二自由度振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單主動(dòng)控制【開(kāi)題報(bào)告+文獻(xiàn)綜述+畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　二自由度振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單主動(dòng)控制</p><p>　　一、選題的背景與意義</p><p>　　振動(dòng)控制是振動(dòng)工程領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)重要分支，可分為被動(dòng)控制與主動(dòng)控制兩類。被動(dòng)控制由于不需外界能源，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

2、，許多場(chǎng)合下減振效果與可靠性較好，已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用。但隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，以及人們對(duì)振動(dòng)環(huán)境、產(chǎn)品與結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性越來(lái)越高的要求，被動(dòng)控制已難以滿足要求。</p><p>　　本文將通過(guò)對(duì)車輛的振動(dòng)特性進(jìn)行分析，建立二自由度分析模型，選取適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單的控制方法，對(duì)其進(jìn)行控制，使之平順性更好。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容與擬解決的主要問(wèn)題</p><p>　　

3、2.1　研究的基本內(nèi)容</p><p>　?。?）了解車輛平順性和控制理論的相關(guān)背景知識(shí)；</p><p>　　（2）建立二自由度系統(tǒng)，能夠進(jìn)行仿真分析；</p><p>　?。?）在模型中建立作動(dòng)器，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)；</p><p>　?。?）對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，分析控制前后模型的加速度均方根值的變化；</p><p&g

4、t;　　2.2　擬解決的主要問(wèn)題</p><p>　　對(duì)二自由度振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬并對(duì)其動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究，并加入控制系統(tǒng)，根據(jù)振動(dòng)控制系統(tǒng)仿真結(jié)果，控制能達(dá)到良好的隔振效果。</p><p>　　三、研究的方法與技術(shù)路線</p><p>　　本課題的技術(shù)路線主要是通過(guò)分別建立1/4車輛振動(dòng)系統(tǒng)的被動(dòng)和主動(dòng)懸架，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真，最后通過(guò)對(duì)比來(lái)說(shuō)明主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架

5、對(duì)于車輛的減震效果的差異。課題的技術(shù)路線如下：</p><p>　　圖3-1 技術(shù)路線圖</p><p>　　四、研究的總體安排與進(jìn)度</p><p>　　（1）了解車輛平順性和控制理論的相關(guān)背景知識(shí)（1周）；</p><p>　?。?）建立二自由度系統(tǒng)，能夠進(jìn)行仿真分析；（3周）；</p><p>　?。?）在模型中

6、建立作動(dòng)器，對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)；（4周）</p><p>　?。?）對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，分析控制前后模型的加速度均方根值的變化（2周）；</p><p>　?。?）整理、撰寫畢業(yè)論文（2周）。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 馮崇毅．汽車電子控制技術(shù)[M]，北京：人民交通出版社，20

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10、軍方，等．利用MATLAB的汽車主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)仿真[J]，山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2003．17(6)：21-25．</p><p>　　[11] Mariano Febbo and Sergio A．Vera．Dynamic characteristics of 1 and 2 degrees-of-freedom systems acting as dynamic vibration absorbers on co

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12、67-384．</p><p><b>　　畢業(yè)論文文獻(xiàn)綜述</b></p><p>　　機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　二自由度振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單主動(dòng)控制</p><p>　　摘要：為了改善車輛的平順性，本文建立了車輛的二自由度振動(dòng)模型。并闡述了振動(dòng)主動(dòng)控制中主要控制方法和策略及應(yīng)用中存在的問(wèn)題。同時(shí)，介紹了國(guó)

13、內(nèi)的部分學(xué)者對(duì)振動(dòng)主動(dòng)控制方面的研究。最后，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的總結(jié)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：二自由度 振動(dòng) 主動(dòng)控制</p><p><b>　　1、引言</b></p><p>　　振動(dòng)主動(dòng)控制主要應(yīng)用主動(dòng)閉環(huán)控制，其基本思想是通過(guò)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)狀態(tài)或輸出反饋，產(chǎn)生一定的控制作用來(lái)主動(dòng)改變被控制結(jié)構(gòu)的閉環(huán)零、極點(diǎn)配置或結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而

14、使系統(tǒng)滿足預(yù)定的動(dòng)態(tài)特性要求?？刂埔?guī)律的設(shè)計(jì)幾乎涉及到控制理論的所有分支，如極點(diǎn)配置、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、魯棒控制、智能控制以及遺傳算法等。本材料主要參考了《振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的研究進(jìn)展》、《基于MATLAB的自整定模糊PID控制系統(tǒng)》等論文的相關(guān)方法。</p><p>　　2、1/4單輪車輛模型</p><p>　　它是由車身質(zhì)量ms、車輪質(zhì)量mt、懸架彈簧剛度ks、車輪剛度系數(shù)kt、作

15、動(dòng)器組成。其中，xg路面位移，Xb車身位移，Xw車輪位移。</p><p><b>　　3、控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介</b></p><p>　　3.1　獨(dú)立模態(tài)空間法</p><p>　　獨(dú)立模態(tài)空間法的基本思想是利用模態(tài)坐標(biāo)變換把整個(gè)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)控制轉(zhuǎn)化為對(duì)各階主模態(tài)控制，目的在于直接改變結(jié)構(gòu)的特定振型和剛度。這種方法直觀簡(jiǎn)便，充分利用模態(tài)分析技術(shù)的特點(diǎn)

16、，但先決條件是被控系統(tǒng)完全可控和可觀，且必須預(yù)先知道應(yīng)該控制的特定模態(tài)。</p><p><b>　　3.2　極點(diǎn)配置法</b></p><p>　　極點(diǎn)配置法也稱特征結(jié)構(gòu)配置，包括特征值配置和特征向量配置兩部分。系統(tǒng)的特征值決定系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，特征向量影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。根據(jù)對(duì)被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求，確定系統(tǒng)的特征值與特征向量的分布，通過(guò)反饋或輸出反饋來(lái)改變極點(diǎn)位置，

17、從而實(shí)現(xiàn)規(guī)定要求。</p><p><b>　　3.3　最優(yōu)控制</b></p><p>　　最優(yōu)控制方法就是利用極值原理、最優(yōu)濾波或動(dòng)態(tài)規(guī)劃等最優(yōu)化方法來(lái)求解結(jié)構(gòu)振動(dòng)最優(yōu)控制輸入的一種設(shè)計(jì)方法。由于最優(yōu)控制規(guī)律是建立在系統(tǒng)理想數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上的，而實(shí)際結(jié)構(gòu)控制中往往采用降階模型且存在多種約束條件，因此基于最優(yōu)控制規(guī)律設(shè)計(jì)的控制器作用于實(shí)際的受控結(jié)構(gòu)時(shí)，大都只能實(shí)現(xiàn)次

18、最優(yōu)控制。</p><p><b>　　3.4　自適應(yīng)控制</b></p><p>　　自適應(yīng)控制主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)及參數(shù)具有嚴(yán)重不確定性的振動(dòng)系統(tǒng)，大致可分為自適應(yīng)前饋控制、自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制三類。自適應(yīng)前饋控制通常假定干擾源可測(cè)；自校正控制是一種將受控結(jié)構(gòu)參數(shù)在線辯識(shí)與受控器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方式；而模型參考自適應(yīng)控制是由自適應(yīng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)受控制結(jié)構(gòu)，使受控

