1、青島理工大學自動化工程學院專業方向課程設計報告題目汽車半主動懸架系統的建模、分析與仿真專業班級姓名學號指導教師自動化12級1班高祥志2012280782016年L月11日成績評語專業方向課程設計任務書論文題目汽車半主動懸架系統的建模與MATLAB仿真作者姓名高祥志專業、年級自動化12級指導教師陳霞任務下達日期2016. 1. 1一.設計主要內容建立汽車半主動懸架系統的數學模型，分析系統的能控性、能觀性和穩定性：設計狀 態反饋控制律實現極點配置，使系統穩定工作，并滿足給出的性能指標：設計狀態觀測器， 實現對系統狀態的漸近估計。之后，利用MATLAB軟件進行仿真，以驗證各類分析、設計 的有效性。二

2、.設計報告任務（1）了解汽車半主動懸架系統研究的背景、意義、發展。（2）建立汽車半主動懸架系統的數學模型。（3）設計狀態反饋控制器，實現閉壞系統的穩定性，并保證系統在施加階躍信號干擾時， 閉環系統滿足性能指標：調節時間小于等于5秒，超調量小于等于5%。（4）設計基于觀測器狀態的反饋控制器，實現對系統狀態的漸近估計，保證閉環系統的穩 定性。（5）基于MATLAB進行控制仿真、調試。（6）分析仿真結果，得出結論。三.設計報告要求（1）撰寫完整的課程設計報告（5000字以上）。（2）完成MATLAB程序設計，輸出相關仿真圖。四、設計要求進度安排日期時間內容備注2016.1.4-2016.1.68:0

3、0-17:00了解背景知識、建立系統模型2016.1.7-2016.1.98:00-17:00設計反饋控制器2016.1.10-2016.1.128:00-17:00基于MATLAB仿真2016.1.13-2016.1.158:00-17:00撰寫論文并答辯摘要懸架系統是保證汽車的操縱穩定性和駕駛舒適性的重要機械結構。傳統的被 動懸架系統設計參數一旦優化確定后就無法動態改變，難以保證具有良好的適應 性。由彈性元件和阻尼可調減振器組成的半主動懸架具有阻尼大、功率消耗低等 優點。故而隨著不斷的發展，半主動懸架成為汽車技術中的研究熱點之一，實際 應用也越多。本文在參考并且分析了己有研究成果的基礎上，

4、成功地建立了半主動懸架的 PID控制系統，并最后對系統進行了基于MATLAB平臺上的仿真。最后通過仿真 驗證了設計模型的正確。關鍵詞：半主動懸架、PID控制、MATLAB仿真3ABSTRACTSuspension is the important part of vehicle which can guarantee ride comfort and handling steadiness. It is very difficult for the traditional passive suspension whose parameters have been fixed by optimi

5、zation to adjust them to improve on the ride comfort. Semi-active suspension, composed of controllable spring and damper element, consumes little energy and has compared large damp. So with ceaseless development ,it has become a hot topic in the research field of cars and launched much into practica

6、l area.Based on consulting and analyzing the existing documents, the text builds the PID controls semi-active suspension system and uses MATLAB to set up the simulation system. After simulation, the text prove the correct of the simulation system.Key words: Semi-active suspension; PID control; MATLA

7、B simulation目錄摘要2ABSTRACT31.1車輛懸架發展概述及課題研究意義51. 2半主動懸架國內外研究現狀51.1.1 半主動懸架的產生51.1.2 半主動懸架在國外的研究51.1.3 半主動懸架在國內的研究6第二章系統建模與分析72.1 半主動懸架系統的力學模型72.2 半主動懸架系統的數學模型8第三章 半主動懸架系統的PID控制93. 1 PID控制概述93.2 PID控制設計93. 2. 1 PID控制特點94. 2. 2 PID控制模型設計10第四章能控性與能觀性分析114.1 能控性分析114.2 能觀性分析11第五章穩定性分析11第六章狀態觀測器設計126.1 全維

