【毕业学位论文】（Word原稿）基于Matlab的汽车电控悬架系统的建模分析-计算机科学与技术

设计（论文）专用纸 目录 摘要 . I . 言 . 1 第一章 汽车电控悬架系统的国内外发展情况分析 . 2 究电控悬架系统的意义 . 2 外汽车空气悬架发展的状况 . 2 国空气悬架的应用发展现状 . 4 第二章 汽车电控悬架系统的结构及工作原理 . 7 车悬架系统 . 7 车悬架系统的作用及组成 . 7 汽车悬架系统的要求 . 8 车传统被动悬架 . 8 车电控悬架系统 . 9 车电控悬架系统的功能 . 9 车半主动悬架及其特点 . 10 车主 动悬架及其特点 . 10 车电控悬架系统的基本工作原理 . 11 车电控悬架系统的控制方法 . 12 控悬架系 统控制特性 . 12 适应与自校正控制方法 . 12 棚阻尼器控制方法 . 13 设计（论文）专用纸 见控制方法 . 13 优控制方法 . 14 范数 H最优控制 . 14 经网络控制 . 15 糊控制 . 15 合控制方法 . 16 第三章 汽车电控悬架系统的建模分析 . 18 糊控制技术 . 18 糊控制技术基本原理及特征 . 18 糊控制器的基本结构 . 19 模糊控制的基本过程 . 22 糊化方法 . 24 糊控制规则及控制方法 . 25 辆主动悬架系统的模糊控制仿真研究 . 29 辆模型及路面模型建立 . 30 型控制器设计 . 31 糊判决 . 32 第四章 进行模型仿真分析 . 33 用 言及其 立车辆悬架系统仿真模型 . 33 行仿真分析 . 33 真结果及分析 . 35 结论 . 37 总结与体会 . 38 谢辞 . 40 设计（论文）专用纸 参考文献 . 41 附录一 英文文献原文 . 42 附录二 英文文献翻译 . 63 设计（论文）专用纸 I 摘要 随着人类生活水平的提高，人们对汽车的舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统，汽车空调系统等已不能满足人们的要求。人们希望空调的温度能随环境的变化而自动调节；汽车车身的高度，悬架的刚度，减震器的阻尼的大小能随汽车载荷，行驶速度，以及路面状况等行驶条件的变化而变化。为了满足人们对汽车舒适性的要求， 20 世纪 90 年代 以来，在汽车电子技术以及高速公路发展的同时，各汽车公司相继开发了电子控制 悬架系统等提高舒适型的电子系统。汽车悬架在协调汽车的舒适性和操作稳定性方面起着至关重要的作用。传统的被动悬架由于其自身固有的局限性而无法根据路面及行驶状况的变化做出适当调整从而汽车的整体行驶性能达到最佳。研制和开发新型的悬架势在必行。电控悬架由于能够改善汽车的整体行驶能而备受关注，其中主动悬架由于机构简单，成本低而更具有实用性。 关键词： 悬架；减震器；舒适性； 协调 设计（论文）专用纸 of s of of in In to of in at of in of a to to to s to of is to s of to 设计（论文）专用纸 第 1 页 共 76 页 前言 悬架是连接车架和车桥之间一切传动连接装置的总称。它主要由弹簧（如钢板弹簧、螺旋弹簧、扭杆弹簧等）、减振器和导向机构等组成。当汽车在不同的路面上行驶时，由于悬架系统实现了车身和车轮之间的弹性支撑，有效地降低了车身与车轮的振动，从而改变了汽车行驶的平顺性和操纵稳定性。同时，它也引起在汽车起步、制动、转向时车身的俯仰、点头和侧倾等现象，影响汽车的平顺性和操纵稳定性。 随着人类生活水平的提高，人们对汽车舒适性的要求也越来越高， 传统的汽车悬架一般具有固定的弹簧刚度和减振阻尼力，它只 能保证在一种特定 的道路状态和速度下达到性能最优，因而不能同时满足汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。