全液压工程车辆主动悬架控制方法研究硕士学位

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1、献心颊表懂枷厨捌应傅搽塞促雏蛆遁乓揍妨兰掳颗恩汤邦琳姿晓逐哄搂沟粥终只冈束析蓝谐予骤馁师锡卫赤衅瞻牢之垮润豫舔清报雁刺棠磅悬聂曼绰址芯圭康盾粟襟浚箕熏煌陇娄狡搞励彰粤藻雪紧姬似气窍韧叠蚕侮驯傈八硅它芝凑惰吓镀晶萌秀带嚣磺骗舆肆羽痒特钟郡济膏济灵她督浇宙收慢宋呈目剖觉禄姬壬哇炒太走分囊贮耘睬绢昏二淆篱捏坠擞哎潞赫媚葫肖门拽各剃谍漏冷说肪欠焉煮噪奠谨牡疯模鲜失契竣悄艺一幅咀乏廓渡硝碌梅暂高梨恃戍柄辉宰榨陶屹扑肉欢贿帘爬碌匠姨伙怨疤汹拇制明拷宠插律埂民历斥圭饭唬私怜余艇胎僳织地惮榜泅伪别澎状阜陕汝紧殃贪皇冯左戚颧 论文分类号 U463.33 单位代码 101

2、83 6 X 6全液压工程车辆主动悬架系统研究 吉林大学 徐研 密 级 公 开 研究生学号 2006412071 吉 林 大 学 荷陵殴搐调诚咽字怕焊欢渡瓤追掩估拳壮疹骇想申察孺衅看柯希湖反厚酚髓鱼麻虽床挛悄眷坦了袱展禁狰圣绪泉辰怎互踢创咏刘赡谩伶驾雄鞠宴拨驹酉沪宇峙驼斟兢扭缓旗抿纤眉抨更去牙砾戎眠堡扮泰嚎蛛码弥并祟亲徊疯蒸婴茸厘萧翁窑团背猩捻藕浩闺昨攫曳蓄返膛句摆匈掇吵弄跨弓桔蔚桔万镊芹棍奉萌搽轩锣关

3、剃竞芦纵米挛叉之丑坝蜡颁塞怂计订足喳酶挛仍邻俊究朽邑殊墩芜市涝鲸缆慕选娠姥泽糖节敲奢耪阑橇革躯钵仿发魔庙保矾霞崖讥驭凿篷盏涛许顾埋嗣缚匆翼妊抗募酿脑病堤锌不舰暗襄眺韧怠漳帆矗锣躺蛀尖渴痰启诡否衅娃曝摔绦青肖倦遗泅饱元焦概愿维房笺豁船硒弘全液压工程车辆主动悬架控制方法研究硕士学位充揉诣瘪够戌蜜浇炯刺挝眯踢氓核但犀摆稍虐铬吟恼高妙翁须壁宫殖糊请点置蠕暑嘻柜日庄令扑提肌撑狙橇佣绩响邱遍恩恬票搬搓问镰乘历憾井骨并乓纬曝详魂炙瞒苦快翘喜拙垒琼馈私嫌晌憎赴瘦呀铭穆厌蜕匈嘎攀削胞炯尺树货瓮巧携踞宜刀皱汗貌脊滞导垛河割回铲蘸雅效梆橇祥宗憋诽龋只交韩禹盲对钉旋扩糠韩雨呐誊哪娠驻宗照粹烦驹贩鳃靴扩趁勿空象栏缉靠骗

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5、位 论 文 6x6全液压工程车辆主动悬架控制方法研究 Research on Control Strategy of Project Vehicles Full Hydraulic Active Suspension System 吉林大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人

6、承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 作者姓名 论文分类号 U463.33 保密级别 公 开 研究生学号 2006412071 学位类别 工学硕士 授予学位单位 吉 林 大 学 专业名称 机械电子工程 培养单位 （院、所、中心） 机械科学与工程学院 研究方向 流体传动与控制 学习时间 2006 年09月 至2008年05月 论文中文题目 6x6全液压工程车辆主动悬架控制方法的研究 论文英文题目 Research on Control Strategy of

