基于MATLAB仿真的汽车悬架控制研究-车辆工程专业

基于MATLAB仿真的汽车悬架控制的研究摘要随着我国的科学及技术和社会经济的快速发展。根据公安部和中国汽车流通协会的统计，仅2019年，中国就登记了2578万辆新车，居世界首位。到2020年，中国汽车保有量已达2.6亿辆，并稳步增长。这也带来了一系列的问题，其中行车安全性和乘坐的舒适性受到顾客的关注。而在未来的社会中汽车购买的主力军会是女性，女性对汽车的舒适性是最敏感的，汽车的悬挂系统在汽车舒适性中占据主导地位。本文主要对汽车的汽车的主动悬架系统进行建模和分析，从而让汽车的安全性、舒适性和平顺性得到明显的提高，使汽车的行驶不在受路面的影响。通过对汽车的悬架系统的类别、组成、工作的原理和发展的程度进行了概括性的介绍，根据汽车悬架系统的发展情况，对通过数学模型的建立和仿真，探讨了汽车主动悬架系统的结构和工作原理，通过仿真的结果分析汽车主动悬架在汽车行驶期间的工作状态和在不同路况下对汽车行驶的影响。利用Simulink模块建立整车悬架系统的仿真模型，观察不同悬架类型对汽车行驶的安全性、舒适性和平顺性的影响，根据仿真结果，得出结论，分析主动悬架系统能否发挥理论上的作用。最后，基于Matlab/SimuLink对车辆主/被动悬架系统进行建模，并进行仿真分析。得出的结论是，主动悬架系统可以有效地提高车辆的安全性，舒适性和舒适性。【关键词】汽车悬架，MATLAB，Simulink，主动悬架，被动悬架ResearchonAutomobileSuspensionControlBasedonMATLABSimulationAbstractWiththerapiddevelopmentofscience,technologyandsocialeconomyinChina.AccordingtostatisticsoftheMinistryofpublicsecurityandChinaAutomobileCirculationAssociation,in2019alone,Chinaregistered25.78millionnewcars,rankingfirstintheworld.By2020,China'scarownershiphasreached260million,withasteadygrowth.Thisalsobringsaseriesofproblems,amongwhichthesafetyofdrivingandthecomfortofridingareconcernedbycustomers.Inthefuturesociety,themainforceofcarpurchasewillbewomen.Womenarethemostsensitivetothecomfortofcars.Thesuspensionsystemofcarsplaysaleadingroleinthecomfortofcars.Inthispaper,theactivesuspensionsystemofthecarismodeledandanalyzed,sothatthesafety,comfortandsmoothnessofthecarcanbesignificantlyimproved,sothatthedrivingofthecarisnotaffectedbytheroad.Thispaperintroducesthecategory,composition,workingprincipleanddevelopmentdegreeoftheautomobilesuspensionsystem.Accordingtothedevelopmentoftheautomobilesuspensionsystem,itdiscussesthestructureandworkingprincipleoftheautomobileactivesuspensionsystemthroughtheestablishmentandSimulationofthemathematicalmodel.Throughthesimulationresults,itanalyzestheworkingstateoftheautomobileactivesuspensionduringthedrivingperiodandwhetheritisworkingornotTheinfluenceofthesameroadconditiononthevehicledriving.ThesimulationmodelofthewholevehiclesuspensionsystemisestablishedbyusingtheSimulinkmodule,andtheinfluenceofdifferentsuspensiontypesonthesafety,comfortandridecomfortofthevehicleisobserved.Accordingtothesimulationresults,theconclusionisdrawn,andwhethertheactivesuspensionsystemcanplayatheoreticalroleisanalyzed.Finally,thevehicleactive/passivesuspensionsystemismodeledandsimulatedbasedonMATLAB/Simulink.Theconclusionisthattheactivesuspensionsystemcaneffectivelyimprovethesafety,comfortandcomfortofthevehicle.1绪论1.1引言目前，驾驶员在日益复杂的道路交通环境中驾驭汽车时，由于路况的复杂性，他们需要更频繁地改变行驶方向，驾驶员和乘客越来越依赖汽车的悬挂系统，作为汽车的五大总成之一，一个好的悬挂系统将给驾驶员提供一个更稳定的控制感和安全的驾驶体验并且乘客能感受到一个更舒适的乘坐感。在当前安全性、舒适性和乘坐舒适性的发展背景下，一个良好的悬架系统对于汽车的研发和消费者的购买显得尤为重要。尤其是这个电气化的时代，主动悬架具有根据汽车行驶的路况、汽车的载荷质量、行驶的速度控制悬架的刚度和自动调节车身的高度和硬度的优点。这也使汽车在行驶过程中更具有稳定性，从而使汽车在行驶过程中的安全性、平顺性和舒适性得到大幅度提高。从第一辆汽车落地到现在早已有一百多年的历史，为了提升汽车的舒适度，人们不断完善汽车悬挂系统，到目前为止汽车悬挂系统无论是机械结构还是各种参数都得到了很好的论证，但是仍然存在缺陷。然而，主动悬架和半主动悬架的应运而生为解决汽车悬架的发展这个问题提供了新方向和新思路。1.2主流汽车悬架的组成及分类汽车悬架系统是车身连接车轮的重要机构，主要为了缓和路面冲击、保证轮胎附着、提升车辆行驶稳定性和舒适性。悬挂系统通常是由导向机构、减震机构、弹性元件和辅助机构组成，一般按照其可控性分成主动悬架、被动悬架和半主动悬架三个版本REF_Hlk37017547\r\h[1]。被动悬架因起价格低廉、结构可靠而被普遍应用，但其参数和结构不可变，环境应变能力较弱。主动悬架是利用多种传感器结合ECU、液压动力或气压动力改变悬架行程等实时参数的闭环系统，它可以更好地响应不同的道路，并大大提高车辆悬架系统性能。半主动悬架是一种非动力悬架系统，在普通的被动悬架系统中增加了可控制的阻尼元件。其原始弹簧（钢板）弹性系数不变，只可在特定范畴内改变阻尼系数以提高悬架系统的整体性能。1.3汽车主动悬架的发展状况1.3.1国外发展状况为了解决如何提高汽车的乘坐舒适性，操纵稳定性和行驶平顺性性的问题，主动悬架的概念在1950年代和1960年代问世REF_Ref37103323\r\h[2]。法国雪铁龙汽车公司设计并投入生产的首个液压空气悬架系统，可大大提高当时的车辆行驶舒适性，但迫于技术和生产工艺限制，这套悬架系统未能得到普及。