19、結(jié)構(gòu)的輸出跟蹤參考模型的輸出。</p><p><b>　　3.5　魯棒控制</b></p><p>　　雖然自適應(yīng)控制可用于具有不確定性振動(dòng)系統(tǒng)，但自適應(yīng)控制本身并不具備強(qiáng)的魯棒性。魯棒控制設(shè)計(jì)選擇線性反饋律，使得閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于擾動(dòng)具有一定的抗干擾能力。</p><p><b>　　3.6　智能控制</b><

20、/p><p>　　智能控制理論的產(chǎn)生與發(fā)展為振動(dòng)主動(dòng)控制帶來(lái)了新的活力。模糊控制作為智能控制的一個(gè)重要分支，它不僅能提供系統(tǒng)的客觀信息，而且可將人類的主觀經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)納入控制系統(tǒng)，為解決不易或無(wú)法建模的復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題提供了有力的手段。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是指利用工程技術(shù)手段模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和功能的一種技術(shù)系統(tǒng)，是一種大規(guī)模并行的非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以對(duì)信息的分布式存儲(chǔ)和并行處理為基礎(chǔ)，它具有自組織、自學(xué)習(xí)功能，對(duì)

21、于非線性具有很強(qiáng)的逼近能力。</p><p><b>　　4、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　王加春，李旦，董申[]研究了振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的應(yīng)用。整機(jī)的振動(dòng)主動(dòng)控制和轉(zhuǎn)子的振動(dòng)主動(dòng)控制是該領(lǐng)域的兩個(gè)主要方面。在簡(jiǎn)單介紹振動(dòng)主動(dòng)控制原理和常用的傳感器與作動(dòng)器的基礎(chǔ)上，概述了整機(jī)振動(dòng)主動(dòng)控制的發(fā)展情況，較系統(tǒng)地總結(jié)了轉(zhuǎn)子常用的控制技術(shù)，并綜述了主

22、動(dòng)控制常用的控制方法，同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了振動(dòng)主動(dòng)控制在機(jī)械工程領(lǐng)域其他方面的應(yīng)用情況。對(duì)微幅振動(dòng)主動(dòng)控制亦作了介紹。最后，對(duì)振動(dòng)主動(dòng)控制的發(fā)展作了簡(jiǎn)短評(píng)述和展望。</p><p>　　藺玉輝，靳曉雄，肖勇[]研究了振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀作了簡(jiǎn)要評(píng)述，介紹了主動(dòng)控制技術(shù)中常用傳感器和作動(dòng)器以及其應(yīng)用情況， 闡述了振動(dòng)主動(dòng)控制中主要控制方法和策略及應(yīng)用中存在的問(wèn)題， 并提出了振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。</p&

23、gt;<p>　　沈承，黃光宏，曹世宏，李源[]研究PID控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)技巧。研究指出PID控制器參數(shù)調(diào)節(jié)的方法很多，概括起來(lái)有兩大類：一是理論計(jì)算法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算來(lái)確定控制器參數(shù)，這種方法可能會(huì)由于系統(tǒng)模型的不精確性使得所得到的PID參數(shù)不能直接應(yīng)用，還必須通過(guò)工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改；二是工程方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)， 直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，該方法簡(jiǎn)單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采

24、用。</p><p>　　耿瑞[]研究基于MATLAB的自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真。其原理為在傳統(tǒng)PID控制的基礎(chǔ)上，將控制規(guī)則的條件和操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關(guān)信息(如評(píng)價(jià)指標(biāo)、初始PID參數(shù)等)作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫(kù)中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整。研究指出，模糊自調(diào)整PID突破了傳統(tǒng)方法需要編制大量程序的做法。用模糊推理

25、的方法在動(dòng)態(tài)過(guò)程中改變PID的參數(shù)，能夠發(fā)揮兩種控制方式的優(yōu)點(diǎn)，克服兩者的缺點(diǎn)，提高控制質(zhì)量。</p><p>　　王轔，張科[]研究基于MATLAB的自整定模糊PID控制系統(tǒng)。研究針對(duì)常規(guī)PID控制器參數(shù)整定不良、適應(yīng)性差、控制精度不理想的現(xiàn)狀，提出了動(dòng)態(tài)過(guò)程中參數(shù)自動(dòng)整定的模糊PID控制系統(tǒng)。并利用MATLAB的SUMLINK工具箱，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明模糊PID控制魯棒性好、控制精度提高。<

26、;/p><p>　　衛(wèi)明社，李國(guó)勇[]研究基于可編程控制器的PID控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)?？删幊炭刂破魇钱?dāng)代工業(yè)自動(dòng)化的三大支柱(包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與加工、機(jī)器人和可編程控制器) 之一。在其產(chǎn)生初期，主要用于邏輯控制的場(chǎng)合；而如今已進(jìn)入包括過(guò)程控制、位置控制等場(chǎng)合的控制領(lǐng)域。針對(duì)可編程控制器的發(fā)展現(xiàn)狀，他們研究了一種利用西門子公司的S7-300系列PLC的編程軟件STEP 7 及組態(tài)軟件WinCC開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)PID控制的方法，結(jié)

27、果表明該方法操作方便，畫面直觀，且可靠性高。</p><p>　　李秀娟，甄冒發(fā)[]研究基于虛擬儀器技術(shù)在PID控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。他們以NI公司生產(chǎn)的M系列數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221為硬件，以LAB VIEW 7．1軟件為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)出具有實(shí)時(shí)溫度信號(hào)控制的系統(tǒng)。系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有界面友好，測(cè)量控制精度高、工作安全可靠、易于操作等特點(diǎn)。</p><p>　　續(xù)欣瑩，謝琚，謝克明

28、[]針對(duì)傳統(tǒng)二自由度PID控制中用Ziegler—Nichols穩(wěn)定邊界法整定干擾抑制參數(shù)K，Kl，K0，其對(duì)外界擾動(dòng)敏感性較強(qiáng)，難以達(dá)到系統(tǒng)控制要求這一問(wèn)題，給出了一種基于模糊邏輯的二自由度PID 的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用模糊邏輯算法對(duì)KP，Kl，K0三參數(shù)進(jìn)行整定，較好地改善了系統(tǒng)的抗干擾性能。仿真結(jié)果表明該控制器具有良好的干擾抑制特性和設(shè)定值跟蹤特性。</p><p>　　楊麗娟[]根據(jù)目標(biāo)值濾波器型二自由度PID控制

29、器，提出一種新型二自由度PID控制器。實(shí)驗(yàn)表明該算法使用可靠、精度高，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力和魯棒性，可大大提高系統(tǒng)的控制品質(zhì)。</p><p>　　王加春，李旦，董申[]振動(dòng)是影響超精密加工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一，而耀扳的橫向振動(dòng)將通過(guò)刀架直接影響被加工工件的表面質(zhì)量。為此，本文提出了耀扳的振動(dòng)主動(dòng)控制。作動(dòng)器采用自行研制的主動(dòng)空氣軸承作動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦接觸，從而實(shí)現(xiàn)溜扳縱向運(yùn)動(dòng)中的橫向振動(dòng)控制 控制采用模糊。

30、PID控制，誤差太時(shí)。采用模糊控制；誤差小時(shí)，采用PID控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于主動(dòng)空氣軸承的模糊-PID控制可以有效地減小溜扳振動(dòng)。</p><p>　　同時(shí)，Mariano Febbo，Sergio A． Vera[]，Rabih Alkhatib，M． F． Golnaraghi[]等也進(jìn)行了這一方面類似的研究。</p><p><b>　　5、發(fā)展趨勢(shì)</b>

