某種汽車的動力學(xué)特性研究大學(xué)畢設(shè)論文

第1章緒論 11.1非線性振動理論的發(fā)展及研究方向 11.1.1非線性振動理論概述 11.1.2課題的提出 11.2研究現(xiàn)狀 21.2.1汽車懸架知識 21.2.2汽車懸架系統(tǒng)非線性系統(tǒng)的現(xiàn)狀研究 41.3本文的工作 51.3.1建立合理的力學(xué)模型 51.3.2探求合理有效的研究方案 51.3.3解決的主要問題 51.4具體研究方案 51.5本文的創(chuàng)新之處 6第2章選定汽車簡介及減震器 72.1標志307簡介 72.2減震器工作原理 8第三章懸架振動方程的數(shù)值分析 103.1建立力學(xué)模型 103.2常微分方程的數(shù)值解法 113.3系統(tǒng)振動信號的頻譜分析 113.3.1數(shù)值計算與頻譜分析結(jié)果 123.3.2懸架系統(tǒng)振幅值與激振力頻率的關(guān)系 153.3.3各參數(shù)的變化對懸架系統(tǒng)幅值的影響 163.4本章小結(jié) 17第4章主動懸架的模糊控制策略研究及仿真 184.1模糊控制器的設(shè)計 184.1.1模糊控制器的選擇 194.1.2變量選擇 194.1.3模糊判決 224.2仿真結(jié)果 224.2.1路面為正弦激勵 224.2.2路面為隨機激勵 244.3本章小結(jié) 28第5章全文總結(jié) 30致謝 31參考文獻 32附錄 34PAGE2第1章緒論1.1非線性振動理論的發(fā)展及研究方向1.1.1非線性振動理論概述振動是物理學(xué)、技術(shù)科學(xué)中廣泛存在的物理現(xiàn)象，如建筑物和機器的振動，無線電技術(shù)和光學(xué)中的電磁振蕩，控制系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)中的自激振動、聲波振動，同步加速器中的束流振動和其結(jié)構(gòu)共振，火箭發(fā)動機燃燒時的振動，化學(xué)反應(yīng)中的復(fù)雜振動等。這樣一些表面上看起來極不相同的現(xiàn)象，都可以通過振動方程統(tǒng)一到振動理論中來。振動是機械運動的一種形式，嚴格地講，在技術(shù)領(lǐng)域中，描述這些現(xiàn)象的方程式大多是非線性的。對于那些非線性因素較弱的問題，我們可以用線性方程替代非線性方程，這種方法成為線性方法。而對某些非線性問題，這樣簡化誤差很大，甚至帶來質(zhì)的變化，這是不能忽略的。因此這樣的振動系統(tǒng)必須用非線性振動理論來研究。非線性系統(tǒng)不但運動復(fù)雜而且結(jié)構(gòu)精細，特別在某些不穩(wěn)定的平衡點附近有極為復(fù)雜的形態(tài)，給研究者帶來了很大的困難。所以非線性理論尚未發(fā)展完善，許多重要運動性態(tài)的機理尚不清楚。當前的眾多專家、學(xué)者正致力于研究多自由度系統(tǒng)的非線性振動問題、在多頻激勵力作用下系統(tǒng)非線性振動特性、強非線性大振動的求解方法和解的性態(tài)、非線性系統(tǒng)的局部和全部分岔、突變理論及混沌特性和機理、非線性隨機系統(tǒng)的分岔。除此之外，如何用非線性振動理論指導(dǎo)解決工程技術(shù)中的問題也是本科學(xué)迫切需要研究的重要方向。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車開始進入千家萬戶。與此同時，汽車行駛的舒適性、安全性及穩(wěn)定性逐漸成為人們關(guān)心的問題。由于路況的隨機性，汽車行駛中在路面激勵的影響下，車身、車輪發(fā)生振動，產(chǎn)生巨大的動載荷，對乘客的舒適性造成很大的負面影響。為此，有必要探求影響車身振動的因素，從理論上研究車身振動的機理及其動態(tài)響應(yīng)特征。1.1.2課題的提出主動懸架控制技術(shù)已在國外工業(yè)發(fā)達國家有了成型產(chǎn)品，主動懸架能夠同時改善汽車的乘坐舒適性（平順性）和操縱穩(wěn)定性，具有良好的隔振效果，因此從20世紀80年代開始，保時捷、福特、奔馳等公司均在其高級轎車上裝備有各自開發(fā)的主動懸架系統(tǒng)。但其市場普及依然存在很大困難，這主要有兩個方面的原因：一是成本太高；二是能量消耗過大。因此目前僅限于裝載在排量較大的一些高檔車型上。但可以肯定，基于主動控制技術(shù)的主動懸架是未來車輛懸架系統(tǒng)重要的發(fā)展方向。國內(nèi)對主動懸架的研究尚處于懸架系統(tǒng)控制算法的優(yōu)化設(shè)計和理論分析階段。所以對主動懸架的各種控制策略進行研究比較，有其重要的現(xiàn)實意義。因此，當前對主動懸架的研究還是很有必要的。例如：1．對主動懸架轉(zhuǎn)向、驅(qū)動和防抱死等系統(tǒng)進行聯(lián)合控制。大規(guī)模聯(lián)合控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，不僅使系統(tǒng)對傳感器、液壓源、控制器共同利用，以降低成本和車身質(zhì)量，還可防止各種控制間的干擾，將使車輛的動態(tài)性能得到更大的改善。2．由于主動懸架需要消耗發(fā)動機的一部分功率，因此如何減少系統(tǒng)的功率消耗，也是一個值得研究的問題?？