汽車電控懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文

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1、 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 畢 業(yè) 論 文 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 院 汽車服務(wù)工程 專業(yè) 08 級(jí) 學(xué)生姓名：劉 傳 銳 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目： 汽車電控懸架系統(tǒng)的建模分析 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）內(nèi)容： 1.汽車電控懸架系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況分析 2. 汽車電控懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 3. 汽車電控懸架系統(tǒng)的分析 4. 進(jìn)行模型仿真分析 5. 得出結(jié)論

2、專題（子課題）題目： 專題（子課題）內(nèi)容： 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師（簽字）： 主 管 教 學(xué) 院 （部） 長(zhǎng)（簽字）： 年 月 日 目錄 摘要 I ABSTRACT II 前言 1 第一章 汽車電控懸架系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況分析 2 1.1 研究電控懸架系統(tǒng)的意義 2 1.2 國(guó)外汽車空氣懸架發(fā)展的狀況 2 1.3 我國(guó)空氣懸架的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀 4 第二章 汽車電控懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 7

3、 2.1 汽車懸架系統(tǒng) 7 2.1.1 汽車懸架系統(tǒng)的作用及組成 7 2.1.2 對(duì)汽車懸架系統(tǒng)的要求 8 2.1.3 汽車傳統(tǒng)被動(dòng)懸架 8 2.2 汽車電控懸架系統(tǒng) 9 2.2.1 汽車電控懸架系統(tǒng)的功能 9 2.2.2 汽車半主動(dòng)懸架及其特點(diǎn) 10 2.2.3 汽車主動(dòng)懸架及其特點(diǎn) 10 2.2.4 汽車電控懸架系統(tǒng)的基本工作原理 11 2.3汽車電控懸架系統(tǒng)的控制方法 12 2.3.1 電控懸架系統(tǒng)控制特性 12 2.3.2 自適應(yīng)與自校正控制方法 12 2.3.3 天棚阻尼器控制方法 13 2.3.4 預(yù)見控制方法 13 2.3.5 最優(yōu)控制方法 14

4、2.3.6 譜范數(shù)H∞最優(yōu)控制 14 3.3.7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 15 2.3.8 模糊控制 15 2.3.9 復(fù)合控制方法 16 第三章 汽車電控懸架系統(tǒng)的建模分析 18 3.1 模糊控制技術(shù) 18 3.1.1 模糊控制技術(shù)基本原理及特征 18 3.1.2 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 19 3.1.3 模糊控制的基本過程 22 3.1.4 模糊化方法 24 3.1.5 模糊控制規(guī)則及控制方法 25 3.2 車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的模糊控制仿真研究 29 3.2.1 車輛模型及路面模型建立 30 3.2.2 模型控制器設(shè)計(jì) 31 3.2.3 模糊判決 32 第四章 進(jìn)行模型仿

5、真分析 33 4.1 運(yùn)用MATLAB 語言及其Simulink建立車輛懸架系統(tǒng)仿真模型 33 4.2 進(jìn)行仿真分析 33 4.3 仿真結(jié)果及分析 35 結(jié)論 37 總結(jié)與體會(huì) 38 謝辭 40 參考文獻(xiàn) 41 附錄一 英文文獻(xiàn)原文 42 附錄二 英文文獻(xiàn)翻譯 63 摘要 隨著人類生活水平的提高，人們對(duì)汽車的舒適性的要求也越來越高，傳統(tǒng)的汽車懸架系統(tǒng)，汽車空調(diào)系統(tǒng)等已不能滿足人們的要求。人們希望空調(diào)的溫度能隨環(huán)境的變化而自動(dòng)調(diào)節(jié)；汽車車身的高度，懸架的剛度，減震器的阻尼的大小能隨汽車載荷，行駛速度，以及路面狀況等行駛條件的變化而變化

6、。為了滿足人們對(duì)汽車舒適性的要求，20世紀(jì)90年代 以來，在汽車電子技術(shù)以及高速公路發(fā)展的同時(shí)，各汽車公司相繼開發(fā)了電子控制懸架系統(tǒng)等提高舒適型的電子系統(tǒng)。汽車懸架在協(xié)調(diào)汽車的舒適性和操作穩(wěn)定性方面起著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架由于其自身固有的局限性而無法根據(jù)路面及行駛狀況的變化做出適當(dāng)調(diào)整從而汽車的整體行駛性能達(dá)到最佳。研制和開發(fā)新型的懸架勢(shì)在必行。電控懸架由于能夠改善汽車的整體行駛能而備受關(guān)注，其中主動(dòng)懸架由于機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低而更具有實(shí)用性。 關(guān)鍵詞：懸架；減震器；舒適性；協(xié)調(diào) ABSTRACT With the improvement of p

7、eople's living standard，people of automobile comfort requirements are increasingly high，the traditional vehicle suspension systems，automotive air conditioning system already cannot satisfy the requirement of people．People hope that air temperature with changes in the environment and automatic contro

8、l；the car body height, suspension stiffness，shock absorber damping with the car load，speed and road conditions and driving conditions change． In order to meet the requirements of automotive comfort，nineteen nineties since，in automobile electronic technology and highway development at the same time，t

9、he company continued development of automobile electronic system． Automobile suspension in the coordination of automobile comfort and operation stability plays a crucial role．The traditional passive suspension due to its inherent limitations and not according to the road surface and the running stat

10、us changes and make appropriate adjustments to the car's overall traveling performance to achieve the best．Research and development of new type suspension is necessary．Electronic control suspension due to improve the car's overall driving can have attracted the attention of the active suspension due

11、 to simple mechanism，low cost and high practicality． Key words: suspension；vibration absorber；comfort；coordination II 前言 懸架是連接車架和車橋之間一切傳動(dòng)連接裝置的總稱。它主要由彈簧（如鋼板彈簧、螺旋彈簧、扭桿彈簧等）、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成。當(dāng)汽車在不同的路面上行駛時(shí)，由于懸架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車身和車輪之間的彈性支撐，有效地降低了車身與車輪的振動(dòng)，從而改變了汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性。同時(shí)，它也引起在汽車起步、制動(dòng)、轉(zhuǎn)

12、向時(shí)車身的俯仰、點(diǎn)頭和側(cè)傾等現(xiàn)象，影響汽車的平順性和操縱穩(wěn)定性。 隨著人類生活水平的提高，人們對(duì)汽車舒適性的要求也越來越高，傳統(tǒng)的汽車懸架一般具有固定的彈簧剛度和減振阻尼力，它只能保證在一種特定的道路狀態(tài)和速度下達(dá)到性能最優(yōu)，因而不能同時(shí)滿足汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的要求。例如降低彈簧剛度，平順性會(huì)更好，乘坐更舒適，但會(huì)使操縱穩(wěn)定性變差；相反，增加彈簧剛度雖可提高操縱穩(wěn)定性，但會(huì)使車輛對(duì)路面不平度更敏感，平順性降低。因此，理想的懸架系統(tǒng)應(yīng)在不同的行駛條件下具有不同的彈簧剛度和減振器阻尼力，以同時(shí)滿足平順性與操縱穩(wěn)定性的要求。 伴隨電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等的快速發(fā)展, 使得車輛懸架

13、系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動(dòng)隔振發(fā)展到振動(dòng)主動(dòng)控制。特別是信息科學(xué)中對(duì)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的研究，使懸架系統(tǒng)電子控制技術(shù)在現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下更趨完善, 同時(shí)已開始應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制, 使電子控制懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)得以快速發(fā)展。 20世紀(jì)90年代以來，在汽車電子技術(shù)以及告訴公路發(fā)展的同時(shí)，各汽車公司相繼開發(fā)了電子控制懸架系統(tǒng)等提高汽車舒適性的電子控制系統(tǒng)。電控懸架系統(tǒng)能夠保證汽車行駛平順性、緩和不平路面的沖擊、吸收振動(dòng)的能量并減小汽車的振動(dòng)，大大提高了汽車行駛平順性。通過對(duì)汽車電控系統(tǒng)的建模來分析汽車在行駛中雖受到的動(dòng)力學(xué)分析，找到控制的關(guān)鍵因素，從而改善和提升汽車的行