例如降低弹簧刚度，平顺性会更好，乘坐更舒适，但会使操纵稳定性变差；相反，增加弹簧刚度虽可提高操纵稳定性，但会使车辆对路面不平度更敏感，平顺性降低。因此，理想的悬架系统应在不同的行驶条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力，以同时满足平顺性与操纵稳定性的要求。 伴随电子技术、测控技术、机械动力学等的快速发展 , 使得车辆悬架系统由传统被动隔振发展到振动主动控制。特别是信息科学中对最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神 经网络等的研究 ， 使悬架系统电子控制技术在现代控制理论指导下更趋完善 , 同时已开始应用于车辆悬架系统的振动控制 , 使电子控制悬架系统振动控制技术得以快速发展。 20 世纪 90 年代以来，在汽车电子技术以及告诉公路发展的同时，各汽车公司相继开发了电子控制悬架系统等提高汽车舒适性的电子控制系统。 电控悬架系统能够保证汽车行驶平顺性、缓和不平路面的冲击、吸收振动的能量并减小汽车的振动，大大提高了汽车行驶平顺性。通过对汽车电控系统的建模来分析汽车在行驶中虽受到的动力学分析，找到控制的关键因素，从而改善和提升汽车的行驶平顺性 。 设计（论文）专用纸 第 2 页 共 76 页 第一章 汽车电控悬架系统的国内外发展情况分析 究电控悬架系统的意义 悬架是车辆的重要组成部分，其主要功能是柔性的连接车身与车轮，并传递作用在车轮与车身之间的力和力矩，并具有良好的缓冲减振能力，以降低由于路面不平传递给车架或车身的冲击载荷，衰减振动能量 , 从而保证汽车的行驶平顺性。悬架系统设计对车辆的总体性能有着重要影响。因此 , 设计性能优越的悬架，对提高汽车的性能至关重要，这也成为汽车工程领域内研究的热点之一。 为了满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式一直在不断地更新和完善， 尽管这样，传统的被动悬架仍然受到很多限制，主要是难于同时改善在不平路面上高速行驶车辆的稳定性和行驶平顺性，即使采用优化设计也只能保证悬架在特定的激励发生变化后，悬架的性能亦随之发生变化， 汽车不同的行驶状态对悬架有不同的要求。一般行驶时需要柔软一点的悬架以求舒适感，当急转弯及制动时又需要硬一点的悬架以求稳定性，两者之间有矛盾。另外，汽车行驶的不同环境对车身高度的要求也是不一样的。一成不变的悬架无法满足这种矛盾的需求，只能采取折中的方式去解决。 为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制， 在电子技术发展的带动下 ，工程师设计出一种可以在一定范围内调整的电子控制悬架来满足这种需求，这种悬架称为电控悬架，目前比较常见的是电控空气悬架形式。 外汽车空气悬架发展的状况 20 世纪 30 年代初，美国凡世通轮胎公司首次把空气弹簧应用于汽车工业。哈维 凡世通（ 亨利 福特 一世（ ）和托马斯 阿瓦 爱迪生（ 技术支持下，在 1934 年研制出了柱式空气弹簧悬架系统 即 气弹簧。 1944 年通用汽车公司与凡世通公司合作，在其客车上 进行 设计（论文）专用纸 第 3 页 共 76 页 了首轮试验。试验结果显示了空气悬架系统的内在优越性。通用汽车公司经过大量的产品研制开发工作， 1953 年开始试生产装有空气悬架的客车，这是商用汽车采用空气弹簧悬架的开始。 20 世纪 50 年代中叶，固特异轮胎公司研制出一种滚动凸轮式空气弹簧，凸轮在活塞的型面上滚动，从而控制空气弹簧的负载变化关系曲线。同时，空气控制系统的巨大进步也为空气悬架的应用起了很大的推动作用。 