紤]到車輛節(jié)能的重大意義，對懸架系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及再利用的原理和機構(gòu)的研究，也將成為今后主動懸架技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。衡量懸架性能好壞的主要指標是汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性，但這兩個方面是相互排斥的性能要求，往往不能同時滿足。怎樣在二者之間取得合理的平衡以達到最好的效果，一直是工程師們的研究課題。1.2研究現(xiàn)狀1.2.1汽車懸架知識現(xiàn)代汽車懸架的發(fā)展十分快，不斷出現(xiàn)嶄新的懸架裝置。按控制形式不同分為被動式懸架和主動式懸架。目前多數(shù)汽車上都采用被動懸架，如圖1-1所示也就是汽車姿態(tài)（狀態(tài)）只能被動地取決于路面及行駛狀況和汽車的彈性元件，導(dǎo)向機構(gòu)以及減振器這些機械零件。20世紀80年代以來主動懸架開始在一部分汽車上應(yīng)用，并且目前還在進一步研究和開發(fā)中。主動懸架可以能動地控制垂直振動及其車身姿態(tài)，根據(jù)路面和行駛工況自動調(diào)整懸架剛度和阻尼。1.彈性元件；2.縱向推力桿；3.減振器；圖1-1根據(jù)汽車導(dǎo)向機構(gòu)不同懸架種類又可分為獨立懸架，非獨立懸架。如下圖1-2所示。圖1-2a.獨立懸架b.非獨立懸架非獨立懸架如上圖(b)所示。其特點是兩側(cè)車輪安裝于一整體式車橋上，當一側(cè)車輪受沖擊力時會直接影響到另一側(cè)車輪上，當車輪上下跳動時定位參數(shù)變化小。若采用鋼板彈簧作彈性元件，它可兼起導(dǎo)向作用，使結(jié)構(gòu)大為簡化，降低成本。目前廣泛應(yīng)用于貨車和大客車上，有些轎車后懸架也有采用的。非獨立懸架由于非簧載質(zhì)量比較大，高速行駛時懸架受到?jīng)_擊載荷比較大，平順性較差。獨立懸架是兩側(cè)車輪分別獨立地與車架（或車身）彈性地連接，當一側(cè)車輪受沖擊，其運動不直接影響到另一側(cè)車輪，獨立懸架所采用的車橋是斷開式的。這樣使得發(fā)動機可放低安裝，有利于降低汽車重心，并使結(jié)構(gòu)緊湊。獨立懸架允許前輪有大的跳動空間，有利于轉(zhuǎn)向，便于選擇軟的彈簧元件使平順性得到改善。同時獨立懸架非簧載質(zhì)量小，可提高汽車車輪的附著性。如上圖(a)所示。1.2.2汽車懸架系統(tǒng)非線性系統(tǒng)的現(xiàn)狀研究目前國內(nèi)外對基于阻尼器的汽車懸架進行了很多研究，取得了豐富的研究成果。從20世紀70年代末期，特別是80年代中期以來，有關(guān)汽車阻尼器懸架系統(tǒng)的文獻和研究成果每年都有報道，研究的內(nèi)容涉及路面描述與模型、懸架系統(tǒng)的簡化與建模，應(yīng)用模糊邏輯控制、自適應(yīng)控制、H∞控制、最優(yōu)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能控制方法進行懸架控制規(guī)律的設(shè)計、系統(tǒng)仿真與實驗研究，成功地開發(fā)了不少新型的減震器。從總體上看，懸架系統(tǒng)合理化、控制理論復(fù)雜化，控制過程實用化是當今智能懸架開發(fā)的一大特點，這些研究極大地豐富了阻尼器懸架的控制理論，有力地推進了各種新型阻尼器懸架系統(tǒng)在汽車工程中的應(yīng)用。國內(nèi)很多單位在這方面也做出了許多開創(chuàng)性的研究，重慶大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、西安交通大學(xué)及吉林大學(xué)等對汽車懸架的研究取得了重大成果。何做到數(shù)值仿真和理論分析的相互驗證，成為目前的研究重點。例如天津大學(xué)的賈啟芬教授幾年來在理論分析方面做了許多工作，以懸架的分段線性非線性動力系統(tǒng)為出發(fā)，根據(jù)非線性理論KB法得出頻幅響應(yīng)函數(shù)，詳細闡述了汽車懸架的非線性特征；并討論了非線性彈簧、阻尼系數(shù)、地面不平度等對共振曲線的影響。通過對隨機路面激勵的仿真，得出理論和數(shù)值仿真的幅頻曲線基本吻合。除此之外，隨機非線性理論在汽車懸架分析中也提供了一種研究方法。通過擬和路面譜，研究了路面多頻激勵下汽車懸架滯后非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從理論上分析了懸架運動的穩(wěn)定狀況及發(fā)生分岔的可能性因素。由此可知，由于路況信息的復(fù)雜化及車身固有因素的影響，懸架的振動特性成非線性變化，如何從理論上探求這種變化的機理，并和數(shù)值仿真相比較已成為目前非線性科學(xué)的重要研究課題。1.3本文的工作通過理論分析，解釋在路面激勵下汽車懸架的振動特性，分析汽車懸架減震效果；設(shè)計合適的智能控制系統(tǒng)對阻尼力進行實時控制，以實現(xiàn)汽車行駛的安全性和舒適性。1.3.1建立合理的力學(xué)模型建立汽車懸架的非線性振動模型，研究車橋耦合系統(tǒng)的振動特性，從力學(xué)機理上研究汽車與路面激勵間的相互作用影響以及內(nèi)部本身存在復(fù)雜動力學(xué)現(xiàn)象。