8、觀測器126.2 降維觀測器13第七章半主動懸架系統的仿真分析136.3 1 NIATLAB/Simulink 仿真平臺的介紹13總結15參考文獻16附錄117附錄218附錄319第一章課題背景1.1 車輛懸架發展概述及課題研究意義汽車，作為人類工業文明的結晶，從19世紀出現至今，為了適應人們不斷 提高的需求，汽車上的部件和技術也在突飛猛進。現如今，人們不僅要求汽車有 更強勁的動力，更良好的效率，更可靠的制動，同時對汽車的控制穩定性和駕駛 舒適性提出了更高的要求?，F如今幾乎所有汽車品牌多在大力的宣傳自己產品優秀的操控性能和舒適 性一一從歐系到日系，各高端品牌無不在極力宣傳自己良好的操控性和運動

9、性。汽車行駛的路面上的凸起和凹坑使車身在車輪的垂直作用力下起伏波動，產 生振動和沖擊；在加速減速及轉彎和制動時的傾覆力和側傾力可使車身產生俯仰 和側傾振動。這些振動和沖擊會嚴重影響車輛的操作穩定性和駕駛舒適性。汽車上的懸架系統作為車身上述各種里和力矩的傳動裝置，其性能和傳遞特 性是汽車上述性能最重要、最直接的影響因素。所以，汽車懸架是保證乘坐舒適 性的重要部件。同時，汽車懸架做為車架與車軸之間作連接的傳力部件，乂是保 證汽車行駛安全的重要部件。因此，汽車懸架往往列為重要部件編入轎車的技術 規格表，作為衡量轎車質量的指標之一。1.2 半主動懸架國內外研究現狀1.2.1 半主動懸架的產生半主動懸架

10、在1973年由美國加州大學戴維斯分校的D. A. Crosby和 D.C.Karnopp首先提出。其基本原理是：用可調剛度彈簧或可調阻尼的減振器組 成懸架，并根據簧載質量的加速度響應等反饋信號，按照一定的控制規律調節彈 簧剛度或減振器的阻尼，以達到較好的減振效果。它的性能介于被動懸架與主動 懸架之間。半主動懸架直到20世紀80年代初期才有試驗性的產品問世。由于半主動懸 架沒有專門產生控制力的元件，因此半主動懸架具有阻尼大、功率消耗低等特點。 因此它越來越受到國內外研究人員的重視。1.2.2 半主動懸架在國外的研究研究半主動懸架，控制技術是其中的一個關鍵問題。近年來，國內外學者應 用控制理論提供

11、的方法在汽車半主動懸架控制系統的研究方面做了大量的研究 L作：PID控制、最優控制、自適應控制、神經網絡控制、模糊控制、預見控制 和魯棒控制等。最優預見控制方法：最優預見控制方法是在最優控制基礎上，加入路面信息 前饋的成分，利用車輛前輪的擾動信息預估路面的干擾輸入，將測量的狀態變量 反饋給前后控制器實施最優控制。根據預見信息的測量及利用方法不同，可構成 不同的預見控制系統，如對四輪進行預見控制和利用前輪擾動信息對后輪進行預 見控制。荷蘭的R.G.M. Huisman和F.E.Veldpaus等人基于最優控制理論，設計 應用帶有預見的連續時間控制策略，控制對象為兩自由度的牽引車全主動懸架， 控制

12、目標為簧教質量的振動加速度，考慮路面為階躍輸入時，與被動懸架相比較, 控制目標有了較大幅度地降低。仿真和實驗結果表明，此控制方法可大大降低系 統的能耗，且改善系統的控制性能。模糊控制方法：模糊邏輯控制即fuzzy logic的中文意譯。1965年，美國 的伊朗裔自動控制理論專家扎德(L. A. Zadah)在加州大學首先提出了模糊集合的 概念。后來他乂提出模糊語言變量這個重要的模糊邏輯概念，到1974年時，扎 德乂進行模糊邏輯推理的研究。從此，模糊邏輯成為人們研究的一個熱門課題。 模糊控制技術的最大特點是適宜于在各個領域中獲得廣泛的應用。最早取得應用 成果的是1974年英國倫敦大學教授E. H