随后不久，空气悬架技术在欧洲也得到很快发展，但欧洲的发展道路和北美有些不同。欧洲的汽车生产厂商并未将空气悬架变成单独总成 ， 而是各自开发满足其独特车 型需要的空气悬架。这种不同的发展道路使欧洲的空气悬架设计只适用于某种具体车型，并采用一些复杂技术，因而其成本较高。而北美的空气悬架通用性较强，应用较简单，成本较低。 美国纽威 安柯洛克国际公司在 1951 年成立时即作为一家悬架系统的专业生产厂家，为公路和非公路行驶的重型车辆设计和制造钢板弹簧悬架系统。不久，纽威公司向商用车市场投放了世界上第一种实际应用的空气悬架系统。因其通用性强，结构简单，成本较低，迅速占领了北美市场。随后纽威公司开发了一系列空气悬架产品，应用于世界各地的客车、货车、小轿车及铁道车辆上。 目前国外高级大客车几乎全部使用空气悬架，重型载货车使用空气悬架的比例也已达 80%以上，空气悬架在轻型汽车上的应用量也在迅速上升。部分轿车也逐渐安装使用空气悬架，如美国的林肯、德国的 。在一些特种车（如对防振要求较高的仪表车、救护车、特种军用车及要求高度调节的集装箱运输车等）上，空气悬架的使用几乎为唯一选择。 国外汽车空气悬架发展经历了 “ 钢板弹簧 气囊复合式悬架 被动全空气悬架 主动全空气悬架（即 控空气悬架系统） ” 的型式变化。主动全空气悬架应用了电子控制系统， 使传统的空气悬架系统的性能得到很大改善，汽车在各种路面、各种工况条件下能实现主动调节、主动控制，并增加了许多辅助功能（如故障诊断功能等）。目前 统在欧洲一些国家的大客车上已经大量应用。随着人们生活水 设计（论文）专用纸 第 4 页 共 76 页 平的提高，对汽车舒适性的要求越来越高，可以预见， 一先进的空气悬 架系统越来越普及。 国空气悬架的应用发展现状 目前国内拥有空气悬架项目的公司为数众多，但真正拥有空气悬架系统设计开发、制造的寥寥无几，规模也十分有限。目前国内具有代理性质但无实际设计能力的公司居多，主要以代理美国、德国、韩国 、日本产品为主，公司规模一般不大，产品有限。由于代理公司主要是以追求经营利润为导向，对设计匹配等技术环节往往存在先天不足，导致主机厂出现问题时无法及时解决等问题，影响被代理产品的声誉及市场，因此，国外的制造公司也纷纷以不同的方式直接介入中国市场。比如，美国士通） 公司在允许一定代理的同时，在上海设立了销售办事处，日本簧公司在重庆合资成立 庆公司，韩国大圆钢业会社在天津合资成立大圆天津公司，丹麦丹拂斯公司在天津合资成立丹拂斯天津公司，美国固特异公司在大连、青岛相继建立工厂。另外 ，整车厂为降低成本，把空气悬架系统细分成气囊、推力杆、直拉杆、稳定杆、高度阀、平衡阀、线束、减振器、导向臂等项目采购，也导致了国内空气悬架产品的部件加工、制造正在往高度离散的方向发展。 空气悬架在我国的应用已经落后国外几十年，直到近几年随着高档客车制造技术的引进以及人们对舒适性要求的提高，加上国家对客车等级划分的标准要求，空气悬架才开始逐步应用起来。目前空气悬架主要集中应用在高等级客车上，但是受多方面因素的制约，空气悬架的配置率还很低，基本上还属于 “ 导入 ” 阶段。据掌握的不完全资料，国内部分数量相对较大的应用 主要集中在郑州宇通、厦门金龙、苏州金龙、扬州亚星、一汽客 车 、东风杭汽等规模较大的主要客车及底盘厂家。此外，国内其它一些客车厂家也都是少批量、以选装国外空气悬架产品为主。目前汽车空气悬架在载重货车的应用国内尚处于起步阶段。 以空气弹簧悬架取代传统的钢板弹簧悬架，既是必然趋势，也是现实的客观要求。 设计（论文）专用纸 第 5 页 共 76 页 目前，摆在国内商用车厂商面前的形势是谁先掌握了汽车空气悬架的开发技术 ，谁领先开发出配置空气悬架的成熟车型，谁就掌握了今后若干年内商用车市场的先机和主动。