14、駛平順性。 第一章 汽車電控懸架系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況分析 1.1 研究電控懸架系統(tǒng)的意義 懸架是車輛的重要組成部分，其主要功能是柔性的連接車身與車輪，并傳遞作用在車輪與車身之間的力和力矩，并具有良好的緩沖減振能力，以降低由于路面不平傳遞給車架或車身的沖擊載荷，衰減振動(dòng)能量, 從而保證汽車的行駛平順性。懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)車輛的總體性能有著重要影響。因此, 設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的懸架，對(duì)提高汽車的性能至關(guān)重要，這也成為汽車工程領(lǐng)域內(nèi)研究的熱點(diǎn)之一。 為了滿足現(xiàn)代汽車對(duì)懸架提出的各種性能要求，懸架的結(jié)構(gòu)形式一直在不斷地更新和完善，盡管這樣，傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架仍然受到很多限制，主要是難于同時(shí)改善在不平路面

15、上高速行駛車輛的穩(wěn)定性和行駛平順性，即使采用優(yōu)化設(shè)計(jì)也只能保證懸架在特定的激勵(lì)發(fā)生變化后，懸架的性能亦隨之發(fā)生變化，汽車不同的行駛狀態(tài)對(duì)懸架有不同的要求。一般行駛時(shí)需要柔軟一點(diǎn)的懸架以求舒適感，當(dāng)急轉(zhuǎn)彎及制動(dòng)時(shí)又需要硬一點(diǎn)的懸架以求穩(wěn)定性，兩者之間有矛盾。另外，汽車行駛的不同環(huán)境對(duì)車身高度的要求也是不一樣的。一成不變的懸架無法滿足這種矛盾的需求，只能采取折中的方式去解決。為了克服傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架對(duì)汽車性能改善的限制， 在電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，工程師設(shè)計(jì)出一種可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整的電子控制懸架來滿足這種需求，這種懸架稱為電控懸架，目前比較常見的是電控空氣懸架形式。 1.2 國(guó)外汽車空氣懸架發(fā)展的

16、狀況 20世紀(jì)30年代初，美國(guó)凡世通輪胎公司首次把空氣彈簧應(yīng)用于汽車工業(yè)。哈維·凡世通（Harvey Firestone）在亨利·福特一世（Henry Ford I）和托馬斯·阿瓦·愛迪生（Thomas Alva Edison）的技術(shù)支持下，在1934年研制出了柱式空氣彈簧懸架系統(tǒng)即AIREDE空氣彈簧。1944年通用汽車公司與凡世通公司合作，在其客車上進(jìn)行了首輪試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果顯示了空氣懸架系統(tǒng)的內(nèi)在優(yōu)越性。通用汽車公司經(jīng)過大量的產(chǎn)品研制開發(fā)工作，1953年開始試生產(chǎn)裝有空氣懸架的客車，這是商用汽車采用空氣彈簧懸架的開始。20世紀(jì)50年代中葉，固特異輪胎公司研制出一種滾動(dòng)凸輪式空氣彈簧，凸輪

17、在活塞的型面上滾動(dòng)，從而控制空氣彈簧的負(fù)載變化關(guān)系曲線。同時(shí)，空氣控制系統(tǒng)的巨大進(jìn)步也為空氣懸架的應(yīng)用起了很大的推動(dòng)作用。 隨后不久，空氣懸架技術(shù)在歐洲也得到很快發(fā)展，但歐洲的發(fā)展道路和北美有些不同。歐洲的汽車生產(chǎn)廠商并未將空氣懸架變成單獨(dú)總成，而是各自開發(fā)滿足其獨(dú)特車型需要的空氣懸架。這種不同的發(fā)展道路使歐洲的空氣懸架設(shè)計(jì)只適用于某種具體車型，并采用一些復(fù)雜技術(shù)，因而其成本較高。而北美的空氣懸架通用性較強(qiáng)，應(yīng)用較簡(jiǎn)單，成本較低。 　　美國(guó)紐威·安柯洛克國(guó)際公司在1951年成立時(shí)即作為一家懸架系統(tǒng)的專業(yè)生產(chǎn)廠家，為公路和非公路行駛的重型車輛設(shè)計(jì)和制造鋼板彈簧懸架系統(tǒng)。不久，紐威公司向商用車

18、市場(chǎng)投放了世界上第一種實(shí)際應(yīng)用的空氣懸架系統(tǒng)。因其通用性強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，迅速占領(lǐng)了北美市場(chǎng)。隨后紐威公司開發(fā)了一系列空氣懸架產(chǎn)品，應(yīng)用于世界各地的客車、貨車、小轎車及鐵道車輛上。 　　目前國(guó)外高級(jí)大客車幾乎全部使用空氣懸架，重型載貨車使用空氣懸架的比例也已達(dá)80%以上，空氣懸架在輕型汽車上的應(yīng)用量也在迅速上升。部分轎車也逐漸安裝使用空氣懸架，如美國(guó)的林肯、德國(guó)的Benz300SE和Benz600等。在一些特種車（如對(duì)防振要求較高的儀表車、救護(hù)車、特種軍用車及要求高度調(diào)節(jié)的集裝箱運(yùn)輸車等）上，空氣懸架的使用幾乎為唯一選擇。 國(guó)外汽車空氣懸架發(fā)展經(jīng)歷了“鋼板彈簧→氣囊復(fù)合式懸架→被動(dòng)全

19、空氣懸架→主動(dòng)全空氣懸架（即ECAS電控空氣懸架系統(tǒng)）”的型式變化。主動(dòng)全空氣懸架應(yīng)用了電子控制系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的空氣懸架系統(tǒng)的性能得到很大改善，汽車在各種路面、各種工況條件下能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)節(jié)、主動(dòng)控制，并增加了許多輔助功能（如故障診斷功能等）。目前ECAS系統(tǒng)在歐洲一些國(guó)家的大客車上已經(jīng)大量應(yīng)用。隨著人們生活水平的提高，對(duì)汽車舒適性的要求越來越高，可以預(yù)見，ECAS這一先進(jìn)的空氣懸架系統(tǒng)越來越普及。 1.3 我國(guó)空氣懸架的應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)擁有空氣懸架項(xiàng)目的公司為數(shù)眾多，但真正擁有空氣懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)、制造的寥寥無幾，規(guī)模也十分有限。目前國(guó)內(nèi)具有代理性質(zhì)但無實(shí)際設(shè)計(jì)能力的公司居多，主要以代

20、理美國(guó)、德國(guó)、韓國(guó)、日本產(chǎn)品為主，公司規(guī)模一般不大，產(chǎn)品有限。由于代理公司主要是以追求經(jīng)營(yíng)利潤(rùn)為導(dǎo)向，對(duì)設(shè)計(jì)匹配等技術(shù)環(huán)節(jié)往往存在先天不足，導(dǎo)致主機(jī)廠出現(xiàn)問題時(shí)無法及時(shí)解決等問題，影響被代理產(chǎn)品的聲譽(yù)及市場(chǎng)，因此，國(guó)外的制造公司也紛紛以不同的方式直接介入中國(guó)市場(chǎng)。比如，美國(guó)FIRESTON（凡士通）公司在允許一定代理的同時(shí)，在上海設(shè)立了銷售辦事處，日本NHK彈簧公司在重慶合資成立NHK重慶公司，韓國(guó)大圓鋼業(yè)會(huì)社在天津合資成立大圓天津公司，丹麥丹拂斯公司在天津合資成立丹拂斯天津公司，美國(guó)固特異公司在大連、青島相繼建立工廠。另外，整車廠為降低成本，把空氣懸架系統(tǒng)細(xì)分成氣囊、推力桿、直拉桿、穩(wěn)定桿、