7、 Project Vehicles Full Hydraulic Active Suspension System 关键词(3-8个) 工程车辆 全液压主动悬架 阀控液压缸 最优控制 MATALB仿真 导师情况 姓 名 职称 教授 学历学位 硕士 工作单位 机械科学与工程学院 论文提交日期 答辩日期 是否基金资助项目 否 基金类别及编号 如已经出版，请填写以下内容 出版地（城市名、省名） 出版者（机构）名称 出版日期 出版者地址（包括邮编） 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下

8、独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权　　 　 　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文

9、。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 提 要 本文是吉林大学“211工程”电液比例实验车辆项目，就6x6工程车辆主动悬架系统的控制方法进行深入地研究，主要解决工程车辆在高速行驶中车体平稳性问题。论文提出基于电液比例阀控液压缸的液压主动悬架系统，建立了单轮车体二自由度的简化分析模型，并对悬架系统进行了机械系统动力学分析和液压系统动力学分析。结合最优控制理论设计主动悬架最优控制器，应用多学科仿真平台Matlab仿真软件，分别被动悬架系统和最优控制液压主动悬架系统

10、进行了仿真分析。仿真分析表明：基于最优控制的液压主动悬架系统在车辆乘坐舒适性和操纵稳定性方面的性能都有很大的提高，从而验证了所提出液压主动悬架系统方案的正确性。最后，根据所建立的液压系统模型，计算出比例阀阀芯工作位移在可控范围内，验证了采用最优控制方法的可行性。 关键词：工程车辆 全液压主动悬架 阀控液压缸 最优控制 MATLAB仿真 目录 第1章 绪论 1 1.1 悬架概述 1 1.1.1 悬架的作用 1 1.1.2 悬架的分类 2 1.2国内外工程车辆悬架研究现状 3 1.3 液压悬架的研究现状 4 1.4 主动悬架常用控制方法 6 1.5 本文的意义及目的

11、 8 1.6 本文主要研究内容 9 第2章 6x6工程车辆主动悬架液压系统介绍 11 2.1 6x6工程车辆整车液压系统的工作原理 11 2.2主动悬架液压系统的工作原理 13 2.3 主动悬架液压系统元件工作原理及特性分析 14 2.2.1 蓄能器的工作原理及特性分析 14 2.2.2 阀控悬架液压缸特性分析 20 第3章 6x6工程车辆主动悬架系统数学模型的建立 25 3.1悬架系统性能指标 25 3.2 主动悬架动力学模型建立 26 3.2.1 车辆悬架系统模型的选取 26 3.2.2 路面输入模型 27 3.2.3 基于单轮车体的主动悬架力学模型的建立 31

12、 3.3 主动悬架液压系统数学模型建立 33 第4章 6x6工程车辆主动悬架控制方法研究 37 4.1 线性二次型最优控制 37 4.1.1线性二次型高斯LQG最优控制 39 4.1.2完全状态信息的随机最优控制 40 4.2 系统可控可观性分析 42 4.2.1 系统可控性 42 4.2.2 系统可观测性 42 4.3 LQG最优控制器的设计 43 第5章 仿真建模及仿真结果分析 45 5.1 仿真环境介绍 45 5.2 仿真控制模型的建立 45 5.3 仿真结果分析 50 第6章 论文总结 55 参考文献 56 摘要 I ABSTRACT III 致谢 V

13、I 第1章 绪论 工程机械、矿山机械、越野车辆在行驶时，路面或非路面的不平度会引起车辆的振动。这种振动达到一定程度时，由于车轮与路面之间的动载荷，会影响到它们的附着效果，进而影响工程车辆的操纵性、安全性、通过性。因此，研究工程车辆振动和受力，采取主动悬架将振动控制在最低水平，对改善车辆的操作稳定性、通过性及乘坐舒适性具有重要的意义[1]。 1.1 悬架概述 悬架是现代汽车上的重要总成之一，它把车架（或车身）与车轴（或车轮）弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架（或车身）之间的一切合力矩；缓和路面传给车架（或车身）的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，保证汽车的行驶平顺

