半主动悬架振动控制方法研究[设计、开题、综述]

BI YE SHE JI

（二零届）

半主动悬架振动控制方法研究

所在学院

专业班级测控技术与仪器

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

当前人们对车辆乘坐舒适性的要求越来越高，对车辆悬架的控制技术已成为当今控制理论的重要研究课题之一。根据先前的研究，悬架的数学模型有很多种，本次论文应用理论分析，选择和构建了二自由度四分之一半主动悬架的动力学模型，针对汽车悬架系统的动态特征，应用PID控制理论和模糊控制理论，先后设计了半主动悬架PID控制器，半主动悬架模糊控制器，半主动悬架模糊PID 控制器，在matlab/simulink软件中构建了实现这些策略的悬架控制模型。通过仿真结果表明，半主动悬架模糊PID控制的实现是可行的、合理的，与被动悬架控制、单纯的PID控制、模糊控制相比，该控制方式能够有效得减小车身加速度的幅值，减小车身的振动，并使得加速度变化更加平缓，符合汽车对平顺性的要求。

关键词：半主动悬架，模糊PID，仿真

At present people have become increasingly demanding comfort of vehicles,vehicle suspension controltheory has become one of the important research topics. According to previous studies, There are variety of the mathematical model of suspension , this thesis apply theoretical analysis, selected and constructed a quarter of two degrees of freedom dynamic model of semi-active suspension for the dynamic characteristics of vehicle suspension systems, applying PID control theory and fuzzy control theory, has designed a semi-active suspension PID controller, fuzzy controller semi-active suspension, semi-active suspension fuzzy PID controller, building the suspension to achieve these strategies Control model in the matlab / simulink software. he simulation results show that the semi-active suspension Fuzzy PID control implementation is feasible, reasonable, comparing the passive suspension control, a simple PID control, fuzzy control compared to the control method can effectively reduce the body acceleration amplitude ，reduce the vibration of the body，and make changes more gentle acceleration.meet the requirements of cars on the ride comfort.

Keywords:Semi-active suspension, fuzzy PID, simulation

摘要.......................................................................................................................... I II Abstract ........................................................................................................................ I V 第一章绪论 (1)

1.1课题的背景意义 (1)

1.2汽车悬架简介 (1)

1.2.1 汽车悬架的定义 (1)

1.2.2 汽车悬架的分类和比较 (2)

1.2.3 国内外半主动悬架的发展现状 (3)

1.3课题内容安排 (4)

第二章半主动悬架理论基础 (5)

2.1半主动悬架系统动力学建模 (5)

2.2半主动悬架系统控制策略 (7)

2.2.1 PID控制策略 (7)

2.2.2 模糊控制策略 (8)

2.3总体方案设计 (10)

第三章开发环境matlab/simulink简介 (11)

第四章半主动悬架控制仿真分析 (13)

4.1半主动悬架仿真模型设计 (13)

4.2PID控制器设计 (15)

4.3 模糊控制器的设计 (17)

4.4模糊PID控制器的设计 (20)

4.5仿真试验结果 (31)

第五章结论 (34)

参考文献 (36)

致谢 (37)

附录 (38)

附录图1 (38)

附录图2 (38)

附录图3 (39)

附录图4 (39)

附录图5 (39)

附录图6 (40)

附录图7 (40)

附录图8 (40)

第一章绪论

1.1课题的背景意义

随着现代生活的水平的不断提高、国民经济的飞速发展，汽车已逐渐融入到人们的工作生活之中，而现代汽车也正朝着智慧化、舒适度、安全化的方向发展[1]。悬架系统是影响汽车性能的关键部件，由于汽车结构和功能的不断完善，研究汽车隔振悬架，设计新型悬架系统，将振动控制在最低水平是提高现代汽车质量的重要举措。车辆的半主动悬架系统解决了被动悬架系统一直存在的稳定性和舒适性不能同时兼顾的问题，并能根据行驶状况和道路的变化而作出相应改变。半主动悬架是典型的非线性机、电、液一体化动力系统。近年来，由于电子技术、测控技术和机械力学等学科的飞速发展，特别是信息科学中对最优控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制等的研究，不仅在理论上取得了举世瞩目的成果，同时也开始应用于汽车半主动悬架的控制当中，使得半主动悬架系统在现代技术下越来越成为研究的热点[2]。