1.3.2探求合理有效的研究方案用理論分析和數(shù)值仿真兩種方法分別研究汽車懸架系統(tǒng)的動力學(xué)行為。集中對汽車懸架的動力響應(yīng)進行分析，包括車身加速度、懸架動撓度和車輪動載的幅頻特性、功率譜等,用數(shù)值仿真針對不同懸架設(shè)計各種主動、半主動控制方法，包括最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的智能控制等；進而驗證理論結(jié)果。1.3.3解決的主要問題1．理論上，對阻尼力進行詳細研究，探求出非線性阻尼力的影響因素；設(shè)計合理的阻尼力模型，使分段變化的阻尼力轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)變化，以深入研究懸架的非線性動力響應(yīng)。2．在數(shù)值仿真上，充分考慮路面譜的隨機性，對隨機路面譜仿真，采用模糊、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)全面分析車身加速度、懸架動撓度及車輪動載荷等特征。深入分析影響車身振動變形及輪胎跳動的關(guān)鍵因素；以研究在不同的路面譜激勵下懸架發(fā)生共振時對乘客舒適性、安全性的影響。1.4具體研究方案1．根據(jù)汽車懸架元件的非線性特性建立1/4車輛懸架的非線性動力學(xué)模型，然后由模型建立力學(xué)方程，并應(yīng)用matlab對方程求解。2．在懸架非線性振動系統(tǒng)中，充分考慮彈性元件的非線性剛度及非線性阻尼力等因素，推導(dǎo)出數(shù)學(xué)方程。3．用數(shù)值方法編程求解車身振動的位移、速度、加速度的響應(yīng)及各幅頻曲線，從宏觀上展現(xiàn)懸架振動時的動載荷、動撓度等。1.5本文的創(chuàng)新之處本文的研究內(nèi)容，屬振動力學(xué)、車輛工程、信息控制學(xué)科的交叉，是車橋耦合中的關(guān)鍵問題；其理論和實際相結(jié)合，用先進的理論方法解決了汽車懸架的非線性振動問題。同時在理論研究的基礎(chǔ)上，用數(shù)值仿真近似模擬懸架的動力特性，探索新的控制策略，采用現(xiàn)實中常見的汽車為研究對象，根據(jù)對其各種工作模型參數(shù)的分析，運用振動力學(xué)的知識，探求汽車行駛時安全性舒適性的最佳控制。第2章選定汽車簡介及減震器2.1標志307簡介東風(fēng)標致307發(fā)動機橫置，前置前驅(qū)動，四輪獨立懸掛，前輪采用麥克弗遜式獨立懸架（如圖2-1），螺旋彈簧，帶三角型下橫臂及橫向穩(wěn)定桿，后輪采用可變形橫梁式，帶橫向穩(wěn)定桿主動、被動安全裝置齊全，人性化設(shè)計處處得到充分體現(xiàn)。麥弗遜式懸架是使用最廣泛得懸架系統(tǒng)，特別是再歐洲原產(chǎn)汽車中，它是將一個減震器和一個螺旋彈簧合并組成一個裝置，因此提供了一種結(jié)構(gòu)更緊湊，重量更輕得懸架系統(tǒng)，可用在前輪驅(qū)動得車輛上。東風(fēng)標致307一體化的鋼制車身大大增強了車體的強度：一方面，在發(fā)生沖撞時，專門吸收沖力區(qū)域能減少對乘客的沖擊，提高了對乘客的保護；另一方面，整體車身能保證良好的接地性能，充分保障行車的安全性。圖2-1

2.2減震器工作原理減震器也稱緩沖器，它通過一種稱為阻尼的過程來控制不希望發(fā)生得彈簧運動，減震器通過將懸架運動得動能轉(zhuǎn)換為可通過液壓油耗散的熱能，來放緩和減弱振動性運動得大小，要了解其工作原理，可以由圖2-2來了解一下它得內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能。圖2-2減震器的結(jié)構(gòu)及工作原理減震器基本上是一個放置在車架與車輪之間得機油泵。減震器得上支座連接到車架（簧載質(zhì)量），下支座靠近車輪連接到軸（非簧載質(zhì)量）。在雙筒設(shè)計中，減震器最常見得類型之一是上支座連接到活塞桿，活塞桿連接到活塞，而活塞位于充滿液壓油的筒中。內(nèi)筒稱為壓力筒，外筒稱為儲油筒。儲油筒存儲多出的液壓油。當車輪遇到顛簸路面并導(dǎo)致彈簧壓緊和拉伸時，彈簧得能量通過上支座傳遞到減震器，并經(jīng)由活塞桿向下傳遞到活塞。活塞上打有孔，當活塞在壓力筒內(nèi)上下運動時，液壓油可通過這些小孔滲漏出來。因為這些孔非常微小，所以在很大得壓力下也只能有很少的液壓油通過。這樣就減緩了活塞的運動速度，從而使彈簧的運動緩慢下來。減震器的工作包括兩個循環(huán)——壓縮循環(huán)和拉伸循環(huán)。壓縮循環(huán)是指活塞向下運動時壓縮其下面得液壓油；拉伸循環(huán)是指活塞向上運動到壓力筒頂部時其上方得液壓油。對于像307這樣得典型汽車，其拉伸循環(huán)時的阻力要比其壓縮循環(huán)時的阻力大。需要值得注意的是，壓縮循環(huán)控制的是車輛非簧載質(zhì)量（粗略定義為路面與懸架彈簧之間得質(zhì)量）的運動，而拉伸循環(huán)控制的是相對更重得簧載質(zhì)量（彈簧上支撐的車輛的質(zhì)量）的運動。所有現(xiàn)代的減震器都帶有速度傳感功能——懸架得運動速度越來越快，減震器提供得阻力越大。