基于2自由度模型的汽车半主动悬挂系统设计.doc

基于二自由度模型的汽车半主动悬挂系统设计 作者：侯书毅 指导老师：宋 宇 （安徽农业大学工学院 04级机械设计制造及其自动化 合肥 230036） 摘要：汽车悬架系统性能的优劣直接影响汽车的乘坐舒适性和操纵安全性。传统的被动悬架由于其参数固定不变，而悬架性能不够理想；主动悬架虽性能较好，但是需要消耗过多的能源，都没有被广泛应用，近年来半主动悬架因其不需要过多的能源，且其性能也接近于主动悬架，因此半主动悬架的发展前景有待看好。对于汽车半主动悬架系统的建模，分别以阶跃函数和白噪声为输入并进行PID控制，利用matlab语言强大的算法能力对其编制仿真控制软件，并在simulink环境下对汽车1/4半主动悬架模型进行计算机仿真，仿真结果表明，此算法设计的PID控制器有良好的性能指标。 关键词：PID；控制器；Matlab;半主动悬架 1 引言 汽车自19世纪末诞生至今100余年期间，汽车工业从无到有，以惊人的速度发展，写下了人类近代文明的重要篇章。汽车是数量最多、最普及、活动范围最广泛、运输量最大的重要的现代化陆地交通工具。可以断言，没有哪种机械产品像汽车那样对人类社会产生如此广泛而深远的影响。随着制造工艺的不断发展，汽车的外形越来越流线化，速度也在不断上升。但是人们对汽车的要求并不只限于这些，人们对汽车的乘坐舒适性提出了更高的要求。汽车的悬架设计的好坏直接影响到汽车行驶的平顺性、驾驶的舒适性、行驶的安全性等，其中，舒适性是轿车最重要的使用性能之一。舒适性与车身的固有振动特性有关，而车身的固有振动特性又与悬架的特性相关。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架(或车身)与车轴(或车轮)之间作连接的传力机件，又是保证汽车行驶安全的重要部件。因此，汽车悬架往往列为重要部件编入轿车的技术规格表，作为衡量轿车质量的指标之一。从控制力学角度将过去的常规悬架称为被动悬架,被动悬架性能逐渐满足不了人们的需要，随着科学的发展以及社会的进步，最近在汽车工业相续出现性能更加优越的主动悬架和半主动悬架，其中主动悬架耗能较大，而半主动悬架又以低能耗和结构简单，将会被看好，并且已经受到了不少汽车生产厂家以及汽车设计师们的青睐。 2 悬架简介 2.1 悬架概念及分类 悬架是车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称。它的功用是把路面作用于车轮上的垂直反力（支撑力）、纵向反力（驱动力和制动力）和侧向反力以及这些反力所造成的力矩传递到车架（或承载式车身）上，以保证汽车的正常行驶。 图1奇瑞A5的悬架 图1为奇瑞A5车型上的悬架，我们看到此悬架结构还是比较简洁的，现代汽车上普遍采用具有弹性元件和减振器组成的常规悬架，这种悬架受到很多限制，即使采用优化方法来设计只能把其性能提高到一定程度。为克服常规悬架对其性能改进的限制，悬架又被被动悬架，半主动悬架，主动悬架之分。 (1)被动悬架 一般主要由弹簧阻尼器构造，其中弹簧主要用来支持簧上质量，而阻尼器主要用来消耗系统的能量而起减振的作用。 (2)半主动悬架 在半主动悬架系统中，力发生器被一个阻尼系数能在大范围内调节的阻尼器代替，。半主动悬架的可调阻尼器在其力的产生方面类似于被动悬架的阻尼器，但其阻尼器能根据簧上质量的速度响应等反馈信号，并按照一定的控制规律而瞬态变动，其减振效果有类似与主动悬架。 (3)主动悬架 由弹性元件和一个力发生器组成。其中力发生器根据车身的速度响应等反馈信号按照一定的控制规律产生力。它的作用在于改进系统的能量消耗和供给系统能量。 2.2 三种悬架的性能比较 在主动悬架和半主动悬架中，力发生器和可调阻尼器的力的产生能根据汽车的行驶状态和环境条件而变化，它们仅仅受限于所设计的控制律。因而主动悬架和半主动悬架的设计比被动悬架的设计具有更大的能动性，其性能比被动悬架优越的多。 虽然主动悬架和半主动悬架都能改善在不同路面行驶车辆的平顺性，但是由于主动控制器结构复杂、控制能耗大、可靠性差相对而言，半主动悬架是在传统被动悬架基础上通过一定的控制逻辑，调节阻尼器的进出油阀门来改变阻尼力。当阻尼力加剧振动时，打开出油阀门，使得阻尼力降至最小，而当阻尼力减小振动时，关闭出油阀门，使得阻尼力增至最大。显然这种悬架的控制结构简单，可靠性好，所需控制能量只是用来开关阀门，因而比主动悬架具有更高的应用前景。 汽车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。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。特别是近年来随着相关学科和高新技术的发展，研究实用的半主动和主动悬架控制系统得到了广泛重视。主动悬架控制系统由于其造价昂贵，需要额外的控制功率等原因，限制了它的广泛应用，而半主动悬架控制系统已