1.2汽车悬架简介

1.2.1汽车悬架的定义

悬架是现在汽车的重要组成部分，它是车身与车轮之间的弹性连接装置，作用是传递作用在它们之间的力和力矩，并且缓冲不平路面对车身的冲击力，衰减由此承载系统的振动，保证汽车行驶的舒适性。一个典型的悬架系统由减震器、弹性元件和导向机构组成。

图1-1 汽车悬架结构图

1.2.2汽车悬架的分类和比较状

目前车辆悬架按振动的控制方法分为3种：被动控制、半主动控制和主动控制。3种悬架的结构简图如下所示：

图1-2 3种悬架的基本结构图

a）被动悬架b)半主动悬架c)主动悬架

由于基于经典隔振理论的被动悬架系统的刚度、阻尼等参数是固定不变的，当路面情况发生变化时该悬架系统不能及时作出相应的变化，不能同时保证汽车的操纵稳定性和行驶舒适性的要求，对路面的适应性较差。主动悬架虽然能兼顾操作稳定性和驾驶舒适性，获得一个优质的隔振系统，做到理想的振动控制效果，但由于其能耗大、结构复杂、测量精度和成本较高等原因而未能推广使用。半主动悬架结合了主动和被动悬架的特点，可根据路面情况、载荷、行驶速度等情况实时调节减震器的阻尼，显著降低悬架系统的变形和加速度，使汽车具有良好的舒适性和操作性；半主动悬架系统结构简单，能量损耗小，而它的控制效果却能接近主动悬架，因而是近期最有可能走向市场推广应用的新兴技术。

1.2.3国内外半主动悬架的发展现

1.2.3.1国外半主动悬架的发展

半主动悬架始于1973年，由D.A.Crosby和D.C.Karnopp首次提出。它是

用一个阻尼系数在一定范围内可调节的阻尼器替代了被动悬架的阻尼器，实现实时调整阻尼力[3]。

1975年，Maugolis等人演示了“开/关”控制的办主动悬架，它能产生较大的阻尼力，而改进后的这种悬架于近十年在汽车工业中得到了广泛的应用。

1976年，Hu-bbard等人突出了通过改变弹簧刚度的办主动悬架系统。它是通过切换空气弹簧得以实现，与传统的机械弹簧相比，空气弹簧存在更多的优势，因此早在80年代国外就已经将空气弹簧应用于汽车悬架中了。

日产公司于1984年研制了一种名为“声纳式”半主动悬架，它通过声纳装置预测前方路面情况，有“柔和”、“适中”、“稳定”三檔。日本丰田的LEXUS LS400GT轿车的阻尼器就有这种选择状态。Mannesmann公司的Matthias Raulf 和Thomas Kutsche以及WABCO公司Hans-Otto Becher研制了一种应用于重型卡车上的具有模拟比例液压阀的连续可调阻尼器，通过控制比例阀的输入电流以调节阻尼力。

1996年，Hans-jorg Feigel和Nino Romano研制出一种可用于半主动悬架的单级电液比例阀，它具有功耗低、成本低、回应快、抗污染的特点。Mercedes-Benz 公司的Huang Zhen等人研制的一种可调的液压减震器，它在简式减震器的两腔安装可控液压阀和蓄能器，通过电气控制和主阀配合，可以提供4中不同的减振性能。

1991年，Mercedes-Benz公司在赛车上采用了一套ABC（Active Body Control）系统，通过传感器检测车身运动的相关信号，通过微处理器控制液压机构，为悬架提供可变阻尼力，并与1999年在Benz CL系列中采用ABC系统。英国的Kakizaki Shinobu 等人与1995年研制出一种具有可调阻尼和自我诊断的液压减震器，当出现故障时，减震器系统会自动降至最小阻尼。

德国的Forster Andreas也于1995年研制了可调减震器，其特点是：减震器带有线圈和芯子的电磁控制阀，同时采用空心活塞杆以减少结构尺寸，空心杆起导磁体的作用，使得磁通量反向闭合。

半主动悬架的另一种执行机构是采用电流变和磁流变。英国的Kawamata Satoru等研制出了可调液压减震器，并申请了专利，它的原理是：减震器的两腔用软膜片隔开，并充满电流变液。当通向减震器的电流改变时，电流变液的粘性也随之发生变化，从而改变阻尼力。Pinkos和Sturk等人也在电流变液方面作了研究。