這使得減震器能夠根據(jù)路況進行調(diào)整，并控制行駛的車輛中可能出現(xiàn)得所有不希望發(fā)生得運動，包括彈跳，側(cè)傾，制動俯沖和加速蹲伏等。第3章懸架振動方程的數(shù)值分析3.1建立力學(xué)模型1/4車輛模型是設(shè)計汽車可控懸架控制律最基本的模型，它是車輛橫豎分割后的任意一個角，如圖3-1所示。由于模型中只有一個車輪，所以不能用來研究汽車的姿態(tài)控制，但是它基本能反映汽車懸架中車身振動加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷這些本質(zhì)特性。與復(fù)雜的全車模型比較，1/4車輛模型具有以下優(yōu)點：1．所涉及的設(shè)計參數(shù)最少；2．所涉及的性能參數(shù)最少；3．可以簡化系統(tǒng)輸入；4．容易理解設(shè)計與性能之間的關(guān)系。圖3-11/4懸架簡化模型由簡化的力學(xué)模型可建立兩自由度的非線性方程組，（3-1）其中，路面位移激勵，為不平度激勵幅值，為行程角頻率，汽車行駛速度，為波長。當汽車行駛速度為常數(shù)時，有關(guān)系式。3.2常微分方程的數(shù)值解法隨著電子數(shù)字計算機的迅速發(fā)展以及各種計算方法的不斷完善，數(shù)值分析法已成為各個科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中普遍應(yīng)用的重要研究方法。其基本思想是首先通過一定的方法把連續(xù)型定解問題在給定區(qū)間的節(jié)點上離散化，得到一個差分方程的初值問題，再由差分方程求得常微分方程的解在節(jié)點處的近似值。把連續(xù)型問題離散化的方法有數(shù)值微分法、數(shù)值積分法和Taylor展開法，Runge-Kutta方法是最為常用的一種微分方程數(shù)值積分方法。Runge-Kutta法計算簡單、精確度高，經(jīng)典的四階標準Runge-Kutta法，其計算格式為：（3-2）Runge-Kutta法利用公式（3-2），從Xn計算出Xn+1，這是一種單步方法，它在一個步長內(nèi)分成四級（對應(yīng)于四個k值），因此是一種單步四級的方法。數(shù)值計算軟件MATLAB中專門提供了采用Runge-Kutta方法來求解常微分方程的函數(shù)，如ode23，ode45，ode113等。本文的數(shù)值計算即采用了MATLAB內(nèi)嵌的ode45函數(shù)。3.3系統(tǒng)振動信號的頻譜分析為了適應(yīng)計算機對無限長連續(xù)的信號進行分析處理，分析時只能將其截斷變成有限長度的離散數(shù)據(jù)，而要使離散信號能夠真實的反應(yīng)原連續(xù)信號，截斷時必須符合采樣定理，即采樣頻率必須大于等于被分析信號成分中最高頻率值的兩倍以上，用公式表示為:（3-3）其中，Δt是采樣時間間隔。由于時間歷程x(t)的采樣序列的頻譜由連續(xù)信號x(t)的頻譜X(f)與采樣函數(shù)s(t)的頻譜S（f）的卷積求得，故該頻譜在頻率軸上也是周期函數(shù)，其周期長度等于采樣頻率。若信號x（t）的上限頻率與采樣頻率之間滿足采樣定理，就不會發(fā)生頻率混淆，此時得到的頻譜是時間序列x（t）的真實頻譜?？焖俑道锶~變化法的基本思想是巧妙地利用了復(fù)指數(shù)函數(shù)的周期性和對稱性，充分利用中間計算結(jié)果，從而使得計算工作量大大減少。快速傅里葉變換的時域分解法，是將一時間序列{}分解成比較短的子時間序列，子時間序列還可以繼續(xù)再分解成更小的子時間序列，遞推下去直到最后得到一個最簡單的子時間序列，即分解為一個數(shù)為止；然后利用傅氏變換計算公式對最后得到的最簡單的子時間序列進行傅立葉變換，再將各子時間序列的傅里葉變換結(jié)果按一定規(guī)則進行組合，最后得到原時間序列的傅里葉變換結(jié)果。為了滿足分解和組合的需要，時間序列的長度必須滿足(p為整數(shù))的關(guān)系。而對時域信號的截斷會導(dǎo)致頻譜分析出現(xiàn)誤差，使得本來集中于某一頻率的功率（或能量），部分地被分散到該頻率附近的領(lǐng)域，這種現(xiàn)象稱為“泄漏”效應(yīng)。為了抑止“泄漏”，需采用特種窗函數(shù)來代替矩形窗函數(shù)，使在時域上截斷信號兩端的波形由突變而變?yōu)槠交陬l域上盡量壓低旁瓣的高度，盡量縮小誤差。3.3.1數(shù)值計算與頻譜分析結(jié)果當激振力頻率在懸架固有頻率附近變化時，系統(tǒng)有可能發(fā)生共振，令路面位移激勵為，汽車懸架的基本參數(shù)：，，，。根據(jù)，ω隨,L取不同的值而變化，從而模擬出路面不平度狀況，輪胎固有頻率為：,懸架固有頻率為：，ω在和附近變化時，車體有可能發(fā)生共振現(xiàn)象。下面分別對ω取不同的值，可以看出隨著ω的變化車體的振動響應(yīng)情況。1．時的系統(tǒng)時域、頻域響應(yīng)圖。圖3-2懸架，輪胎位移響應(yīng)圖圖3-3懸架，輪胎速度響應(yīng)圖圖3-4懸架幅頻曲線圖圖3-5輪胎幅頻曲線圖2．ω=4HZ時的系統(tǒng)時域、頻域響應(yīng)圖。圖3-6懸架，輪胎位移響應(yīng)圖圖3-7懸架，輪胎速度響應(yīng)圖圖3-8懸架幅頻曲線圖圖3-9輪胎幅頻曲線圖3．ω=4.8HZ時的系統(tǒng)時域、頻域響應(yīng)圖。