基于MatlabSimulink的随机路面建模与不平度仿真

1、基于matlab/simulink 的随机路面建模与不平度仿真作者：陈杰平， 陈无畏， 祝辉， 朱茂飞， chen jieping ， chen wuwei ， zhu hui ， zhumaofei作者单位：陈杰平,chen jieping( 合肥工业大学机械与汽车工程学院 ,合肥,230009;安徽科技学院工学院,凤阳,233100)， 陈无畏,祝辉,朱茂飞,chen wuwei,zhu hui,zhu maofei(合肥工业大学机械与汽车工程学院,合肥,230009)刊名：农业机械学报英文刊名：transactions of the chinese society for agricul

2、tural machinery年，卷(期)：2010 ，41(3)被引用次数：0次参考文献(16条)1. 魏朗. 陈荫三 . 龚国庆 公路卧铺客车的车铺人系统平顺性模拟计算 1999(1)2. 陶向华. 黄晓明 车辆动载荷的频域模拟计算与分析 2003(4)3. schiehlen w . hu b spectral simulation and shock absorber identification 2003(2)4. 胡亮. 李黎. 樊剑 使用特征正交分解型谱表示法的汽车受路面激励随机模拟期刊论文-振动与冲击 2007(1)5. feng jinzhi. zheng songlin .

3、 yu fan bandwidth-limited active suspension controller for an off-roadvehicle based on co-simulation technology 2008(1)6. 张永林. 钟毅芳 车辆路面不平度输入的随机激励时域模型期刊论文-农业机械学报 2004(2)7. dave crolla . 喻凡 车辆动力学及其控制 20048. 唐光武. 贺学锋 . 颜永福 路面不平度的数学模型及计算机模拟研究期刊论文-中国公路学报 2000(1)9. 赵珩. 卢世富 路面对四轮汽车输入的时域模型 1999(2)10.檀润华 . 陈

4、鹰. 路甬祥 路面对汽车激励的时域模型建立及计算机仿真 1998(3)11.张立军 . 张天侠 车辆四轮相关时域随机输入通用模型的研究期刊论文-农业机械学报 2005(12)12.方浩. 李晓宾 . 王璐 基于路面随机激励的8自由度整车动力学仿真 2007(2)13.徐延海 考虑路面不平度的汽车稳定性控制的研究期刊论文-汽车工程 2005(3)14.sayers m w dynamic terrain inputs to predict structural integrity of ground vehiclesreport um tri-88-16 198815.张永林 用谐波叠加法重构随

5、机道路不平顺高程的时域模型期刊论文-农业工程学报 2003(6)16.michelberger p . palkovic l . bokor j robust design of active suspension system 1993(2/3)相似文献(10条)1.期刊论文张永林. 钟毅芳 车辆路面不平度输入的随机激励时域模型-农业机械学报 2004,35(2) 作为随机过程的车辆道路不平度高程 ,通用的模拟方法是频域模型 - 道路不平度功率谱密度 (psd). 但在对人 -车-路系统进行非线性或耦合动力学分析研究时 ,必须获得关于道路的时域模型 .由等级道路的标准谱或实测道路的估计谱反求

6、道路时域模型具有重要的理论意义和实用价值.本文基于道路 psd, 描述了几种基于路面功率谱模型的道路时域模型重构方法,阐述了时域建模的原理、特点和适用范围,给出了其数学上的实现过程 .最后,指出了道路时域建模进一步研究的方向.2.期刊论文彭佳. 何杰. 李旭宏 . 陈一锴 . 丛颖. peng jia. he jie . li xu-hong . chen yi-kai . cong ying路面不平度随机激励时域模型的仿真比较与评价- 解放军理工大学学报（自然科学版）2009,10(1) 为深入研究常用路面不平度随机模型的特性,基于matlab 仿真环境 ,对白噪声法、谐波叠加法、 fft

7、法、ar/arma法4种模型在指定环境下的效率与结果进行了仿真分析和比较 .在将4种模型拓展到多点时域模型后 ,对多点单轮辙模型的时延相关性、可用性和严密性以及多点双轮辙模型的轮辙相关性、合理性和波动性进行了仿真分析和比较 .结合模型适用范围与扩展应用等方面的比较,给出了 4种模型应用特性的综合评价结果 .完善了多点时域模型的建模方法和体系 ,得到的评价结果 ,为车辆优化和设计、路面不平度和谱分析、道路数据库建立以及人车路大系统分析等方向的科研工作者选择模型提供了理论依据.3.会议论文郝宇龙. 荆强. 张进秋 基于matlab的路面不平度的频谱分析2006 频谱分析是数字信号处理的主要分支之一