31、</p><p>　　雖然主動(dòng)控制懸架系統(tǒng)已應(yīng)用于實(shí)車，但其市場(chǎng)普及依然存在很大困難，這主要有兩個(gè)方面的原因：一是成本太高；二是能量消耗過(guò)大。因此目前僅限于裝載在排量較大的一些高檔車型上。為解決上述問(wèn)題，應(yīng)著重進(jìn)行兩方面的研究：</p><p>　　(1) 對(duì)主動(dòng)懸架、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)和防抱死等系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合控制。聯(lián)合控制涉及到車輛動(dòng)力學(xué)的各個(gè)方面和環(huán)節(jié)，需要對(duì)車輛的全部狀態(tài)和控制目標(biāo)作總體考慮和

32、最優(yōu)的權(quán)衡策略。而大規(guī)模聯(lián)合控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，不僅使系統(tǒng)對(duì)傳感器、油壓源、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，將使汽車的動(dòng)態(tài)性能得到更大的改善。</p><p>　　(2) 由于主動(dòng)懸架需要消耗發(fā)動(dòng)機(jī)的一部分功率， 因此如何減少系統(tǒng)的功率消耗，也是一個(gè)值得研究的問(wèn)題。應(yīng)從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面研究了可吸收、存儲(chǔ)振動(dòng)能量，并用于懸架控制的新型系統(tǒng)。該系統(tǒng)由能力轉(zhuǎn)換器、能量管理設(shè)備、能量?jī)?chǔ)存單元

33、以及控制和測(cè)量設(shè)備構(gòu)成。在需要消耗懸架振動(dòng)能量的時(shí)候， 將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)；在需要向系統(tǒng)輸入能量時(shí)再將其釋放到系統(tǒng)中?？紤]到車輛節(jié)能的重大意義，對(duì)懸架系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換及再利用的原理和機(jī)構(gòu)的研究，也將成為今后主動(dòng)懸架技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。</p><p><b>　　6、小結(jié)</b></p><p>　　在研究了各種主動(dòng)控制方法后，得出各種控制方法有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)主動(dòng)控制下

34、的隔振效果，經(jīng)比較分析得出如下結(jié)論：被動(dòng)控制雖然對(duì)環(huán)境微振動(dòng)干擾能進(jìn)行有效的抑制，但對(duì)直接作用在裝置的干擾力不能進(jìn)行有效的隔離，只能采用主動(dòng)振動(dòng)控制才能達(dá)到對(duì)裝置的隔振要求。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王加春，李旦，董申．機(jī)械振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展綜述[J]，機(jī)械強(qiáng)度，2001，23 (2)：156-160．&

35、lt;/p><p>　　[2] 藺玉輝，靳曉雄，肖勇．振動(dòng)主動(dòng)控制技術(shù)的研究進(jìn)展[J]，上海汽車，2006，7：29-31</p><p>　　[3] 沈承，黃光宏，曹世宏，李源．PID控制系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)節(jié)技巧[J]，機(jī)械工程與自動(dòng)化，</p><p>　　2008．8(4)：155-158．</p><p>　　[4] 耿瑞．基于MATLAB的自

36、適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真[J]，信息技術(shù)，2007．(4)：43-46．</p><p>　　[5] 王轔，張科．基于MATLAB的自整定模糊PID控制系統(tǒng)[J]，探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2008．</p><p>　　4(30)：73-76．</p><p>　　[6] 衛(wèi)明社，李國(guó)勇．基于可編程控制器的PID控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J]，電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2009，2(3

37、1)：43-45</p><p>　　[7] 李秀娟，甄冒發(fā)．基于虛擬儀器技術(shù)在PID控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]，測(cè)控技術(shù)，2007．</p><p>　　(36)：49-51．</p><p>　　[8] 續(xù)欣瑩，謝琚，謝克明．一種基于模糊邏輯的二自由度PID的實(shí)現(xiàn)[J]，太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004．35(5)：520-524．</p><p>

38、;　　[9] 楊麗娟，一種改進(jìn)的二自由度PID控制器[J]，工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置，2003．(4)： 14-15．</p><p>　　[10] 王加春，李旦，董申．超精密機(jī)床溜板的模糊-PID振動(dòng)主動(dòng)控制研究[J]，2001．1：</p><p><b>　　57-60．</b></p><p>　　[11] Mariano Febbo an

39、d Sergio A． Vera． DYNAMIC CHARACTERISTICS OF 1 AND 2 DEGREES-OF-FREEDOM SYSTEMS ACTING AS DYNAMIC VIBRATION ABSORBERS ON CONTINUUM SYSTEMS[J]，Mecánica Computacional Vol XXIX，2010：747-765．</p><p>　　[12]

40、Rabih Alkhatib and M． F． Golnaraghi，Active Structural Vibration Control：A Review[J]，The Shock and Vibration Digest，2003．35：367-384．</p><p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　　（20 屆）&l

41、t;/b></p><p>　　二自由度振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單主動(dòng)控制</p><p><b>　　摘　要</b></p><p>　　摘要：為了提高汽車乘坐的操縱安全性和舒適性，一般主要是通過(guò)對(duì)懸架性能的提高來(lái)得以實(shí)現(xiàn)。懸架就是車架與車輪之間連接裝置的總稱。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架由于其參數(shù)固定不變，因此，傳統(tǒng)的懸架性能不夠理想。而簡(jiǎn)單的主動(dòng)懸架能夠通過(guò)

42、作動(dòng)器來(lái)輸出相應(yīng)的力，以降低汽車振動(dòng)的性能較好。本文主要通過(guò)汽車振動(dòng)系統(tǒng)的被動(dòng)懸架和簡(jiǎn)單的主動(dòng)懸架的建模對(duì)比，來(lái)說(shuō)明簡(jiǎn)單的主動(dòng)懸架對(duì)改善汽車的操縱安全性和舒適性起到了積極的改善的作用。在簡(jiǎn)單的主動(dòng)懸架中，以高斯白噪聲為輸入，通過(guò)隨機(jī)線性最優(yōu)控制理論以及主動(dòng)懸架LQG控制器的應(yīng)用，并利用Matlab語(yǔ)言強(qiáng)大的算法能力來(lái)對(duì)其編制仿真控制軟件，并在Simulink環(huán)境下對(duì)1/4汽車振動(dòng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單的主動(dòng)懸架模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，其仿真結(jié)果表明，

43、此算法設(shè)計(jì)的LQG控制器具有良好的性能指標(biāo)。本文通過(guò)主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的比較，可以得出主動(dòng)懸架相對(duì)于被動(dòng)懸架具有更好的調(diào)節(jié)性能，對(duì)于車輛的平順性的改善較大。</p><p>　　關(guān)鍵詞：懸架；二自由度；Matlab\Simulink；LQG控制器。</p><p>　　Abstract：In order to improve the car's handling safety an

44、d riding comfort, general performance mainly through the improvement of the suspension to be realized. Suspension is between the frame and wheel’s linking device. Because of its traditional passive suspension parameters

45、are fixed, while the suspension performance is not ideal. And simple active suspension can use actuators to output corresponding force, and have a good performance to reduce automobile’s shock. Simple and active suspensi

46、on </p><p>　　Key words：Suspension；Two degrees；Matlab/Simulink；LQG controller。 </p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　摘　要12</b></p><p>　　Two degrees o

47、f vibration system’s simple active control錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　目　錄14</b></p><p><b>　　1序言15</b></p><p>　　1.1選題的目的15</p><p>　　1.2懸架概念及分類15&

