系統(tǒng)仿真作業(yè)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上系統(tǒng)仿真 論文題目：汽車懸架系統(tǒng)控制學生姓名 授課老師 學 號 學科專業(yè) 提交日期 2013年1月摘要：在分析汽車懸架工作機理的基礎上,論述了汽車阻尼可變懸架系統(tǒng)的組成，建立了懸架動力學模型，針對汽車懸架系統(tǒng)的不確定性、時變性、非線性和復雜性進行分析,基于MATLAB軟件對控制系統(tǒng)仿真,對路面隨機激勵信號和確定性擾動進行了系統(tǒng)仿真,并對系統(tǒng)延時和內(nèi)部參數(shù)變動問題進行了仿真研究,研究結果表明所設計的控制器有效、穩(wěn)定且可靠。關鍵詞：汽車 懸架系統(tǒng) MATLAB仿真目 錄1.引言隨著生活質(zhì)量的提高，人們對汽車乘坐的舒適性和安全性有了更高的要求,懸架作為汽車的重要組成之一，其

2、性能是影響汽車行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重要因素，對車輛的平穩(wěn)性和安全性等多種使用性能都有很大的影響，因此設計良好質(zhì)量的懸架對提高車輛的品質(zhì)非常重要。車輛行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性二者是相互矛盾的, 傳統(tǒng)的被動懸架系統(tǒng)無法對二者兼顧, 取得最好的效果。隨著電子技術、測控技術、機械動力學等學科的快速發(fā)展, 汽車懸架系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動隔振發(fā)展到振動主動控制。特別是信息科學中對最優(yōu)控制、自適應控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡等的研究, 不僅在理論上取得令人矚目的成績, 同時已開始應用于汽車懸架系統(tǒng)的振動控制, 使懸架系統(tǒng)振動控制技術得以快速發(fā)展。常用的汽車懸架有被動懸架半主動懸架和全主動懸架被動懸架結

3、構簡單、容易設計和制造無需額外的能量輸人，但被動懸架存在明顯的共振峰難以協(xié)調(diào)舒適性和安全性之間的矛盾缺乏靈活性，全主動懸架需要具有一定輸出功率的力發(fā)生器作為作動元件，對懸架施加作用力，以構成一個具有反饋控制的懸架，雖然全主動懸架具有適用性強能明顯改善平順性、穩(wěn)定性等優(yōu)點,但因為其硬件和軟件難以實現(xiàn)而限制了它的使用，半主動懸架是被動懸架和主動懸架的折中,彈簧剛度和阻尼可變的懸架參數(shù)可根據(jù)外界環(huán)境的變化而作適當?shù)恼{(diào)整,它只需很少的能量輸入,但在低頻段可接近全主動懸架的性能，因此，特別適合對懸架的低頻振動進行控制。2.系統(tǒng)介紹2.1 汽車懸架概述汽車懸架一般是由三部分組成: 彈性元件、減振器、導向機

4、構。其中彈性元件起緩沖作用, 減振器具有消振功能, 導向機構負責導向, 它們一起負責力的傳導。汽車懸架的功能概括的說有以下四個方面: 對車身的支撐作用; 吸收來自地面的沖擊, 保護車架和車身; 減少汽車的跳動; 使轉(zhuǎn)向穩(wěn)定, 乘坐舒適。為了滿足對懸架系統(tǒng)提出的各種要求, 在近二十多年來其發(fā)展異常迅速。懸架的結構形式有很多, 分類方法也不盡相同。按控制力進行分類則可分為被動懸架、半被動懸架、半主動懸架、和主動懸架四種基本類型。2.2 汽車懸架系統(tǒng)的控制方法目前, 汽車懸架已進入到利用微處理器進行控制的時代, 運用較優(yōu)的控制方法, 得到高性能的減振效果, 且使能耗盡可能地低是汽車懸架發(fā)展的主要方向

5、。汽車懸架振動控制系統(tǒng)大多由傳感器拾取車身絕對速度、車身對車輪的相對速度、車身的加速度等信號, 經(jīng)計算機處理并發(fā)出指令進行控制。由電液控制閥或步進電機等執(zhí)行機構調(diào)節(jié)減振器的阻尼系數(shù)或控制力。由于懸架系統(tǒng)是很復雜的非線性動力系統(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, 從不同的角度予以研究是切實可行的。理論研究主要是從控制機理方面提示各種控制規(guī)律對懸架系統(tǒng)動態(tài)特性的影響, 如車體的平順性、懸架動撓度、車輪動載及系統(tǒng)的能量需求等。近年來, 還針對實際懸架系統(tǒng)的非線性、系統(tǒng)建模的不精確性以及參數(shù)的時變性等問題, 提出了非線性控制、自適應控制方法; 對系統(tǒng)的魯棒性、主動作器的方案設