圖3-10懸架，輪胎位移響應(yīng)圖圖3-11懸架，輪胎速度響應(yīng)圖圖3-12懸架幅頻曲線圖圖3-13輪胎幅頻曲線圖3.3.2懸架系統(tǒng)振幅值與激振力頻率的關(guān)系懸架的固有頻率在1.2-1.6Hz附近，輪胎的固有頻率在10-14Hz附近，故當激振力的激勵頻率發(fā)生變化時，懸架和輪胎的振動幅值也隨之改變，并在某個頻率段發(fā)生共振現(xiàn)象。經(jīng)過數(shù)值計算，得出了懸架輪胎幅值隨路面激勵頻率的變化關(guān)系，找出了共振域，為避免懸架和輪胎產(chǎn)生共振效應(yīng)，提高汽車行駛的平穩(wěn)性提供了重要依據(jù)；圖3-14、3-15為正弦激勵下系統(tǒng)的幅值變化。圖3-14懸架幅值隨激勵頻率的變化曲線圖3-15輪胎幅值隨激勵頻率的變化曲線由此可以看出，在3-6Hz頻率段內(nèi)，懸架和輪胎的變形迅速變大，產(chǎn)生共振效應(yīng)，超過6Hz后，懸架變形迅速減小，而輪胎的幅值變化平穩(wěn)，幅度較小，所以應(yīng)在這個頻率段進行減振控制。3.3.3各參數(shù)的變化對懸架系統(tǒng)幅值的影響改變粘滯阻尼系數(shù)，懸架和輪胎變形也會相應(yīng)改變，假定取ω=4HZ，圖3-16懸架幅值隨的變化曲線圖3-17輪胎幅值隨的變化曲線圖3-16中，當從2000增加到7000時，懸架變形值迅速減小下降幅度很大；在7000-10000范圍內(nèi)，變化平穩(wěn)，有逐漸上升的趨勢。所以控制在7000左右時，懸架變形量最小。圖3-17中，輪胎的位移隨著的增大而有所增加，在7000附近下降后又緩慢上升。此可看出，對輪胎的變形影響較小。綜合兩圖，在其它各參數(shù)確定時，值取7000為宜。綜上所述，根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果，合理選取各參數(shù)值，使懸架輪胎的變形量降到最小，對研究汽車減振問題具有重要的作用。3.4本章小結(jié)首先，建立了基于標致307的汽車主動懸架的力學(xué)模型，并簡要介紹了數(shù)值計算和Runge-Kutta法。其次，通過對汽車主動懸架非線性振動方程組的數(shù)值計算，得出了懸架輪胎的變形響應(yīng)圖。調(diào)節(jié)激勵頻率，可以看出激勵頻率在3~5Hz附近時，懸架變形量達到最大，容易產(chǎn)生共振效應(yīng)。同樣改變其它參數(shù)，也可以改變車體位移。最后，改變粘滯阻尼系數(shù)，懸架、輪胎的變形也隨之非線性變化。故合理選取各參數(shù)值，使懸架輪胎的變形量降到最小，對研究汽車減振問題有著重要的作用。第4章主動懸架的模糊控制策略研究及仿真隨著控制理論的發(fā)展及其在現(xiàn)實中的應(yīng)用，一些大型、復(fù)雜和具有不確定性的系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，用原有經(jīng)典的控制理論很難實現(xiàn)系統(tǒng)的有效控制。為了滿足這種現(xiàn)實的需要,人們開始將模糊理論用于自動控制系統(tǒng)并形成了模糊控制理論，以便解決那些時變的非線性復(fù)雜系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)是一種自動控制系統(tǒng)，它以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)控制系統(tǒng)。它的組成核心為具有智能性的模糊控制器。4.1模糊控制器的設(shè)計要設(shè)計一個模糊控制器來實現(xiàn)語言控制，必須解決以下三個方面的問題。1．精確量的模糊化，把語言變量的語言值化為某適當論域上的模糊子集。2．模糊控制算法的設(shè)計，通過一組模糊條件語句構(gòu)成模糊控制規(guī)則，并計算模糊控制規(guī)則決定的模糊關(guān)系。3．輸出信息的模糊判決，并完成由模糊量到精確量的轉(zhuǎn)化。模糊控制器的機構(gòu)圖如圖4-1所示模糊控制系統(tǒng)的核心組成部分為模糊控制器（FuzzyController）,它由五部分組成。圖4-1模糊控制器機構(gòu)圖1．輸入輸出量的規(guī)范化（量化）；2．輸入量的模糊化；3．語言控制規(guī)則；4．模糊邏輯推理；5．輸出量的反模糊化。4.1.1模糊控制器的選擇本文采用雙輸入單輸出控制器，即：輸入：誤差E和誤差變化CE,輸出：控制量U和控制量變化ΔU,對應(yīng)的模糊控制規(guī)則通常由下面的模糊條件語句描述:IfEisAandECisBthenUisC或IfEisandECisBthen,ΔUisC,A，B,C為模糊子集{"偏大","中等","偏小"…},表達式為：U=R(E,CE)或,這是模糊控制中最常用的一種控制規(guī)則，它反映非線性比例加微分（PD）控制規(guī)律。另外還有一種情況的模糊控制器為輸入：誤差E和誤差變化S,輸出：控制量U和控制量變化ΔU,對應(yīng)的模糊控制規(guī)則通常由下面的模糊條件語句描述:IfEisAandSisBthenUisC或IfEisandSisBthen,ΔUisC,A，B,C為模糊子集{"偏大","中等","偏小"…},表達式為：U=R(E,)或,它反映非線性比例加積分（PI）控制規(guī)律。