由于军用车的越野和高速行驶的需要，美国军方进行了半主动悬架外置液压悬架系统的性能试验，其中以Bradley战车为试验平台，实验表明：系统在减振和提高车辆机动以及可靠性方面较被动悬架有了极大的提高。美国陆军在M1A1坦克上也进行了半主动悬架的实验[4]。

美国马里兰大学航空工程系在磁流变减震器的研究一直处于世界领先，并开发了充气补偿结构的汽车磁流变减震器。美国Lord公司、德尔福公司、福特公司、德国BASF公司已经开发出商业产品，应用于实车之中，如2002 Cadillac Seville STS车上的磁流变减震器，其响应时间在1ms内，比传统可调减震器还快5倍以上[5]。

1.2.3.2我国半主动悬架的发展现状

我国对悬架的研究起步较晚，与世界先进水平仍有一定的差距，但相关研究人员也一直努力从事减震器的研究工作，并且取得了一定的成绩。

针对国外电流变和磁流变作为半主动悬架的执行机构新型研究，北京理工大学魏宸官教授也对电流变减震器做了大量的研究工作，并申请了专利。北京理工大学也成功研制出叶片式可控减震器，并已装备在车上。

重庆大学的李以农和郑玲对基于磁流变减震器的汽车半主动悬架非线性控制方法进行了研究。考略到磁流变减震器阻尼力和悬架弹性元件的非线性特性，应用微分几何非线性控制，实现半主动悬架的精确线性化，仿真结果表明：这种基于磁流变减振器的汽车半主动悬架承受的冲击响应小、振动强度小，有效提高了悬架的工作性能，改善了汽车的行驶舒适性[6]。

江苏理工大学的陈龙、李德超提出了一种车辆半主动悬架系统的自适应模糊控制方法。该方法以模糊控制原理为基础，融合了自适应方法，在模糊控制器内采用“软反馈”并对自适应模糊控制规则进行修正，简化了运算，是系统的控制不断改善，显著减少了车辆振动和干扰，提高了车辆的行驶舒适性，达到最佳控制效果[7]。

华东交通大学的张勇明、陈梦成提出了将神经网络反馈控制应用在汽车变阻尼半主动悬架的控制，通过仿真表明应用神经网络反馈控制的变阻尼半主动悬架能较好的改善汽车的平顺性和操纵稳定性，证明了其有效性和可行性。[8]

1.3课题的内容安排

本次论文的主要研究内容是以二自由度四分之一半主动悬架为研究对象，应用PID控制、模糊控制、模糊PID控制策略来验证半主动悬架的控制效果。

1>、绪论章节主要介绍了汽车悬架的概念、类别和重要性，并引出课题研究的对象—半主动悬架，以此围绕半主动悬架介绍它的特性和发展。

2>、第二章主要介绍相关的理论基础--PID控制和模糊控制策略，并建立了二自由度四分之一半主动悬架的动力学模型。

3>、第三章简单介绍本次论文的仿真平台—MATLAB/simulink以及它的发展。

4>、第四章应用MATLAB/simulink分别建立了二自由度四分之一半主动悬

架、PID控制器、模糊控制器、模糊PID控制器的仿真模型，并通过仿真结果得出结论。

5>、结论章节总结全文，并对下一步工作作出展望。

第二章半主动悬架理论基础

2.1半主动悬架系统动力学建模

建立一个简单合理的数学模型，是进行仿真计算、分析问题的重要一步。然而悬架系统是一个复杂的多自由度振动系统，其内部又存在多种力的相互干扰，如果对其进行精确的分析和描述，其工程量相当繁重。已有的文献从不同的角度、不同的侧重点和不同的目标进行分析，出现了不同自由度的模型，比较典型的有七自由度1/2模型、四自由度1/2模型、二自由度1/4模型等等，其自由度数越多，计算出的模型就越接近实际系统，但也意味着它的仿真计算量越繁重[8]。这里，不妨根据现有的研究条件，采取简化的二自由度1/4力学模型。虽然1/4模型并不能表示出整体汽车的的几何信息，但它已经包含了实际大部分的问题，例如负载变化、悬架系统的受力情况等，正因为它求解容易，计算量小，包含了汽车平顺性分析的主要特征，已经成为了研究人员常用的理论模型。

如图2-1所示为二自由度1/4悬架的典型模型：

图2-1 二自由度1/4悬架的典型模型

图中符号含义如下：

M――车身质量;

M――车轮质量;

1K ――弹簧刚度;

2K ――车轮刚度;

C ――减震器阻尼系统;

1Z ――车身位移;