48、lt;/p><p>　　1.2.1被動(dòng)懸架17</p><p>　　1.2.2半主動(dòng)懸架17</p><p>　　1.2.3主動(dòng)懸架17</p><p>　　1.3主動(dòng)懸架的發(fā)展歷史介紹17</p><p>　　1.4選題的意義18</p><p>　　1.5研究?jī)?nèi)容18</p&g

49、t;<p>　　1.6技術(shù)路線18</p><p>　　2汽車振動(dòng)系統(tǒng)中的被動(dòng)懸架19</p><p>　　2.1 被動(dòng)懸架模型的選取20</p><p>　　2.2被動(dòng)懸架系統(tǒng)模型的建立20</p><p>　　2.3Matlab/Simulink簡(jiǎn)介21</p><p>　　2.3.1Ma

50、tlab簡(jiǎn)介21</p><p>　　2.3.2Simulink簡(jiǎn)介22</p><p>　　2.4高斯白噪聲輸入下的仿真及仿真結(jié)果22</p><p>　　3汽車振動(dòng)系統(tǒng)中的主動(dòng)懸架26</p><p>　　3.1主動(dòng)懸架模型的選取26</p><p>　　3.2主動(dòng)懸架模型的建立27</p&g

51、t;<p>　　3.3隨機(jī)線性最優(yōu)控制28</p><p>　　3.4高斯白噪聲輸入下的控制仿真及仿真結(jié)果30</p><p>　　4汽車振動(dòng)系統(tǒng)中的被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架的比較32</p><p>　　4.1Simulink環(huán)境下的被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真框圖33</p><p>　　4.2被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架仿真結(jié)果的對(duì)

52、比分析34</p><p><b>　　5總結(jié)35</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　附錄38</b></p><p><b>　　序言</b></p><p><b

53、>　　選題的目的</b></p><p>　　汽車是數(shù)量最多、活動(dòng)范圍最廣泛、最普及、運(yùn)輸量最大的重要的現(xiàn)代化陸地交通工具?？梢赃@么說(shuō)，至今為止沒(méi)有哪種機(jī)械產(chǎn)品能像汽車那樣對(duì)我們的生活產(chǎn)生如此廣泛而又深遠(yuǎn)的影響。同時(shí)隨著制造工藝的不斷改進(jìn)，汽車的外形越來(lái)越流線化，速度也在不斷提高。然而人們對(duì)汽車的要求并不只僅限于此，人們對(duì)汽車的乘坐舒適性和操縱安全性提出了更高的要求。一般而言，好的汽車的懸架設(shè)計(jì)

54、將會(huì)直接提高汽車駕駛的舒適性、行駛的平順性、行駛的安全性等。同時(shí)，舒適性是汽車最重要的使用性能之一。因?yàn)槭孢m性與車身的固有振動(dòng)特性有關(guān)，而車身的固有振動(dòng)特性又與懸架的性能相關(guān)。[1]所以汽車懸架是保證乘坐舒適性的重要部件。這就是汽車懸架通常被列為重要部件，而編入汽車的技術(shù)規(guī)范表，使其作為衡量汽車質(zhì)量的指標(biāo)之一的原因。</p><p>　　通常而言，我們都從控制力學(xué)的角度，將過(guò)去的常規(guī)懸架稱作被動(dòng)懸架。同時(shí)，隨著當(dāng)

55、今汽車速度的提高以及操縱穩(wěn)定性、平順性等綜合性能高要求，被動(dòng)懸架已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車工業(yè)的發(fā)展的需要。隨著社會(huì)的進(jìn)步和科學(xué)的發(fā)展，最近十幾年來(lái)在汽車工業(yè)領(lǐng)域相繼出現(xiàn)了性能更加優(yōu)越的簡(jiǎn)單主動(dòng)懸架。</p><p>　　1.2懸架概念及分類</p><p>　　懸架就是車架與車輪之間連接裝置的總稱。它的功用就是把路面作用于車輪上的支撐力、驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力以及由這些力所造成的力矩傳遞到車架上，從而

56、來(lái)保證汽車的正常行駛。</p><p>　　現(xiàn)代汽車的懸架雖然有不同的結(jié)構(gòu)形式，但一般都有彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)這三部分組成，如圖1-1所示。彈性元件是使車架與車橋或車輪之間所做的彈性聯(lián)系，在彈性系統(tǒng)受到?jīng)_擊后，將產(chǎn)生相應(yīng)的振動(dòng)。</p><p>　　持續(xù)的振動(dòng)容易是使乘員感到不舒服和疲憊，所以懸架還應(yīng)該具有減振的作用，使振動(dòng)快速衰減，因此，在許多結(jié)構(gòu)型式的汽車懸架中都設(shè)有專門的減振器

57、。</p><p>　　在車輪和車身跳動(dòng)時(shí)，車輪的運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)符合一定的要求，不然的話，汽車的某些性能（如操縱穩(wěn)定型）會(huì)產(chǎn)生不利的影響。因此，懸架中的一些傳力機(jī)構(gòu)還同時(shí)承擔(dān)著使車輪相對(duì)于車架和車身按一定的軌跡跳動(dòng)的任務(wù)，所以，這些傳力機(jī)構(gòu)還起導(dǎo)向作用，故稱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。</p><p>　　由此可以看出這三者分別起著緩沖、減振和導(dǎo)向的作用。</p><p>　　為避免車身

58、在轉(zhuǎn)向等情況下，發(fā)生太大的橫向傾斜，在大部分的汽車上的懸架中還布置了輔助彈性元件----橫向穩(wěn)定器。</p><p>　　1．彈性元件； 2.縱向推力桿；3.減振器；4.橫向穩(wěn)定器；5.橫向推力桿</p><p>　　圖1-1汽車懸架結(jié)構(gòu)示意圖 </p><p>　　同時(shí)，并不是所有的懸架都布置了上述這些裝置不可。比如一般的鋼板彈簧，其除了作為

59、彈性元件起緩沖作用外，當(dāng)它縱向安置在汽車上時(shí)，并且其一端與車架作固定鉸接時(shí)，既可擔(dān)負(fù)起傳遞各個(gè)方向的力和力矩，也決定了車輪運(yùn)動(dòng)軌跡的任務(wù)，所以也就沒(méi)有必要再另外設(shè)置導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。[2]</p><p>　　由此可以看出這三者分別起著緩沖、減振和導(dǎo)向的作用。</p><p>　　此外，懸架可以分為兩大類，即非獨(dú)立懸架和獨(dú)立懸架，如圖1-2所示。</p><p>　　非獨(dú)立

60、懸架的結(jié)構(gòu)特征是兩側(cè)的車輪是由一根整體式車橋相連接，車輪和車橋一起通過(guò)彈性懸架掛在車身下面。</p><p>　　獨(dú)立懸架則是每一側(cè)的車輪單獨(dú)地通過(guò)彈性懸架懸掛在車身的下面。當(dāng)采用獨(dú)立懸架時(shí)，車橋是做成斷開(kāi)的。</p><p>　　非獨(dú)立懸架 獨(dú)立懸架 </p><p>　　圖1-2 非獨(dú)立懸架與獨(dú)立懸架示意圖</p&g