本文這種模糊控制器，參考輸入選簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的相對位移，，測試的輸出變量選相對位移的響應(yīng)值，則誤差及誤差的變化率為控制器的兩個輸入，記為e，。輸出量為U。4.1.2變量選擇控制變量的選擇要能夠具有系統(tǒng)特性，而控制變量選擇是否正確，對系統(tǒng)的性能將有很大的影響。例如做位置控制時，系統(tǒng)輸出與設(shè)定值的誤差量即可當做模糊控制器的輸入變量。一般而言，可選用系統(tǒng)輸出、輸出變化量、輸出誤差、輸出誤差變化量及輸出誤差量總和等，做為模糊控制器的語言變量。語言變量的選取語言變量的選取現(xiàn)實生活中，人們習(xí)慣將事物分成幾個等級，如“高”、“偏高”、“適中”、“偏低”、“低”等。因此在設(shè)計模糊控制器時，我們對于誤差、誤差變化率和控制量采用“正大”、“正中”、“正小”、“零”、“負小”、“負中”、“負大”等7個語言變量值來描述。本文根據(jù)實際情況，采用的是二維模糊控制器，則模糊控制器的誤差量和誤差變化量取七個語言值，即“正大”(PB)、“正中”(PM)、“正小”(PS)、“零”(ZO)、“負小”(NS)、“負中”(NM)、“負大”(NB),控制器的輸出取六個語言值，即E1(小),E2（中?。?E3（中）,E4(小大),E5(中大),E6（大）。表示為：E={NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB}；CE={NB,NM,NS,Z0,PS,PM,PB}；U={E1,E2,E3,E4,E5,E6}E,CE分別代表控制器輸入的誤差及誤差變化率的模糊集合，U為模糊控制器輸出的模糊集合。確定各語言變量的隸屬函數(shù)模糊語言值實際上是一個模糊子集，語言值最終是通過隸屬函數(shù)來描述的。在模糊控制中，常用正態(tài)分布形式來描述模糊語言子集的隸屬函數(shù)分布。將E，CE分別量化為7級，U量化為6級，即E，CE的值域為：{-6，-4，-2，0，2，4，6}，U的值域為：{1，2，3，4，5，6}。參考系統(tǒng)仿真結(jié)果，量化因子及比例因子分別取為，，,其中表示誤差變化率的量化因子，表示選定構(gòu)成值域Y={，-，…,0,…,},為控制變量的基本值域[-U,U]的量化等級數(shù)。輸入和輸出隸屬的函數(shù)圖分別如下圖4-2，4-3，4-4所示圖4-2誤差e輸入的基本值域圖4-3誤差輸入的基本值域圖4-4u輸出的基本值域建立模糊控制規(guī)則模糊控制規(guī)則是模糊控制器的一個重要組成部分，控制器的輸入量和輸出量之間的模糊關(guān)系用語言的形式進行描述。選取控制變量變化的原則是:當誤差大或較大時，選取控制量以盡快消除誤差為主；而誤差較小時，選擇控制量要防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定為主。在此控制器中，2個輸入量分別用7個語言模糊子集來描述，共有49條模糊規(guī)則，如表4-1所示。4.1.3模糊判決模糊判決的作用是從已知的連續(xù)輸入精確量中通過各種不同的連續(xù)推理過程，求出模糊控制器相應(yīng)的輸出量，它是一個模糊量。被控對象只能接受精確的控制量，所以必須將輸出的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，這是一個模糊集合到普通集合的映射。模糊判決有三種常用的方法：最大隸屬度判決法、取中位判決法、重心算法，本文采用重心法。表4-1模糊控制規(guī)則4.2仿真結(jié)果4.2.1路面為正弦激勵本文主要討論的是當路面為正弦激勵時的情況，取激振力振幅A=5mm，用Matlab進行仿真后可得出隨著激勵頻率的增大，實施模糊控制后的減振效果圖。圖4-5車身加速度幅值減振圖圖4-6輪胎加速度幅值減振圖圖4-7車身位移幅值減振圖圖4-8車身位移幅值減振圖控制前控制后衰減率車體加速度42.63%車輪加速度36.94%車身變形0.017mm0.011mm35.29%輪胎變形0.018mm0.013mm27.78%表4-2控制前后響應(yīng)對照表由此可以看出，在f=3～5HZ附近，車、輪的加速度及變形幅值的減振效果最明顯。表4-1為f=4HZ時的控制結(jié)果比較，采用模糊控制后車身的加速度減小了42.63%，車輪加速度減小了36.94%，車身和輪的變形幅值也有25~35%不同程度的降低。因此，經(jīng)模糊控制后大大減弱了懸架的共振效應(yīng)，從而使懸架的舒適性得到了明顯改善。4.2.2路面為隨機激勵汽車在行駛時，受到的激勵源有很多種，如行駛中的慣性力（轉(zhuǎn)彎時的離心慣性力、制動時的慣性力等）、空氣動力以及路面不平的激勵，這些激勵都是不確定的，具有很大的隨機性。本文主要討論路面不平激勵引起的隨機振動，下面介紹路面的隨機特性。4.2.2由ISO/TC108/SC2N67中提出的“路面不平度表示方法草案”，路面功率譜密度用下式作為擬合表達式：（4-1）式中：)(—路面不平度系數(shù),即在參考空間頻率下的路面譜值,單位是；W—頻率指數(shù),為雙對數(shù)坐標上斜線的頻率,它決定路面譜的頻率結(jié)構(gòu)；n—空間頻率，它是波長λ的倒數(shù)，表示每米長度中包括幾個波長，單位為；0n—參考空間頻率,。