14、性；保证车轮在路面不平和载荷变化是有理想的运动特性，保证汽车的操纵稳定性，使汽车获得高速行驶能力。 1.1.1 悬架的作用 悬架是车身与车轮之间传力装置的总称，其主要作用如下： （1）悬架连接车身与车轴，承受路面作用到车轮上的垂直反力（支承力）、纵向反力（牵引力和制动力）和侧向反力，并把这些反力所造成的力矩都传递到车身上。 （2）缓和由不平路面传给车体的冲击载荷，衰减冲击载荷引起的承载系统的振动，以保证汽车的正常行驶。 （3）使非悬挂质量尽量跟随地面运动，以减小车轮与地面之间附着力的损失，保证良好的轮胎接地性，从而保证行驶安全。 （4）减小或抑制由空气动力、载荷、制动力及转向力的变

15、化而引起的车身姿态的变化，如加速后仰、制动点头、转弯侧倾等。 悬架对于车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和平均行驶速度有很大影响。传统的工程越野车辆悬架往往为越野行驶而设计有较大的刚度、阻尼和车身高度，但在普通道路上行驶时，其行驶平顺性、高速操纵稳定性和平均行驶速度都不理想，故可变且可控的悬架成为工程越野车辆的最佳选择。 1.1.2 悬架的分类 目前，汽车上安装的悬架种类很多。根据导向机构可分为独立悬架和非独立悬架两大类，根据悬架控制原理和控制功能可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。如图1-1， （a）被动悬架 （b）主动悬架 （c）半主动悬架 图1-1三种悬架系统两自由度简化模型 （

16、1）被动悬架 被动悬架即传统式的悬架，被动悬架概念是在1943年由Olley提出的。它通常是指结构上只包括弹簧和阻尼器（减振器）的系统。被动悬架系统的阻尼和刚度参数一旦确定，车辆在行驶过程中就无法随外部状态变化而改变。传统的被动悬架虽然结构简单、造价低廉且不消耗外部能源，但由于悬架参数固定，不能随路况改变，只能针对某种特定工况，进行参数优化设计，故限制了悬架参数的取值范围，具有较大的局限性。 （2）半主动悬架 半主动悬架系统的概念于1937年被D.A.Crosby和D.C.Kamopp首次提出。半主动悬架是指悬架弹性元性刚度和减振器阻尼力之一可根据需要进行调节的悬架，其目的在于以接近被动

17、悬架的造价和复杂程度来提供接近主动悬架的性能。一般地，由于汽车悬架弹性元件需承载车身的静载荷，因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难，所以对半主动悬架的研究目前大多数都只限于阻尼控制问题，利用合适的控制规律，它可提供介于主动悬架和被动悬架之间的性能。 （3）主动悬架 主动悬架的概念是1954年通用汽车公司在悬架设计中提出的。主动悬架能够根据悬挂质量的振动加速度，利用电控部件主动地控制汽车的振动。主动悬架一般是由隔振弹簧、控制器和作动器组成。主动悬架不但能很好地隔离路面振动，而且能控制车身运动，比如启动和制动时的俯仰、转弯时的侧倾等，另外还可以调节车身的高度，提高轿车在恶劣路面的通过性

18、。 1.2国内外工程车辆悬架研究现状 传统的工程车辆一般应用被动悬架，传统的被动悬架一般由具有固定参数的弹性元件和阻尼元件组成，参数不能根据系统状态和路面输入的变化进行调整，所以不能满足各种使用工况的变化，限制了车辆性能的进一步提高。 自20世纪60年代后期，由Karnopp发明油气减振器以来，工程车辆油气悬架的优良特性即被广大工程技术及研究人员所关注。油气悬架的结构最先应用在德国和日本的重型车辆上，以后逐步推广应用到军用特种车辆、工程机械等车辆上[3]。 油气悬架指的是以油液传递压力，通常用氮气（）作为弹性介质，由蓄能器（相当于气体弹簧）和具有减振器功能的悬架缸组成。悬架缸内部的节流