21、高度閥、平衡閥、線束、減振器、導(dǎo)向臂等項(xiàng)目采購，也導(dǎo)致了國(guó)內(nèi)空氣懸架產(chǎn)品的部件加工、制造正在往高度離散的方向發(fā)展。 空氣懸架在我國(guó)的應(yīng)用已經(jīng)落后國(guó)外幾十年，直到近幾年隨著高檔客車制造技術(shù)的引進(jìn)以及人們對(duì)舒適性要求的提高，加上國(guó)家對(duì)客車等級(jí)劃分的標(biāo)準(zhǔn)要求，空氣懸架才開始逐步應(yīng)用起來。目前空氣懸架主要集中應(yīng)用在高等級(jí)客車上，但是受多方面因素的制約，空氣懸架的配置率還很低，基本上還屬于“導(dǎo)入”階段。據(jù)掌握的不完全資料，國(guó)內(nèi)部分?jǐn)?shù)量相對(duì)較大的應(yīng)用主要集中在鄭州宇通、廈門金龍、蘇州金龍、揚(yáng)州亞星、一汽客車、東風(fēng)杭汽等規(guī)模較大的主要客車及底盤廠家。此外，國(guó)內(nèi)其它一些客車廠家也都是少批量、以選裝國(guó)外空氣懸

22、架產(chǎn)品為主。目前汽車空氣懸架在載重貨車的應(yīng)用國(guó)內(nèi)尚處于起步階段。 以空氣彈簧懸架取代傳統(tǒng)的鋼板彈簧懸架，既是必然趨勢(shì)，也是現(xiàn)實(shí)的客觀要求。目前，擺在國(guó)內(nèi)商用車廠商面前的形勢(shì)是誰先掌握了汽車空氣懸架的開發(fā)技術(shù) ，誰領(lǐng)先開發(fā)出配置空氣懸架的成熟車型，誰就掌握了今后若干年內(nèi)商用車市場(chǎng)的先機(jī)和主動(dòng)。因此，對(duì)于我國(guó)汽車業(yè)界而言，空氣懸架項(xiàng)目不僅僅是一個(gè)難得的商機(jī)，更重要的意義在于空氣懸架的廣泛應(yīng)用可以較快提升我國(guó)商用車的檔次、技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，縮短與國(guó)外商用車的技術(shù)、等級(jí)差距，鞏固和擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)商用車的市場(chǎng)份額。 我國(guó)長(zhǎng)春汽車研究所早在1957年就開始了空氣懸架技術(shù)的研究，不少高校的相關(guān)專家及研究機(jī)

23、構(gòu)多年來也做了大量富有成效的工作，并取得了許多重要研究成果。但是由于種種原因，這些研究成果大多還停留在理論上，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化率非常低，導(dǎo)致許多有價(jià)值的研究沒能繼續(xù)堅(jiān)持和深入下去。我國(guó)汽車懸架技術(shù)的研究和應(yīng)用與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比處于明顯的落后地位。 　　目前，我國(guó)在汽車懸架系統(tǒng)方面，除了鋼板彈簧懸架的設(shè)計(jì)及應(yīng)用比較成熟以外，其它懸架技術(shù)的應(yīng)用絕大部分還處于車型引進(jìn)、仿制或直接購買產(chǎn)品階段。懸架產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)滯后，一方面表現(xiàn)在設(shè)計(jì)手段落后，計(jì)算機(jī)應(yīng)力分析、動(dòng)態(tài)仿真在企業(yè)中應(yīng)用還較少；另一方面沒有建立一套完善的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)體系。在美國(guó)，由于空氣懸架的普遍應(yīng)用，已經(jīng)成就了一批專門從事空氣懸架設(shè)計(jì)、制造的懸架專

24、業(yè)公司。我國(guó)交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《營(yíng)運(yùn)客車類型劃分及等級(jí)評(píng)定》已經(jīng)規(guī)定，高級(jí)大、中型客車要采用空氣懸架，但既沒有一家整車廠能獨(dú)立設(shè)計(jì)出空氣懸架并成功地應(yīng)用于整車，也沒有一家懸架專業(yè)公司能夠設(shè)計(jì)出并向市場(chǎng)提供成熟的空氣懸架產(chǎn)品。雖然我國(guó)加入WTO之后，汽車及零部件產(chǎn)業(yè)會(huì)全面融入全球經(jīng)濟(jì)一體化，汽車行業(yè)可以實(shí)現(xiàn)全球采購，但是不能擁有懸架設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵技術(shù)，整車的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力肯定會(huì)削弱。 　　根據(jù)這種狀況，我國(guó)汽車零部件企業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住機(jī)遇，加快研發(fā)空氣懸架產(chǎn)品。首先必須明確劃分空氣懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的權(quán)限與分工，由研發(fā)部門負(fù)責(zé)研發(fā)方向、確定系統(tǒng)特性參數(shù)，指定具體的二級(jí)開發(fā)單位，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速研發(fā)和升級(jí)換代；其

25、次，要從產(chǎn)品的工藝路線入手，制定合理的開發(fā)配套模式，集中于一家公司采取“二級(jí)開發(fā)、總成集配、模塊供貨”。 最后，應(yīng)摒棄狹隘的自主開發(fā)理念，積極開展與國(guó)外強(qiáng)勢(shì)企業(yè)的合資合作，加快融入空氣懸架領(lǐng)域的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)、合作和發(fā)展，最終實(shí)現(xiàn)我國(guó)商用汽車整體技術(shù)水平及競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力的提升。 1.4.研究?jī)?nèi)容 在車輛系統(tǒng)中起主要減振作用的是懸架系統(tǒng)。懸架系統(tǒng)起到彈性連接車身車輪、緩和路面?zhèn)鹘o車身的沖擊、衰減由此引起的車輛系統(tǒng)的振動(dòng)和保證車輛乘坐舒適性的作用。提高汽車舒適性就必須限制汽車車身的加速度；而保證安全性，就需要把懸架的變形限制在很小的范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、參數(shù)固定,不能根據(jù)路面的要求進(jìn)行調(diào)節(jié)，從

26、而不能滿足良好的平順性和穩(wěn)定性要求。近年來，主動(dòng)懸架可以通過動(dòng)力裝置,根據(jù)設(shè)計(jì)者所希望的目標(biāo)及預(yù)定的模糊控制策略來改變懸架的特性，同時(shí)滿足乘坐的舒適性和安全性。 模糊控制和其他控制算法相比，具有建模簡(jiǎn)單、控制精度高、非線性適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。模糊邏輯控制方法是一種模仿人類思維推理方式的智能控制方法，其最大的特點(diǎn)是可將人的控制經(jīng)驗(yàn)用模糊語言描述，特別適合于控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型具有強(qiáng)非線性或無精確數(shù)學(xué)模型的控制過程。本文采用車身速度和加速度作為模糊控制器控制對(duì)象, 應(yīng)用MATLAB 進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬仿真，對(duì)主動(dòng)懸架的車身垂直加速度和懸架動(dòng)行程以及懸架位移量與被動(dòng)懸架模型結(jié)果進(jìn)行分析比較。 第二章 汽車