按路面功率譜密度把路面按不平度分為8級,下表規(guī)定了各級路面不平多系數(shù)的范圍極其集合平均值,分級路面譜的頻率指數(shù)W=2.標上還列出了范圍路面不平度的響應(yīng)的均方根值。表4-3表面不平度分級標準路面譜隨空間頻率n提高或波長λ減小而變小，當W=2時,與成正比,又與不平度幅值的平方成正比，所以不平度幅值大致與波長λ成正比。據(jù)統(tǒng)計，我國公路路面譜基本上在ABC三級范圍之內(nèi)，且比較差的BC級路面占的比重較大，故在進行仿真計算時一般選取C級路面作為輸入。上述路面功率譜指的是垂直位移功率譜，還可以采用不平度函數(shù)Q(I)對縱向長度I的一階導(dǎo)數(shù)即速度功率譜和二階導(dǎo)數(shù)加速度功率譜來補充路面不平度的統(tǒng)計特性；與的關(guān)系如下:(4-2)當頻率指數(shù)W=2時上式進一步表示為：?？梢钥闯?，此時路面速度公路譜幅值在整個頻率范圍內(nèi)為一個常數(shù)，即為一“白噪聲”，幅值大小只與不平度系數(shù)有關(guān)，通常用“白噪聲”路面模型進行分析計算。為了求出懸架在不同路面下的動態(tài)響應(yīng)及方便分析計算，需把空間頻率函數(shù)轉(zhuǎn)換成時間頻率函數(shù)，設(shè)車速為v，則時間與空間頻譜存在如下關(guān)系f=vn，f為時間頻率，單位為Hz則時間頻率帶寬Δf與相應(yīng)空間頻率帶寬Δn的關(guān)系為：Δf=vΔn。功率譜密度的物理意思是單位頻帶內(nèi)的“功率”（均方值），故空間頻率譜密度可以表示為式中：——路面譜在頻帶Δn相應(yīng)的時間頻帶Δf內(nèi)包含的不平度垂直位移諧量成分相同，其“功率”仍為，因此換算的時間頻率普度可以表示為最后可得到與的換算式:,W=2時，有,(4-3)故時間頻率的不平度垂直速度的譜密度(單位為)與位移譜密度的關(guān)系式表示為， （4-4）由此可看出不平度垂直速度時間頻率譜密度只與路面等級和車速有關(guān)。為了分析研究懸架時域的動態(tài)特性，還要把頻域內(nèi)的統(tǒng)計特性轉(zhuǎn)化為時域內(nèi)的時間序列。路面垂直速度功率譜由式（4-5）表示，于是可以通過對路面譜密度為的白噪聲進行積分產(chǎn)生路面輪廓。對于C級路面，由表取路面不平度系數(shù)，假設(shè)汽車行駛速度為v=20m/s,則可得出由積分器生成的路面輪廓。圖4-9隨機路面仿真圖4.2.2根據(jù)C級路面下的路面不平度系數(shù)及一定的車速，由生成的路面輪廓可得出隨機路面激勵下車、輪的響應(yīng)圖。從圖4-10~4-14可以看出，在隨機路面激勵下，經(jīng)模糊控制后車身及輪胎的加速度明顯降低，而車身加速度功率譜值從減小到了，從而大大提高了行駛的舒適性；另外，懸架的動撓度也有大幅度的改善，最大降幅達50%以上，提高了車體的行駛的安全性。圖4-10控制前的車身加速度功率譜圖4-11控制后的車身加速度功率譜圖4-12車身加速度響應(yīng)圖圖4-13輪胎加速度響應(yīng)圖圖4-14懸架動撓度響應(yīng)圖4.3本章小結(jié)1．介紹了模糊控制策略的控制原理、如何設(shè)計模糊控制器。2．在路面正弦位移激勵下，采用模糊控制策略后，無論是車體輪胎的加速度還是懸架的動撓度，都有大幅度的下降；大大提高了車輛行駛的舒適性。3．介紹了路面不平度系數(shù)的計算方法，在隨機激勵下采用模糊控制后，同樣取得良好的減振效果；使懸架動撓度和加速度功率譜的降幅都到達了50%，提高了車體的行駛的安全性。第5章全文總結(jié)汽車懸架系統(tǒng)是汽車的重要組成部分，它影響著乘坐的舒適性、行使的平順性和穩(wěn)定性，為了使這三項指標達到最佳，有必要研究影響汽車懸架的各個參數(shù)是如何作用的。另外現(xiàn)代汽車在技術(shù)上越來越注重智能控制的采用，所以設(shè)計出合理高效的智能控制策略，可以大大提高汽車行駛的各項性能指標。本文基于標致307主動懸架的動力學(xué)特性研究，主要做了以下工作:1.用matlab對建立的力學(xué)模型求解，并通過對相頻圖的對比從理論上探求影響汽車行駛平穩(wěn)性和舒適性的因素，從而盡可能使對立的兩方面性能都能最大優(yōu)化。2.采用模糊控制策略對該主動懸架系統(tǒng)進行作用，仿真結(jié)果表明，采用智能控制后懸架的加速度、輪胎的動載荷和懸架的動撓度均大幅降低，從而提高了汽車的乘坐舒適性、行使的安全性和穩(wěn)定性。證明主動懸架在現(xiàn)代汽車控制工程中是可行的，有很好的應(yīng)用價值和廣闊的前景。3.介紹了在不同路面激勵作用下怎樣達到良好得減震效果。致謝這次畢業(yè)設(shè)計在徐景滿老師的細心指導(dǎo)下，在學(xué)校規(guī)定的時間內(nèi)完成。為此對徐老師的指導(dǎo)表示衷心的感謝！徐老師指導(dǎo)及時，輔導(dǎo)到位，但由于本人的水平有限，所以本設(shè)計還有很多不盡人意的地方。四年的大學(xué)生活即將畫上句號，在這里對四年來給予我指導(dǎo)和幫助老師們和一直鼓勵我的同學(xué)們表示真誠的謝意。感謝我的爸爸媽媽，焉得諼草，言樹之背，養(yǎng)育之恩，無以回報，你們永遠健康快樂是我最大的心愿。在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長、同學(xué)、朋友給了我無言的幫助，在這里請接受我誠摯謝意！