61、t;<p>　　為了加速車身振動(dòng)的衰減，來(lái)改善汽車的行駛的平順性，在大部分汽車的懸架系統(tǒng)內(nèi)部基本上裝有減振器。減振器和彈性元件都是并聯(lián)安裝的。</p><p>　　通常，現(xiàn)代汽車上基本上是采用具有減振器和彈性元件組成的常規(guī)懸架。即使我們采用了優(yōu)化方法來(lái)設(shè)計(jì)懸架，只能把其性能提高到一定程度，因此這種懸架還是受到很多限制。因此，需對(duì)常規(guī)懸架進(jìn)行改進(jìn)。同時(shí)，為了與常規(guī)懸架進(jìn)行比較，我們對(duì)懸架進(jìn)行了分類。懸

62、架主要分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架。[3]</p><p><b>　　1.2.1被動(dòng)懸架</b></p><p>　　被動(dòng)懸架一般主要是由彈簧和阻尼器組成。其中，彈簧主要用來(lái)支持彈簧上的質(zhì)量，而阻尼器主要用來(lái)消耗系統(tǒng)的能量而起到減振的作用。其僅僅是對(duì)行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和車身姿態(tài)控制等設(shè)計(jì)要求的綜合考慮，并取其折中的最優(yōu)。</p><p&

63、gt;　　1.2.2半主動(dòng)懸架</p><p>　　半主動(dòng)懸架一般主要是由阻尼器和彈性元件組成。阻尼器的阻尼系數(shù)能在大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。半主動(dòng)懸架的阻尼器能根據(jù)彈簧上承載質(zhì)量的速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，并按照一定的控制規(guī)律而瞬態(tài)變動(dòng)。其減振效果僅能適應(yīng)較少的車況和路況。</p><p><b>　　1.2.3主動(dòng)懸架</b></p><p>　　主動(dòng)懸

64、架主要是由一個(gè)力發(fā)生器和彈性元件組成。其中力發(fā)生器能根據(jù)車身的速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，來(lái)按照一定的控制規(guī)律產(chǎn)生力，其減振效果能在絕大部分的車況和路況下都能達(dá)到最優(yōu)。主動(dòng)懸架的作用在于對(duì)供給系統(tǒng)能量和系統(tǒng)的能量消耗的改進(jìn)。</p><p>　　1.3主動(dòng)懸架的發(fā)展歷史介紹</p><p>　　二戰(zhàn)后，伴隨著公路交通狀況的不斷發(fā)展，汽車的車速有了很大的提高，被動(dòng)懸架的缺點(diǎn)逐漸成為遏制提高汽車性能的

65、主要瓶頸，因此人們便開(kāi)發(fā)了能兼顧操縱穩(wěn)定和舒適的主動(dòng)懸架。主動(dòng)懸架是在1954年由美國(guó)通用汽車公司在懸架設(shè)計(jì)中率先提出的。主動(dòng)懸架是在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上，增加了可調(diào)節(jié)剛度和阻尼的控制裝置，使汽車的懸架在任何路面上都保持了最佳的運(yùn)行狀態(tài)。控制裝置一般是由測(cè)量系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、能源系統(tǒng)等幾部分系統(tǒng)來(lái)組成。在1980年后，世界上各大著名的汽車公司都競(jìng)相研制開(kāi)發(fā)這種懸架。奔馳、豐田、沃爾沃等都在汽車上進(jìn)行了較為成功的試驗(yàn)。在裝備了主動(dòng)懸架后的汽

66、車，能在不良路面上高速行駛時(shí)，車身能保持非常平穩(wěn)，輪胎的噪音小。而且在轉(zhuǎn)向和制動(dòng)時(shí)，車身同樣能保持水平。其最大的優(yōu)點(diǎn)是乘坐非常舒服，但不同程度存在著成本昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性、能耗高等問(wèn)題。[4]</p><p><b>　　1.4選題的意義</b></p><p>　　伴隨著人們對(duì)提高駕駛舒適性和操縱穩(wěn)定性的高要求以及性能優(yōu)良、成本低廉懸架的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求，這一切為

67、開(kāi)發(fā)性能好的汽車主動(dòng)懸架提供了條件。長(zhǎng)期以來(lái)汽車上使用的由彈簧和阻尼組成的傳統(tǒng)常規(guī)懸架，這種懸架只能在很窄的頻帶內(nèi)具有較好的減振性能。因而人們提出了性能更加優(yōu)越的主動(dòng)懸架和半主動(dòng)懸架。</p><p>　　人們開(kāi)始借助于現(xiàn)代控制理論、傳感器、傳動(dòng)器技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等交叉學(xué)科的發(fā)展，其為自動(dòng)控制理論的汽車主動(dòng)控制懸架的研究奠定了良好基礎(chǔ)。得出了汽車主動(dòng)控制懸架能取得較好的減振效果。</p><p

68、>　　同時(shí)，伴隨著現(xiàn)代機(jī)電液一體化技術(shù)的逐步完善，主動(dòng)控制懸架的設(shè)計(jì)也越來(lái)越受到重視。這將無(wú)疑在很大程度上改善汽車的舒適性，為新一代汽車懸架的研究開(kāi)發(fā)提供了關(guān)鍵技術(shù)。汽車懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)仿真對(duì)于改進(jìn)懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，提高汽車行駛的平順性和安全性都具有非常重要的意義。因此，這個(gè)選題具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。</p><p><b>　　1.5研究?jī)?nèi)容</b></p><

69、;p>　　本文研究的主要內(nèi)容：</p><p>　?。?）1/4車輛振動(dòng)系統(tǒng)的被動(dòng)懸架模型的建立，并通過(guò)Matlab/Simulink進(jìn)行相應(yīng)的仿真。</p><p>　　（2）1/4車輛振動(dòng)系統(tǒng)的主動(dòng)懸架模型的建立，另外，在設(shè)計(jì)好主動(dòng)懸架的控制系統(tǒng)模型的建立，并通過(guò)Matlab/Simulink進(jìn)行相應(yīng)的仿真。</p><p>　　（3）通過(guò)主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸

70、架的仿真結(jié)果的分析，得出主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架在車輛振動(dòng)系統(tǒng)的減震方面性能上的差異。</p><p><b>　　1.6技術(shù)路線</b></p><p>　　圖1-3 技術(shù)路線圖</p><p>　　如圖1-3所示，本文的技術(shù)路線主要是通過(guò)分別建立1/4車輛振動(dòng)系統(tǒng)的被動(dòng)和主動(dòng)懸架，并進(jìn)行相應(yīng)的仿真，最后通過(guò)對(duì)比來(lái)說(shuō)明主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架對(duì)于車輛的減

71、振效果的差異。</p><p>　　在進(jìn)行主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)模型的設(shè)計(jì)過(guò)程中，將會(huì)利用MATLAB函數(shù)LQG來(lái)計(jì)算狀態(tài)反饋，最優(yōu)控制目標(biāo)是當(dāng)懸架動(dòng)行程保持在允許的范圍內(nèi)時(shí)，使車身加速度、輪胎動(dòng)位移最小。LQG線性二次調(diào)節(jié)器是設(shè)計(jì)最優(yōu)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)器的一種狀態(tài)空間技術(shù)。[5]</p><p>　　汽車振動(dòng)系統(tǒng)中的被動(dòng)懸架</p><p>　　2.1 被動(dòng)懸架模型的選取<