27、電控懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理 2.1 汽車懸架系統(tǒng) 2.1.1 汽車懸架系統(tǒng)的作用及組成 汽車懸架最主要的功能是傳遞作用在車輪和車架(或車身)之間的一切力和力矩，并緩和汽車駛過不平路面時(shí)所產(chǎn)生的沖擊，衰減由此引起的承載系統(tǒng)的振動(dòng)，以保證汽車的行駛平順性。為此必須在車輪與車架或車身之間提供彈性聯(lián)接，依靠彈性元件來傳遞車輪或車橋與車架或車身之間的垂向載荷，并依靠其變形來吸收能量，達(dá)到緩沖的目的。采用彈性聯(lián)接后，汽車可以看作是由懸掛質(zhì)量(即簧載質(zhì)量)、非懸掛質(zhì)量(即非簧載質(zhì)量)和彈簧 (彈性元件)組成的振動(dòng)系統(tǒng)，承受來自不平路面、空氣動(dòng)力及傳動(dòng)系、發(fā)動(dòng)機(jī)的激勵(lì)。為了迅速衰減不必要的振動(dòng)，懸架中

28、還必須包括阻尼元件，即減振器。汽車懸掛盡管有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，但一般都是由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)三部分組成。（如圖 1） 圖 1汽車懸架組成示意圖 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 此外，懸架中確保車輪與車架或車身之間所有力和力矩可靠傳遞并決定車輪相對(duì)于車架或車身的位移特性的連接裝置統(tǒng)稱為導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)決定了車輪跳動(dòng)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡和車輪定位參數(shù)的變化，以及汽車前后側(cè)傾中心及縱傾中心的位置，從而在很大程度上影響了整車的操縱穩(wěn)定性和抗縱傾能力。在有些懸架中還有緩沖塊和橫向穩(wěn)定桿。 2.1.2 對(duì)汽車懸架系統(tǒng)的要求 汽車懸掛系統(tǒng)

29、對(duì)汽車的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性都有較大的影響。所謂行駛平順性是指汽車在行駛過程中，保持駕駛員和乘員處于振動(dòng)環(huán)境中具有一定的舒適度，或保持所載物資完好的能力。汽車的操縱穩(wěn)定性則包括兩方面的含義：一是汽車是否具有正確遵守駕駛員操縱轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)所給規(guī)定方向行駛的能力，即所謂的操縱性；二是汽車在外界條件（如地面不平、坡道、大風(fēng)等）干擾下，能否保持原方向行駛的能力，即所謂的穩(wěn)定性。在懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡可能做到既能使行駛平順性（即乘坐舒適性）達(dá)到令人滿意的程度，又能使其操縱穩(wěn)定性（即行駛安全性）也達(dá)到最佳的狀態(tài)。然而，這兩個(gè)要求在懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中往往是矛盾的。 平順性和操縱穩(wěn)定性對(duì)汽車懸掛系統(tǒng)這一互為矛盾的

30、要求，在傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)設(shè)計(jì)中幾乎無法同時(shí)滿足。即使經(jīng)過慎重的權(quán)衡，通過最優(yōu)控制理論使懸掛系統(tǒng)在平順性和操縱穩(wěn)定性之間尋求一個(gè)折衷的方案，而這種最優(yōu)的折衷也只能是在特定的道路狀態(tài)和速度下達(dá)到。 為了克服傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)對(duì)其性能改善的限制，在現(xiàn)代汽車中采用和發(fā)展了新型的電子控制懸掛系統(tǒng)。電子控制懸掛系統(tǒng)可以根據(jù)不同的路面條件，不同的載重質(zhì)量，不同的行駛速度等，來控制懸掛系統(tǒng)的剛度、調(diào)節(jié)減振器的阻尼力大小，甚至可以調(diào)整車身高度，從而使車輛的平順性和操縱穩(wěn)定性在各種行駛條件下達(dá)到最佳的組合。 2.1.3 汽車傳統(tǒng)被動(dòng)懸架 被動(dòng)懸架即傳統(tǒng)式的懸架，是由彈簧、減振器（減振筒）、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)等組成，

31、其中彈簧主要起減緩沖擊力的作用，減振器的主要作用是衰減振動(dòng)。由于這種懸架是由外力驅(qū)動(dòng)而起作用的，所以稱為從動(dòng)懸架。由于被動(dòng)懸架設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)是在滿足汽車平順性和操縱穩(wěn)定性之間進(jìn)行折衷，對(duì)于不同的使用要求，只能是在滿足主要性能要求的基礎(chǔ)上犧牲次要性能。被動(dòng)懸架的優(yōu)點(diǎn)是成本低、有較高的可靠性。缺點(diǎn)是無法解決同時(shí)滿足平順性和操縱穩(wěn)定性之間相矛盾的要求。剛性較大的螺旋彈簧 以使車輪保持著與路面接觸的傾向，提高輪胎的抓地能力。但是這樣的弊端是乘坐汽車時(shí)有較強(qiáng)烈的顛簸感覺。采用較軟的螺旋彈簧，以適應(yīng)崎嶇不平的路面，提高乘坐汽車時(shí)的平穩(wěn)性及舒適性。但是這樣的汽車操縱性較差。 2.2 汽車電控懸架系統(tǒng) 2.

32、2.1 汽車電控懸架系統(tǒng)的功能 汽車電控懸架系統(tǒng)能在不同的使用條件下具有不同的彈簧剛度和減振器阻尼力，既滿足平順性的要求又滿足操縱穩(wěn)定性的要求。 電控懸架系統(tǒng)的基本目的是控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼力，突破傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的局限性，使汽車的懸架特性與道路狀況和行駛狀態(tài)相適應(yīng)，從而保證汽車行駛的平順性和操縱的穩(wěn)定性要求都能得到滿足，其基本功能主要有三點(diǎn)。 （1）車高調(diào)整：無論車輛的負(fù)載多少，都可以保持汽車高度一定，車身保持水平，從而使前大燈光束方向保持不變；當(dāng)汽車在壞路面上行駛時(shí)，可以使車高升高，防止車橋與路面相碰；當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，又可以使車高降低，以便減少空氣阻力，提高操縱穩(wěn)定性。 （2）減

33、振器阻尼力控制：通過對(duì)減振器阻尼系數(shù)的調(diào)整，防止汽車急速起步或急加速時(shí)車尾下蹲；防止緊急制動(dòng)時(shí)的車頭下沉；防止汽車急轉(zhuǎn)彎時(shí)車身橫向搖動(dòng)；防止汽車換擋時(shí)車身縱向搖動(dòng)等，提高行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。 （3）彈簧剛度控制：與減振器一樣在各種工況下，通過對(duì)彈簧性系數(shù)的調(diào)整，來改善汽車的乘坐舒適性與操縱穩(wěn)定性。 總結(jié)起來，電子控制懸架系統(tǒng)能根據(jù)不同的路面狀況、載重量、車速等控制懸架系統(tǒng)的剛度和減振器的阻尼,調(diào)節(jié)車身高度以提高車輛的通過性。根據(jù)有無動(dòng)力源,可以將電子控制懸架分為兩大類:半主動(dòng)懸架及主動(dòng)懸架。 2.2.2 汽車半主動(dòng)懸架及其特點(diǎn) 半主動(dòng)懸架可以根據(jù)路面的激勵(lì)和車身的響應(yīng)對(duì)懸架的阻

34、尼系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,使車身的振動(dòng)被控制在某個(gè)范圍內(nèi)。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)無動(dòng)力源。因此,汽車在轉(zhuǎn)向、起步、制動(dòng)等工況時(shí)不能對(duì)剛度和阻尼進(jìn)行有效控制。半主動(dòng)懸架的特點(diǎn)是可看作由可變特性的彈簧和減振器組成的懸架系統(tǒng)，雖然它不能隨外界的輸入進(jìn)行最優(yōu)的控制和調(diào)節(jié)，但它可按存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)的各種條件下最優(yōu)彈簧和減振器的優(yōu)化參數(shù)指令來調(diào)節(jié)彈簧的剛度和減振器的阻尼狀態(tài)。優(yōu)缺點(diǎn)介于被動(dòng)懸架與主動(dòng)懸掛之間。 2.2.3 汽車主動(dòng)懸架及其特點(diǎn) 主動(dòng)懸架是一種有源控制,可以根據(jù)汽車行駛條件的變化,主動(dòng)改變懸架的剛度和阻尼系數(shù)。在汽車行駛路面、速度變化以及在汽車起步、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等工況時(shí),主動(dòng)懸架都可以進(jìn)行有效控制。此外,