8、。所谓“谱”，就是信号的某些特征在频域上随频率的分布关系.路面不平度的频谱分析就是基于采集到的有限的数据寻找路面随机激励信号频域的统计特性，是分析路面特征的重要手段，对于评估车辆悬挂系统的振动控制效果有着重要的作用。文章结合matlab工具箱分析了沙土地、硬土地、碎石地等履带式车辆通常所行使的路况的频谱特性， 验证了用 ar 模型进行功率谱分析的可靠性。4.期刊论文何杰. 彭佳. 李旭宏 . 陈一锴 . 毛海军 . he jie . peng jia . li xuhong . chen yikai . mao haijun 路面随机激励时域模型特性的仿真研究-武汉理工大学学报（交通科学与工程

9、版）2009,33(5) 在分析白噪声法、谐波叠加法、 fft 法和离散时序法 4种常用路面不平度随机激励单点时域模型构建的基础上,对指定环境下 4种模型的速度以及结果的波动性、统计学特性和合理性进行了仿真,比较和剖析了产生不同仿真效率和结果的本质所在.并对单点时域模型进行了拓展 ,分别构建了车辆的单轮辙多点、双轮辙多点时域模型.5.学位论文唐传茵 车辆运行振动舒适性分析与控制2006 车辆的平顺性研究所关心的是车辆在垂直方向上的上下跳动与绕横轴的俯仰运动。人体承受全身振动而引起的舒适性问题，称为振动舒适性。由振动加速度有效值以及振动频率、受振持续时间等物理量综合描述。根据行车舒适性研究的结果

10、，引起驾乘人员不舒适的主要原因是一定频率下的垂直振动加速度。加速度越大，舒适性越差。振动加速度是影响乘客乘坐舒适性的重要因素之一。 悬架性能是影响车辆振动舒适性的重要性能。因此，研究车辆的振动特点，设计新型悬架系统，对车辆振动进行有效控制是提高现代车辆振动舒适性的重要措施。 本课题基于车辆动力学基本理论，应用遗传与神经网络控制算法，应用iso 2631 评价标准，得到车辆悬架结构控制前与控制后的振动舒适性能，并在此基础上，应用烦恼率模型，得到了基于烦恼率模型的车辆悬架结构在路面随机激励下的振动舒适性评价方法。论文第一章介绍了汽车振动舒适性与悬架振动控制的国内外研究现状；第二章应用随机振动基本理

11、论与车辆系统动力学基本理论，引用平稳与非平稳随机输入的时域通用模型，得到车辆两轮相关路面模型，建立了悬架系统模型，并进行了仿真；第三章论述了遗传算法与神经网络算法原理，设计了神经网络辨识与神经网络控制算法的结构；第四章应用遗传神经网络控制算法，进行仿真分析；第五章应用iso 2631 振动舒适性评价标准，对经过悬架控制前与控制后的垂直振动加速度进行分析；第六章应用结合了振动舒适性客观评价与主观评价的烦恼率模型，研究了基于烦恼率模型的车辆悬架结构在路面随机激励下的振动舒适性评价方法。本文的研究成果主要包括以下几个方面： 1 本文运用车辆动力学理论，建立了二分之一车体四自由度主动悬架系统的动力学模

12、型，并以此作为控制策略的仿真的基础。 2 用计算机模拟路面不平度信号作为汽车悬架振动模型的输入信号车辆在行驶时很多情况是非匀速行驶的，如车辆的起步加速、减速制动等工况，尽管路面输入在空间域内是平稳的，但在时间域内是非平稳的，为了使路面模型更加符合路面实际情况，本文用计算机模拟产生了路面不平度信号作为模型的输入，应用两轮相关路面不平度输入的时域通用模型，使研究更加接近真实悬架的振动情况。 3 本文采用遗传算法与神经网络相结合，神经网络辨识与神经网络控制结合的控制策略，对建立的汽车悬架振动模型进行控制仿真研究，针对车身质量加速度、轮胎动载荷、悬架动挠度这三个性能指标，根据悬架系统的控制原理图，建立

13、系统的仿真模型。选取典型的路面输入信号，对悬架性能进行仿真，然后，对主、被动悬架的性能分析对比；不同控制策略下主动悬架的减振特性的分析；神经网络训练参数与遗传算法输入函数变化时，在同一控制策略下悬架特性的变化和影响分析；为验证控制系统的鲁棒性，本文还考虑了车速变化时，系统的响应特性。 采用matlab 软件中的 s 函数编程，通过计算机仿真验证了这种控制算法的有效性，并与被动悬架的性能指标进行了对比，证明采用本文的车辆主动悬架的控制算法能够提高车辆悬架的综合性能。 4 行驶平顺性和操纵稳定性是今后体现车辆性能的重要指标，因此采用遗传算法优化车辆悬架性能评价指标，较全面地反映在振动控制过程中车辆