2Z ――车轮位移;

r ――路面激励。

根据图2-1和牛顿第二定律，分别对m1、m2进行受力分析，得到它们平衡的时候的微分方程式分别为：

1112112''('')()0M Z C Z Z K Z Z +-+-= (2-1) 222112122''('')()()0M Z C Z Z K Z Z K Z r +-+-+-= (2-2)

由于本文中采用的阻尼器可以变换阻尼系数来实现力的改变，为了计算方便，可以用一个额外的力F 等价这个改变的力，如图2-2所示：

图2-2 悬架的等效模型

原方程式就变换为：

1112112''('')()0M Z C Z Z K Z Z F +-+-+= (2-3)

222112122''('')()()0M Z C Z Z K Z Z K Z r F +-+-+--= (2-4)

2.2 半主动悬架系统的控制策略

2.1.1 PID 控制策略

PID 控制作为最早实用化的控制策略之一，自上世纪40年代问世以来已有50多年历史，由于其控制简单、可靠性高、易于整定，现在仍然是应用最广泛的工业控制方式。PID 调节是比例、积分、微分的组合，对于控制对象的微小变化不是很敏感，大大提高控制的有效性。

PID 控制器发展已经成熟，它最大的特点是不需要了解被控对象的精确模型，只需根据系统的误差及误差的变化率进行调节就可以得到满意的结果，它的适用性广，灵活性高，广泛应用于国民经济的工业生产部门中。

图2-3 PID 控制系统框图

PID 控制的数学公式可表示为：

01()()*[()]()()]t de t U t Kt e t e d Td Ti dt

ττ=++?

PID 控制分为比例环节、积分环节、微分环节，各环节的具体作用如下：

比例（P ）环节：比例调节是最简单、最快速的调节环节，当系统偏差发生变化时，比例调节能够立即调节以减少偏差。比例系数K p 越大，系统的响应速

度就越快，超调量越大，稳态误差越小;过大的比例系数会加剧系统振荡，导致系统稳定性的降低;比例系数K p越小，超调量也随之减小，虽然能增加系统的稳定性，但也增加了调节的时间。

积分（I）环节：积分环节的作用是提高系统的抗干扰能力，消除稳态误差，提高无差度。因为不能及时克服静差，积分调节有满后现象，使得调节过程缓慢，超调量增大。积分作用的强弱取决于积分时间常数T i。T i越小，积分作用就越强，系统反应越慢;T i越大，积分速度越慢，积分作用越强，越有利于减小系统误差。

微分（D）环节：微分作用有助于减小超调，克服振荡，使系统更加稳定，并且还能加快系统响应时间，提高动态性能。由于它能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，提前消除偏差。微分作用对噪声干扰敏感，过强的微分调节对系统抗干扰不利。当微分系数T d越小时，系统响应越慢，它的超调量越大，系统的稳定性也越差;当微分系数T d越大时，有利加快系统响应速度，减小超调量，以增加稳定性，但会使得系统的抑制扰动能力减弱[9]。

2.2.2 模糊控制策略

当对控制对象的计算量越来越大时，能够应用精确数学计算的空间越来越小，这便产生了模糊控制。模糊控制是一种基于模糊语言和模糊推理的控制理论，它的基本思想利用计算机来实现人的控制经验，而这些经验是用模糊控制规则来实现。模糊控制的概念由美国著名教授L.A.Zadeh在Fuzzy Sets、Algorithm和A Rational for Fuzzy Control等论著中首先提出，自从1974年由英国的E.H.Mandani工程师首先将模糊控制用在了蒸汽发动机后的几十年中，模糊控制技术在工业过程控制、家用电器智能化、仪器仪表自动化、计算机等领域得到了广泛而快速的发展和应用[10]。

模糊控制最大的特点是它不需要建立被控对象的精确数学模型，通过模糊逻辑和近似推理方法，把人的知识和经验变成计算机可以接受的模型，让计算机进行实时控制。

图2-4 模糊控制系统的结构图

设计模糊控制的核心思想是设计模糊控制器。一个良好的模糊控制器不仅要有合理的结构，还需要采用合适的模糊规则、合成推理算法以及模糊决策等。它的结构如图2-5所示

图2-5 模糊控制器的基本结构

模糊控制器的设计步骤大致包括：

1>、分析被控对象，确定被控变量；

2>、确定模糊控制器的结构;

3>、确定模糊语言的名称，模糊变量的论域、离散化处理、隶属函数;