35、主動(dòng)懸架還可以根據(jù)車速的變化控制車身的高度。主動(dòng)懸架的特點(diǎn)表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。 （1）懸掛剛度可以設(shè)計(jì)得很小，使車身具有較低的自然振動(dòng)頻率，以保證正常行駛時(shí)的乘坐舒適性。汽車轉(zhuǎn)向等情況下的車身側(cè)傾，制動(dòng)、加速等情況下的縱向擺動(dòng)等問題，由主動(dòng)懸掛系統(tǒng)通過調(diào)整有關(guān)車輪懸掛的剛度予以解決。而對(duì)于傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)，為同時(shí)兼顧到側(cè)傾、縱擺等問題，不得不把懸掛剛度設(shè)計(jì)得較大，因而正常行駛時(shí)汽車的乘坐舒適性受到損失。 （2）采用主動(dòng)懸掛系統(tǒng)，因不必兼顧正常行駛時(shí)汽車的乘坐舒適性，可將汽車懸掛抗側(cè)傾、抗縱擺的剛度設(shè)計(jì)得較大，因而提高了汽車的操縱穩(wěn)定性，即汽車的行駛安全性得以提高。 （3）先進(jìn)的主動(dòng)懸掛

36、系統(tǒng)，還能保證在車輪行駛中碰抵磚石之類的障礙物時(shí)，懸掛系統(tǒng)在瞬時(shí)將車輪提起，避開障礙行進(jìn)，因而汽車的通過性也得以提高。 （4）汽車載荷發(fā)生變化時(shí)，主動(dòng)懸掛系統(tǒng)能自動(dòng)維持車身高度不變。在各輪懸掛單獨(dú)控制的情況下，還能保證汽車在凸凹不平的道路上行駛時(shí)，車身穩(wěn)定。 （5）普通懸掛在汽車制動(dòng)時(shí)，車頭向下俯沖。而裝有某些主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的汽車（如沃爾沃740型小轎車）卻不存在這種情況。制動(dòng)時(shí)，該車尾部下傾，因而可以充分利用后輪與地面間的附著條件，加速制動(dòng)過程，縮短制動(dòng)距離。 （6）裝有某些主動(dòng)懸掛系統(tǒng)的汽車在轉(zhuǎn)向時(shí)，車身不但不向外傾斜，反而向內(nèi)傾斜，從而有利于轉(zhuǎn)向時(shí)的操縱穩(wěn)定性。 （7）主動(dòng)懸掛可使

37、車輪與地面保持良好接觸，即車輪跳離地面的傾向減小，保持與地面垂直，因而可提高車輪與地面間的附著力，使車輪與地面間相對(duì)滑動(dòng)的傾向減小，汽車抗側(cè)滑的能力得以提高。輪胎的磨損也得以減輕，轉(zhuǎn)向時(shí)車速可以提高。 （8）在所有載荷工況下，由于車身高度不變，保證了車輪可全行程跳動(dòng)。而傳統(tǒng)的被動(dòng)懸掛系統(tǒng)中，當(dāng)汽車載荷增大時(shí)，由于車身高度的下降，車輪跳動(dòng)行程減少，為不發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，不得不把重載時(shí)的懸掛剛度設(shè)計(jì)得偏高，因而輕載時(shí)的平順性受到損失。而主動(dòng)懸掛系統(tǒng)則無此問題。 2.2.4 汽車電控懸架系統(tǒng)的基本工作原理 電子控制懸架系統(tǒng)由傳感器與開關(guān)、控制單元、執(zhí)行元件等電子器件組成。傳感器和開關(guān)將路面輸入的模

38、擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給控制單元ECU，控制單元ECU將傳感器輸入的電信號(hào)進(jìn)行分析處理后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件的機(jī)械動(dòng)作改變減振器的阻尼和彈簧的剛度。工作原理如圖2。 主動(dòng)懸架系統(tǒng)的基本工作原理是傳感器將采集的反映懸架振動(dòng)的信號(hào)傳給控制器，控制器控制主動(dòng)懸架的力發(fā)生器，產(chǎn)生控制力控制車身的振動(dòng),從而大大提高了車輛的平順性等性能。 傳感器收集信息 控制單元ECU 執(zhí)行元件根據(jù)信息產(chǎn)生動(dòng)作 懸架系統(tǒng)提供適當(dāng)?shù)淖枘峄驈椈蓜偠? 圖2　電控懸架系統(tǒng)基本工作原理 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)基本工作原理是用可調(diào)彈簧或可調(diào)阻尼元件組成懸架，并根據(jù)懸架的振動(dòng)響應(yīng)等反饋信號(hào)，按照

39、一定的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)車輛懸架系統(tǒng)的剛度或阻尼狀態(tài),提高車輛的行駛平順性和安全性。 2.3汽車電控懸架系統(tǒng)的控制方法 2.3.1 電控懸架系統(tǒng)控制特性 由于懸架系統(tǒng)是很復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，因此基于模型的線性反饋控制是不適用的。利用現(xiàn)代控制理論保證汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的研究日益完善，以下介紹幾種基于現(xiàn)代控制理論的電控懸架控制方法。 2.3.2 自適應(yīng)與自校正控制方法 自適應(yīng)控制是針對(duì)具有一定不確定性的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。自適應(yīng)控制方法可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)變化，從而時(shí)刻保持系統(tǒng)的性能指標(biāo)為最優(yōu)。其基本出發(fā)點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前輸入的相關(guān)信息，從預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)的參數(shù)中選取當(dāng)前最合適的控制參數(shù)。應(yīng)

40、用于車輛懸架控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策略。自校正控制是一種將受控對(duì)象參數(shù)在線識(shí)別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法，如圖3 所示。 道路輸入 懸架系統(tǒng) 執(zhí)行器 自適應(yīng) 圖3　自適應(yīng)控制原理 2.3.3 天棚阻尼器控制方法 由美國(guó)的D. KARNOPP教授提出的天棚阻尼器控制理論，在主動(dòng)懸架控制中被廣泛采用。天棚阻尼器控制是設(shè)想將系統(tǒng)中的阻尼器移至車體與某固定的天棚之間。就主動(dòng)

41、懸架而言，也就是要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)與車體的上下振動(dòng)絕對(duì)速度成比例的控制力來衰減車體的振動(dòng)。被動(dòng)懸架可以認(rèn)為是帶阻尼器的雙質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)考慮到帶寬和系統(tǒng)的共振特性時(shí)，通常被動(dòng)懸架的性能不能令人滿意。但帶天棚阻尼器的汽車懸架，只要合理選擇參數(shù)，可徹底消除系統(tǒng)共振現(xiàn)象。天棚阻尼器控制只考慮了幅頻特性，不包括相頻特性，這就產(chǎn)生了用傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)性能指標(biāo)的不確定性問題。 2.3.4 預(yù)見控制方法 預(yù)見控制方法是利用車輛前輪的擾動(dòng)信息預(yù)估路面的干擾輸入，將測(cè)量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實(shí)施最優(yōu)控制。這種控制技術(shù)可以通過某種方法提前檢測(cè)到前方路面的狀態(tài)和變化，使控制系統(tǒng)有足夠的時(shí)間采取措施。因此，可大

