全套毕业设计基于PID控制的四分之一主动悬架仿真研究.doc
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编号
无锡太湖学院
毕业设计（论文）
题目：
基于PID控制的1/4车辆主动
悬架仿真研究
信机系机械工程及自动化专业
学号：
0921045
学生姓名：
张安亮
指导教师：
陈炎冬（职称：
讲师）
（职称：
）
2013年5月25日
无锡太湖学院本科毕业设计（论文）
诚信承诺书
本人郑重声明：
所呈交的毕业设计（论文）基于PID控制的1/4车辆主动悬架仿真研究是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。
班级：
机械94
学号：
0921045
作者姓名：
2013年5月25日
无锡太湖学院
信机 系 机械工程及自动化 专业
毕业设计论文任务书
一、题目及专题：
1、题目 基于PID控制的1/4车辆主动悬架仿真研究
2、专题
二、课题来源及选题依据
车辆行驶平顺性和操纵稳定性逐渐受到人们的重视，传统的被动悬架已不能满足需要。
因此，研究设计新型悬架系统，将振动控制到最低水平是提高现代车辆质量的重要措施。
为使悬架系统能够适应不同道路及速度条件，各种新型电子控制悬架得到了迅速发展，现代控制理论也在车辆悬架控制中得到广泛应用，出现了一系列悬架减振控制技术。
针对悬架系统的非线性特点，研究适宜的悬架控制技术是车辆悬架振动性能改进的关键。
建立1/4车辆主动悬架系统和被动悬架系统力学模型，采用PID控制策略应用于主动悬架，运用Matlab/Simulink软件对1/4车辆主动悬架进行仿真研究，并通过与被动悬架仿真结果对比，以说明运用该控制理论的正确性，且能够较好的改善车辆行驶平顺性和乘坐舒适性以及操作稳定性。
三、本设计（论文或其他）应达到的要求：
①了解悬架类型和优缺点及控制技术的发展状况和趋势；
②熟练运用动力学和车辆构造理论建立1/4主动悬架数学模型；
③建立路面激励模型，提出悬架性能的评价标准；
④掌握PID控制的原理、性质以及PID参数整定的性能评价标准；
⑤能够熟练使用MATLAB仿真，针对白噪声、阶跃、正弦三种信号仿真图像，分析控制效果；
⑥掌握仿真结果分析，归纳总结控制策略的优缺点以及可行性与有效性。
四、接受任务学生：
机械94班 姓名张安亮
五、开始及完成日期：
自2012年11月12日至2013年5月25日
六、设计（论文）指导（或顾问）：
指导教师 签名
签名
签名
教研室主任
〔学科组组长研究所所长〕 签名
系主任 签名
2012年11月12日
摘要
悬架是一个关键组成部分，汽车零部件，从而保证身体或车轮与主机系统之间的弹性接触，并可以传输负载，缓解冲击，振动和调整车身状态的衰减，直接影响到汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性。
随着人们对现代汽车乘坐舒适性和行驶安全性的要求愈来愈高，设计一个综合性能良好的悬架，已成为现代汽车研究的一个侧重的课题。
传统的被动悬挂系统弹性构件刚度和阻尼减震元件是不变的，汽车行驶的路况，负载变化和其他因素的影响，因此，必须制定一个被动悬架不同的新的悬挂。
主动悬架是基于现代控制理论和电子技术的发展和开发，与车辆的运行状态，可以自适应地改变其刚度和阻尼参数，具有优良的阻尼性能和操纵稳定性，未来汽车吊框架的一个重要研究方向。
本论文先根据牛顿定理，运用车辆动力学理论，建立了被动悬架和二自由度1/4主动悬架系统的动力学模型。
并建立了路面输入分别为：
白噪声信号、阶跃信号以及正弦信号的路面不平度数学模型。
同时，概述了悬架性能的三个评价指标，即车身加速度、悬架动挠度、轮胎动载荷。
并利用软件Matlab/Simulink构建出汽车悬架控制系统仿真模型图，包括路面输入模型，被动悬架模型，PID控制主动悬架模型。
运行仿真模型图即可实现不同路面输入信号的悬架系统的仿真。
最后，对悬架性能评价指标的仿真结果进行分析。
关键词：
主动悬架；MATLAB；建模；PID控制；仿真
Abstract
Suspensionisancomponentoftheimportantassemblyoftheautomobile,itguaranteestocontactwithaflexiblebetweenthewheelsoraxlesandbearingsystem,andcantransferloads、relaximpulsion、reducevibrationandregulatethebodypositionofthevehicleintraffic,andhaveadirectimpactonridecomfortandoperatestability.