6、計和動態(tài)特性等也作了一些分析研究。3.系統(tǒng)建模3.1數(shù)學模型簡化與分析主動懸架是通過一個動力裝置，根據(jù)路況在線的改變懸架特性，即使在路面質(zhì)量較差的情況下，也能保持車身震動小，平穩(wěn)，舒適性好。為達到此目的，主動懸架的控制問題十分重要。為了研究方便起見，取汽車的一個車輪的懸架系統(tǒng)進行分析，這樣主動懸架物理模型可簡化為一維二自由度的彈簧-阻尼-質(zhì)量系統(tǒng)，如圖所示。假設系統(tǒng)主要參數(shù)如下：車身質(zhì)量：m1=2500kg; 簧下質(zhì)量：m2=320kg懸架彈簧剛度：ks=10000N/m懸架阻尼系數(shù)：b=N.s/m圖3-1-1 主動懸架物理模型輪胎剛度：Kt=10Ks圖中 u為懸架動力裝置施加力，W,X1，X

7、2分別為路面位移、車身位移和懸架位移。一個好的懸架就是在任何路面工況行駛時，汽車車身振動小且振蕩很快衰減消失。車身振動狀態(tài)可以用（X1-W）來度量，但這難以檢測?？紤]到輪胎變形較小的特點，用（X1-X2）來度量車身的振動情況，并視為系統(tǒng)的輸出。路面狀況以W為尺度，并且視為系統(tǒng)的一個干擾輸入。當汽車從一個平面落入一個坑時，W可用一個階躍信號來模擬。u為一個主動懸架的作用力，它是系統(tǒng)的控制量。要求設計一個控制器調(diào)整控制作用力，使車身輸出在路面W=10cm階躍下，系統(tǒng)輸出（X1-X2）的超調(diào)量不大于5mm，允許穩(wěn)態(tài)誤差正負2mm，調(diào)整時間不大于5s。3.2 控制系統(tǒng)建模對車身和懸架進行力分析，由牛頓

8、第二定律可得車身懸架系統(tǒng)的動力學方程為：m1X1=Ks(X2-X1)+b(X2-X1)m2X2=Ks(X1-X2)+b(X1-X2)-u+Kt(W-X2)設系統(tǒng)狀態(tài)變量為X=X1,X1,X2，X2則上面系統(tǒng)動力學方程可改寫為狀態(tài)空間表達式X=AX+BUY=CX式中，X=X1,X1,X2,X2T, U=u WTa=0 1 0 0;-ks/m1 -b/m1 ks/m1 b/m1;0 0 0 1;ks/m2 b/m2 -(ks+kt)/m2 -b/m2;b=0 0;1/m1 0;0 0; -1/m2 kt/m2;c=1 0 -1 0;系統(tǒng)輸入為u（控制力），w（路面）；系統(tǒng)輸出為Y=X1-X2。該系

9、統(tǒng)為4階。汽車懸架開環(huán)控制系統(tǒng)原理如圖3-2-1所示。 圖3-2-1 汽車懸架開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖用MATLAB編寫系統(tǒng)建模的程序和運行結果如下：m1=2500;m2=320;ks=10000;b=;kt=10*ks;a=0 1 0 0;-ks/m1 -b/m1 ks/m1 b/m1;0 0 0 1;ks/m2 b/m2 -(ks+kt)/m2 -b/m2;b=0 0;1/m1 0;0 0; -1/m2 kt/m2;c=1 0 -1 0;d=0 0;sys=ss(a,b,c,d);set(sys,'inputname','u''w','ou

10、tputname','y=x1-x3');sys=tf(sys)sysuy=sys(1,1);syswy=sys(1,2);num1,dem1=tfdata(sysuy,'v');num2,dem2=tfdata(syswy,'v');sysf=tf(num2,num1);save busmod sysuy syswy sysfTransfer function from input "u" to output "y=x1-x3": 0. s2 - 1.722e-017 s + 0.125-s4 +

11、 493.5 s3 + 347.8 s2 + 1.75e004 s + 1250 Transfer function from input "w" to output "y=x1-x3": -312.5 s2 - 9.25e-012 s - 1.397e-010-s4 + 493.5 s3 + 347.8 s2 + 1.75e004 s + 1250模型sysuy syswy sysf均存入busmod.mat文件，供設計時調(diào)用。4PID控制器設計對上述開環(huán)系統(tǒng)進行仿真可知，路面W會一起系統(tǒng)劇烈振蕩，為了達到前面所提出的系統(tǒng)性能要求，在系統(tǒng)中加入PID控

12、制器并構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示。圖4-1 汽車懸架閉環(huán)控制系統(tǒng)當采用PID控制器時，由圖可知，若以W為輸入，y為輸出，系統(tǒng)傳遞函數(shù)用MATLAB建立上面系統(tǒng)模型并改變Kp，Ki，Kd參數(shù)，考察系統(tǒng)階躍相應。程序請單及運行結果如下：load busmodfigure(1)rlocus(syswy)axis(-2,6,-8,8);sgridK,POLES=rlocfind(syswy)Newsys=sysf*feedback(K*sysuy,1);figure(2)step(Newsys)Select a point in the graphics windowselected

