汽车半悬挂系统建模分析与仿真

青岛理工大学自动化工程学院专业方向课程设计报告题目汽车半主动悬架系统的建模、分析与仿真专业自动化班级12级1班姓名高祥志学号201228078指导教师陈霞2016年1月14日成绩评语1专业方向课程设计任务书论文题目汽车半主动悬架系统的建模与MATLAB仿真作者姓名高祥志专业、年级自动化12级指导教师陈霞任务下达日期2016．1．1一.设计主要内容建立汽车半主动悬架系统的数学模型，分析系统的能控性、能观性和稳定性；设计状态反馈控制律实现极点配置，使系统稳定工作，并满足给出的性能指标；设计状态观测器，实现对系统状态的渐近估计。之后，利用MATLAB软件进行仿真，以验证各类分析、设计的有效性。二.设计报告任务（1）了解汽车半主动悬架系统研究的背景、意义、发展。（2）建立汽车半主动悬架系统的数学模型。（3）设计状态反馈控制器，实现闭环系统的稳定性，并保证系统在施加阶跃信号干扰时，闭环系统满足性能指标：调节时间小于等于5秒，超调量小于等于5%。（4）设计基于观测器状态的反馈控制器，实现对系统状态的渐近估计，保证闭环系统的稳定性。（5）基于MATLAB进行控制仿真、调试。（6）分析仿真结果，得出结论。三.设计报告要求（1）撰写完整的课程设计报告（5000字以上）。（2）完成MATLAB程序设计，输出相关仿真图。四、设计要求进度安排日期时间内容备注2016.1.4-2016.1.68:00-17:00了解背景知识、建立系统模型2016.1.7-2016.1.98:00-17:00设计反馈控制器2016.1.10-2016.1.128:00-17:00基于MATLAB仿真2016.1.13-2016.1.158:00-17:00撰写论文并答辩2摘要悬架系统是保证汽车的操纵稳定性和驾驶舒适性的重要机械结构。传统的被动悬架系统设计参数一旦优化确定后就无法动态改变，难以保证具有良好的适应性。由弹性元件和阻尼可调减振器组成的半主动悬架具有阻尼大、功率消耗低等优点。故而随着不断的发展，半主动悬架成为汽车技术中的研究热点之一，实际应用也越多。本文在参考并且分析了己有研究成果的基础上，成功地建立了半主动悬架的PID控制系统，并最后对系统进行了基于MATLAB平台上的仿真。最后通过仿真验证了设计模型的正确。关键词：半主动悬架、PID控制、MATLAB仿真3ABSTRACTSuspensionistheimportantpartofvehiclewhichcanguaranteeridecomfortandhandlingsteadiness.Itisverydifficultforthetraditionalpassivesuspensionwhoseparametershavebeenfixedbyoptimizationtoadjustthemtoimproveontheridecomfort.Semi-activesuspension,composedofcontrollablespringanddamperelement,consumeslittleenergyandhascomparedlargedamp.Sowithceaselessdevelopment,ithasbecomeahottopicintheresearchfieldofcarsandlaunchedmuchintopracticalarea.Basedonconsultingandanalyzingtheexistingdocuments,thetextbuildsthePIDcontrolssemi-activesuspensionsystemandusesMATLABtosetupthesimulationsystem.Aftersimulation,thetextprovethecorrectofthesimulationsystem.Keywords:Semi-activesuspension;PIDcontrol;MATLABsimulation4目录摘要.......................................................................2ABSTRACT..............................................................3第一章课题背景...........................................................51.1车辆悬架发展概述及课题研究意义..................................51.2半主动悬架国内外研究现状...................................51.2.1半主动悬架的产生...............................................51.2.2半主动悬架在国外的研究.........................................51.2.3半主动悬架在国内的研究.........................................6第二章系统建模与分析.....................................................72.1半主动悬架系统的力学模型........................................72.2半主动悬架系统的数学模型.........................................8第三章半主动悬架系统的PID控制..........................................93.1PID控制概述.......................................................93.2PID控制设计.......................................................93.2.1PID控制特点....................