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兩種車輛懸架系統(tǒng)的建模與控制仿真
2015年微型機與應用第23期
牟韻文,,潘 明,蘇 雪,,翟江濤
(桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院,,廣西 桂林 541004)
摘要: 車輛懸架系統(tǒng)作為汽車的一個重要組成部分,,其性能好壞會影響到車輛的平順性與穩(wěn)定性。以1/4車輛模型為例,,從被動懸架到主動懸架,,將車輛懸架系統(tǒng)動力學原理與MATLAB仿真軟件相結(jié)合,即首先利用動力學理論建立其數(shù)學模型,,然后在仿真軟件中建立其相對應的模型進而動態(tài)仿真,,最后對比結(jié)果。實驗結(jié)果表明,,在車輪動載荷大致相同的條件下,,設計的主動懸架有效地降低了車體的垂直加速度,,與被動懸架相比,優(yōu)化了約17%,,提高了車輛在行駛過程的平順性和駕駛的穩(wěn)定性,。
Abstract:
Key words :

  摘  要車輛懸架系統(tǒng)作為汽車的一個重要組成部分,其性能好壞會影響到車輛的平順性與穩(wěn)定性,。以1/4車輛模型為例,,從被動懸架到主動懸架,將車輛懸架系統(tǒng)動力學原理與MATLAB仿真軟件相結(jié)合,,即首先利用動力學理論建立其數(shù)學模型,,然后在仿真軟件中建立其相對應的模型進而動態(tài)仿真,最后對比結(jié)果,。實驗結(jié)果表明,,在車輪動載荷大致相同的條件下,設計的主動懸架有效地降低了車體的垂直加速度,,與被動懸架相比,,優(yōu)化了約17%,提高了車輛在行駛過程的平順性和駕駛的穩(wěn)定性,。

  關鍵詞: 車輛,;懸架系統(tǒng);建模,;控制仿真

0 引言

  隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,,人們的生活水平日益提高。越來越多的個人,、家庭擁有了屬于自己的汽車,。乘坐汽車時,人們對于坐車舒適感的要求日漸提高,,所以車輛在行駛時的平順性和操縱的穩(wěn)定性開始被更多專家所關注,。傳統(tǒng)意義的汽車懸架系統(tǒng)多為被動懸架系統(tǒng),其彈簧剛度和減震器阻尼系數(shù)是固定而不能改變的,,這樣的被動懸架系統(tǒng)很難適應人們乘坐汽車舒適性的要求,。為使車輛懸架系統(tǒng)在不同路面的激勵作用和在不同行駛速度等外在條件的影響下,其操縱穩(wěn)定性和行駛平順性受到的影響較小,,各種新型懸架系統(tǒng)正在成為研究的熱門,,出現(xiàn)了一系列的懸架系統(tǒng)的減振控制技術(shù),包括半主動懸架系統(tǒng)和主動懸架系統(tǒng)[1],。

  懸架系統(tǒng)包括彈性元件,、減振器、導向機構(gòu)以及橫向穩(wěn)定器等部分,。它的主要功能是將車身與車軸由彈性元件連在一起,。導向裝置的功能是傳遞系統(tǒng)間的各種力,,減震器用來減小車身和輪胎之間摩擦振動能量,保證車輛在行駛過程中的安全,,增強乘坐汽車的舒適感,。彈性元件用來緩沖外界環(huán)境對車體引起的振動,吸收振動的能量[2],??傊@些機構(gòu)都是為了使車輛的平順性達到最佳狀態(tài),。

  在懸架系統(tǒng)的仿真中,,普遍采用建立數(shù)學模型的方式,所謂的數(shù)學模型就是在物理系統(tǒng)和數(shù)學方程間設立一套完整的規(guī)則,,數(shù)學模型研究方法比較多樣,,周期短,,成本低,。隨著現(xiàn)代計算機技術(shù)的發(fā)展,處理數(shù)學模型的手段有了較大突破,,可以把若干個參數(shù)和運動方程進行互相聯(lián)系[3-5],。以車輛的1/4模型為例,建立被,、主動懸架數(shù)學模型,,然后進行仿真實驗。