72、/p><p>　　在本次的設(shè)計(jì)任務(wù)書中，選取的是汽車的1/4懸架系統(tǒng)兩自由度模型來(lái)進(jìn)行研究，如圖2-1所示。</p><p>　　圖2-1 1/4單輪車輛被動(dòng)懸架模型</p><p>　　它是由車身質(zhì)量、車輪質(zhì)量、懸架彈簧剛度、車輪剛度系數(shù)和懸架阻尼組成。其中，路面位移，車身位移，車輪位移。</p><p>　　2.2被動(dòng)懸架系統(tǒng)模型的建立&l

73、t;/p><p>　　首先，建立一個(gè)具有被動(dòng)懸架系統(tǒng)的車輛動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)牛頓定律，得出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中：為車身質(zhì)量；為車輪質(zhì)量；為車身位移；為車輪位移；為懸架彈簧剛度；為輪胎剛

74、度；為懸架阻尼；為路面位移；為車身速度；為車身加速度；為車輪速度；為車輪加速度；</p><p>　　在這里，我們引入一個(gè)白噪聲作為路面的輸入模型[6]，即：</p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　式中：為下截止頻率，Hz；為路面不平度系數(shù)，m3/每循環(huán)周期；為車輛前進(jìn)速度，m/s；為均值為零的高斯白噪聲；<

75、/p><p>　　結(jié)合式（2-1）、（2-2）、（2-3），將系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程和系統(tǒng)輸入方程寫成矩陣形式，即得出了系統(tǒng)的狀態(tài)空間矩陣形式，即</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　式中：；為高斯白噪聲輸入矩陣； 為狀態(tài)矩陣；為輸入矩陣，其值如下：</p><p><b>　　。</b

76、></p><p>　　車輛的性能指標(biāo)是由車身加速度、輪胎動(dòng)位移、懸架動(dòng)行程組成，即</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　在此，可以將性能指標(biāo)表示成狀態(tài)變量和輸入信號(hào)的線性組合形式，即：，其中，是輸出矩陣：</p><p>　　2.3Matlab/Simulink簡(jiǎn)介</p&g

77、t;<p>　　由上面的計(jì)算可以看出，在計(jì)算懸架的相關(guān)算式時(shí)，運(yùn)算量較大并且復(fù)雜。同時(shí)，隨著懸架系統(tǒng)逐漸趨于復(fù)雜化和對(duì)懸架系統(tǒng)性能的要求不斷提高，傳統(tǒng)的利用微分方程和差分方程來(lái)建模并進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真的方法需要大量的編程，其效率低、工作量大，并且不能很好的滿足仿真的需要。MATLAB語(yǔ)言集科學(xué)計(jì)算、信號(hào)處理、自動(dòng)控制等功能于一體，其具有很高的編程效率。另外，MATLAB還提供了Simulink工具箱，利用該軟件可以方便的對(duì)懸

78、架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真。在Matlab環(huán)境下，通過(guò)Simulink可以快速有效的完成控制器對(duì)懸架系統(tǒng)的仿真模擬。因此,本文是在建立數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，運(yùn)用MATLA\Simulink進(jìn)行的動(dòng)態(tài)仿真。[7]</p><p>　　2.3.1Matlab簡(jiǎn)介</p><p>　　MATLAB語(yǔ)言不僅僅是一個(gè)“矩陣實(shí)驗(yàn)室”，它現(xiàn)在已經(jīng)是一種應(yīng)用廣泛的全新的“計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言”。MATLAB語(yǔ)言和其它

79、語(yǔ)言的關(guān)系，就如高級(jí)語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言的關(guān)系一樣。因?yàn)楦呒?jí)語(yǔ)言的執(zhí)行效率要比匯編語(yǔ)言低，然而其編程效率和可讀性、可移植性要比匯編語(yǔ)言高很多。同樣，MATLAB比其它語(yǔ)言的執(zhí)行效率低，而起編程效率、可讀性、可移植性要比其它語(yǔ)言高很多，它易于實(shí)現(xiàn)C和FORTRAN語(yǔ)言的幾乎全部功能。它提供了非常豐富的Window圖形界面設(shè)計(jì)方法，為廣大用戶在不失強(qiáng)大功能的前提下，設(shè)計(jì)出了良好的圖形界面和提供便利的工具。其中，特別是圖形交互式的模型輸入計(jì)算機(jī)仿真

80、環(huán)境Simulink的出現(xiàn)為MATLAB的進(jìn)一步推廣起到了積極的作用。[8]</p><p>　　2.3.2 Simulink簡(jiǎn)介</p><p>　　Simulink軟件是使用MATLAB語(yǔ)言建立的一種新型的圖形建模工具。它免去了程序代碼程序帶來(lái)的繁瑣和低效，即其可以用于動(dòng)力學(xué)模擬又適用于時(shí)域控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。同時(shí)，各種功能模塊化，可以直接用鼠標(biāo)進(jìn)行拖放模塊，建立信號(hào)連接，形成建模。它是一

81、個(gè)開(kāi)放的系統(tǒng)，各種成熟的工具箱不斷擴(kuò)展并加入到系統(tǒng)中。它是以模塊來(lái)進(jìn)行建模，每個(gè)子模塊的參數(shù)可以進(jìn)行單獨(dú)的修改，而不影響其它模塊運(yùn)行，從而給系統(tǒng)的擴(kuò)展帶來(lái)極大的方便。由于被控對(duì)象的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，采用不同的控制模塊可以直接對(duì)比不同控制方法的優(yōu)劣，并從中選擇最佳的控制算法。</p><p>　　MATLAB\Simulink是實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)特性建模、仿真于一體的一個(gè)集成環(huán)境，它能使MATLAB的功能得到更進(jìn)一步的擴(kuò)展。

82、Simulink工具箱的優(yōu)勢(shì)在于：</p><p>　　(1)實(shí)現(xiàn)可視化建模，在Window視窗里面，用戶可以通過(guò)簡(jiǎn)單的鼠標(biāo)操作就建立了直觀的系統(tǒng)模型，并進(jìn)行仿真；</p><p>　　(2)實(shí)現(xiàn)了多工作環(huán)境間的數(shù)據(jù)交換和文件互用，并且具有直觀、方便和靈活等優(yōu)勢(shì)。所以，Simulink工具箱是對(duì)懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真的強(qiáng)有力工具。[9]</p><p>　　2.

83、4高斯白噪聲輸入下的仿真及仿真結(jié)果</p><p>　　為了使設(shè)計(jì)更加接近真實(shí)路面情況，將輸入設(shè)置為白噪聲。白噪聲是指其功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。 其所有的頻率都具有相同能量的隨機(jī)噪聲稱作白噪聲。從我們耳朵的頻率響應(yīng)聽(tīng)起來(lái)，它就是非常明亮的“咝”聲。[10]</p><p>　　一種功率頻譜密度為常數(shù)的隨機(jī)信號(hào)或隨機(jī)過(guò)程是白噪聲。換言之，其信號(hào)在各個(gè)頻段上的功率是相同的。因?yàn)橛?/p>

84、各種頻率的單色光混合成了白光，所以這個(gè)信號(hào)的這種具有平坦功率譜的特點(diǎn)被稱之是“白色的”，這個(gè)信號(hào)也因此被稱之為白噪聲。相比較而言，其它不具有這一特點(diǎn)的噪聲信號(hào)被稱作有色噪聲。</p><p>　　一般的，理想的白噪聲是具有無(wú)限的帶寬，所以，它的能量是無(wú)窮大的，但這在現(xiàn)實(shí)世界是不可能存在的。事實(shí)上，我們常常將有限帶寬的平整信號(hào)視作白噪音，因?yàn)檫@將使我們?cè)跀?shù)學(xué)分析上比較容易。通常只要一個(gè)噪聲過(guò)程所具有的頻譜寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大