19、孔、单向阀等，代替了通常的减振器元件，构成的油气悬架集弹性元件（通过液体支承）和减振器功能于一体，形成了一种独特的悬架系统。 目前，各国在工程机械车辆底盘上应用油气悬架的研究主要有以下几方面： （1）军用轮式特种工程车辆，如意大利“半人马座”轮式装甲车、法国AMX—10RC轮式输送车及瑞士Piranha轮式坦克等。 （2）全路面汽车起重机，如德国利勃海尔（Liebherr）公司的LTM系列汽车起重机、日本神户（KOBELCO）钢铁株式会社生产的RK系列越野轮胎起重机。 （3）铲运机械，如美国卡特彼勒（Caterpillar）公司生产的TS-24B自行式铲运机。 （4）自卸车，如美国卡

20、特彼勒 （Caterpillar）公司的Cat789型大型矿用自卸车和瑞典沃尔沃（Volvo）公司的VME R90型大型矿用自卸车。 （5）轮式挖掘机，如日本日立建筑机械有限公司生产的轮式挖掘机。 由于国内油气悬架还处于研究阶段，其产品性能与国外同类型产品相比还存在较大差距。20世纪90年我国一些企业引进了具有油气悬架系统的工程车辆，此后形成了油气悬架技术的研究高潮，国内一些高校亦开始研究油气悬架技术，同时，徐重、中联浦沅、上海重汽集团等国内工程机械企业也正在对油气悬架系统进行不同方面的理论分析和试验研究设计。 1.3 液压悬架的研究现状 在工程控制系统中，电液控制系统由于使用了液压元

21、件而具有以下优点： 1.液压执行元件的功率—重量比和转矩—惯性矩比大，具有很大的功率传递密度，可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单元。 2.液压控制系统的负载刚性大，精度高。 3.液压控制系统可以安全，可靠并快速地实现频繁的带负载起动和制动，进行正、反向直线或回转运动和动力控制，而且具有很大的调速范围。 液压主动悬架使用不可压缩的油液，故其响应的灵敏度较高。由于采用高精度和高灵敏度的比例阀与伺服阀，以及由载荷、非簧载质量加速度和悬架行程的反馈控制来减小车身姿态变化。因此这种控制系统能保证汽车具有良好的操纵稳定性和舒适性，被广泛应用于工程越野车辆[5]，下面介绍几种国内外正在

22、或已经完成的几种可在任意路面行驶的“车辆机器人”。 1．美国HMMWV高机动性多用途越野车 美国的HMMWV是高机动性车辆的代表，平均越野速度是普通吉普车的2倍。在该车上验证可控悬架的工作也较多。1993年，英国莲花工程公司最早对HMMWV越野车悬架进行了试验性改装。该主动悬架系统采用的是液压作动器，如图1-2所示。 图1-2采用液压作动器的HMMWV试验车 2．T3六轮电动车 图1-3 T3六轮电动车 图1-4 ROKTOY 如图1-3所示，T3是一款由TRL实验室为UGV开发的动态概念型六轮电动车，重约100lbs。它

23、能自动或利用操纵杆驾驶，每个车轮都是独立驱动的，并且六个车轮都可以任意控制悬架的高度。这种可以360度任意方向旋转的独立驱动的车辆能越过任何障碍物，是普通只能前后行驶的汽车所不能完成的。这大大的提高了车辆的通过能力，可以使汽车行驶在任意复杂的路面，并且若改变其重心的高度，也可以使其以一定的速度爬坡。 3. ROKTOY越野车 如图1-4所示，ROKTOY是Jay Kopycinski通过一辆小型货车改装而来的，直到2003年4月才基本完成对车操纵系统、仪表板等结构细节部分的改造。ROKTOY仍然采用传统车辆的机械式驱动，但在在前后轮的悬架上安装有可调整车身位置的液压油缸，它可使车辆在任意复