因此，对于我国汽车业界而言 ， 空气悬架项目不仅仅是一个难得的商机， 更重要的意义在于空气悬架的广泛应用可以较快提升我国商用车的档次、技术水平和市场竞争力，缩短与国外商用车的技术、等级差距，巩固和扩大国产商用车的市场份额。 我国长春汽车研究所早在 1957 年就开始了空气悬架技术的研究，不少高校的相关专家及研究机构多年来也做了大量富有成效的工作，并取得了许多重要研究成果。但是由于种种原因，这些研究成果大多还停留在理论上，产业转化率非常低，导致许多有价值的研究没能继续坚持和深入下去。我国汽车悬架技术的研究和应用与欧美等发达国家相比处于明显的落后地位。 目前，我国在汽车悬架系统方 面，除了钢板弹簧悬架的设计及应用比较成熟以外，其它悬架技术的应用绝大部分还处于车型引进、仿制或直接购买产品阶段。悬架产品的设计开发滞后，一方面表现在设计手段落后，计算机应力分析、动态仿真在企业中应用还较少；另一方面没有建立一套完善的设计评价体系。在美国，由于空气悬架的普遍应用，已经成就了一批专门从事空气悬架设计、制造的悬架专业公司。我国交通行业标准营运客车类型划分及等级评定已经规定，高级大、中型客车要采用空气悬架，但既没有一家整车厂能独立设计出空气悬架并成功地应用于整车，也没有一家悬架专业公司能够设计出 并向市场提供成熟的空气悬架产品。虽然我国加入 后，汽车及零部件产业会全面融入全球经济一体化，汽车行业可以实现全球采购，但是不能拥有悬架设计和制造的关键技术，整车的市场竞争力肯定会削弱。 根据这种状况，我国汽车零部件企业应当抓住机遇，加快研发空气悬架产品。首先必须明确划分空气悬架系统设计开发的权限与分工，由研发部门负责研发方向、确定系统特性参数，指定具体的二级开发单位，实现产品的快速研发和升级换代；其次，要从产品的工艺路线入手，制定合理的开发配套模式，集中于一家公司采取 “ 二级开发、总成集配、模块供货 ” 。 设计（论文）专用纸 第 6 页 共 76 页 最后，应摒弃狭隘的自主开发理念 ， 积极开展与国外强势企业的合资合作，加快融入空气悬架领域的国际竞争、合作和发展，最终实现我国商用汽车整体技术水平及竞争实力的提升。 在车辆系统中起主要减振作用的是悬架系统。悬架系统起到弹性连接车身车轮、缓和路面传给车身的冲击、衰减由此引起的车辆系统的振动和保证车辆乘坐舒适性的作用。提高汽车舒适性就必须限制汽车车身的加速度；而保证安全性，就需要把悬架的变形限制在很小的范围内。传统的被动悬架结构简单、参数固定 ,不能根据路面的要求进行调节，从而不能满足良好的平 顺性和稳定性要求。近年来，主动悬架可以通过动力装置 ,根据设计者所希望的目标及预定的模糊控制策略来改变悬架的特性，同时满足乘坐的舒适性和安全性。 模糊控制和其他控制算法相比，具有建模简单、控制精度高、非线性适应性强等优点。模糊逻辑控制方法是一种模仿人类思维推理方式的智能控制方法，其最大的特点是可将人的控制经验用模糊语言描述，特别适合于控制对象的数学模型具有强非线性或无精确数学模型的控制过程。本文采用车身速度和加速度作为模糊控制器控制对象 , 应用 行计算机模拟仿真，对主动悬架的车身垂直加速度和悬架 动行程以及悬架位移量与被动悬架模型结果进行分析比较。 设计（论文）专用纸 第 7 页 共 76 页 第二章 汽车电控悬架系统的结构及工作原理 车悬架系统 车悬架系统的作用及组成 汽车悬架最主要的功能是传递作用在车轮和车架 (或车身 )之间的一切力和力矩，并缓和汽车驶过不平路面时所产生的冲击，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的行驶平顺性。为此必须在车轮与车架或车身之间提供弹性联接，依靠弹性元件来传递车轮或车桥与车架或车身之间的垂向载荷，并依靠其变形来吸收能量，达到缓冲的目的。