42、大降低系統(tǒng)的能耗，改善系統(tǒng)的控制性能。 根據(jù)預(yù)見信息的測(cè)量及利用方法不同，可構(gòu)成不同的預(yù)見控制系統(tǒng)，如對(duì)四輪進(jìn)行預(yù)見控制和利用前輪擾動(dòng)信息對(duì)后輪進(jìn)行預(yù)見控制。對(duì)四輪全進(jìn)行預(yù)見控制時(shí)，在車的前部設(shè)置特制的預(yù)見傳感器以測(cè)試前方道路的凹凸情況，然后將這些信息傳至控制器?？刂破鞲鶕?jù)這些信息計(jì)算出控制指令，并將相應(yīng)信號(hào)送至四個(gè)車輪中的每一個(gè)懸架機(jī)構(gòu)。從理論上看，這種系統(tǒng)應(yīng)取得最為理想的控制效果，但需要設(shè)置特殊的傳感器。在利用前輪信息對(duì)后輪進(jìn)行預(yù)見控制系統(tǒng)中，兩個(gè)前輪采用的僅為反饋控制，但通過前輪部分各種傳感器所獲得的信息，都被作為預(yù)見信息而送至控制器。在決定后輪的控制指令時(shí)，控制器不僅考慮當(dāng)時(shí)后輪傳感

43、器得到的各種信息，而且也根據(jù)當(dāng)時(shí)的車速和前后輪間的軸距，考慮前輪各傳感器所獲得的信息。因此，在后輪的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，實(shí)行的是反饋加前向反饋的雙作用控制。這樣就無須增設(shè)特制的預(yù)見傳感器，只須對(duì)控制系統(tǒng)軟件作些修改，便可對(duì)后輪實(shí)施預(yù)見控制，從而提高后輪的減振效果，同時(shí)就整車而言可以減小車體的振動(dòng)，因而控制效果得到改善。 2.3.5 最優(yōu)控制方法 車輛的懸架系統(tǒng)是一個(gè)高階的數(shù)學(xué)模型，對(duì)其采用最優(yōu)控制的前提是獲得大量的狀態(tài)信息。在實(shí)際工程中，大部分的狀態(tài)變量要利用Kalman濾波獲得，通過求解Riccati 方程，在使性能指標(biāo)最小的基礎(chǔ)上，綜合控制規(guī)律,這就是通常所說LQG控制。由于需要大量的狀態(tài)信息

44、，對(duì)硬件系統(tǒng)的要求很高，而且狀態(tài)重構(gòu)帶來一系列魯棒性的問題，因LQG最優(yōu)控制在實(shí)際中采用得很少。但由于它的結(jié)果是理論最優(yōu)的，因而還是有眾多學(xué)者對(duì)它進(jìn)行了各種改進(jìn)，期望提高該控制策略的魯棒性。 2.3.6 譜范數(shù)H∞最優(yōu)控制 譜范數(shù)H∞最優(yōu)控制方法是80年代出現(xiàn)的，是目前解決魯棒控制問題比較成功且比較完善的理論體系。它的設(shè)計(jì)原則，是在保證閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，對(duì)系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的無窮范數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而使系統(tǒng)在存在參數(shù)變化、建模誤差、測(cè)量噪聲和外界擾動(dòng)輸入的情況下，保證閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的魯棒性，能使相對(duì)于干擾的輸出取最小的一種最優(yōu)控制方法。為了模擬由于車身質(zhì)量、輪胎剛度

45、和減振器阻尼系數(shù)等變化不確定的誤差，應(yīng)用最優(yōu)控制方法可使汽車懸架振動(dòng)控制具有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。由于實(shí)際的車輛系統(tǒng)往往是時(shí)變的非線性系統(tǒng)，從而使實(shí)際系統(tǒng)達(dá)不到運(yùn)用最優(yōu)控制理論所預(yù)期的性能。因此有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行魯棒性分析，即在各種模型誤差及不確定擾動(dòng)的情況下，研究系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性問題。 3.3.7 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基本思想是從仿生學(xué)的角度，模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作方式，使機(jī)器具有人腦那樣的感知、學(xué)習(xí)和推理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其強(qiáng)大的非線性映射能力、自學(xué)習(xí)適應(yīng)能力、聯(lián)想記憶能力、并行處理方式及優(yōu)良的容錯(cuò)性能，作為一種并行分布式處理系統(tǒng)，它具有自動(dòng)知識(shí)獲取、聯(lián)想記憶、自適應(yīng)性、良好的容錯(cuò)性和推

46、理能力,故在汽車懸架控制中有廣泛的應(yīng)用前景，其原理見但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有以下不足: (1)難以保證解的唯一性； (2)局域性差； (3)基函數(shù)非正交,收斂速度慢； (4)難以確定逼近的分辨尺度。 2.3.8 模糊控制 模糊控制是利用模糊數(shù)學(xué)的基本思想和理論的控制方法。在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過于復(fù)

47、雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來處理這些控制問題。 一般的模糊控制系統(tǒng)包含以下五個(gè)主要部分。 (1)定義變量 　　也就是決定程序被觀察的狀況及考慮控制的動(dòng)作，例如在一般控制問題上，輸入變量有輸出誤差e與輸出誤差之變化率e c，而控制變量則為下一個(gè)狀態(tài)之輸入u。其中e、e c、u統(tǒng)稱為模糊變量。 (2)模糊化 　　將輸入值以適當(dāng)?shù)谋壤D(zhuǎn)換到論域的數(shù)值，利用口語化變量來描述測(cè)量物理量的過程，依適合的語言值（Linguistic value）求該值相對(duì)之隸屬度，此口語化變量我們稱之為模糊子集合（fuzzy subsets）。 (3)知識(shí)庫 　　包括數(shù)據(jù)

48、庫（data base）與規(guī)則庫（rule base）兩部分，其中數(shù)據(jù)庫是提供處理模糊數(shù)據(jù)之相關(guān)定義；而規(guī)則庫則藉由一群語言控制規(guī)則描述控制目標(biāo)和策略。 (4)邏輯判斷 　　模仿人類下判斷時(shí)的模糊概念，運(yùn)用模糊邏輯和模糊推論法進(jìn)行推論，而得到模糊控制訊號(hào)。此部分是模糊控制器的精髓所在。 (5)解模糊化 　　將推論所得到的模糊值轉(zhuǎn)換為明確的控制訊號(hào)，作為系統(tǒng)的輸入值。 模糊控制是近年來迅速發(fā)展起來的新型控制方法, 其特點(diǎn)是允許控制對(duì)象沒有精確的數(shù)學(xué)模型, 使用語言變量代替數(shù)字變量, 在控制過程中包含大量的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)。其控制器的輸入量可選擇車身加速度和車身與車輪的相對(duì)速度, 輸出量為

49、動(dòng)力裝置產(chǎn)生的作用力。 2.3.9 復(fù)合控制方法 車輛懸架控制方法的研究幾乎涉及到控制理論的所有分支，各種控制方法均有其特點(diǎn)和不足之處。而采用復(fù)合控制方法則往往能得到意想不到的結(jié)果，如自適應(yīng)控制與魯棒控制的復(fù)合、自適應(yīng)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與最優(yōu)預(yù)見控制的復(fù)合以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制的復(fù)合等。 基于模糊神經(jīng)的模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)，汽車車身垂直振動(dòng)加速度是評(píng)價(jià)汽車行駛平順性的主要指標(biāo)，在保證操縱穩(wěn)定性的前提下應(yīng)盡量減小該振動(dòng)。采用車身垂直振動(dòng)加速度的統(tǒng)計(jì)值，即加速度均方根值為控制指標(biāo)，降低了對(duì)控制器及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件性能要求，易實(shí)現(xiàn)在線控制。 第三章 汽車電控懸架系統(tǒng)的