4>、确定量化因子和比例因子；

5>、编写模糊控制规则和逻辑推理法，绘制模糊规则表[11]。

2.3总体设计方案

图2-6 半主动悬架系统的工作原理

半主动悬架控制系统的主要设计方案是根据车身的运行状态，设计一种具有可变阻尼器的悬架系统，它能接收车辆行驶过程中位于车身上的传感器产生的信息，经过计算机控制系统输出调节信号，使得阻尼器发生相应变化吸收车轮受到的地面冲击，从而减缓车身的上下振动，保持汽车的平顺性的要求。

第三章开发环境matlab/simulink简介

MATLAB是Matrix Laboratory（矩阵实验室）的简称，是美国MathWorks公司研发的用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境。它在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言，比如C语言、Fortran的编辑模式，为工程设计、科学研究以及有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，代表了当今科学计算软件的先进水平。

图3-1 MATLAB界面

MATLAB的开发源于70年代后期，身为美国New Mexico大学计算机系主任的Cleve Moler在给他的学生讲授时为了减轻学生编程的负担，有了FORTRAN编写了最早的MATLAB，其后，MATLAB在多所大学里作为教学软件并面向大众推广。

1983年春天，工程师John Little敏锐地觉察到MATLAB在工程领域的广阔前景，同年，他和Cleve Moler、Steve Bangert一起有C语言开发了第二代MATLAB，使得它同时具备了数值计算和图形化功能。

1984年，John Littl、Cleve Moler成立了Math Work公司，正式将MATLAB 向市场推广，并对MATLAB作进一步的开发和研究。

1993年至1999年，Math Work公司相继推出了MATLAB4.2c、MATLAB5.0、MATLAB5.3，无论是界面还是内容都有所长进。

进至今日，MATLAB已经有7.12的版本，MATLAB已经发展成为适合多种学科，多种平台、功能强大的大型软件，与Mathematica、Maple并称为三大数学软件。

Simulink是MATLAB最重要的组件之一，它提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需编写大量的程序，只需要通过简单直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统，被广泛应用于线性系统、非线性系统、数字控制及数字信号处理的建模和仿真中。Simulink可以采用离散采样时间、连续采样时间或者将两种模式混合的采样时间进行建模，它也支持多速率系统。为了创建动态系统模型，Simulink提供了一个建立模型方块图的接口(GUI) ，这个过程只需通过鼠标操作就能完成，用户可以立即看到系统的仿真结果。

Simulink具有适应面广、结构和流程清晰以及仿真精细、贴近实际、效率高、灵活性高等优点，同时支持大量的第三方软件和硬件，是一款优秀的可视化仿真工具[12]。

图3-2 simulink界面

第四章半主动悬架控制仿真模型设计

4.1半主动悬架的仿真模型设计

为了能够建立simulink仿真模型，这里将二阶微分方程（2-1）、（2-2）转换为一组一阶微分方程。

首先，设：

Z''=X Z'=X Z=X

121110

Z''=Y Z'=Y Z=Y

222120

则得：

X'=Z''=X X=Z' X=Z（4-3）1121101

Y'=Z''=Y Y=Z' Y=Z（4-4）1221202

将等式（3）、（4）分别代入方程（1）、（2）后得：

M X'+C(X-Y)+K(X-Y)+F=0 (4-5) 1111100

M Y'+C(Y-X)+K(Y-X)+K(Y-r)-F=0(4-6) 211110020

化简后，得：

X'=C/M(Y-X)+K/M(Y-X) - F/M(4-7) 111111001

Y'=C/M(X-Y)+K/M(X-Y)+K/M(r-Y)+F/M(4-8) 12111200220 2

根据等式（4-3）、（4-4）、（4-7）、（4-8）建立simulink仿真模型，结果如图所示：

图4-1 四分之一车体两自由度悬架动力学模型

此时与被动悬架的区别就是半主动悬架的反馈系数可以实时调节，而被动悬架的反馈系统K是固定不变的。

图4-2 被动悬架仿真图

4.2 PID控制器的设计

为了能够减少车体的振动，即满足车辆平顺的要求，可以通过车身加速度z''这一指标来衡量。设计PID控制器的目标就是为了控制车辆加速度在最小范围内，理想的设定值为0，则最后得到的偏差就是e=0- z''=- z''，用这个偏差值作用于悬架系统使得悬架的输出值z''发生变化。

根据第二章得图2-3得到simulink的仿真模型如图所示：