13、_point = 0.5308 - 4.5963iK = 5.7024POLES =1.0e+002 * -4.9646 0.0152 + 0.0576i0.0152 - 0.0576i -0.0007 圖4-2 PID控制系統(tǒng)階躍響應 如圖可見，懸架振動最大幅值在6%以下滿足設計要求。5.根軌跡設計仍討論以W為輸入，y=X1-X2為輸出的控制系統(tǒng)。根軌跡設計就是利用系統(tǒng)根軌跡圖，尋找合適的開環(huán)增益K或者補償設置Gc(s)，使閉環(huán)系統(tǒng)極點在期望位置上，從而實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)性能達到設計指標。首先考察系統(tǒng)的根軌跡圖。如圖 5-1，開環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)為Gp(s)，用MATLAB函數(shù)RLOCUS作出根軌跡圖

14、，用函數(shù)RLOCFIND選定期望閉環(huán)極點確定開環(huán)增益K，用函數(shù)STEP繪制新閉環(huán)系統(tǒng)階躍響應。用MATLAB編程實現(xiàn)上述設計過程，程序清單和運行結果如下：load busmodfigure(1)rlocus(syswy)axis(-2,6,-8,8);sgridK,POLES=rlocfind(syswy)Newsys=sysf*feedback(K*sysuy,1);figure(2)step(Newsys)Select a point in the graphics windowselected_point = 0.5308 - 4.5963iK = 5.7024POLES =1.0e+0

15、02 * -4.9646 0.0152 + 0.0576i0.0152 - 0.0576i -0.0007 圖5-1 汽車懸架系統(tǒng)根軌跡圖6.頻率響應設計（Bode圖法）頻率響應設計法用來設計相位滯后、超前或滯后以超前校正裝置，系統(tǒng)結構如圖所示。它根據(jù)給定的性能指標，如穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定裕度、交界頻率等，設計性能補償校正裝置的參數(shù)。汽車懸架系統(tǒng)給定的穩(wěn)態(tài)誤差為0.02，相當于系統(tǒng)無偏系數(shù)要求為50.首先考察汽車系統(tǒng)Bode圖（以W為輸入，y=X1-X2為輸出）。該Bode圖在w=6rad/s處出現(xiàn)很大的相位下落。為了使補償后系統(tǒng)在該處離-180度相位有一定相位角，保證系統(tǒng)足夠的相位裕度，以wm=6

16、rad/s為中心頻率設置相位超前校正環(huán)節(jié)。一個相位超前校正裝置最大超前相位角為90度，故至少引入兩個相位超前校正環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)需產(chǎn)生正的相位角85度。根據(jù)上面分析，引入的相位超前校正裝置傳遞函數(shù)為式中，用MATLAB編程實現(xiàn)上述設計過程，程序清單和運行結果如下：load busmodfigure(1)bode(sysuy)pausealpha=0.0019;T=3.82;sysc=tf(T*T,2*T,1,(alpha*T)2,2*alpha*T,1);Newsys=sysf*feedback(sysuy,sysc);t=0:0.01:20;u=0.1*ones(size(t);y,t=lsi

17、m(Newsys,u,t);plot(t,y)axis(0,20,-0.01,0.01);gridtitle('Step Responce for a controller based on frequency design')圖6-1 汽車懸架階躍響應（頻率設計）由圖可知具有兩個相位超前校正裝置的汽車懸架系統(tǒng)的動態(tài)性能基本滿足要求。7.狀態(tài)反饋控制汽車懸架系統(tǒng)完全狀態(tài)反饋控制如圖6-1所示。圖6-1 汽車懸架狀態(tài)反饋控制原理圖汽車懸架狀態(tài)空間形式已在前面給出，這是一個雙輸入狀態(tài)方程，系統(tǒng)狀態(tài)反饋-KX和r疊加，系統(tǒng)閉環(huán)狀態(tài)空間表達式為因此系統(tǒng)閉環(huán)特征值由決定。由于A為4

18、15;4矩陣，狀態(tài)反饋增益K為1×4向量。為了求得K值，需配置4個期望極點P。在配置4個期望極點P后，利用MATLAB函授PLACE求出K值。最后根據(jù)圖4.44構成閉環(huán)系統(tǒng)檢查以W為輸入，y=X1-X2為輸出的系統(tǒng)階躍響應。考慮到系統(tǒng)超調(diào)量不大于5%的設計要求，阻尼比為0.707，選擇兩個極點-5 5i，并當作閉環(huán)的主導極點。另兩個極點取在負實軸上且遠離主導極點，因此選擇另兩個極點分別為-25，-100。用MATLAB編程實現(xiàn)上述設計過程，程序清單和運行結果如下：m1=2500;m2=320;ks=10000;b=;kt=10*ks;a=0 1 0 0;-ks/m1 -b/m1 ks/m1 b/m1;0 0 0 1;ks/m2 b/m2 -(ks+kt)/m2 -b/m2;b=0 0;1/m1 0;0 0; -1/m2 kt/m2;c=1 0 -1 0;d=0 0;sys=ss(a,b,c,d);a2=a;b2=b(:,2)c2=c;d2=d(2);sys2=ss(a2,b2,c2,d2);sys2=tf(sys2);P=-5+5i,-5-5i,-25,-100;K=acker(a,b*1,