50、建模分析 3.1 模糊控制技術(shù) 3.1.1 模糊控制技術(shù)基本原理及特征 模糊控制是以模糊集合理論、模糊語言及模糊邏輯為基礎(chǔ)的控制，它是 模糊數(shù)學(xué)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，是一種非線性智能控制。 模糊控制是利用人的知識(shí)對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制的一種方法，通常用“if條 件，then結(jié)果”的形式來表現(xiàn)，所以又通俗地稱為語言控制。一般用于無法以 嚴(yán)密的數(shù)學(xué)表示的控制對(duì)象模型，即可利用人(熟練專家)的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來很好 地控制。因此，利用人的智力，模糊地進(jìn)行系統(tǒng)控制的方法就是模糊控制。模 糊控制的基本原理如圖4所示。 模糊化 模糊推理 非模糊化 控制對(duì)象 參考輸入

51、 輸出 圖4 模糊控制系統(tǒng)原理框圖 模糊控制系統(tǒng)的核心部分為模糊控制器，模糊控制器的控制規(guī)律由計(jì)算機(jī)的程序?qū)崿F(xiàn)，實(shí)現(xiàn)一步模糊控制算法的過程是微機(jī)采樣獲取被控制量的精確值，然后將此量與給定值比較得到誤差信號(hào)E；一般選誤差信號(hào)E作為模糊控制器的一個(gè)輸入量，把E的精確量進(jìn)行模糊量化變成模糊量，誤差E的模糊量可用相應(yīng)的模糊語言表示；從而得到誤差E的模糊語言集合的一個(gè)子集e(e實(shí)際上是一個(gè)模糊向量)；再由e和模糊控制規(guī)則R(模糊關(guān)系)根據(jù)推理的合成規(guī)則進(jìn)行模

52、糊決策，得到模糊控制量u。 （3.1） 式中u為一個(gè)模糊量；為了對(duì)被控對(duì)象施加精確的控制，還需要將模糊量u進(jìn)行非模糊化處理轉(zhuǎn)換為精確量：得到精確數(shù)字量后，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)榫_的模擬量送給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行一步控制；然后，進(jìn)行第二次采樣，完成第二步控制……。這樣循環(huán)下去，就實(shí)現(xiàn)了被控對(duì)象的模糊控制。 模糊控制(Fuzzy Control)是以模糊集合理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。模糊控制同常規(guī)的控制方案相比，主要特點(diǎn)有四個(gè)方面。 (1)模糊控制只要求掌握現(xiàn)場(chǎng)操作人員或有關(guān)專家的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)或操作數(shù)據(jù)，不需要建立

53、過程的數(shù)學(xué)模型，所以適用于不易獲得精確數(shù)學(xué)模型的被控過程，或結(jié)構(gòu)參數(shù)不很清楚等場(chǎng)合。 (2)模糊控制是一種語言變量控制器，其控制規(guī)則只用語言變量的形式定性的表達(dá)，不用傳遞函數(shù)與狀態(tài)方程，只要對(duì)人們的經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)，進(jìn)而從中提煉出規(guī)則，直接給出語言變量，再應(yīng)用推理方法進(jìn)行觀察與控制。 (3)系統(tǒng)的魯棒性強(qiáng)，尤其適用于時(shí)變、非線性、時(shí)延系統(tǒng)的控制。 (4) 從不同的觀點(diǎn)出發(fā)，可以設(shè)計(jì)不同的目標(biāo)函數(shù)，其語言控制規(guī)則分別是獨(dú)立的，但是整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可得到總體的協(xié)調(diào)控制。 3.1.2 模糊控制器的基本結(jié)構(gòu) 模糊控制器的組成框圖主要分為三部分：精確量的模糊化，規(guī)則庫模糊推理，模糊量的反模糊化，如圖

54、5所示。 （1）精確量的模糊化 模糊化是一個(gè)使清晰量模糊的過程，輸入量根據(jù)各種分類被安排成不同的隸屬度，例如，溫度輸入根據(jù)其高低被安排成很冷、冷、常溫、熱和很熱等。一般在實(shí)際應(yīng)用中將精確量離散化，即將連續(xù)取值量分成幾檔，每一檔對(duì)應(yīng)一個(gè)模糊集?？刂葡到y(tǒng)中的偏差和偏差變化率的實(shí)際范圍叫做這些變量的基本論域，設(shè)偏差的基本論域?yàn)閇-x，+x]，偏差所取的模糊集的論域?yàn)?-n，-n+1，…0，n-1，n),即可給出精確量的模糊化的量化因子k。 （3.2） 規(guī)則庫 輸入

55、 輸出 模糊化 推理機(jī) 反模糊化 圖5 模糊控制器機(jī)構(gòu)框圖 （2）規(guī)則庫和推理機(jī) 模糊控制器的規(guī)則是基于專家知識(shí)或手動(dòng)操作熟練人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)，它是按人的直覺推理的一種語言表示形式。模糊規(guī)則通常由一系列的關(guān)系詞連接而成，如If-then，else， also，and，or等。例如，某模糊控制系統(tǒng)輸入變量為e(誤差)和ec(誤差變化率)，它們對(duì)應(yīng)的語言變量為E和EC，可給出一組模糊規(guī)則。 R1：If E is NB and EC is NB then U is PB R2：If E is NB and EC is NS then U is

56、 PM 通常把If．．．部分稱為“前提”，而then．．．部分稱為“結(jié)論”。其基本結(jié)構(gòu)可歸納為If A and B then C，其中A為論域U上的一個(gè)模糊子集，B為論域V上的一個(gè)模糊子集。根據(jù)人工的控制經(jīng)驗(yàn)，可離線組織其控制決策表R，R是笛卡兒乘積集U×V上的一個(gè)模糊子集，則某一時(shí)刻其控制量C由式3.3給出。 （3.3） 規(guī)則庫用來存放全部模糊控制規(guī)則，在推理時(shí)為“推理機(jī)”提供控制規(guī)則。由上述可知，規(guī)則條數(shù)和模糊變量的模糊子集劃分有關(guān)。劃分越細(xì)，規(guī)則條數(shù)越多，但并不代表規(guī)則庫的準(zhǔn)確度越高，規(guī)則庫的“準(zhǔn)確性”還與專家知識(shí)的準(zhǔn)確度有關(guān)。 在設(shè)計(jì)模

57、糊控制規(guī)則時(shí)，必須考慮控制規(guī)則的完備性、交叉性和一致性。完備性是指對(duì)于任意的給定輸入均有相應(yīng)的控制規(guī)則起作用。要求控制規(guī)則的完備性是保證系統(tǒng)能被控制的必須條件之一。如果控制器的輸出值總由數(shù)條控制規(guī)則來決定，說明控制規(guī)則之間相互聯(lián)系、相互影響。這是控制規(guī)則的交叉性。一致性是指控制規(guī)則中不存在相互矛盾的規(guī)則。常用的模糊控制規(guī)則生成方法有以下幾種。 a 根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)或過程控制知識(shí)生成控制規(guī)則 模糊控制規(guī)則是基于手動(dòng)控制策略而建立的，而手動(dòng)控制策略又是人們通過學(xué)習(xí)、試驗(yàn)以及長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)積累而形成的。手動(dòng)控制過程一般是通過被控對(duì)象或過程的觀測(cè)，操作者再根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識(shí)，進(jìn)行綜合分析并做出控制決策

58、，調(diào)整加到被控對(duì)象的控制作用，從而使系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。 b 根據(jù)過程模糊模型生成控制規(guī)則 如果用語言去描述被控過程的動(dòng)態(tài)特性，那么這種語言描述可以看作為過程的模糊模型。根據(jù)模糊模型，可以得到模糊控制規(guī)則集。 c 根據(jù)對(duì)手工操作系統(tǒng)的觀察和測(cè)量生成控制規(guī)則 在實(shí)際生產(chǎn)中，操作人員可以很好地操作控制系統(tǒng)，但有時(shí)卻難以給出用于模糊控制所用的控制語句。為此，可通過對(duì)系統(tǒng)的輸入、輸出進(jìn)行多次測(cè)量，再根據(jù)這些測(cè)量數(shù)據(jù)去生成模糊控制規(guī)則。 推理是模糊控制器中，根據(jù)輸入模糊量，由模糊控制規(guī)則完成模糊推理來求解模糊關(guān)系方程，并獲得模糊控制量的功能部分。Mamdani推理法, 本質(zhì)上是一種合成推理方法。