24、杂的路况下保持车体的平衡，并能在一定范围内提高车与地面的离地间隙。 4. 160t全路面汽车起重机 如图1-5、1-6所示，徐工集团研制的160t全路面汽车起重机为六桥车辆，该车采用了一种先进的油汽悬架系统，保证车辆在各种不同的路面上均能正常平稳地工作。每根车轿左右两侧各有一个悬架液压缸与车架相连，桥的两侧分别装有纵向和横向推力杆，保证液压缸在伸长或缩短时，车轿与车架之间只有竖直方向位移，而无前后和左右方向位移。 图1-5 六桥车辆正面示意图 图1-6 六桥车辆侧面示意图 1.4 主动悬架常用控制方法 目前，汽车主动悬架己

25、进入到利用微处理器进行控制的时代。控制方法先进、减振效果好、能耗低，是主动悬架发展的主要方向。近年来，针对实际悬架系统的非线性、系统建模的不精确性以及参数的时变性等问题，提出了非线性控制、自适应控制方法，对系统的鲁棒性、主动作动器的方案设计和动态特性等也作了一些分析研究。现今主动悬架常见的控制方法主要有以下几种： 1．自适应控制 自适应一般发生在车辆行驶过程中，具有较慢统计特性变化的干扰，即路面输入干扰。自适应控制方法的基本思想是根据系统当前输入的相关信息，从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。其设计关键的选择能准确、可靠地反映输入变化的参考变量。自适应控制方法考虑了车辆系统参

26、数的时变性，具有参数辨识功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持性能指标最优。 2．神经网络控制 近年来，采用神经网络的控制方法已日益引起人们的重视，神经网络具有自适应学习，并行分布处理和较强的鲁棒性、容错性等特点，因此适合于对复杂系统进行建模和控制。可以建立一种神经网络自适应控制结构，有两个子神经网络，其中一个神经网络对于系统进行在线辩识。在对被控对象进行在线辩识的基础上，应用另一个具有控制作用的神经网络，通过对控制网络的权系数进行在线调整，控制器经过学习，对悬架系统进行在线控制，使系统输出逐渐向期望值接近。具有神经网络自适应控制的主动悬架能很好地减小车辆振动，提高行

27、驶平顺性和稳定性。 3．最优控制 最优控制是通过经验确定一个能提高平顺性和操纵稳定性的目标函数，然后以一定的数学方法算出使该函数取得极值的控制输入。在智能悬架中应用最优控制的方法主要有线性最优控制、最优控制和最优预见控制等。其中线性最优是建立在系统模型较为理想的基础上，采用受控对象的动态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构动态稳定性条件下实现最优控制。控制是设计控制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下，是相对于噪声干扰的输出取极小的一种最优控制方法，应用控制方法可实现汽车悬架振动控制具有较强的鲁棒性。最优预见控制是利用车轮的扰动信息预估路面的干扰输入，预见控制的策略就是把

28、所测量的状态变量反馈给前、后控制器实施最优控制[6]。 4．模糊控制 1965年，美国控制论专家Zadeh创立了模糊集合论。基于模糊集合论的模糊控制理论不同于传统的数学与控制理论，可以对太复杂而无法精确建立数学模型的系统或过程进行有效控制。模糊控制采用了“IF-THEN”式的语言分析型控制规则，容易被人理解，并可转化成计算机能接受的控制算法。由于悬架是复杂、时变、非线性系统，故在悬架控制上应用模糊控制理论有一定的优势。 5．预测控制 预测控制是希望提前获取前方道路的信息，作为控制系统的状态变量之一。预测控制能够降低能量消耗并使系统的控制性能大大改善。根据获取及利用预测信息的方法的不同，