13、.Mamdani,首先利用模糊控制語句模糊 控制方法在半主動懸架系統中的應效果比常規控制方法有效。但模糊控制器的穩 定性只通過一些模擬過程測試，判斷其穩定性的標準還不存在：控制器只適用于 一定的汽車參數；改變輪胎性能會使控制結果明顯變壞：路面性質對控制效果影 響較大。因此，模糊控制方法在半主動懸架控制系統中的應用從理論上無法判定, 只能通過系統實測才能確定。隨著模糊邏輯控制技術的發展，模糊邏輯控制方法 在半主動懸架上的應用與研究己越來越廣泛。1995年3月，A. s. Cherry和 R. P. Jones發表了這方面的研究成果1161,它們通過仿真計算證明使用模糊邏輯 技術控制懸架效果良好，

14、控制易于實現，并給出了模糊規則。神經網絡控制方法：日本的Moran Antonio和Nagai Masao 11 "將神經網絡 控制應用于主動/半主動懸架上，通過神經觀測器辨識出懸架的逆動力學特性 (Chamcreristies of Inverse Dynamics),在此基礎上，神經控制器采用非線最 優控制策略對懸架進行控制，減小汽車振動，模擬沖算結果說明神經網絡控制較 線性反饋控制，系統性能改善約10%,還可以應用神經網絡理論設計車輛主動 懸架系統的動力補償器型控制器。研究表明用神經網絡控制的非線性懸架系統， 比用傳統的LQ調節器控制的懸架具有更好的性能。但它們僅通過仿真結果驗

15、證 了此控制策略的正確性，沒有進行實際試驗。非線性控制方法：Alleynr和P. D. Neuhaus等人將非線性控制理論用于電液 式主動懸架的設計。他們比較了非線性控制器與傳統的PID控制器的工作性能， 并對此進行了仿真研究和模擬試驗，結果表明這種非線性控制器的效果要優于 PID控制器，能有效地衰減車身加速度。為了驗證仿真結果，Douglas. E. Ivers 和Lane. R. Miller對半主動懸架和被動懸架進行了模擬試驗，他們設計建立了兩 自由度的1/4汽車懸架模型，通過試驗測試被動懸架、半主動懸架(包括阻尼有 級可調型和阻尼連續可調型)的各種振動響應指標，如簧載質量的加速度、懸架

16、 動撓度及車輪動教荷等。試驗結果與仿真結果的一致性驗證了所建模型是精確可 靠的，試驗方案是可行的。1.2.3 半主動懸架在國內的研究隨著國內經濟的迅速騰飛，我國的汽車工業也得到了長足的進步，但有關半 主動懸架的研究與設計仍局限于高校當中，由于起步較晚等原因，還處于理論研 究和安裝調試的階段，因而這方面的具體研究成果相對還比較少。但發展速度卻 十分迅速。重慶大學碩士研究生李偉主要研究半主動懸架部分狀態變量反饋的次最優 控制，進行了仿真計算，并以模型實驗驗證了其仿真結果。由于汽車工作環境的 復雜性和不確定性，這種最優控制策略在實際應用中很難得到滿意的控制效果。北京理工大學車輛工程學院林野在博士論文

17、中研究了有源半主動懸架系統 的最優反饋控制、次最優反饋控制和無源半主動懸架的參考控制策略，提出了半 主動懸架逐步尋優的序列決策控制瞄。曾志華、金達鋒設計了阻尼連續可調的減 振器，進行了可調阻尼減振器的特性實驗，并以汽車二自由度簡化模型為被控對 象，分別利用MCS.51單片機以及微機為控制器進行了模擬汽車模型的自適應控 制臺架實驗，取得了較好的實驗效果。他們的研究重點在于可調阻尼減振器的設 計方面，對懸架自適應控制系統的控制方法涉及較少。南京建筑工程學院張廟康教授提出了一種用于車輛懸架半主動振動控制系 統的模糊神經網絡方法，基于懸架半主動控制的KARNOPP和SM方法，應用模糊 推理和IF. T