Withtheincreasingrequirementofthevehicle'sridecomfortandroadsecurity,thedesignofsuspensionwithgoodperformancehasbecomemoreandmoreimportant.Asatraditionalpassivesuspensionhavingaconstantspringstiffnessanddampercoefficientwhichisnotinterferingwiththeroadsurfaceandtheloadchange,soitisnecessarytodesignanewstylesuspension.Activesuspensionandmoderncontroltheoryanddevelopmentofelectronictechnology,anditsstiffnessanddampingcoefficientscanprosper,toadapttodifferentworkingenvironment,improvevehicleridecomfortandroadholding.Soitissignificanttoresearchanddevelopactivesuspension.
Firstly,accordingtotheNewtontheorem,thepaperusethevehicledynamicstheory,andsetupthedynamicsmodelofthepassivesuspensionandthesecondfreedomactivesuspensionsystembasedon1/4ofthebody.Andtranslatethedifferentialequationsintoaformofexpressionofthestateequations.Andestablishtheroadroughnessmathematicalmodeloftheroadinputsignalforsine,steprandomandwhitenoisesignal,andachievethesimulation.Atthesametime,outlinedthethreeevaluationindexofthesuspensionperformance,suchasthebodyverticalacceleration,therelativelydynamicloadofthewheel,thesuspensiondynamicdeflection.AndbuildthesimulationmodelplansofthecontrolsystemoftheautomobilesuspensionbytheMatlab/Simulinksoftware,includingtheimportablemodeloftheroad,thepassivesuspensionmodel,theactivesuspensionmodelofthePIDcontrol.Andrunthesimulationmodelmaptoachievethesimulationofthedifferentinputsignalofthesuspensioncontrolsystem.Finally,analysisthesimulationresultsoftheevaluationindexofthesuspensionperformance.
Keywords:
Activesuspension;MATLAB;Modeling;PIDcontrol;Simulation
目录
摘要 I
Abstract I
目录 I
I
1绪论 1
1.1悬架系统介绍 1
1.1.1悬架的功能 1
1.1.2悬架的分类 1