上世纪七十年代，美籍工程师D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了主动悬架控制的观念，随着科学技术的不断发展，科学家提出了最优控制，自适应控制，神经网络控制和预测控制等先进的控制概念。上世纪90年代，日产将最新的主动悬架系统应用于英菲尼迪Q45，这一举措进一步提高了该款汽车在较差路况条件下的行驶能力。随着科学技术的发展，可调式悬架控制系统出现了。它可以根据汽车运行的工作状态和路面的实际情况手动控制悬架的特性。近年来，随着大规模集成电路和传感器技术的不断发展，日本丰田汽车公司已将主动悬架应用于丰田的SOARER中型轿车上，使汽车的平顺性提高大约7%左右。1.3.2国内发展状况相比于其他国家来说，我国的汽车工业起步整体较晚，因此，对于主动悬架系统的研发和推广也受制于行业整体情况。在我国早期，主要研究的方向是半主动悬架的控制方法，最为典型的是汪桂香团队的“模糊滑模控制器”和重庆大学廖昌蓉所采用的“频域加权最优控制方法”，但是两者的设计在实际应用中都不理想。经过多年的不断研究、探索和发展。北京理工大学丁科教授的团队使用神经网络来控制和研究主动悬架。重庆交通大学何渝生教授团队运用LQG最优控制理论REF_Ref37106510\r\h[3]，有效研究了汽车的主动悬架系统，极大地提高了汽车的乘坐舒适性，安全性和行驶平顺性。对于国内的汽车制造汽车来说对主动悬架的应用还是处在起步阶段。随着我国科学技术的不断发展，宇通汽车公司研发了一款以变刚度气囊器件和新型变阻尼减震器为主体的半主动悬架系统，并运用在了宇通的豪华大巴上，大大提高了整车的乘坐舒适性和车辆的行驶安全性。东风汽车公司开发出了液气复合式和电磁式半主动悬架系统，该系统冲破了国外对汽车半主动悬架的垄断，为我国主动悬架的研究和开发提供了基础REF_Ref37106580\r\h[4]。1.4本课题主要研究内容在以往相关文献的基础上主要对汽车悬架系统进行模型的建立和仿真的设计和研究，研究的内容如下：1、首先，对汽车最常见的悬架系统的组成和工作原理进行梳理和总结，分析目前汽车主动悬架系统的发展状况和不足之处，探讨该系统的未来发展趋势。2、其次，根据我国的道路条件，选择具有代表性的A、B和C三种道路，研究了各种工况下汽车悬架系统的运行条件。3、最后，汽车主动悬架和被动悬架系统内部结构进行对比分析和对汽车悬架系统以路面激励和汽车悬架运动进行建模，使用MATLAB中的Simulink模块模拟主动悬架和被动悬架的道路激励模型和运动模型REF_Ref37106129\r\h[7]，将仿真结果与曲线进行比较，得出结论。2汽车悬架的类型不论是传统的燃油汽车还是新能源的汽车，汽车的悬架系统需要满足的要求基本一致，这些要求之间可能会因为汽车工况不同而发生冲突。实际上，主流汽车悬架系统的组成其实大同小异，都是由簧片、减振器、导向机构及稳定杆等构成，连接车体与轮胎，传递动力的中间机构，如图2.1所示。1-上摆臂；2-减震弹簧；3-减振器；4-下摆臂；5-稳定杠；6-纵向推力杆图2.1普通悬架系统结构示意图2.1汽车被动悬架被动悬架系统是路面上最为常见的悬架形式，其板簧弹性系数和减震行程等都是综合大数据确定的固定参数，因此只能在一定程度上适应大部分路面状况。但这类悬架系统制造工艺简单，材料成本低廉，且结构简单可靠，性能稳定，很适合大批量普及型汽车的悬架应用。2.1.1被动悬架的组成通常，被动悬架由螺旋弹簧（或钢板弹簧）、液压阻尼器、导向机构等组成的，如图2.2所示图2.2被动悬架结构图2.1.2汽车被动悬架工作原理汽车被动悬架工作原理如图2.3所示图2.3汽车被动悬架做功原理当车辆行驶时，轮胎受路面起伏影响将所受冲击转化成垂直向上的力REF_Ref37106630\r\h[5]（实际上力是与垂直面有一定角度的，此处为方便理解不代入），由螺旋弹簧或钢板弹簧吸收这个力，再由液压减震器缓和弹簧回弹，从而在一定程度上减轻路面的冲击，提高乘坐舒适性。2.2汽车半主动悬架一般而言，半主动悬架系统是一种悬架系统REF_Ref37106701\r\h[6]，可以通过传感器判断道路状态，车辆驾驶姿态和车身响应，调节悬架系统中的减震器并更改阻尼系数来提高车辆的乘坐舒适性和乘坐舒适性。