18、HEN產生式規則，通過隸屬度傳遞法則進行控制知識的處理，以設定 的評價函數最小為目標，采用優化層問權重的學習算法求解，仿真結果證明了該 半主動振動控制方法的優越性。安徽工學院肖寒松建立了兩自由度半主動懸架系統的數學模型，采用廣義最 小方差自校正算法，進行了仿真研究，并通過裝車實驗，驗證了半主動懸架在提 高乘坐舒適性方面要優于被動懸架。這種模型系統是建立在線性時不變的基礎之 上的，而實際的汽車懸架是非線性系統，這樣考慮會影響到實際控制效果。吉林大學的陳燕虹研究了基于最優控制的半主動懸架。根據磁流變減振器可 以通過改變磁場強度來改變液壓油的黏度,從而改變減振器阻尼力的特點，在最 優控制理論的基礎上

19、，建立了以電流為控制量的最優控制器。然后以隨機信號為 系統輸入，比較車輛在不同路面、不同速度下的最優控制懸架與被動懸架的簧上 質量振動加速度均方根值、懸架動行程和輪胎對路面的動載荷。仿真結果表明， 通過最優控制方法來實現的磁流變減振器半主動懸架控制，雖然動行程有所增 加，但沒有超過極限值，而簧上質量振動加速度均方根值和輪胎對路面的動載 荷均得到降低，說明該控制器具有較好的控制效果，并在工況變化時，具有較 好的適應性。第二章系統建模與分析2.1半主動懸架系統的力學模型以二自由度1/4半主動懸架模型為例，并對系統作如下假設:(1)懸掛質量與非懸掛質量均為剛體；(2)懸架系統具有線性剛度和阻尼；(3

20、)懸架在工作過程中不與緩沖塊碰撞；（4）輪胎具有線性剛度，且在汽車行駛過程中始終 與地面接觸。綜上，我們將該系統等效為兩個質量塊M, m； 兩個彈簧系統Ks, Kt： 一個可調阻尼器如圖1所 示。irLtJ»r圖1系統力學模型2. 2半主動懸架系統的數學模型由減振器的簡化模型得：fn=-csv + f對m進行分析：機爺=（20-4）-跖（4一22）-伉亨-牛）尸即：mZ = ( G 4) K$ (& - z?)G(Z -之2)- A對M進行分析：M祟） + C（+務”即:陵2=乂（）一口）+ 4信一之2）+尸選取狀態變量：X=Z-Zo，工3=&，%4=之2輸入變量：=

21、尸綜上可得，系統狀態空間表達式為:X2 =之2-之=工4 一工3m m in m ni0010600-110整理得：i =x +ni mm mmK CC10一一二二-M M M.y =-10 00-*X0 1 00輸出變量：y = x, y2 = x.圖2. 2前饋模糊控制系統仿真結構圖第三章半主動懸架系統的PID控制3.1 PID控制概述PID控制是乂叫PID調節，是比例、積分、微分調節的簡稱。自上世紀40 年代問世以來，至今有70多年的歷史了，在自動控制領域中，是歷史最久、生 命力最強的基本控制方式。PID調節原理簡單，易于整定，使用方便同時魯棒性 高；按照PID調節功能工作的各類調節器廣

22、泛應用于國民經濟所有工業生產部 門，適用性特強：PID的調節性能指標對于受控對象特性的稍許變化不是很敏感, 這就極大地保證了調節的有效性；PID調節可以用于補償系統使之達到大多數品 質指標的要求。因此其成為工業控制主要和可靠的技術工具，雖然現在各種智能 控制在不斷的被應用，但仍有90%左右的控制回路具有PID結構。所以在本課 題就將采用PID控制半主動懸架以分析其性能。具有PID特點的調節器可以作為控制器，叫PID控制器：也可以做為校正器, 叫PID校正器。他們都能發揮其獨特的多項優越調節功能。由于其原理簡單、技 術成熟，在實際應用中較易于整定，在工業控制中得到廠廣泛的應用。它最大的 優點是不