同時也感謝學(xué)院為我提供良好的做畢業(yè)設(shè)計的環(huán)境。最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計中被我引用或參考的論著的作者。參考文獻[1]SunwooM,CheokKaC.Investigationofadaptivecontrolapproachesforvehicleactivesuspensionsystems.In:ProceedingsoftheAmericanControlConference,1991,1542－1547.[2]HacA.OptimalLinearPreviewControlofActiveVehiclesuspension.VehicleSystemDynamics,1992,(21):167-195.[3]HuismanRGM.PreviewEstimationandControlfor(Semi-)activeSuspension.VehicleSystemDyanmics,1993,(22):335-346.[4]M.B.A.Abdelhady.AFuzzyControllerforAutomotiveActiveSuspensionSystems．SAE,2003(1):1417.[5]M.V.CRao,V.Prahlad．Atunablefuzzylogiccontrollerforvehicle-activesuspensionsystemsFuzzySetsandSystems1997(85):11-21.[6]FernandoJ.D'Amato,DanielE.Viassolo．FuzzycontrolforactivesuspensionsMechatronics，2000(10):897-920.[7]王沫然.MATLAB與科學(xué)計算.北京：電子工業(yè)出版社，2003.9：1-9.[8]余志生.汽車理論.北京：機械工業(yè)出版社，2002：173-177.[9]李栓成，王天穎.現(xiàn)代轎車電控懸架的結(jié)構(gòu)原理和檢修.北京：北京理工大學(xué)出版社，1998.8：5-10.[10]鄭阿奇.matlab實用教程.北京：電子工業(yè)出版社，2004.5:202-204.[11]王國麗，顧亮，孫逢春.車輛主動懸架技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢.兵工學(xué)報，2000，（8）：21。[12]董波.主動懸架最優(yōu)控制整車模型的研究.汽車工程，2002，24（5）：422-425.[13]郭應(yīng)征，李兆霞.應(yīng)用力學(xué)應(yīng)用動力學(xué).高等教育出版社，2000-8:231-325.[14]模糊控制/view/87377.html?wtp=tt[15]張化光.智能控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2005.2第一版P30~35[16]張化光.智能控制基礎(chǔ)理論及應(yīng)用.北京：機械工業(yè)出版社，2005.2第一版P38~43[17]尚玖，梅鳳翔.Gauss白噪音與非Gauss白噪音.力學(xué)與實踐2002，24（6）：47~50附錄>>clear>>TSPAN=[0:0.01:500];>>Y0=[0.0001,0.0001,0.00001,0.00001];>>[t,y]=ode45(weifen,TSPAN,Y0];>>figure(1)；>>plot(y(:,1),'r',y(:,3),'g');functiondydt=weifen(t,y);ms=24;mu=30;ks=200000;kt=200000;c0=160000;dydt=zeros(4,1);dydt(1)=y(2);dydt(2)=((-1)*ks*(y(1)-y(3))-c0*(y(2)-y(4)))/ms;dydt(3)=y(4);dydt(4)=(ks*(y(1)-y(3))+c0*(y(2)-y(4))-kt*(y(1)-0.02*sin(4*t)))/mu;closeallclearalla=newfis('fuzzf');f1=1;a=addvar(a,'input','e',[-3*f1,3*f1]);a=addmf(a,'input',1,'NB','zmf',[-3*f1,-1*f1]);a=addmf(a,'input',1,'NM','trimf',[-3*f1,-2*f1,0]);a=addmf(a,'input',1,'NS','trimf',[-3*f1,-1*f1,1*f1]);a=addmf(a,'input',1,'Z','trimf',[-2*f1,0,2*f1]);a=addmf(a,'input',1,'PS','trimf',[-1*f1,1*f1,3*f1]);a=addmf(a,'input',1,'PM','trimf',[0,2*f1,3*f1]);a=addmf(a,'input',1,'PB','smf',[1*f1,3*f1]);f2=1;a=addvar(a,'input','ec',[-3*f2,3*f2]);a=addmf(a,'input',2,'NB','zmf',[-3*f2,-1*f2]);a=addmf(a,'in