采用弹性联接后，汽车可以看作是由悬挂质量 (即簧载质 量 )、非悬挂质量(即非簧载质量 )和弹簧 (弹性元件 )组成的振动系统，承受来自不平路面、空气动力及传动系、发动机的激励。为了迅速衰减不必要的振动，悬架中还必须包括阻尼元件，即减振器。 汽车悬挂尽管有各种不同的结构形式，但一般都是由弹性元件、减振器和导向机构三部分组成 。 （ 如 图 1） 图 1 汽车悬架组成示意图 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 设计（论文）专用纸 第 8 页 共 76 页 此外，悬架中确保车轮与车架或车身之间所有力和力矩可靠传递并决定车轮相对于车架或车身的位移特性的连接装置统称为导向机构。导向机构决定了车轮跳动时的运动轨迹和车轮定位参数的变化，以及汽车前后侧倾中心及纵倾中心的位置，从而在很大程度上影响了整车的操纵稳定性和抗纵倾能力。在有些悬架中还有缓冲块和横向稳定杆。 汽车悬架系统的要求 汽车悬挂系统对汽车的行驶平顺性和操纵稳定性都有较大的影响。所谓行驶平顺性是指汽车在行驶过程中，保持驾驶员和乘员处于振动环境中具有一定的舒适度，或保持所载物 资完好的能力。汽车的操纵稳定性则包括两方面的含义：一是汽车是否具有正确遵守驾驶员操纵转向机构所给规定方向行驶的能力，即所谓的操纵性；二是汽车在外界条件（如地面不平、坡道、大风等）干扰下，能否保持原方向行驶的能力，即所谓的稳定性。在悬挂系统设计时应尽可能做到既能使行驶平顺性（即乘坐舒适性）达到令人满意的程度，又能使其操纵稳定性（即行驶安全性）也达到最佳的状态。然而，这两个要求在悬挂系统的设计中往往是矛盾的。 平顺性和操纵稳定性对汽车悬挂系统这一互为矛盾的要求，在传统的被动悬挂系统设计中几乎无法同时满足。即使经 过慎重的权衡，通过最优控制理论使悬挂系统在平顺性和操纵稳定性之间寻求一个折衷的方案，而这种最优的折衷也只能是在特定的道路状态和速度下达到。 为了克服传统的被动悬挂系统对其性能改善的限制 ， 在现代汽车中采用和发展了新型的电子控制悬挂系统。电子控制悬挂系统可以根据不同的路面条件 ， 不同的载重质量，不同的行驶速度等，来控制悬挂系统的刚度、调节减振器的阻尼力大小，甚至可以调整车身高度，从而使车辆的平顺性和操纵稳定性在各种行驶条件下达到最佳的组合。 车传统被动悬架 设计（论文）专用纸 第 9 页 共 76 页 被动悬架即传统式的悬架，是由弹簧、减振器（ 减振筒）、导向机构等组成，其中弹簧主要起减缓冲击力的作用，减振器的主要作用是衰减振动。由于这种悬架是由外力驱动而起作用的，所以称为从动悬架。由于被动悬架设计的出发点是在满足汽车平顺性和操纵稳定性之间进行折衷，对于不同的使用要求，只能是在满足主要性能要求的基础上牺牲次要性能。被动悬架的优点是成本低、有较高的可靠性。缺点是无法解决同时满足平顺性和操纵稳定性之间相矛盾的要求。刚性较大的螺旋弹簧 以使车轮保持着与路面接触的倾向，提高轮胎的抓地能力。但是这样的弊端是乘坐汽车时有较强烈的颠簸感觉。采用较软的螺旋弹簧，以 适应崎岖不平的路面，提高乘坐汽车时的平稳性及舒适性。但是这样的汽车操纵性较差 。 车电控悬架系统 车电控悬架系统的功能 汽车电控悬架系统能在不同的使用条件下具有不同的弹簧刚度和减振器阻尼力，既满足平顺性的要求又满足操纵稳定性的要求。 电控悬架系统的基本目的是控制调节悬架的刚度和阻尼力，突破传统被动悬架的局限性，使汽车的悬架特性与道路状况和行驶状态相适应，从而保证汽车行驶的平顺性和操纵的稳定性要求都能得到满足，其基本功能主要有三点。 （ 1） 车高调整：无论车辆的负载多少，都可以保持汽车高度 一定，车身保持水平，从而使前大灯光束方向保持不变；当汽车在坏路面上行驶时，可以使车高升高，防止车桥与路面相碰；当汽车高速行驶时，又可以使车高降低，以便减少空气阻力，提高操纵稳定性。 （ 2）减振器阻尼力控制：通过对减振器阻尼系数的调整，防止汽车急速起步或急加速时车尾下蹲；防止紧急制动时的车头下沉；防止汽车急转弯时车身横向摇动；防止汽车换挡时车身纵向摇动等，提高行驶平顺性和操纵稳定性。 设计（论文）专用纸 第 10 页 共 76 页 （ 3） 弹簧刚度控制：与减振器一样在各种工况下，通过对弹簧性系数的调整，来改善汽车的乘坐舒适性与操纵稳定性。 总结起来，电子 控制悬架系统能根据不同的路面状况、载重量、车速等控制悬架系统的刚度和减振器的阻尼 ,调节车身高度以提高车辆的通过性。根据有无动力源 ,可以将电子控制悬架分为两大类 :半主动悬架及主动悬架。 车半主动悬架及其特点 半主动悬架可以根据路面的激励和车身的响应对悬架的阻尼系数进行自适应调整 ,使车身的振动被控制在某个范围内。半主动悬架系统无动力源。因此 ,汽车在转向、起步、制动等工况时不能对刚度和阻尼进行有效控制。半主动悬架的特点是 可看作由可变特性的弹簧和减振器组成的悬架系统，虽然它不能随外界的输入进行最优的控 制和调节，但它可按存储在计算机的各种条件下最优弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态。优缺点介于被动悬架与主动悬挂之间。 车主动悬架及其特点 主动悬架是一种有源控制 ,可以根据汽车行驶条件的变化 ,主动改变悬架的刚度和阻尼系数。在汽车行驶路面、速度变化以及在汽车起步、制动、转向等工况时 ,主动悬架都可以进行有效控制。此外 ,主动悬架还可以根据车速的变化控制车身的高度。主动悬架的特点表现在以下几个方面。 （ 1）悬挂刚度可以设计得很小，使车身具有较低的自然振动频率，以保证正常行驶时的 乘坐舒适性。汽车转向等情况下的车身侧倾，制动、加速等情况下的纵向摆动等问题，由主动悬挂系统通过调整有关车轮悬挂的刚度予以解决。而对于传统的被动悬挂系统，为同时兼顾到侧倾、纵摆等问题，不得不把悬挂刚度设计得较大，因而正常行驶时汽车的乘坐舒适性受到损失。 （ 2）采用主动悬挂系统，因不必兼顾正常行驶时汽车的乘坐舒适性，可将汽车 设计（论文）专用纸 第 11 页 共 76 页 悬挂抗侧倾、抗纵摆的刚度设计得较大，因而提高了汽车的操纵稳定性，即汽车的行驶安全性得以提高。 （ 3）先进的主动悬挂系统，还能保证在车轮行驶中碰抵砖石之类的障碍物时，悬挂系统在瞬时将车轮提起， 避开障碍行进，因而汽车的通过性也得以提高。 （ 4）汽车载荷发生变化时，主动悬挂系统能自动维持车身高度不变。在各轮悬挂单独控制的情况下，还能保证汽车在凸凹不平的道路上行驶时，车身稳定。 （ 5）普通悬挂在汽车制动时，车头向下俯冲。而装有某些主动悬挂系统的汽车（如沃尔沃 740 型小轿车）却不存在这种情况。制动时，该车尾部下倾，因而可以充分利用后轮与地面间的附着条件，加速制动过程，缩短制动距离。 （ 6）装有某些主动悬挂系统的汽车在转向时，车身不但不向外倾斜，反而向内倾斜，从而有利于转向时的操纵稳定性。 （ 7）主动悬挂 可使车轮与地面保持良好接触，即车轮跳离地面的倾向减小，保持与地面垂直，因而可提高车轮与地面间的附着力，使车轮与地面间相对滑动的倾向减小，汽车抗侧滑的能力得以提高。轮胎的磨损也得以减轻，转向时车速可以提高。 （ 8）在所有载荷工况下，由于车身高度不变，保证了车轮可全行程跳动。而传统的被动悬挂系统中，当汽车载荷增大时，由于车身高度的下降，车轮跳动行程减少，为不发生运动干涉，不得不把重载时的悬挂刚度设计得偏高，因而轻载时的平顺性受到损失。而主动悬挂系统则无此问题。 