1.2主动悬架控制理论研究的目的和意义 1
1.3国内外主动悬架理论研究动态 1
1.3.1国内外主动悬架的理论 1
1.3.2国内外主动悬架的应用 1
1.3.3国内外主动悬架研究趋势 1
1.4本论文主要研究内容 1
2汽车悬架平顺性评价方法 1
2.1汽车平顺性概述 1
2.1.1汽车平顺性的研究发展概况 1
2.2影响汽车平顺性的因素 1
2.2.l路面不平度统计特性的研究 1
2.2.2影响平顺性的车身部件的研究 1
2.3汽车平顺性评价方法 1
2.4汽车悬架系统的评价指标 1
3主动悬架控制系统的动力学模型 1
3.1主动悬架的数学模型 1
3.1.1概述 1
3.1.2两自由度主动悬架的动力学模型 1
3.2路面路谱模型建立 1
3.2.1路面不平度的功率谱 1
3.2.2空间频率谱函数与时间频率谱函数的转化 1
4基于1/4主动悬架系统模型的PID控制 1
4.1主动悬架PID控制理论 1
4.1.1PID控制 1
4.2PID控制器的参数整定 1
5系统的计算机仿真结果与分析 1
5.1仿真环境Matlab/Simulink简介 1
5.2仿真实验和结果分析 1
5.2.1白噪声信号下的比较：
1
5.2.2阶跃信号下的比较：
1
5.2.3正弦信号下的比较：
1
6总结和展望 1
6.1总结 1
6.2不足之处和展望 49
致谢 1
参考文献 1
附录 1
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1绪论
1.1悬架系统介绍
1.1.1悬架的功能
悬架（VehicleSuspension）是现代汽车上重要的部件之一[1]，是汽车的车身与轮胎之间的一切传力连接装置的总称。
它的主要功能除了传递车身和轮胎相互之间的力和力矩，缓冲和吸收来自路面不平引起对车架的冲击，还要迅速衰减由此引起的振动，以确保汽车行驶的平稳性。
悬架作为汽车零部件中的重要组成装置，对汽车的平顺性和安稳性等性能影响很大。
悬架的系统包括：
弹性原件、减振器、传力装置等三个部分，这三个的部分作用分别用来缓冲、减少振振和传递力矩。
此外，还包括一些特殊功能部件有的，列如缓冲块、横向稳定器等等，图1.1为一悬架结构示意图。
图1.1悬架结构图
1.1.2悬架的分类
目前依据对汽车悬架的各种性能要求，汽车悬架的构造形式与减振控制方法也日趋完善。
悬架的结构形式有很多，分类的方法也存在很多差异。
根据它的导向机构的不一样，汽车的悬架可以分为独立式的悬架与非独立式的悬架两种；根据它的震动控制方法的不一样，又分为被动的悬架、主动的悬架、半主动的悬架三大种。
简单来说不需要外部输入能量的悬架就称为被动悬架；需要少量输入外部能量，来调节阻尼系数的称为半主动悬架；而全部需要经过外部的输入.能量的让执行机构给悬架系统增加一定的主动控制力的悬架称为主动的悬架。
图1.2是这三种悬架的简化模型。
a）被动悬架b）主动悬架c）半主动悬架
图1.2三种悬架系统简化模型
1-传感器2-可调减振器3-执行器
1.1.2.1被动悬架
被动悬架（PassiveSuspension）是一种传统的机械结构，其简化模型示意图如图1.2a）所示，包括弹簧和减振的系统。
在1934年由Olley首次提出了被动悬架的设计理论，并且通过调整弹簧的刚度、减震器的阻尼值、改变轴距、弹簧的安装位置等用来提高车辆的行驶的平顺性和操作稳定性[2]。
被动的悬架不仅构造简单，而且成本低廉，还不需要外部输入的能量，所以，在汽车上能够被广泛的用。
但因为它的参数不可变，所以又存在较大的局限性：
（1）减少悬架的刚度对提升汽车舒适性改善有利，但是当弹簧刚度较小时，对轮胎动载荷影响不利，如果弹簧太软，则需要较大的行程空间，增加了汽车的高度而无法布置。
（2）阻尼特性对平顺性和轮胎接地能力产生共同影响，同时兼顾二者较困难。