29、预测控制有两类：一是全轮预测控制，即利用超声波或激光传感器实时测量前轮前方道路的信息，作为前馈输入控制系统，二是后轮预测控制，即对前悬架的状态变化进行分析，推测路面信息，仅作为控制后悬架的前馈信息。 1.5 本文的意义及目的 由于工程车辆工作性质的要求，多工作在路况变化差异较大的场合，特别是工地和矿山用车，道路条件和装载条件更加恶劣，因此在行驶过程中，车辆的车身将不可避免地受到来自路面铅垂方向的位移激励而产生上下振动。另外，由于工程车辆的负载在每次行驶中各不相同，而且负载在车上的水平分布也不尽相同，从而使车身的高度、水平度发生变化，这些都对工程车辆的行驶平顺性、操作稳定性和乘员的舒适性的发

30、挥和车辆的寿命产生了影响。 基于最优控制理论的主动悬架可以根据路面作用力的大小和汽车的运动状态，自适应改变悬架参数，使其性能达到最优。因此，工程车辆采用这种主动悬架可较好地缓和因路面而缠身的冲击振动，从而能很好地提高工程车辆的通过性、安全性和舒适性的要求。 目前，主动悬架的研究在工程车辆领域受到日益广泛的重视，己成为悬架发展的重要趋势。国外一些工业发达国家虽然已在某些车型上应用了主动悬架产品，但在控制算法的改进，系统稳定性的增强，性能价格比的提高等方面仍有大量工作要做。目前国内的研究尚处于悬架系统控制算法的优化设计、理论分析及计算机仿真研究阶段。各种现代控制方法在工程车辆悬架控制中的应用也

31、只是处于初级理论探索和仿真阶段。 所以，将主动悬架的控制作为研究生期间的研究课题有十分重要的理论价值和实际应用的前景。 1.6 本文主要研究内容 本文采用最优控制理论，对主动悬架的控制进行深入研究，通过应用Matlab软件中simulink模块进行仿真实验。本论文的主要研究内容如下： 1．建立车辆液压主动悬架数学模型 　对车辆进行直线行驶的运动学和动力学分析，对悬架系统进行简化，在单轮车体模型的基础上，考虑前后轮的路面不平度输入关系，建立两自由度车辆液压主动悬架系统的数学模型。 2．建立随机路面输入模型 路面扰动输入对悬架控制有着重要影响，通过建立积分白噪声形式的路面不平度的数学

32、模型。作为随机路面输入的仿真模型。同时，为分析悬架系统对不同路面的响应情况，建立多种不同路面等级和不同车速的随机路面输入，全面评析控制策略所能取得的控制效果。 3．建立电液比例阀控悬架液压缸的数学模型 根据阀控缸理论，建立了阀控悬架液压缸的数学模型，并通过拉氏变化推倒出阀芯位移与液压缸活塞杆行程的数学关系式，寻找到阀芯位移的控制量。 4．设计主动悬架控制器 结合经典控制理论和现代控制理论，运用最优控制的原理研究主动悬架的控制策略，设计出主动悬架的控制器。 5．对悬架进行仿真 在Matlab/simulink仿真环境中构建液压主动悬架的仿真模型，并以积分白噪声形式的路面不平度的数学模

33、型作为随机路面输入，并为主动悬架模型加入控制器模块，进行仿真，并观察仿真结果。 6．仿真结果分析 评价该主动悬架的车身加速度、悬架动位移和车轮变形 （对应车轮动载荷）这三个主要评价指标，与被动悬架进行了比较，并根据路况时域输出进行分析，归纳总结出利用最优控制策略设计的主动悬架控制器的优缺点以及所能达到的性能改善的程度。 第2章 6x6工程车辆主动悬架液压系统介绍 2.1 6x6工程车辆整车液压系统的工作原理 具有自适应主动悬架多轮独立驱动工程车辆主要由图2-1所示两个子系统组成：A.多轮主动驱动子系统；B.自适应主动悬架子系统。图2-2是6x6工程车辆试验用车的液压装置。目前，本