车电控悬架系统的基本工作原理 电子控 制悬架系统由传感器与开关、控制单元、执行元件等电子器件组成。传感器和开关将路面输入的模拟信号转换为数字信号传送给控制单元 制单元 行元件的机械动作改变减振器的阻尼和弹簧的刚度。工作原理如图 2。 主动悬架系统的基本工作原理是传感器将采集的反映悬架振动的信号传给控制 设计（论文）专用纸 第 12 页 共 76 页 器，控制器控制主动悬架的力发生器，产生控制力控制车身的振动 ,从而大大提高了车辆的平顺性等性能。 传感器收集信息 控制单元 执行元件根据信息产生动作 悬架系统提 供适当的阻尼或弹簧刚度 图 2 电控悬架系统基本工作原理 半主动悬架系统基本工作原理是用可调弹簧或可调阻尼元件组成悬架，并根据悬架的振动响应等反馈信号，按照一定的调节规律调节车辆悬架系统的刚度或阻尼状态 ,提高车辆的行驶平顺性和安全性。 车电控悬架系统的控制方法 控悬架系统控制特性 由于悬架系统是很复杂的非线性动力系统，因此基于模型的线性反馈控制是不适用的。利用现代控制理论保证汽车行驶平顺性和操纵稳定性的研究日益完善，以下介绍几种基于现代控制理论的电控悬架控制方法。 适应 与自校正控制方法 自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的。自适应控制方法可以自动检测系统的参数变化 ， 从而时刻保持系统的性能指标为最优。其基本出发点是根据系统当前输入的相关信息 ， 从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。应用于车辆悬架控制系统的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两类控制策略。自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整定相结合的控制方法 ， 如图 3 所示。 设计（论文）专用纸 第 13 页 共 76 页 道路输入 执行器 自适应 图 3 自适应控制原理 棚阻尼器控制方法 由美国的 D. 在主动悬架控制中被广泛采用。天棚阻尼器控制是设想将系统中的阻尼器移至车体与某固定的天棚之间。就主动悬架而言 ， 也就是要求执行机构产生一个与车体的上下振动绝对速度成比例的控制力来衰减车体的振动。被动悬架可以认为是带阻尼器的双质量振动系统 ， 当考虑到带宽和系统的共振特性时 ， 通常被动悬架的性能不能令人满意。但带天 棚阻尼器的汽车悬架，只要合理选择参数，可彻底消除系统共振现象。天棚阻尼器控制只考虑了幅频特性，不包括相频特性，这就产生了用传递函数评价性能指标的不确定性问题。 见控制方法 预见控制方法是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，将测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。这种控制技术可以通过某种方法提前检测到前方路面的状态和变化，使控制系统有足够的时间采取措施。因此，可大大降低系统的能耗，改善系统的控制性能。 根据预见信息的测量及利用方法不同，可构成不同的预见控制系统，如对四轮进悬架系统 设计（论文）专用纸 第 14 页 共 76 页 行预见控制和 利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制。对四轮全进行预见控制时，在车的前部设置特制的预见传感器以测试前方道路的凹凸情况，然后将这些信息传至控制器。控制器根据这些信息计算出控制指令，并将相应信号送至四个车轮中的每一个悬架机构。从理论上看，这种系统应取得最为理想的控制效果，但需要设置特殊的传感器。