85、于其所作用系統(tǒng)的帶寬，同時(shí)在該帶寬中其頻譜密度基本上可以作為一個(gè)常數(shù)來(lái)考慮，就可以把它當(dāng)作白噪聲來(lái)處理。例如，散彈噪聲和熱噪聲在很寬的頻率范圍內(nèi)具有均勻的功率譜密度，通?？梢哉J(rèn)為它們是白噪聲。[11]</p><p>　　同時(shí)，白噪聲的種類較多。本文選取的高斯白噪聲。高斯白噪聲是如果一個(gè)噪聲，它的幅度分布服從高斯分布，而它的功率譜密度又是均勻分布的，則稱它為高斯白噪聲。</p><p>　

86、　另外，關(guān)于系統(tǒng)仿真的一些參數(shù)包括，車輛模型參數(shù)、仿真路面輸入?yún)?shù)、控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)，見(jiàn)下表2-1。</p><p>　　表2-1單輪模型仿真輸入?yún)?shù)值</p><p>　　現(xiàn)在，在Simulink中加入高斯白噪聲模塊，來(lái)觀看其控制結(jié)果：</p><p>　　圖2-2 高斯白噪聲輸入的路面位移</p><p>　　圖2-3 高斯白噪聲輸入下被

87、動(dòng)懸架的車身加速度</p><p>　　圖2-4 高斯白噪聲輸入下被動(dòng)懸架的車身速度</p><p>　　圖2-5 高斯白噪聲輸入下被動(dòng)懸架的輪胎動(dòng)位移</p><p>　　圖2-6 高斯白噪聲輸入下被動(dòng)懸架的懸架動(dòng)行程</p><p>　　表2-2被動(dòng)懸架性能指標(biāo)均方根植</p><p>　　如上圖所示，高斯白噪聲輸

88、入下被動(dòng)懸架的車身加速度的幅值范圍基本在-1到1m/s2范圍內(nèi)，被動(dòng)懸架的輪胎動(dòng)位移的幅值范圍基本在-10到10mm范圍內(nèi)，被動(dòng)懸架的懸架動(dòng)行程基本在-2到2mm范圍內(nèi)。</p><p>　　汽車振動(dòng)系統(tǒng)中的主動(dòng)懸架</p><p><b>　　主動(dòng)懸架模型的選取</b></p><p>　　為了取得準(zhǔn)確的結(jié)果，主動(dòng)懸架同樣選取的是汽車的1/4

89、懸架系統(tǒng)兩自由度模型來(lái)進(jìn)行研究，如圖3-1所示。模型在原被動(dòng)懸架系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上加裝了一個(gè)可以產(chǎn)生作用力的動(dòng)力裝置，理論上這個(gè)動(dòng)力裝置產(chǎn)生的作用力可以根據(jù)需要能在極短的時(shí)間內(nèi)由零變化到無(wú)窮大，而實(shí)際上由于動(dòng)力裝置消耗功率的限制，總是控制它在一定的范圍內(nèi)連續(xù)變化。</p><p>　　圖3-1 1/4單輪車輛主動(dòng)懸架模型</p><p>　　它是由車身質(zhì)量、車輪質(zhì)量、懸架彈簧剛度、車輪剛度系

90、數(shù)、懸架阻尼和作動(dòng)器組成。其中，路面位移，車身位移，車輪位移。</p><p>　　3.2主動(dòng)懸架模型的建立</p><p>　　首先，建立一個(gè)具有主動(dòng)懸架的車輛動(dòng)力學(xué)模型?？梢愿鶕?jù)牛頓定律，得出系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程如下：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）<

91、/b></p><p>　　這里，我們采用一個(gè)濾波白噪聲作為輸入模型，即：</p><p><b>　　（3-3）</b></p><p>　　式中：為路面位移，m；為路面不平度系數(shù)，m3/每循環(huán)周期；為車輛前進(jìn)速度，m/s；為均值為零的高斯白噪聲；為下截止頻率，HZ。</p><p>　　將（3-1）式、（3-2

92、）式和（3-3）式相結(jié)合，將系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程和系統(tǒng)的外部輸入方程寫成矩陣形式，即得出系統(tǒng)的空間狀態(tài)方程：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　為系統(tǒng)狀態(tài)矢量，；</b></p><p>　　為高斯

93、白噪聲輸入矩陣，；</p><p>　　為作動(dòng)器控制內(nèi)矩陣，；</p><p>　　3.3隨機(jī)線性最優(yōu)控制</p><p>　　3.3.1系統(tǒng)的要求</p><p>　　應(yīng)用隨機(jī)線性最優(yōu)控制理論時(shí)，對(duì)系統(tǒng)所提出的幾個(gè)要求：[12]</p><p>　　受控系統(tǒng)是線性的（Linear）；</p><p

94、>　　系統(tǒng)的性能指標(biāo)要以二次型的形式表達(dá)（Quadratic）；</p><p>　　系統(tǒng)的輸入是高斯分布的白噪聲（Gaussian distributed）；</p><p>　　系統(tǒng)的狀態(tài)均是可測(cè)的。</p><p>　　在此論文中，所選的1/4單輪車輛模型的系統(tǒng)是線性的，指標(biāo)函數(shù)是二次型的以及隨機(jī)干擾是高斯分布噪聲情況下的最優(yōu)控制問(wèn)題，即所謂LQG問(wèn)題(

95、Linear Quadratic Gaussian Problem)。 </p><p>　　3.3.2 LQG控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　在車輛的懸架設(shè)計(jì)中，所考慮的主要的性能指標(biāo)通常是：</p><p>　?。?）反映乘坐舒適性的車身加速度；</p><p>　?。?）反映輪胎接地性的輪胎動(dòng)負(fù)荷；</p><p&g

96、t;　　（3）對(duì)車身姿態(tài)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及布置有影響的懸架動(dòng)行程。</p><p>　　其中，車身加速度的大小也同時(shí)表明了作動(dòng)器輸出力的大小。所以，LQG控制器設(shè)計(jì)的目標(biāo)性能指數(shù)就是車身加速度、輪胎動(dòng)態(tài)位移和懸架動(dòng)行程的加權(quán)平方和的積分值，表示為：</p><p>　?。?-5） </p><p>　　

97、在這里，、和分別是輪胎動(dòng)位移、懸架動(dòng)行程和車身加速度的加權(quán)系數(shù)。為了討論的方便，在這里取車身加速度的加權(quán)系數(shù)是1。加權(quán)系數(shù)的取值反映了設(shè)計(jì)者對(duì)懸架性能的傾向，例如，選擇較大權(quán)值的輪胎動(dòng)態(tài)位移項(xiàng)，懸架就能更好地提高操作的穩(wěn)定性；選擇較大權(quán)值的車身加速度項(xiàng)，懸架就能更好地提高乘坐的舒適性。[13]</p><p>　　為了求解狀態(tài)反饋增益，我們可以將目標(biāo)性能指數(shù)的表達(dá)式改寫成矩陣形式，即:</p>&l

98、t;p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　當(dāng)車輛參數(shù)值和加權(quán)系數(shù)值確定后，最優(yōu)控制反饋增益矩陣即可由黎卡提方程求出，其形式如下：[14]</p><p><b>　　（3-7）</b></p><p>　　在這