14、的行驶平顺性与操纵稳定性，用于比较主动悬架的综合性能。 5 根据行车舒适性研究的结果，引起驾乘人员不舒适的主要原因是一定频率下的垂直振动加速度。加速度越大，舒适性越差。通过控制前、后车身垂直加速度分析，运用振动舒适性评价标准iso 2631 ，得到人的主观感受。通过悬架控制算法，降低车身振动加速度，达到提高振动舒适性的目的。 6 结合心理物理学的信号检测理论分析人对振动反应的不确定性，应用人对振动主观反应模糊性的隶属度函数即烦恼率模型，结合控制前与控制后的悬架性能，用烦恼率作为描述人对振动主观反应的量化指标。研究了基于烦恼率模型的车辆悬架结构在路面随机激励下的振动舒适度评价方法。6.期刊论文成

15、洁. cheng jie路面随机激励下的汽车非线性悬架系统振动分析-汽车科技 2009,(2) 基于滤波自噪声生成法模拟了路面不平度,建立了四分之一车辆悬架系统非线性模型,在此基础上利用统计线性化方法对汽车非线性随机振动时域响应进行了研究 ,并利用 matlab/simulink软件对悬架振动进行了数字仿真 .计算结果表明 ,用统计线性化方法求解汽车悬架系统的非线性随机振动问题是可行而且可靠的 ,仿真输出量可作为评价汽车平顺性的依据.7.学位论文胡红元 货物捆绑包装运输系统动力学仿真研究2008 在流通环节中，引起包装件破损的原因主要是运输环境中的冲击和振动。目前防止包装件遭受外力而产生机械损

16、伤的主要办法是采用缓冲技术来进行缓冲包装，但是，现在的缓冲包装没有恰当地同时考虑内装物的特性和运输环境条件来进行设计。在很多情况下，要么缓冲包装不足，要么相反缓冲包装过分。本文建立了一种货物、捆绑器、载货汽车有效连接在一起的运输包装系统。 目前国内对车辆 -包装件动力学模型动态特性的研究甚少，而将货物捆绑专用工具捆绑器用于包装运输系统这方面的研究国内至今空白，本论文的工作将为缓冲防震包装系统的结构设计提供一种新的建模与分析方法。 根据浙江双友公司生产的汽车货物捆绑器用于汽车运输的具体情况，本文以东风eq1156w3型号载货汽车和 b50 型汽车货物捆绑器为研究对象，参考国际标准 iso/tcl

17、08/sc2n67中提出的“路面不平度表示方法”和国标“车辆振动输入路面不平度表示方法”，求出了路面随机激励的路面功率谱密度和时域模型，考虑四轮输入的相关性，前后轮路面输入时间上的延迟，得到了路面对四轮汽车输入的功率谱矩阵和时域模型。 再根据研究问题的需要，建立了整个包装运输系统平面五自由度和空间八自由度动力学模型及包装件二自由度系统动力学模型，并推导出相应的数学模型；借助仿真软件 matlab/simulink进行仿真，得到一些重要指标在时域内的响应变化曲线，通过比较仿真结果，从而证明捆绑器的应用是正确合理的。 最后通过汽车捆绑带参数的对比仿真研究，说明了本论文模型建立及参数选取的正确性和有

18、效性。而且选用其他的路面等级，改变载货车辆载货量及车速，可以进一步模拟出较为符合实际的不同路况下路面随机激励，以其作为输入求取振动系统的时域内的响应，研究载货汽车的动态性能。同时也为不同货物选取相应参数的捆绑器提供参考。8.期刊论文张永林. 钟毅芳 汽车道路双轮辙多点随机激励建模与仿真研究-系统仿真学报 2004,16(6) 道路随机过程通用的描述方法为频域的功率谱密度函数方法.基于道路频域模型 ,研究了用白噪声滤波方法得到与给定谱特征相对应的道路时延相关性模型的模拟原理及其数学方法 ,同时提出了针对车辆道路空间相关的双轮辙激励模拟的有效途径- 激励输入白噪声的传递函数法 ,并应用该方法再现了

