现代控制原理课程设计 基于状态反馈的汽车悬驾系统.doc

南京农业大学工学院 农业电气化与自动化专业83班本科生课程设计（报告）课 程： 现代控制原理课程设计 题 目: 基于状态反馈的汽车悬驾系统 姓 名: 学 院: 专 业: 班 级: 学 号: 指导教师: 2011年 06月09日南京农业大学教务处制目 录0.前言11. 系统建模21.1系统模型分析21.2建立悬驾系统的动力学模型31.3动力学模型转换状态空间模型42. 系统仿真42.1Matlab创建系统模型程序代码42.2系统极点配置52.3极点配置的Matlab程序源代码52.4 Matlab绘响应曲线图63. Simulink仿真73.1 Simulink系统结构仿真构图73.2 Simulink仿真结果如图74. 实习总结与心得体会84.1实习总结84.2心得体会85参考文献8基于状态反馈控制的汽车悬驾系统0.前言随着经济的发展和人民生活水平的提高，汽车的乘坐舒适性越来越受到人们重视，舒适性成了汽车，特别是轿车的主要性能指标。以下诸多因素可以表明如何布置悬置以图获得较佳的减振降噪效果显得很有研究意义。汽车是日常生活中被广泛应用的交通工具，其本身可以被看作是一个具有质量、弹性和阻尼的振动系统。汽车产生的振动会导致车身与车架之间的连接部件的振动和噪声，严重的时候甚至损坏汽车的零部件，大大缩短汽车的使用寿命：另外也可导致乘客晕车，影响了乘客的身心健康，那些长期处在这种振动环境下的驾驶员等往往会患上腰椎劳损、胃下垂等职业病。现代汽车动力总成大都是通过弹性支承安装在车架上的，这种弹性支承称为“悬置”。汽车动力总成和悬置一起构成了汽车动力总成悬置系统。动力总成的悬置装置可对在动力总成和车架间传递的振动进行双向的隔离，以降低车内的振动和噪声。由于动力总成悬置装置的体积较小，在隔振理论的发展初期并没有引起设计者的过多的重视。但随着车辆向高速、轻型、大功率方向的迈进，使得车身的刚度减小，动力总成振动激励增大，特别是采用了平衡性较差的动力总成前置前驱动的四缸四行程动力总成，都使车内的振动和噪声加大。随着人们对乘坐舒适性的提高，这些现象就必须加以解决。在解决问题的过程中，人们逐渐认识到了动力总成悬置装置的作用，并可以利用力学知识建立起各种模型。1. 系统建模1.1系统模型分析传统的汽车悬驾系统的缺点：是一种被动的悬驾，悬驾参数不能改变，因此对路面的状况适应性差。在路面质量较差的情况下，车身震动大，舒适性差。主动汽车悬驾系统的优点：它能通过一个动力装置，根据路面的情况改变悬挂架的特性。在路面质量较差的情况下，也能保持车身的平稳，舒适性好。本次实习对汽车悬驾系统进行仿真计算的首要工作就是要建立悬驾系统的动力学模型，在验证了模型正确性的基础上，对所建立的模型进行仿真分析。为了研究方便，取汽车的一个车轮的悬驾系统进行研究，该模型可简化为一维二自由度的弹簧-阻尼-质量系统。如图1.1-1所示 图1.1-1系统说明： U为悬驾动力装置的施加力 W为路面位移 X1为车身位移 X2为悬驾位移来度量车身的振动情况，并视为系统的输出 路面状况以w为尺度，并视为系统的一个干扰输入。当汽车从平面落入坑时，w可用一个阶跃信号来模拟 u为主动悬架的作用力，它是系统的控制量1.2 建立悬驾系统的动力学模型 对车身和悬架进行力分析，由牛顿第二规律可得车身悬架系统的动力学方程为:1.3 动力学模型转换状态空间模型 设系统状态变量为: 则上面系统动力学方程可改写为状态空间表达式式中: 2系统仿真2.1Matlab创建系统模型程序代码m1=2500;m2=320;ks=10000;b=140000;kt=10*ks;a=0 1 0 0;-ks/m1 -b/m1 ks/m1 b/m1;0 0 0 1;ks/m2 b/m2 -(ks+kt)/m2 -b/m2;b=0 0;1/m1 0;0 0;-1/m2 kt/m2;c=1 0 -1 0;d=0 0;sys=ss(a,b,c,d);Set(sys,inputname,u;w,outputname,y=x1-x3);sys=tf(sys)sysuy=sys(1,1);syswy=sys(1,2);num1,dem1=tfdata(sysuy,v);num2,dem2=tfdata(syswy,v);sysf=tf(num2,num1);save busmod sysuy syswy sysf2.2 系统极点配置汽车悬挂状态空间形式前面以给出，这是一个双输出状态方程，系统状态反馈kx和r叠加，得到系统状态空间表达式:因此系统闭环特征值由决定。