力降至最小，而当阻尼力减小振动时，关闭出油阀门，使得阻尼力增至最大。显然这种悬架的控制结构简单，可靠性好，所需控制能量只是用来开关阀门，因而比主动悬架具有更高的应用前景。汽车行驶平顺性和操纵稳定性逐渐受到人们的重视，传统的被动悬架已不能满足需要。为使悬架系统能够适应不同道路及速度条件，各种新型电子控制悬架得到了迅速发展。特别是近年来随着相关学科和高新技术的发展，研究实用的半主动和主动悬架控制系统得到了广泛重视。主动悬架控制系统由于其造价昂贵，需要额外的控制功率等原因，限制了它的广泛应用，而半主动悬架控制系统已进入实际应

8、用阶段，成为未来悬架系统的控制趋势。2.3 半主动悬架介绍由于设计任务为半主动悬架设计，所以介绍一下半主动悬架的历史以及发展，半主动悬架是 1974 年由美国加州大学戴维斯分校机械工程系(University of California，Davis，Calif)DEKamopp 教授等提出的。尤其是阻尼可调的半主动悬架，由于结构简单，耗能很小，可根据汽车行驶状态和道路激励大小主动作出响应，保持悬架系统始终处于最优状态，其性能接近于全主动悬架， 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 27 页因此受到广泛重视。图 2 图 3 所表示的分别为半主动悬架系统结构图和半主动

9、悬架系统简图。图 2 半主动悬架系统结构图1.节流孔；2.步进电机；3.微处理器；4.阀杆 5.阀门图 3 半主动悬架系统简图 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 27 页通常，半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节控制的悬架。但是由于改变弹性元件的刚度往往需要采用串联液压缸来实现，会增加系统的复杂性，也需要吸收或向系统注入能量。因此，目前对变刚度的半主动悬架研究很少，研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测到汽车行驶状况和道路条件的变化及车身的加速度，然后由ECU根据控制策略发出

10、脉冲控制信号，实现对减振器阻尼系数的有级可调或无级可调。半主动悬架系统的一般工作原理如图l示。半主动悬架系统可以根据路面激励和车身的响应，对悬架参数进行控制，使车身的振动响应始终被控制在某个范围内，如图4所示。图4 半主动悬架系统的工作原理因此对于半主动悬架，今后重点是研究和开发有效、能耗低、成本低廉的汽车智能悬架控制系统，为此必须对半主动控制悬架及其控制的研究做大量的工作，以便尽快研究开发出适合我国汽车状况的实用性半主动悬架。此次的毕业设计内容主要是汽车半主动悬架性能分析和仿真计算，有两部分工作，即：力学模型的建立，以及半主动悬架控制仿真。2.4 选题的目的及意义随着人们对提高驾驶舒适性的高

11、要求以及性能优良、成本低廉悬架的市场竞争的需求，这一切为开发性能好的汽车主动悬架提供了主观的条件。同时现代控制理论、计算机科学、材料科学、传感器、传动器技术等交叉学科的发展又使得其开发具备坚实的客观条件。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，这种悬架只是在很窄频带内具有好的减振性能。随着当今汽车速度的提高以及平顺性、操纵稳定性等综合性能高要求，传统悬架已经不能满足汽车工业的发展。因而人们 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 27 页提出性能更加优越的主动悬架和半主动悬架。人们开始研究各种借助于自动控制理论的汽车主动控制悬架，取得较好的减振效果。可是

12、由于汽车主动控制悬架控制器结构复杂、控制能耗大、可靠性差，所以至今未能投入实际应用。随着现代机电液一体化技术的日臻完善，半主动控制悬架的设计越来越受到重视。其通过对行驶状态的在线测量并一次来自动调节控制油缸自身阻尼参数，实现智能控制。这无疑大大改善汽车舒适性，同时最大限度的节省控制能量，为新一代汽车悬架研究开发提供关键技术。由于主动悬架系统结构复杂、可靠性差，而半主动悬架具有结构相对简单、可靠性好，同时控制性能接近主动悬架，所以具有更好的发展前景和更适合我国汽车工业的状况。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性和安全性都具有重要意义。因此，选题具有重要的理论意义和实

13、用价值。2.5 Matlab 简介控制系统的计算机辅助设计技术的发展目前已达到相当高的的水平，同时也出现很多优秀的的计算机应用软件，即有专用 FORTAN 语言编写的软件包，还有专用的仿真语言，在国际控制界广泛使用的软件就是 MATLAB。MATLAB 语言是 1980 年美国学者 Clever-Moler 等人推出的交互式控制语言，随后几年有陆续出现许多专门的基于 MATLAB 的控制工具箱。而今已经不仅仅是一个“矩阵实验室” ，它已经成为一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级语言。MATLAB 语言和其他语言的关系仿佛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低于汇编语言，然而

14、其编程效率和可读性、可移植性要远远高于汇编语言。同样 MATLAB 比其他语言的执行效率要低，而起编程效率、可读性、可移植性要远远高于高级语言，它易于实现 C 和 FORTRAN 语言的几乎全部功能，即使不懂 C 和 FORTEAN 语言也照样设计出功能强大、界面优美、稳定可靠的高质量程序来，而且开发周期大大缩短。严格意义上，MATLAB 并不是一种高级计算机语言，因为他编写的程序不能脱离 MATLAB 环境而执行，但从功能上来说，MATLAB 已具备计算机语言的结构与功能。它提供丰富的 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友好的图形界面 本 科 毕 业 设

15、计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 27 页提供便利的工具，MATLAB 不仅流行于控制界，在生物医学工程、语音处理、图象信号处理、雷达工程、信号分析、计算机技术等各行各业都有广泛应用。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 的进一步推广起了积极的作用。本文主要通过 MATLABSimulink 进行动态仿真，对于 MATLAB 不作过多介绍。Simulink 软件使用 MATLAB 语言建立的一种新型的图形建模工具，他免去了程序代码程序带来的低效和烦琐，即可以用于动力学模拟也适用于时域控制系统的设计；各种功能模块化，可以直接有鼠标拖

16、放模块，建立信号连接，进行建模。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。它是以模块进行建模，每个子模块的参数可以单独修改，而不影响其他模块运行，从而给系统的扩展带来方便。由于被控对象的模块化、标准化、采用不同的控制模块可以对比不同控制方法的优劣，从中选择最佳的控制算法。Simulink 作为 MATLAB 的一个附加组件，为用户提供一个建模与仿真的工作平台，也是一种用来实现计算机仿真的软件工具。它采用模块组合的方法来创建动态系统的计算机模型,其特点是快速、准确,对比较复杂的非线性系统效果更加明显.同时还提供图像动画处理方法,以便用户观察系统仿真的整个过程.它使你的计算机变成一个实验室，可以对机械、电子、连续、非连续以及混合的系统，现实存在或不存在的系统进行建模与仿真。MATLABSimulink 是实现动态特性建模、仿真于一体的一个集成环境，它使 MATLAB 的功能得到进