19、道路不平度的有代表性的时间历程 .通过计算机仿真实例 ,证明了所用方法的正确性和精确性.9.学位论文宋刚 受随机激励工程结构振动控制方法研究2008 随机性是自然界最基本的规律之一，大量军事或民用设施都处于地震、风、海浪、流冰、不平路面激励等随机环境中，从而发生危及设施与人员安全性、舒适性、设施的正常运行或疲劳寿命等十分有害的随机振动。如何在设计阶段就努力将结构的随机振动控制在可以接受的限度以内，是工程界长期以来努力追求的目标。可是迄今为止所取得的成就还远不能满足工程界的需求。在本论文的研究中，密切结合对随机振动控制的需求比较突出的建筑抗震、汽车振动等工程问题，不但融入了近十几年来在数学、力学

20、和控制理论界所出现的一些创新成果，并且采取各种新的思路对它们进行了有针对性的发展和再创新，提出了一系列实施结构随机振动控制的有效方法。这些方法和通过研究并使用这些方法而得到的结论，对于其它工程领域的随机振动控制也是有实用或借鉴意义的。 建筑结构所受的地震作用和车辆行驰时所受的路面激励都是随机荷载。由它们所造成的结构振动本应按随机振动方法来处理。但由于常规随机振动方法的复杂低效，以往在研究建筑结构抗震控制器或车辆主动悬架控制器时，数值仿真一般都只在效率比较低的时域内进行直接数值积分。如果要对控制前后系统响应的统计特性作较为精确的估计，往往需要采用很多条地震加速度记录或路面不平度样本，并取很小的时

21、间步长进行数值积分，从而耗费大量的计算时间，同时不得不采用十分简化的结构模型，使得控制效果大受影响。本论文在处理这类控制问题时，直接在随机振动方法框架内进行。尤其是将近年来由我国学者提出的虚拟激励法、精细积分法和在哈密顿体系内保辛、保性能，和保持高鲁棒性等措施引入随机振动控制领域，由地震激励功率谱密度或路面功率谱密度直接计算出系统各种平稳或非平稳随机响应的功率谱密度，既精确可靠，又快速方便，并且控制前后建筑结构的地震响应或车辆乘员的舒适度等指标都很容易得到。因此，本论文直接基于平稳/非平稳随机振动虚拟激励、精细积分等理论和方法对控制器进行研究是颇具特色的，具有很强的探索性和应用前景。 本论文在

22、研究新的建筑结构抗震控制器和车辆主动悬架控制器设计方法时，还尽可能地基于线性矩阵不等式处理框架，由此充分利用现有的凸优化技术而使控制器的设计简便易行。本论文根据建筑结构抗震控制和车辆主动悬架设计的特点，基于线性矩阵不等式处理方法，提出了新的建筑结构抗震鲁棒h 控制策略、保性能控制策略和车辆主动悬架鲁棒h2/h 控制策略、考虑时域硬约束的 h 控制策略。 具体说来，本论文主要进行了以下几方面的研究工作： (1)扩展了 lqg 控制方法的求解途径和应用范围。由于常规的非平稳随机振动算法非常复杂低效，在结构抗震lqg 控制问题中，地震的非平稳随机性以往极少被考虑。本文以毗邻建筑避碰控制为例，对非平稳

23、随机地震激励下的lqg 控制问题的求解进行了新的尝试。通过引入区段混合能矩阵，对微分riccati 方程进行了精细求解，并借助虚拟激励法及在状态空间中的时域精细积分法，使这类以前难于处理的时变lqg 控制问题得到了高精度、高效率的解决。 (2)基于线性矩阵不等式处理方法，提出了新的鲁棒h 控制方法、给定二次型性能指标下的保性能控制方法和鲁棒h2/h 控制方法，并应用于建筑结构抗震和车辆主动悬架设计。在控制器设计过程中，忽略结构模型参数的不确定性可能会导致控制系统性能恶化甚至失稳。本文基于线性矩阵不等式处理方法，提出并证明了考虑参数不确定性的鲁棒h 输出反馈控制器、保性能输出反馈控制器和鲁棒h2/h 输出反馈控制器存在的充分条件。大量数值仿真结果表明，当建筑结构的刚度、阻尼、质量或车辆的悬挂质量存在变异时，本文给出的这三种控制策略都能实现很好的控制效果。 (3)基于线性矩阵不等式处理方法，提出了一种新的考虑时域硬约束条件的h 输出反馈控制器设计方法，并应用于车辆主动悬架设计。车辆的操纵稳定性和乘坐舒适性对悬架各项性能有着不同的要求，为了平衡相互矛盾的诸项性能要求，本文从提高车辆乘坐舒适性入手，以车身加速度响应为控制输出向量，以悬架动行程、轮胎动载荷和作动器输出控制力响应为约束输出向量，分别