由于A为4*4矩阵，K为1*4向量。为求得K值，需配置个期望极点P。利用MATLAB函数PLACE求出值。考虑到系统超调量不大于5%的设计要求，阻尼比为0.0707，选择两个主导极点-5+5i和-5-5i，选择另两个极点为-25和-100。2.3 Matlab程序源代码：m1=2500;m2=320;ks=10000;b=140000; kt=10*ks; a=0 1 0 0;-ks/m1 -b/m1 ks/m1 b/m1;0 0 0 1;ks/m2 b/m2 -(ks+kt)/m2 -b/m2; b=0 0;1/m1 0;0 0;-1/m2 kt/m2; c=1 0 -1 0; d=0 0; sys=ss(a,b,c,d); sys=tf(sys); a1=a; b1=b(:,1); c1=c; d1=d(1); sys1=ss(a1,b1,c1,d1); sys1=tf(sys1); a2=a; b2=b(:,2); c2=c; d2=d(2); sys2=ss(a2,b2,c2,d2); sys2=tf(sys2); ss3=tf(1,1 0); P=-5+5i,-5-5i,-25,-100; K=acker(a,b*0, 1,P)输出结果2.4 Matlab绘响应曲线图程序代码如下：Orignalsys=ss(a,b(:,2),c,d(2); Newsys=ss(a-b*0,1*K),b(:,2),c,d(2); t=0:0.01:20; u=0.1*ones(size(t); y1,t=lsim( Orignalsys,u,t); figure y,t=lsim(Newsys,u,t); plot(t,y1,t,y,R) legend(未加控制器响应曲线 ,加控制器响应曲线); axis(0,20,-0.01,0.01); title(响应曲线); gridM1atlab绘制的扰动信号响应曲线如图3. Simulink仿真3.1 Simulink系统结构仿真构图3.2 Simulink仿真结果如图%修改scope属性程序源代码% shh = get(0,ShowHiddenHandles); set(0,ShowHiddenHandles,On) set(gcf,menubar,figure) set(gcf,CloseRequestFcn,closereq) set(gcf,DefaultLineClipping,Off) set(0,ShowHiddenHandles,shh)4实习总结与心得体会4.1 实习总结利用状态反馈，对上述系统进行极点配置，状态反馈后的系数对单位阶跃信号的响应均满足指标。给出了系统建模的详细推导过程、控制器的设计过程和控制方案和整个控制过程的Simulink仿真结构图。4.2 心得体会经过一个星期的现代控制理论的实习，虽然时间很短，机会难得，但我们一直激情高涨、满怀信心和求知欲，认认真真的完成我们的每一步实习内容。进入实验室之前我们就已经做了一些准备，首先将需要设计的参数计算出来，然后用MATLAB/Simulink将系统仿真出来，最终在老师的耐心指导下和我们慢慢的摸索中，我们的系统达到了题目要求。此次实习，我们经过小组讨论和请教老师顺利完成了实习内容，从中对所学的知识加深了理解和巩固，学以致用，同时学习了Matlab软件，Simulink画框图的运用。在实习中发现实践真的很重要，它可以使我们在理论的基础上理解更深的一层！我们知道了如何将自己所学的理论知识和实践运用相结合，怎么分析和解决实际的工程问题，这对我们以后的学习和工作都有很大的帮助。我们希望以后学校能多给我们这样的实习机会，我们也要好好把握，多多锻炼动手实践能力。所以在以后的学习中，我们要更加努力的学习理论知识，同时注意与实际应用相结合，并