99、里，控制反饋增益矩陣由車輛的參數(shù)和加權(quán)系數(shù)決定。求出了增益矩陣，就完成了單輪車輛主動(dòng)懸架控制器的設(shè)計(jì)。根據(jù)任意時(shí)刻的反饋狀態(tài)變量，就得出了時(shí)刻作動(dòng)器的最優(yōu)控制力，即：</p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　3.4高斯白噪聲輸入下的控制仿真及仿真結(jié)果</p><p>　　主動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)參數(shù)詳見(jiàn)表2-1。現(xiàn)在，在Sim

100、ulink中加入高斯白噪聲模塊和控制反饋增益模塊，來(lái)觀看其控制結(jié)果：</p><p>　　圖3-2 高斯白噪聲輸入下主動(dòng)懸架加速度圖</p><p>　　圖3-3 高斯白噪聲輸入下主動(dòng)懸架速度圖</p><p>　　圖3-4 高斯白噪聲輸入下主動(dòng)懸架輪胎位移圖</p><p>　　圖3-5 高斯白噪聲輸入下主動(dòng)懸架位移圖</p>

101、<p>　　圖3-6 高斯白噪聲輸入下主動(dòng)懸架的控制力圖</p><p>　　表3-1主動(dòng)懸架性能指標(biāo)均方根植</p><p>　　如上圖所示，高斯白噪聲輸入下主動(dòng)懸架的車身加速度的幅值范圍基本在-0.5到0.5m/s2范圍內(nèi)，,主動(dòng)懸架的輪胎動(dòng)位移的幅值范圍基本在-40到20mm范圍內(nèi)，主動(dòng)懸架的懸架動(dòng)行程基本在-2到2mm范圍內(nèi)，主動(dòng)懸架的控制力基本在-400到400N范圍

102、內(nèi)。</p><p>　　4汽車振動(dòng)系統(tǒng)中的被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架的比較</p><p>　　4.1 Simulink環(huán)境下的被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　圖4-1 Simulink環(huán)境下的被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真框圖</p><p>　　如圖4-1所示，在圖的左半部分是主動(dòng)懸架的系統(tǒng)仿真框圖，在圖的右半部分是被動(dòng)懸架的系

103、統(tǒng)仿真框圖。高斯白噪聲輸入是由Randon Number模塊來(lái)生成。根據(jù)車輛懸架的特點(diǎn)建立了狀態(tài)空間模型。主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的最大的區(qū)別是有無(wú)反饋增益矩陣。在經(jīng)過(guò)對(duì)信號(hào)的相應(yīng)處理，便輸出到示波器和工作區(qū)間。示波器用于顯示信號(hào)圖像在這過(guò)程中的變化情況。輸出到工作區(qū)間的數(shù)據(jù)主要用于求解相應(yīng)的均方根值。最后，在將主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的車身加速度、輪胎動(dòng)位移和懸架動(dòng)行程分別輸出到示波器中以便于比較。</p><p>　　4

104、.2被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架仿真結(jié)果的對(duì)比分析</p><p>　　圖4-2 主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的車身加速度對(duì)比圖</p><p>　　圖4-3主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的輪胎動(dòng)位移對(duì)比圖</p><p>　　圖4-4主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的懸架動(dòng)行程對(duì)比圖</p><p>　　表4-1 兩個(gè)不同系統(tǒng)的懸架性能指標(biāo)均方根植的比較</p><

105、p>　　我們從表4-1中可以看出，設(shè)計(jì)的最優(yōu)主動(dòng)懸架明顯地降低了車身加速度的垂直方向的振動(dòng)，最優(yōu)主動(dòng)懸架的均方根值比被動(dòng)懸架系統(tǒng)的均方根值減少了56.28%。由于車身加速度對(duì)乘客乘坐的舒適度起到極大的影響，所以，車身加速度的減小，這將會(huì)極大地改善乘客的乘坐的舒適度。</p><p>　　從二自由度汽車主動(dòng)懸架的研究中，我們發(fā)現(xiàn)了主動(dòng)懸架比被動(dòng)自適應(yīng)懸架的切換速度快，經(jīng)過(guò)控制器進(jìn)行控制后，白噪聲輸入下的圖形也

106、得到比較明顯的改善，這就充分說(shuō)明控制能夠使作動(dòng)器產(chǎn)生的控制力可調(diào)來(lái)適應(yīng)不同的路面狀況，以保證懸架具有最佳的平順性和操縱穩(wěn)定性。[15]</p><p>　　從所得的結(jié)果和性能的比較可以看出，說(shuō)明了本次設(shè)計(jì)的控制器在控制汽車主動(dòng)懸架對(duì)道路的適應(yīng)性方面的能力較強(qiáng)，是一種較為不錯(cuò)的控制器；同時(shí)從仿真的結(jié)果可見(jiàn)控制器具有良好的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能，對(duì)于非線性系統(tǒng)的過(guò)程控制可以取得較好的控制效果。</p><

107、p><b>　　5總結(jié)</b></p><p>　　本文詳細(xì)闡述了建立1/4車輛振動(dòng)系統(tǒng)的被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架的車輛動(dòng)力學(xué)模型，并運(yùn)用Matlab/Simunlink，來(lái)進(jìn)行懸架系統(tǒng)的仿真的過(guò)程，最后得出了主動(dòng)懸架相對(duì)于被動(dòng)懸架在改善車輛的平順性方面具有優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　第一章介紹了論文的目的和意義，并介紹了懸架的定義及其分類。同時(shí)，還闡述了本文所要研究

108、的內(nèi)容及其技術(shù)路線。</p><p>　　第二章建立了1/4車輛振動(dòng)系統(tǒng)的被動(dòng)懸架的車輛動(dòng)力學(xué)模型，并說(shuō)明了在高斯白噪聲的輸入下，利用Matlab語(yǔ)言強(qiáng)大的算法能力來(lái)對(duì)其編制仿真控制軟件，并在Simulink環(huán)境下進(jìn)行仿真，最后，得到了相應(yīng)的仿真結(jié)果和小結(jié)。</p><p>　　第三章建立了1/4車輛振動(dòng)系統(tǒng)的主動(dòng)懸架的車輛動(dòng)力學(xué)模型，同時(shí)說(shuō)明了以高斯白噪聲為輸入，通過(guò)隨機(jī)線性最優(yōu)控制理論

109、以及主動(dòng)懸架LQG控制器的應(yīng)用，運(yùn)用Matlab/Simulink對(duì)汽車振動(dòng)系統(tǒng)的1/4簡(jiǎn)單的主動(dòng)懸架模型來(lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真，其仿真結(jié)果表明，此算法設(shè)計(jì)的LQG控制器具有良好的性能指標(biāo)。</p><p>　　第四章主要通過(guò)主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的Simulink模塊和各自不同的仿真結(jié)果，并計(jì)算懸架性能主要指標(biāo)的均方根值，來(lái)說(shuō)明主動(dòng)懸架能極大地改善乘客的舒適性。</p><p>　　通過(guò)這篇文章的

110、對(duì)比，可以清楚地反映了主動(dòng)懸架在改善車輛平順性的優(yōu)勢(shì)。隨著人們對(duì)乘坐舒適性要求的提高以及主動(dòng)懸架技術(shù)的不斷成熟，主動(dòng)懸架的應(yīng)用將會(huì)逐步推廣。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 馮崇毅．汽車電子控制技術(shù)[M]，北京：人民交通出版社，2005．</p><p>　　[2] 蔡興旺．汽車構(gòu)造與原理下冊(cè)[M]，北

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