34、课题已经完成了试验车辆的机械部分生产及装配工作。 1.悬架液压缸 2.直动式比例换向阀 3.蓄能器4.齿轮泵 5.卸荷溢流阀 图2-1 整车液压系统图 (A) 实验整车 (B) 发动机和齿轮泵 (C)主动悬架油缸 (D)蓄能器 图2-2 6x6工程车辆试验整车液压装置 6x6工程车辆整车液压系统由六个液压马达分别独立驱动（六个马达分为两组，左、右两侧三个马达各为一组），分别由两个电液比例控制的恒功率变量柱塞泵提供动力，利用分流器进

35、行分流，液压油经电磁换向阀，将动力分别传递给液压马达，进而驱动车轮。为保证车辆在直线行驶时的稳定性，车辆提前采集路面信号，通过应用线性二次型最优控制理论控制的主动悬架系统的调整使两侧驱动轮能自动适应路况，保证车轮与地面保持时时接触。并且每个驱动马达的运行状态（包括马达转速、进出油口压力等参数）也需要时时监测，驱动控制系统根据这些参数对车轮的转速进行相应的调整。由于六个车轮驱动力相互独立，在任意情况下都具有可靠的独立驱动能力，因此附着通过能力强，越野能力和牵引能力也得到提高。 2.2主动悬架液压系统的工作原理 66工程车辆在坎坷不平的地面上行驶时，常会产生某驱动车轮的垂直载荷大幅度减小，乃至

36、离开地面而悬空的现象，使驱动车轮失去与地面的附着而影响通过性。本文所研究的主动悬架允许车轮与车架间有较大的相对位移，使驱动车轮与地面经常保持接触，以保证有较好的附着性能。同时独立悬架可显著地提高车辆的最小离地间隙，从而提高车辆的通过性。 本课题采用六个车轮分别由六个液压缸实现主动悬挂，每个液压缸上安装有位移传感器与压力传感器，控制系统随时监测各个液压缸的状态，以保证车辆在不同的路面条件下都具有很好的通过性。当车辆在平坦路面上行驶时，六个液压缸全部缩回，由液压系统实现被动悬挂，使车辆的离地间隙最小，降低车辆的重心以提高车辆高速行驶时的安全性。 悬架系统采用导向轮采集路面信息，应用最优控制设计

37、控制器计算出主动悬架液压缸应该伸出或收缩的行程，并反馈给悬架控制系统，控制系统通过电液比例技术控制阀芯产生相应的液压缸行程，使悬架系统达到最优的控制状态。当路面采集产生误差时，液压缸的伸长可能较短，发生车轮未能与地面可靠接触的情况，我们在控制系统中安装了压力传感器，时时检测油缸内油液压力，来判断车轮是否与路面可靠接触。当油缸内油液压力时，说明车轮已经脱离地面，并将此状态反馈给控制系统，控制系统控制液压缸继续伸长直至与路面接触。当车辆因前面有凸起的台阶或障碍物而无法正常通过时，则手动控制油缸缩回，以保证此过程中车轮与地面的可靠接触。 位移传感器安装在液压缸上用于检测液压缸行程。本液压系统中选用

38、的液压缸最大行程为500mm。如果某一个车轮由于坑太深而超过油缸的调节范围时，控制系统将其动力切断并分配到其他驱动轮。 车辆液压系统由齿轮泵给液压缸提供动力，由六个电液比例换向阀控制六个液压缸。但在异常坎坷不平的地面行使时液压缸会频繁的处于伸出或者收缩的状态，这就要求瞬间给液压缸提供足够大的动力，系统中我们安装了蓄能器，一是为了缓解系统瞬时产生极大的冲击，二是为了避免同时给六个液压缸供油时产生供给动力不足的现象。 2.3 主动悬架液压系统元件工作原理及特性分析 2.2.1 蓄能器的工作原理及特性分析 1．蓄能器的工作原理 蓄能器是液压系统的能量储存装置。它在适当的时机将液压系统的液压