实时满足道路和车辆驾驶要求。2.2.1汽车半主动悬架的组成常规的半主动悬架系统是由ECU、机械减震器、车身加速度传感器、车轮加速度传感器和控制阀构成。汽车半主动悬架系统的结构如图2.4所示。图2.4汽车半主动悬架系统结构图2.2.2汽车半主动悬架的工作原理通常，半主动悬架系统通过特定的传感器将道路的行驶状况和汽车的运动状态传输到中央控制器，从而可以调节悬架系统的阻尼，并改善乘坐舒适性和乘坐性能。达到提高汽车的舒适度的最终目的。图2.5汽车半主动悬架系统做功原理图2.3汽车主动悬架常规的汽车主动悬架是道路信息和传感器提供的车辆状态信息的结合，以特定的程序作出判断，对车辆悬架系统的刚度、阻尼特性、减震行程等实时调控，从而确保车辆悬架系统能够始终以最佳的状态运行。2.3.1汽车主动悬架的构成汽车主动悬架系统通常是由弹性部件、可变阻尼减振器、导向机构及执行机构、传感器和ECU组成REF_Hlk37017547\r\h[1]，其结构示意如图2.6所示。图2.6汽车主动悬架系统结构图2.3.2汽车主动悬架的工作原理车辆行驶过程中，传感器将车辆行驶的路面状况和汽车的运动状态传送给ECU，ECU将这些信息与车辆的工作状态相结合，以对特定程序进行全面处理，并输出响应以调节车辆悬架系统的刚度，阻尼和车身高度REF_Ref37106731\r\h[10]。电子控制单元不断接受传感器发出的电信号并不断发出需要控制悬架的工作指令，从而控制执行机构实现对汽车主动悬架系统的高速、连续的调整。汽车主动悬架系统工作原理图如图2.7所示图2.7汽车主动悬架系统工作原理图2.4悬架性能的比较总而言之，现代汽车悬架系统一般有三部分组成，分别是被动悬架、半主动悬架和主动悬架。被动悬架作为汽车上的第一代悬架系统，塔以其独特的成熟性、结构简单性、性能可靠性、成本低廉性，且不需要额外能量，相对来说比主动悬架系统具有更大的优势，并且以其独特的优势占据了汽车悬架系统的半壁江山。而半主动悬架在被动悬架的根柢上作了改进，但受限于无源控制，无法对特定工况下的悬架特性进行调整，譬如车辆在起步、制动或转弯时，因此应用场景有限。但主动悬架系统可以更加高效的实时调节参数，以满足愈加复杂的行驶条件，在保证其基本性能的同时，最大限度为车辆提供近乎完美的悬架响应。但其制造工艺要求较高，价格昂贵，一般只应用于中高端轿车和部分性能车上。3汽车悬架系统的建模当车辆在不同的道路上行驶时，悬架系统会反映出车辆的乘坐舒适性和安全性。在研究车辆悬架系统的主动控制和被动控制对车辆行驶的影响时，通常采用道路模型和悬架系统的动力学模型进行分析REF_Ref37106900\r\h[8]。3.1被动悬架动力学模型3.1.1路面模型在长期的研究中，汽车工程师得出以下结论：通常，影响汽车行驶平顺性，驾驶员的操纵稳定性和乘客乘坐舒适性的主要因素是空气动力学因素，惯性因素和由车身结构决定的行驶道路因素，其中，最具影响力的是车辆悬架系统上道路的力学特性。在余志生“汽车理论”中的分析中，可知路面的统计特性，并知道应该怎么样去测量得到路面的不平度系数REF_Ref37106935\r\h[9]。根据国际规范和中国长春汽车研究所发表的文章，路面功率谱密度都由表示，用式（3-1）作为的拟合表述式： （3-1）式中：；；；；当时，根据道路功率谱密度的不同，路面不平度可以分成八个等级，如表3.1所示表3.1路面不平度标准路面等级几何平均值几何平均值163.81647.61表3.1路面不平度标准续25615.23102430.45409660.9016384121.8065536243.61262144487.22由图3.1可知，当时路面功率谱密度与波长的平方成正比例。在图中绿色部分为1983年德国的公路路面谱的遍布，由图可以看出德国公路大部分是A级路面REF_Ref37107046\r\h[12]，只有少部分是B、C级路面。在我们国家的公路大部分以B、C级为主，为了使研究更加符合实际，对A、B、C级路面都进行研究。 