23、需了解被控對象精確的數學模型，只需在線根據系統誤差及誤差的變化 率等簡單參數，經過經驗進行調節器參數在線整定，即可取得滿意的結果，具有 很大的適應性和靈活性。PID控制中的積分作用可以減少穩態誤差，但另一方面 也容易導致積分飽和，使系統的超調量增大。微分作用可提高系統的響應速度， 但其對高頻干擾特別敏感，其至會導致系統失穩。所以，正確計算PID控制器的 參數，有效合理地實現PID控制器的設計，對于PID控制器在過程控制中的廣泛 應用具有重要的理論和現實意義。3.2 PID控制設計3.2.1 PID控制特點PID控制的核心便是其中的比例、積分和微分環節對于被控系統的調節，下 面就針對比例控制、積

24、分控制和微分控制及其特點作簡單介紹。1 .比例(P)控制比例控制器是最簡單的控制器，其控制規律為：= K-e(f)+o在式中.是控制量的初始值，即控制系統啟動時的控制量。比例控制器對于偏差是及時反應的，偏差一旦產生，控制器立即產生控制作 用使被控量朝著減小偏差的方向變化，控制作用的強弱取決于比例系數4。比例 控制器雖然簡單快速，但對于具有自平衡性（即系統階躍響應終值為一有值）的 被控對象存在靜差。加大比例系數（雖然可以減小靜差，但（過大時，系統動 態性能會變差，會引起被控量振蕩，甚至導致閉環系統不穩定。合理的值應該使 系統有足夠的靈敏度但乂不會反應過于靈敏，一定時間的遲緩要靠積分時間來調 節。

25、進行比例調節時，及在初始階段應取小些，然后再慢慢調大，一直到系統波 動足夠小時，再調節積分和微分系數。2 .積分（I）控制為了消除在比例控制中存在的靜差，可在比例控制的基礎上加上積分控制作 用，構成比例積分PI控制器，其控制規律為：PI控制器對偏差的作用有兩部分，一個是按比例部分的成分，另一個是帶 有累積的成分（即呈一定斜率變化部分），這也是積分控制部分的作用。只要偏 差存在，積分將起作用，將偏差累計，并對控制量產生影響，使偏差減小，直至 偏差為零，積分作用才會停止。因此加入積分環節有助于消除系統的靜差，改善 系統的穩態性能。如果積分時間7；太大，則積分作用減弱，反之則越強。增大Z 會使消除靜

26、差的過程變得緩慢，但可以減小系統的超調量，提高穩定性，7；必須 根據被控對象的特性來選定。3 .微分（D）控制微分控制的輸出是與輸入誤差信號積分成正比，由于積分調節作用的加入， 雖然可以消除靜差，但其代價是降低了系統的響應速度，因此為了加快控制過程， 就有必要在偏差出現或變化的瞬間，不但要對偏差量做比例控制，而且還要按偏 差變化的趨勢進行控制，使偏差在萌芽狀態被抑制，為達到這一控制目的，就需 加入微分控制。由微分部分的控制作用：=0不與可見，它對偏差的任何變化都會產生控制作用，以調整系統的輸出，防止偏 差量的變化。偏差變化越快，控制量就越大，反饋校正量就越大。微分的作用的 加入將有助于減小超調

27、量，克服振蕩，使系統趨于穩定。微分作用可以加快系統 的動作速度，減小調整時間，改善系統的動態性能。3.2.2 P ID控制模型設計在汽車上PID控制方法應該廣泛，具體在半主動懸架上，由于半主動懸架中 剛度不變，改變的是阻尼特性，所以比例環節主要控制的是阻尼特性的變化。而 積分和微分環節，主要是將懸架系統中的加速度、速度、位移以及轉角間各個參 數進行轉換。同時由于有對誤差控制的作用，積分和微分環節還將改善懸架的動 態特性。3第四章能控性與能觀性分析0010000-11,b =0-71401183.43-19.7219.72-0.020-153.452.56-2.560.002610 0 00 1