（3）因悬架参数不可变，不随路况而改变，所以只能在特定的路况下达到最佳减振效果，而车辆的载荷、车速以及路面凸凹都会在很大程度变化，如果激励发生变化，悬架系统就不再是最优。
被动悬架对行驶平顺性、操纵稳定性、车身状态等这些相互矛盾的设计要求选择适中方案，在一定程度上符合汽车动力学性能要求。
因此，在对一个多种环境下行驶的汽车，在性能要求较高且影响因素较复杂的情况下，被动悬架很难再满足新的要求，很难实现行驶平顺性与操纵稳定性的完美结合。
1.1.2.2主动悬架
主动悬架（ActiveSuspension）最初结构装置是由AP公司基于气、液压悬架发展的一种机械系统[3]。
主动悬架简化模型如图1.1b）所示，主动的悬架包括三个部分：
传感器、控制器、执行机构，它们与汽车部件一起形成闭环控制系统。
其中控制器是整个悬架系统的信息处理、管理中心，它接受分别来自各个传感器的信号，根据选定的数据处理方法和控制方法，决定并控制执行机构的动作，进而改变车身运动状态、达到隔振减振的效果[4]。
主动悬架一般情况下都采用闭环控制系统。
所谓闭环控制系统，就是输出量反过来对系统的控制有直接影响的控制，也就是说弹簧刚度和减振阻尼的控制结果，还必须通过反馈系统把信息传送给电脑，再由电脑进行分析修正，以达到最佳控制效果，进而提升汽车行驶平顺性和操纵稳定性等性能的要求。
主动悬架的优点可以归纳为[5]：
（1）做成较小的悬架的刚度，可以能使车身具拥有较低的自然状态振动频率，并且能够保证在正常开车中的乘坐舒适度。
很大程度上改变了汽车在转弯情况下的车身侧倾、制动和加速等状态下的纵向摆动问题。
（2）应采用主动的悬架系统，因为不需兼顾正常状态开车中汽车的舒适性度，因而可以将汽车的悬架抗侧倾和纵摆的刚度做成较大，进而就提高了汽车的悬架的稳定性能。
（3）采用先进的悬架结构，不但能够保证汽车行驶在比较复杂的路况在瞬间将车轮提起，避开障碍物，提高汽车的安全通过性。
另外，主动的悬架还能够保持车轮子与地面的摩擦，改善了轮胎动载荷的控制力，改善了负载的分布情况。
同时由于车身的高度可以调节，又进一步的保证了车轮的跳动，从而对传动的构造简化了设计。
根据作动器的反应的带宽不一样，主动的悬架又可以细分为是：
带宽的主动悬架与有限带宽的主动悬架，有的地方也叫为“全主动悬架”与“慢主动悬架”。
慢主动的悬架系统一般情况下的是由一个作动器和一个普普通通的弹簧串联组成，然后再和一个被动阻尼器并联组成。
慢主动悬架的主动控制频率范围为0～6，当频率大于6时被动元件主导悬架系统的特性。
因为慢主动悬架只在一个较低的频率范围内运行，所以降低了系统的成本和复杂度，但它的性能指标仍可以满足主要的车身振动和转向控制的基础要求。
全主动的悬架系统是采用1个可以用来控制的作动器替代了被动悬架中的一些相关部件，组成一个闭环的控制系统。
作动器一般情况是由一个气动的或者液动的油缸，它具拥有较大的频率范围，对轮胎的高频共振能够进行控制。
作动器的控制的带宽一般覆盖一些车辆常见的振动频率如0～15，有的一些作动器的响应带宽可以高达如100。
为了减少能量的损耗浪费，一般情况下会保留1个与作动器并联的传统弹簧，来支持车身的静载荷[6]。
1.1.2.3半主动悬架
半主动悬架（Semi-ActiveSuspension）是在1973年由D.A.Crosby和D.C.Kamopp首次提出半主动悬架的概念[7]。
半主动悬架的简化模型如图1.2c）所示，半主动的悬架是由可以改变的刚度的弹簧和可以改变的阻尼系数的减振器组合而成。
它的基本上原理是，根据弹簧上的质量相对于车轮的速度和加速度的响应等反馈信号，并按照一定的控制方法来调节弹簧的刚度值或减振器的阻尼值。
在产生力上半主动的悬架近似于被动的悬架，但它的阻尼系数与刚度系数是可以改变的。
通常的情况下以改变减振器的阻尼值为主，将阻尼分为2级和3级，又根据人工的选择或根据传感器的信号自动式确定。