图3.1路面不平度分级图为了反映车辆在实际道路上的行驶性能，在对路面不平度的时域模型仿真中本文采用了白噪声产生的方法。道路不平度时域模型可用式（3-2）表示（3-2）式中，是路面不平度输入；是车速；是B级路面不平度的几何平均值；是单位白噪声。3.1.21/4被动悬架力学模型图3.2(a)汽车在路面上行驶时，垂直方向的车轮位移可视为一个激励运动信号REF_Ref37107069\r\h[11]，作用于汽车的被动悬挂系统。汽车被动悬架系统的运动通常是由质心的平移运动和绕质心的扭转运动组成，由于汽车被动悬架系统的模型比较复杂，在汽车被动悬架系统的垂直方向进行了模型简化,如图3.2（b）所示。图3.2汽车被动悬架系统的1/4模型图3.2（b）所示各个参数的意义为：为路面激励，；为车身的位移，；为车架的位移，；为轮胎等效刚度，；为悬架弹簧刚度，；为固定阻尼减震器的减震系数，；为车体的质量，；为车架的质量，。以牛顿第二定理和汽车理论中的汽车被动悬架的控制原理作为理论依据，可以取得汽车被动悬架系统的运动方程为：（3-3）（3-4）为了更好地表达汽车被动悬架的状态，将运动方程式转化为状态方程式，并选择以下状态变量：，，，。则，，，。将汽车被动悬架的状况方程写成矩阵的表达式：=+（3-5）3.2主动悬架动力学模型汽车主动悬架系统实际上就是由外部输入有源信息对车身的运动状态进行有效可控控制REF_Ref37107069\r\h[11]，因此，极大地提高了车辆的操纵稳定性，行驶平稳性和乘坐舒适性。3.2.1路面模型当汽车以速度在空间频率为的路面上行驶时，则时间效率为与的乘积，即（3-6）可得空间谱密度与时间谱密度之间的数学关联表达式如下：（3-7）将式子(3-1)和（3-6）代入式子（3-7），可以得到式（3-8）：（3-8）因此，垂直位移与垂直加速度的功率谱的数学关系表达式为:(3-9)当时，(3-10)根据公式（3-10）可以得到车速为一个常数，因此地面垂直速率的功率谱密度也为一个常数，因此可以将其视为一个白噪声过程。车辆主动悬架系统的路面输入模型的数学表达式为：（3-11）式中：——下截至频率，;——路面不平度系数，；——车辆前进的车速；——随机输入的单位白噪声；3.2.21/4主动悬架动力学模型通过分析汽车被动悬架系统的最佳阻尼匹配，可以得出结论，汽车乘坐舒适性、操纵稳定性与簧载质量加速度悬架动挠度和车轮动载荷有关，并与传递函数之间性能上存在显著的数学关系REF_Ref37107133\r\h[13]，改善汽车被动悬架系统三个传递函数中的其中一个的性能，都要以降低其他两个传递函数的性能作为基础。对于汽车悬架系统来说，汽车主动悬架系统就是使用CPU发出指令对汽车的悬架系统进行调度，这是汽车被动悬架系统无法比拟的。四分之一的二自由度车身动力学模型是首选模型。尽管四分之一的车身动力学模型只是车辆尺寸的四分之一，但它具有研究车辆主动悬架系统的所有特征。汽车主动悬架系统受力图如图3.3所示。图3.3汽车主动悬架系统受力模型图3.3所示各参数的定义如下：为车轮质量；为车身质量；为轮胎刚度；悬架弹簧刚度；为悬架有效阻尼；为控制力；为路面位移；为车轮位移；为车身位移以牛顿力学运动定理和汽车主动悬架受力图作为依据可以创立下列的动力学方程：（3-12）（3-13）在式（3-12）及（3-13）中：为车轮质量质心的垂直加速度为车身质量质心的垂直加速度为车轮质量质心的垂直加速度为车身质量质心的垂直速度由式（3-12）、（3-13）可以得到：（3-14）（3-15）4汽车悬架系统仿真4.1建模环境的介绍本文中使用的Simulink模块是MATLAB中的一个简单的可视数据模拟工具包，它可以提供非常全面的模块和工具箱，从而使建模更加方便快捷REF_Ref37273374\r\h[14]。Simulink模块可以轻松实现动态系统的建模，仿真和数据归纳分析REF_Ref37106701\r\h[6]。该工具包还广泛用于处理线性/非线性系统，离散，连续系统和单/多任务系统，甚至可以在同一系统中实现不同的变化率，因此效率很高。此外，Simulink模块具有高度的开放性，可以以框图形式显示模型，组合多个现有模型或将生成的模型添加到模块中。