28、0 04.1能控性分析能控性矩陣：M=S，A"A%,A6)m =1.0e*003 *0-0. 00000. 00040. 159600. 0000-0. 0005-0. 1618-0. 00000. 00040. 1596-6. 96860. 0000-0. 0001-0. 00220. 4915>> rank(n)ans =4通過matlab計算得：Rank(M) =4,滿秩，故系統可控。4.2能觀性分析能觀性矩陣：N = (C,CA,CA2 ,CA3 )'n =1. 0e005 *0. 000000000. 000000000. 0000000-0. 0000

29、0. OOOO-0. 07140. 0118-0. 00020. 00020. 0714-0. 01340. 0002-0. 00021. 4080-0. 2636-0. 07880. 0074-1. 59080. 29790. 0798-0. 0084>> rank(n)zine =通過matlab計算得:Rank (N) =4,滿秩，故系統可觀。第五章穩定性分析存在唯一平衡點x=0,對矩陣A進行特征值計算：00100-1.940578.387300-11AX +0 +1.1621-10.3395(y-y)-71401183.43-19.7219.72-0.020.9822-0.

30、81400-153.452.56-2.560.00260.01310.7877= CT =06.2降維觀測器由于rank (c)=2, n=4,所以將系統極點配置為T, -2.構造變換陣作線性變換，設廠;一0 00 01 01 0-0 10 0,T ='0 0 10 0 01 0 0o'10_01000100o-19.7 19.7 -7140 1183.4則，A=T-'AT =2.6-2.60-153.41000-1100 _-0.020.0026000 1 00 0 1第七章半主動懸架系統的仿真分析7. 1 MATLAB/Simul ink仿真平臺的介紹系統仿真是根據

31、被研究的真實系統的數學模型研究系統性能的一門學科，現 在尤其是指利用計算機去研究數學模型的方法。：計算機仿真的基本內容包括系 統、模型、算法、計算機程序設計仿真結果顯示、分析與驗證等環節。目前專門 用于計算機數字仿真的仿真語言與工具主要有：CSMP , ACSL, SIMN0N, MATLAB/Simulink, Matrix/SystemBuild, CSMPY等。其中MATLA是由MathWorks公司于1984年推出的一套數值計算軟件，分為總包 和若干個工具箱，可以實現數值分析、優化、統計、偏微分方程數值解、自動控 制、信號處理、圖像處理等若干個領域的計算和圖形顯示功能。它將不同數學分

32、支的算法以函數的形式分類成庫，使用時直接調用這些函數并賦予實際參數就可 以解決問題，快速而且準確。同時MATLAB所具備的強有力的各種工具箱提供的 豐富的專用函數，為計研究人員避免重復繁瑣的計算和編程，更快、更好、更準 確地進行控制系統分析和設計提供了極大的幫助。因此它逐漸成為國際控制界最 廣泛應用的計算機工具之一。Simulink作為MATLAB的一個附加組件，為用戶提供一個建模與仿真的工作 平臺，也是一種用來實現計算機仿真的軟件工具。它采用模塊組合的方法來創建 動態系統的計算機模型，其特點是快速、準確，對比較復雜的非線性系統效果更 加明顯。同時還提供圖像動畫處理方法，以便用戶觀察系統仿真的整個過程.它使 你的計算機變成一個實驗室，可以對機械、電子、連續、非連續以及混合的系統, 現實存在或不存在的系統進行建模與仿真。MATLABSimulink是實現動態特性建模、仿真于一體的一個集成環境，它使 MATLAB的功能得到進一步的擴展。Simulink工具箱的特色在于：實現可視化 建模，在Window視窗里，用戶通過簡單的鼠標操作就可以建立直觀的系統模型, 并進行仿真；實現多工作環境間文件互