1984年日本得一个公司研制出了一种叫声纳式半主动的悬架，它非常好，能够通过声纳这种装置探测前方路况的信息，进而及时的调整悬架的减振器的三个状态。
此外，D.A.Crosby等人又提出了阻尼连续可调的半主动悬架系统[8]。
1.2主动悬架控制理论研究的目的和意义
随着现代的汽车行业的不断发展和壮大，汽车的工业在世界的经济发展中的地位越来越突出，慢慢的成为各国的支柱性的产业，并且对世界的经济发展更好和社会进步产生巨大的正能量和深远的影响。
汽车是已成为当今,世界上普遍的交通工具，在未来它依旧仍然是世界上重要的交通工具使用。
我国的汽车工业的引进技术及其国产化的实际发展成就，标志着我国的汽车工业已经完成了历史性的转变，开始了中国汽车行业的腾飞时段。
为了适应汽车日益严格的有关节能减放和安全性要求，并且满足人们对汽车安全性、舒适性、便利性的需求，汽车传动与行驶控制系统的研究和改进已成为不可或缺的环节。
汽车的平顺度就是说能够保证汽车在开车中所处的振动状态具拥有一定的舒适性，对于那些载货的车辆而言还应改包括保持货物完好无损的性能。
平顺性是高速、高效汽车的一个重要性能[9]。
悬架的系统作为汽车的关键组成部件，它是指链接车身和车轮之间的所有零件和部件的总称，主要是由弹簧、减震器和导向构造组成。
它不仅可以缓冲和吸收轮胎的振动，传递轮胎和路面产生的摩擦力，还能够在汽车转弯时承受车身的侧倾力，在汽车启动和制动时控制车身的惯性。
悬架系统是改善汽车平顺性和操作稳定性、减少零部件损坏的关键。
一个很好的优越的悬架系统不仅仅可以改善汽车的乘坐的舒适性，而且也更能保证汽车行驶的安全性能，改善汽车的舒适性就得必须把控制汽车的加速度，这就得要求悬架要有足够大的性能吸收来自路面不平；然而为了保持汽车行驶的安全性，必须把悬架变形控制在较小的范围内。
为了提升悬架性能就必须兼顾舒适性与稳定性的矛盾，所以只有应用合适的控制策略才能合理解决。
1.3国内外主动悬架理论研究动态
1.3.1国内外主动悬架的理论
主动的悬架的控制理论实际上是在立足于经典的控制理论就结合现代控制理论和汽车动力学理论的产物。
在近几十年中，国内外学者对主动悬架的控制策略方法上进行了大量的分析研究。
在国外，著名的学者有Karnopp，Thompson，Crolla和Langlois等人。
研究的控制策略范围较为广范，涉及到天棚阻尼的控制理论、随机最优的控制理论、变机构控制的理论、预瞄控制的理论等。
此外，伴随着现代控制理论的发展与更替，自适应控制的理论、模糊控制的理论、H无穷控制的理论、神经网络控制的等等也慢慢的凸显优越性。
在国内，丁科等人对神经网络控制的主动悬架进行了研究，何渝生等人将LQG最优控制理论用于主动控制[10]。
总体来看，悬架建模的合理化、控制策略的复杂化和控制过程的实用化成为现代主动悬架研究的一大趋势，这些研究一定程度上丰富了汽车悬架系统的控制理论，有力地推动了主动悬架在汽车工业的应用进程。
1.3.2国内外主动悬架的应用
在国外大型的汽车公司和研究机构对理论研究的基础上，还对其他主动、半主动悬架进行了实验，直到一些较为成熟的设计成商品，应用于各种车辆。
早在1982年，Lotus公司就开发了有源主动悬架系统，瑞典Volvo公司在740辆汽车上装置了实验阶段的Lotus主动悬架系统。
Armstrong公司在1987年为了FORD公司研发了一个自适应悬架系统应用于一种新的车型号。
1989年丰田的Celica车型上也应用了4主动的悬架+4轮驱动+4轮防抱死的制动的集成控制，其中应用了较好的线性电磁阀对悬架进行了控制。
1991年，丰田汽车公司的Soarer车型装置了由液压缸与弹簧串联的主动悬架系统。
尼桑公司在90年的InfiniteQ45汽车上也安装了较好的液压主动的悬架。
另外，奔驰、福特等汽车公司也都在其高级轿车上装备了各自研发的主动悬架系
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