59、 (3)反模糊化 通過模糊控制決策得到的是模糊量，要執(zhí)行控制，必須把模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，也就是要推導(dǎo)出模糊集合到普通集合的映射(也稱判決)。實(shí)際上是在一個(gè)輸出范圍內(nèi)，找到一個(gè)被認(rèn)為最具有代表性的、可直接驅(qū)動(dòng)控制裝置的確切的輸出控制值。主要反模糊化判決方法有：最大隸屬度法，重心法和加權(quán)平均法。 3.1.3 模糊控制的基本過程 (1)模糊控制基本思想 一般選偏差信號(hào)e作為模糊控制器的一個(gè)輸入量,把e的精確量進(jìn)行模糊化變成模糊量，e的模糊量可以用相應(yīng)的模糊語言表示，得到了e的模糊語言集合的一個(gè)子集。再由模糊子集和模糊控制規(guī)則(模糊關(guān)系)根據(jù)模糊推理的合成規(guī)則進(jìn)行模糊決策，得到模糊控制量

60、為，控制原理如圖6所示。 圖6 模糊控制原理圖 綜上所述，模糊控制過程可概括為下述4個(gè)步驟： ①據(jù)本次采樣得到的系統(tǒng)的輸出值，計(jì)算所選擇系統(tǒng)的輸入變量； ②將輸入變量的精確值變?yōu)槟：浚? ③根據(jù)輸入變量(模糊量)及模糊控制規(guī)則，按照模糊推理合成規(guī)則推理計(jì)算輸出控制量(模糊量)； ④由上述得到的控制量(模糊量)計(jì)算精確的輸出控制量，并作用于執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 (2)模糊控制系統(tǒng)的工作原理 以溫度控制系統(tǒng)基本控制規(guī)則為例，可以用語言描述如下： ①爐溫低于800 ℃，則升壓，低得越多，升壓越高；

61、 ②若爐溫高于800 ℃，則降壓，高得越多，降壓越低； ③若爐溫等于800 ℃，則保持電壓不變。 對(duì)于上述溫度控制系統(tǒng)，采用模糊控制方法進(jìn)行爐溫控制時(shí)，控制系統(tǒng)的工作原理及工作過程可簡(jiǎn)述如下： a 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量 在此將爐溫800℃作為給定值t0，測(cè)量得到的爐溫記為t(K)，則誤差 (3.4) 作為模糊控制器的輸入變量。 b 輸入變量及輸出變量的模糊語言描述 設(shè)描述輸入變量及輸出變量的語言值的模糊子集為： {負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大} 采用如下簡(jiǎn)記形式：NB＝負(fù)大，NS＝負(fù)小，Z＝零，PS＝正小，PB＝正

62、大。設(shè)誤差e的論域?yàn)閄，并將誤差大小量化為7個(gè)等級(jí)，分別表示為-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，則有：X＝{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}。設(shè)執(zhí)行控制量u的論域?yàn)閅，并同X一樣也把控制量的大小劃分為7個(gè)等級(jí)(也可以多于 7個(gè))，即：Y＝{-3，-2，-1，0，+1，+2，+3}。 c 模糊控制規(guī)則的語言描述 根據(jù)手動(dòng)控制策略，模糊控制規(guī)則可歸納如下： ① if e=NB then u=PB ② if e=NS then u=PS ③ if e=

63、Z then u= Z ④ if e=PS then u=NS ⑤ if e=PB then u=NB 得到控制規(guī)則表如3.1所示。 d 模糊控制規(guī)則的矩陣形式 模糊控制規(guī)則實(shí)際上是一組多重條件語句，它可以表示為從誤差論域X到控制量論域Y的模糊關(guān)系R。 表3.1控制規(guī)則表 e NB NS Z PS PB u PB PS Z NS NB e 模糊決策 模糊控

64、制器的控制作用取決于控制量，而控制量可以通過式(3.1)進(jìn)行計(jì)算，即 控制量u實(shí)際上等于誤差的模糊向量e和模糊關(guān)系R的合成。 f 控制量的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量 上面求得的控制量為一模糊向量，設(shè)為：u u=(0.3/-3)+(0.5/-2)+(0.5/0)+(0.4/1)+(0/2)+(0/3) 對(duì)于控制量的模糊子集按照最大隸屬度原則，應(yīng)選取控制量為“-1”級(jí)。即當(dāng)誤差為PS時(shí)，控制量為NS，為“-1”級(jí)。具體地說，當(dāng)爐溫偏高時(shí)，應(yīng)降低一點(diǎn)電壓。 3.1.4 模糊化方法 把測(cè)量值（數(shù)值量）轉(zhuǎn)換為主觀量值（模糊量）的過程稱為模糊化，也即把物理量的精確值轉(zhuǎn)換成語言變量值。由此，它可以

65、定義為在確定的輸入論域中將所觀測(cè)的輸入空間轉(zhuǎn)換為模糊集的映射，以便實(shí)現(xiàn)模糊控制算法。 模糊化的基本思想是定義一個(gè)模糊語言映射作為從數(shù)值域至語言域（符號(hào)域）的模糊關(guān)系，從而在數(shù)值測(cè)量的基礎(chǔ)上，將數(shù)值域中的數(shù)值信號(hào)映射到語言域上，為實(shí)現(xiàn)模糊推理奠定基礎(chǔ)。 模糊集合一般由論域和隸屬函數(shù)構(gòu)成。因此，模糊化的實(shí)質(zhì)就是求取相應(yīng)概念對(duì)應(yīng)數(shù)值域的模糊集合隸屬函數(shù)。 為了便于工程實(shí)現(xiàn)，通常把輸入變量范圍人為地定義成離散的若干級(jí)，所定義級(jí)數(shù)的多少取決于所需輸入量的分辨率。定義輸入量的隸屬函數(shù)可選用吊鐘型、梯形和三角形。 理論上，吊鐘型最為理想，但計(jì)算復(fù)雜。實(shí)踐證明用三角形和梯形函數(shù)其性能并沒有十分明顯的差

66、別。目前在實(shí)際中常用的處理方法是Mamdani提出的方法。就是把偏差e的變化范圍設(shè)定為[-6，+6]區(qū)間內(nèi)的連續(xù)變化量，并使之離散化，構(gòu)成含13個(gè)整數(shù)元素的離散集合： {-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6} 如果是非對(duì)稱型的，也可用1～13取代-6～+6。 如果精確量x的實(shí)際變化范圍為[a，b]，將[a，b]區(qū)間的精確變量轉(zhuǎn)換為[-6，+6]區(qū)間變化的變量y，采用如下公式： (3.5) 將在[a，b]之間變化的變量x轉(zhuǎn)換為在[-6，+6]之間變化的變量y，由上式計(jì)算的y值如果不是整數(shù)，可以把它歸入最接近于y的整數(shù)。 3.1.5 模糊控制規(guī)則及控制方法 模糊控制是建立在一系列模糊控制規(guī)則的基礎(chǔ)上的，這些控制規(guī)則是人們對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制時(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。這些控制規(guī)則是一些邏輯推理規(guī)則，其形式表現(xiàn)為模糊條件語句。 在實(shí)際控制中，把有關(guān)控制規(guī)則加以處理，產(chǎn)生相應(yīng)的控制算法，模糊控制器就以相應(yīng)的算法去控制被控對(duì)象工作。 模糊控制規(guī)則是由自然語言變量所表達(dá)的模糊條件語句組成，它表征了控制目標(biāo)和該領(lǐng)域?qū)＜业目刂撇呗裕?/p>