在利用前轮信息对后轮进行预见控制系统中，两个前轮采用的仅为反馈控制，但通过前轮部分各种传感器所获得的信息，都被作为预见信息而送至控制器。在决定后轮的控制指令时，控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息，而且也根据当时的车 速和前后轮间的轴距，考虑前轮各传感器所获得的信息。因此，在后轮的执行机构上，实行的是反馈加前向反馈的双作用控制。这样就无须增设特制的预见传感器，只须对控制系统软件作些修改，便可对后轮实施预见控制，从而提高后轮的减振效果，同时就整车而言可以减小车体的振动，因而控制效果得到改善。 优控制方法 车辆的悬架系统是一个高阶的数学模型，对其采用最优控制的前提是获得大量的状态信息。在实际工程中，大部分的状态变量要利用 过求解 程，在使性能指标最小的基础上，综合控制规律 ,这就是通常所说 于需要大量的状态信息，对硬件系统的要求很高，而且状态重构带来一系列鲁棒性的问题，因 由于它的结果是理论最优的，因而还是有众多学者对它进行了各种改进，期望提高该控制策略的鲁棒性。 范数 H最优控制 谱范数 H最优控制方法是 80年代出现的，是目前解决鲁棒控制问题比较成功且比较完善的理论体系。它的设计原则，是在保证闭环系统各回路稳定的条件下，对系统闭环传递函数的无穷范数进行优化，从而使系统在存在参数变化、建模误差、测量噪声和外界扰动输入的 情况下，保证闭环系统的稳定性，并进一步实现系统的鲁棒性， 设计（论文）专用纸 第 15 页 共 76 页 能使相对于干扰的输出取最小的一种最优控制方法。为了模拟由于车身质量、轮胎刚度和减振器阻尼系数等变化不确定的误差，应用最优控制方法可使汽车悬架振动控制具有较强的适应能力。由于实际的车辆系统往往是时变的非线性系统，从而使实际系统达不到运用最优控制理论所预期的性能。因此有必要对系统进行鲁棒性分析，即在各种模型误差及不确定扰动的情况下，研究系统的鲁棒稳定性问题。 经网络控制 神经网络控制的基本思想是从仿生学的角度，模拟人脑神经系统的运作方式，使机 器具有人脑那样的感知、学习和推理能力。神经网络以其强大的非线性映射能力、自学习适应能力、联想记忆能力、并行处理方式及优良的容错性能，作为一种并行分布式处理系统，它具有自动知识获取、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推理能力 ,故在汽车悬架控制中有广泛的应用前景，其原理见但神经网络有以下不足 : (1)难以保证解的唯一性； (2)局域性差； (3)基函数非正交 ,收敛速度慢； (4)难以确定逼近的分辨尺度。 糊控制 模糊控制是利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控制系统动态模式 的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。 设计（论文）专用纸 第 16 页 共 76 页 一般的模糊控制系统包含以下五个主要部分。 (1)定义变量 也就是决定程序被观察的状况及考虑控制的动作，例如在一般控制问题上，输入变 量有输出误差 e 与输出误差之变化率 e c，而控制变量则为下一个状态之输入 u。其中 e、 e c、 u 统称为模糊变量。 (2)模糊化 将输入值以适当的比例转换到论域的数值，利用口语化变量来描述测量物理量的过程，依适合的语言值（ 该值相对之隶属度，此口语化变量我们称之为模糊子集合（ (3)知识库 包括数据库（ 规则库（ 部分，其中数据库是提供处理模糊数据之相关定义；而规则库则藉由一群语言控制规则描述控制目标和 策略。 (4)逻辑判断 模仿人类下判断时的模糊概念，运用模糊逻辑和模糊推论法进行推论，而得到模糊控制讯号。此部分是模糊控制器的精