在使用该模块时，我们可以不用受限于线性系统模型，构建更贴近真实的非线性系统。4.2被动悬架系统的Simulink仿真模型4.2.1路面模型的仿真在Simulink模块中，根据公式（3-2），创建道路激励模型REF_Ref37106129\r\h[7]，如图4.1所示，在模型中选取A、B和C级道路垂直速度在仿真中作为激励。在激励中使用的路面不平度系数分别为，，和，使用白噪声法建立的模型如图4.1所示。图4.1汽车被动悬架系统路面激励模型仿真图根据图4.1建立的仿真的结果如图4.2至4.4所示：图4.2A级路面输入图4.3B级路面输入图4.4C级路面输入4.2.21/4被动悬架系统的仿真在Simulink模块中以式（3-3）、(3-4)和（3-5）作为依据对1/4汽车被动悬架系统的数学模型进行创建REF_Ref37107046\r\h[12]。在模型中，车架的质量为，车身的质量为，轮胎刚度为，，弹簧刚度为，，，汽车的车速为，。通过对有限带宽白噪声进行积分REF_Ref37106580\r\h[4]，可以获得计算结果。建立的模型如图4.4所示。图4.4汽车被动悬架系统1/4仿真模型进行仿真得出的结果如图4.5至4.7所示。图4.5汽车被动悬架系统车身垂直振动速率曲线图4.6汽车被动悬架系统动行程曲线图4.7汽车被动悬架系统轮胎动载荷4.3主动悬架系统的Simulink仿真4.3.1路面模型的仿真以式（3-11）作为依据，在Matlab中的Sumlink模块创立路面激励模型REF_Ref37106129\r\h[7]，如图4.8所示，在模型中，选择A、B和C级路面垂直速度作为激励REF_Ref37103323\r\h[2]。在激励中使用的路面不平度取，汽车的行驶车速分别取、和，为均值的随机输入的单位白噪声，取3.14。在Simulink中建立的汽车主动悬架系统路面激励仿真模型如图4.8所示。4.8汽车主动悬架系统路面激励模型图通过对图4.8建立的模型进行仿真得出的结果如图4.9至4.11所示。图4.9A级路面输入图4.10B级路面输入模型图4.11C级路面输入模型4.3.21/4主动悬架系统的仿真根据式（3-16）至（3-21）及（3-21）在Simulink中建立模型图。在模型中下截至频率，；车轮的质量，；1/4车身的质量为，；车轮的刚度为；主动悬架弹簧的刚度为；主动悬架的阻尼系数为，；路面的不平度系数为，，汽车的车速为，，路面输入信号也就是式（3-11），式中是高斯白噪声。依据这些条件，主动悬架的控制力，将车身加速度作为反馈信号。主动控制力的仿真图如（4-12）所示，并用传递函数连接的MATLAB/Simulink仿真图如（4-13）所示。图4.12汽车主动悬架系统控制力仿真图图4.141/4汽车主动悬架系统仿真模型根据建立的1/4汽车主动悬架仿真得出的结果如图4.14-4.16所示图4.14车轮动载荷曲线图图4.15汽车主动悬架动扰度曲线图4.16汽车主动悬架系统车身加速度曲线图结论影响汽车振动的因素很多，但道路质量不仅是汽车振动的主要原因，也是汽车舒适性的主要因素。路面越差，车辆的振动肯定越明显了，因此我们国家在道路建造的过程中，一定不能偷工减料，严把质量关。对于车辆的乘坐舒适性，操纵稳定性和驾驶舒适性而言，使我们的道路尽可能达到一级标准非常重要。当你驾驶车辆行驶在路况极差的路面时，作为驾驶员，一定要控制车速，使得汽车的振动尽量小，便于汽车的操纵。改变悬架刚度和阻尼也可以降低悬架的振动刚度，使其平顺性大幅度提高。减振器阻尼越小，汽车的行驶性能越好。而阻尼比越小汽车振动越明显，所以用主动悬架更能适应复杂的路面。经过ECU计算得到最佳的调度，然后输出到悬架的执行元件，能够随时改变悬架刚度和减振器阻尼，使悬架一直处在最顶尖状况。然而，在当今社会，大多数汽车使用的悬架系统是被动悬架，而在汽车的悬架系统使用主动悬架系统的基本上都是豪华汽车，因为汽车主动悬架系统能够根据驾驶者的需求，改变汽车的运动姿态，给驾驶者更好的驾驶感受。汽车主动悬架系统具有其他汽车悬架无