1 車輛懸架系統(tǒng)模型

  汽車是較復雜的系統(tǒng),,在分析復雜系統(tǒng)時,,次要問題可以忽略,將模型進行簡化,。為便于分析,,采用1/4車輛模型,其簧載質(zhì)量為mv,,包括車體,、車架及其以上部分的總重。懸架通過減振器和彈簧元件與車軸,、輪胎相連接,。輪胎和車軸構(gòu)成的非懸架的質(zhì)量為ml。

  在模型中,,考慮人們乘坐汽車的舒適性,,即車輛的平順性,在分析車體質(zhì)量時,,主要考慮垂直,、俯仰,、側(cè)傾三個自由度。將車輛簡化為1/4模型時,,車身只具有垂直的自由度,,這個自由度的振動對車體的平順性影響較大,可以將車輛簡化成兩自由度模型,。

001.jpg

  此模型中,,車胎的阻尼較小,暫且不予考慮,,簡化后1/4模型如圖1,、2所示。圖中車體的總重為mv,,車胎的質(zhì)量為ml,,被動懸架剛度為ks,被動懸架阻尼系數(shù)為cs,,車胎的剛度為kt,,簧載質(zhì)量位移為xv,非簧載質(zhì)量位移為xl,,路面不平整度的位移為xn,,白噪聲信號輸入為   w(t),主動懸架的制動力為U(t),。

  1.1 車輛被動懸架仿真模型的建立

  圖1所示的被動車輛懸架模型,,根據(jù)牛頓定律,建立被動懸架系統(tǒng)的運動微分方程,,即:

  U@](`$7JY@D]]JI6AJ5%{IN.png

  選取狀態(tài)變量為:xa=xv-xl,,xb=73EZ(H6VDT~SV((4~SQ[4E0.jpgv,xc=xn-xl,,xd=73EZ(H6VDT~SV((4~SQ[4E0.jpgl,,組成各個狀態(tài)的向量為:X=[xa,xb,,xc,,xd]T,其中,,xa為車輛懸架的動擾度,,xb為車速,xc車胎動位移,,xd為輪速,。由式(1)、(2)可得被動懸架系統(tǒng)的狀態(tài)方程為:

  34.png

  測試車輛懸架性能,主要從該懸架系統(tǒng)對車輛的平順性和駕駛的穩(wěn)定性的影響來考慮,,主要涉及3個參數(shù):ya=73EZ(H6VDT~SV((4~SQ[4E0.jpgv=73EZ(H6VDT~SV((4~SQ[4E0.jpgb,,代表車身加速度(ACC);yb=xv-xl=xa,,代表懸架的動擾度(SWS),;yc=xn-xl=xc,代表輪胎動載荷(DTL),。

  輸出向量U=-KX,。由式(1)、(2)得出系統(tǒng)的輸出方程為:

  Y=CX(5)

  其中,,

  HH90PWO1YD~1(6[~$~7{{9N.png

  1.2 車輛主動懸架仿真模型的建立

  主動懸架與被動懸架的區(qū)別在于前者除了具有彈性元件,、減振器之外,在車體與車軸之間還安裝有制動器,,可以調(diào)節(jié)對汽車的簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量的力,,從而加強車輛的平順性和操作的穩(wěn)定性。

  車輛主動懸架模型的運動方程即:

  710.jpg

  對于被動懸架和主動懸架,,選取狀態(tài)變量,,建立被、主動懸架的狀態(tài)方程,,可以較好地反映懸架系統(tǒng)的運動特性,,輸出變量也可以反映駕駛車輛的平順性和操縱性,。

2 車輛懸架系統(tǒng)仿真實例計算

  在MATLAB/Simulink中建立1/4車輛懸架的計算機仿真模型,,然后進行被動懸架和主動懸架的性能分析。以某轎車的后懸架為例,,計算各輸入?yún)?shù),,如表1所示。

007.jpg

  2.1 被動懸架系統(tǒng)仿真

  對于被動懸架模型,,將各參數(shù)代入被動懸架系統(tǒng)方程,,在MATLAB中輸入命令[z,p,,k]=ss2zp(A,,B,C,,D),,求出被動懸架系統(tǒng)的閉環(huán)特征根:

  ZP1[MV3%R1V7G3I]LRMTRVJ.png

  極點均位于左半平面,該系統(tǒng)為最小相位系統(tǒng),,車輛被動懸架系統(tǒng)是穩(wěn)定的,。

  2.2 主動懸架系統(tǒng)仿真

  對于主動懸架模型,需要獲取系統(tǒng)的制動力。先求出系統(tǒng)的狀態(tài)變量X,,求出反饋系數(shù)K,,將二者相乘,得到制動力U,。為使系統(tǒng)可以快速響應,,控制信號的加權(quán)系數(shù)R取1,qa=80 000,,qb=5,,所以Q=[80000 0 0 0;0 0 0 0,;0 0 5 0,;0 0 0 0],在MATLAB中輸入命令[K,,P,,E]=LQR[A1,B1,,Q,,R],可得:

  K=[282.84  424.83   -277.37   -4.01]

  原狀態(tài)方程可以寫成:

  X=(A1-B1K)X+D1w(t)(11)

  Y=(C1-EK)X(12)

  將各參數(shù)代入主動懸架方程,,在MATLAB中輸入命令[z,,p,k]=ss2zp(A,,B,,C,D),,可以求出主動系統(tǒng)的閉環(huán)特征根:

  _@C6IFVP$HL4GFKT(UD9OLP.png

  極點均位于左半平面,,符合系統(tǒng)穩(wěn)定的條件,車輛主動懸架系統(tǒng)是穩(wěn)定的,。

  2.3 仿真分析與對比

  在MATLAB/Simulink建立被動懸架模型和主動懸架模型的計算機仿真示意圖如圖3,、4所示。

002.jpg

  模擬路面時,,白噪聲信號作為路面不平整度的輸入,。仿真模塊輸入為有限帶寬白噪聲,經(jīng)過一次積分后可得到仿真路面,。

  人體在感知車輛的平順性和舒適性時,,體現(xiàn)在對車體本身振動的頻率的感受,即車身加速度,。車輛被,、主動懸架系統(tǒng)仿真時域變化曲線如圖5~圖7所示。圖5所示為車身加速度,圖6為懸架動撓度,,圖7為輪胎動載荷,。

003.jpg

004.jpg

005.jpg

  仿真條件下,將車輛被,、主動懸架系統(tǒng)作對比,。計算出兩個系統(tǒng)的性能指標的均方根值如表2所示。

006.jpg

  由表2可以看出,,在車輪動載荷基本相同的情況下,,所設計的車輛主動懸架降低了車身加速度,與被動懸相比較,,其均方根值減少了17%,,懸架動撓度也較好地控制在可接受的范圍之內(nèi)。結(jié)果表明車輛的平順性和穩(wěn)定性有一定的提高,。人們乘坐車輛的舒適性可有較好的改善,。

  3 結(jié)束語

  懸架系統(tǒng)是連接車身與車輪之間所有傳遞力裝置的總稱,其性能的好壞關乎汽車的操縱穩(wěn)定性和行駛的平順性,,設計性能較好的懸架系統(tǒng)已成為現(xiàn)代車輛研究的關鍵,。傳統(tǒng)的設計方法,汽車懸架系統(tǒng)設計和開發(fā)周期長,,且成本高,。用計算機輔助設計和控制理論方法來完成懸架系統(tǒng)的設計己成為當今工廠、企業(yè)普遍采用且行之有效的方法,,可大大節(jié)省產(chǎn)品成本,。

  本文對1/4車模型被、主動懸架系統(tǒng)進行了分析,,對1/4車模型的被,、主動懸架系統(tǒng)進行數(shù)學模型的推導以及仿真模型的建立。主動懸架相對于被動懸架系統(tǒng)主要區(qū)別在于主動控制器的設計,,本文主要依據(jù)最優(yōu)控制原理,對1/4車模型主動懸架控制器來進行設計,,使其性能相對于1/4車模型被動懸架系統(tǒng)有較大的改善,。從仿真實驗結(jié)果來看,主動懸架的各項性能指標均優(yōu)于被動懸架,。

  參考文獻

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