................................93.2.2PID控制模型设计................................................10第四章能控性与能观性分析................................................114.1能控性分析.......................................................114.2能观性分析.......................................................11第五章稳定性分析.........................................................11第六章状态观测器设计.....................................................126.1全维观测器.......................................................126.2降维观测器.......................................................13第七章半主动悬架系统的仿真分析.........................................137.1MATLAB/Simulink仿真平台的介绍..................................13总结........................................................................15参考文献...................................................................16附录1......................................................................17附录2......................................................................18附录3......................................................................195第一章课题背景1.1车辆悬架发展概述及课题研究意义汽车，作为人类工业文明的结晶，从19世纪出现至今，为了适应人们不断提高的需求，汽车上的部件和技术也在突飞猛进。现如今，人们不仅要求汽车有更强劲的动力，更良好的效率，更可靠的制动，同时对汽车的控制稳定性和驾驶舒适性提出了更高的要求。现如今几乎所有汽车品牌多在大力的宣传自己产品优秀的操控性能和舒适性——从欧系到日系，各高端品牌无不在极力宣传自己良好的操控性和运动性。汽车行驶的路面上的凸起和凹坑使车身在车轮的垂直作用力下起伏波动，产生振动和冲击；在加速减速及转弯和制动时的倾覆力和侧倾力可使车身产生俯仰和侧倾振动。这些振动和冲击会严重影响车辆的操作稳定性和驾驶舒适性。汽车上的悬架系统作为车身上述各种里和力矩的传动装置，其性能和传递特性是汽车上述性能最重要、最直接的影响因素。所以，汽车悬架是保证乘坐舒适性的重要部件。同时，汽车悬架做为车架与车轴之间作连接的传力部件，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。1.2半主动悬架国内外研究现状1.2.1半主动悬架的产生半主动悬架在1973年由美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出。其基本原理是：用可调刚度弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器的阻尼，以达到较好的减振效果。它的性能介于被动悬架与主动悬架之间。半主动悬架直到20世纪80年代初期才有试验性的产品问世。由于半主动悬架没有专门产生控制力的元件，因此半主动悬架具有阻尼大、功率消耗低等特点。因此它越来越受到国内外研究人员的重视。1.2.2半主动悬架在国外的研究研究半主动悬架，控制技术是其中的一个关键问题。近年来，国内外学者应用控制理论提供的方法在汽车半主动悬架控制系统的研究方面做了大量的研究工作：PID控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、模糊控制、预见控制和鲁棒控制等。最优预见控制方法：最优预见控制方法是在最优控制基础上，加入路面信息前馈的成分，利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入，将测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。根据预见信息的测量及利用方法不同，可构成不同的预见控制系统，如对四轮进行预见控制和利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制。荷兰的R.G.M.Huisman和F.E.Veldpaus等人基于最优控制理论，设计6应用带有预见的连续时间控制策略，控制对象为两自由度的牵引车全主动悬架，控制目标为簧载质量的振动加速度，考虑路面为阶跃输入时，与被动悬架相比较，控制目标有了较大幅度地降低。仿真和实验结果表明，此控制方法可大大降低系统的能耗，且改善系统的控制性能。模糊控制方法：模糊逻辑控制即fuzzylogic的中文意译。1965年，美国的伊朗裔自动控制理论专家扎德(L.A.Zadah)在加州大学首先提出了模糊集合的概念。后来他又提出模糊语言变量这个重要的模糊逻辑概念，到1974年时，扎德又进行模糊逻辑推理的研究。从此，模糊逻辑成为人们研究的一个热门课题。模糊控制技术的最大特点是适宜于在各个领域中获得广泛的应用。最早取得应用成果的是1974年英国伦敦大学教授E.H.Mamdani，