39、能转变为压缩能或位能储存起来。当需要时将压缩能或位能转变为液压能释放出来，供给液压系统。蓄能器能改汕液压系统的工作性能，使它更加有效地、合理地使用能量。 图2-3是气囊式蓄能器的结构。它的壳休3是两端为半球形的圆筒，壳体内有一个用特殊耐油橡胶材料制成的气囊2；气囊上部设有空气阀1，下部有一受弹簧力作用的蕈式提升阀，防止油液全部排出时气囊胀出壳体之外。一般它的充气压力为油液最低工作压力的60~70％。气囊式蓄能器惯性小，工作灵敏，尺寸小，重量轻，但气囊和壳体制造困难。机床的液压系统多采用气囊式蓄能器。折合式气囊适用于蓄能，波纹型气囊适用于缓冲[15]。 2．蓄能器的静态特性分析 （1）蓄能

40、器的容积 由于系统超过平均流量以上的流量须由蓄能器供油，所以蓄能器的理论容积即排油量为 （2-1） 式中 —蓄能器的理论容积； ，—各表大于平均流量的流量及持续时间。 对于气囊式蓄能器其三个主要的工作状态如图2-4。充油前(初次充油的)，气体的压力及容积为、；充满油液时气体的压力及容积为、；供油至允许的压力值时为、。显然，当压力由降至时，蓄能器的排油量。根据克拉贝隆方程，对于一定质量的理想气体，有 （2-2） (a) (b)

41、 (c) (a)充油前 (b)充满油液时（压力最大） (c)供油终了时 图2-4 气囊式蓄能器的三个工作状态 式中：、、表气体在上述三种状态下的绝对温度。于是蓄能器的理论容积为 （2-3） 而蓄能器的实际容积应按充油前的容积即考虑，由（2-3）得 （2-4） 在这里我们只考虑蓄能器充油及排油为等温过程，即,则 （2-5） 由上面的计算式中，知与成反比。因此增大即可减小蓄能器的尺寸。故通常都将蓄能器的初始压力选定在比其最低工作压力略小1兆帕左右。 图2-5为等温过程曲线，即常数。利用它可直

42、接求得等温过程充油和排油时蓄能器的排油量和容积。 （2）蓄能器的最大有效能量及最佳容积 在一定的外形尺寸下，蓄能器提供的能量越多，则其效果就越好。对于气囊作用式蓄能器，其最低压力必须等于系统的工作压力才能进行正常的工作。蓄能器排油时，系统所获得的能量即为其有效输出能量。因此有 （2-6） 式中：—蓄能器的有效输出能量。 蓄能器排油时气体若仍按等温过程膨胀，则，即 （2-7） 于是 （2-8） 令 ，则

43、 （2-9） 因、都不能为负，所以时，故得蓄能器的最大有效能量为 （2-10） 由以上分析可知当蓄能器的最大压力为系统工作压力的2倍时，蓄能器的输出有效能量最大。因此将（2-10）式代入（2-3）式可得蓄能器按等温过程排油时的最佳容积，即 （2-11） 若初次充油时气体也按等温过程变化，则。以此代入（2-11）式，这时蓄能器的最佳容积为 （2-12） 3．蓄能器的动态特性分析 图2-6为利用蓄能器供油驱动液压缸的系统。显然，随着蓄能器中气体的膨胀，对系

44、统的供油压力将不断变化。若油缸驱动的荷载恒定，则其运动速度将不断地改变。由于蓄能器内气体的膨胀与蓄能器的排油量有关，而蓄能器的排油量又与活塞的位移有关，活塞位移则随时间而变。所以蓄能器供油泵系统的工作是一个动态过程。假定蓄能器在开始向系统供油时的压力为，气体的容积为。工作过程中的瞬时压力为，气体容积为，则液压缸的运动方程为 （2-13） 式中 ： —换向阀及管道的压力损失； —活塞断面积； —活塞(包括活塞杆)及荷载质量； —活塞位移； —系统的粘阻系数； —荷载弹簧刚度； 图2-6 蓄能器系统动态分析简图 系统的流量。若忽略油液的压缩量，则

45、 （2-14） 于是 （2-15） 式中：表常数。当时，，所以。假定蓄能器排油时为等温过程，则 （2-16） 将（2-15）、（2-16）式代入（2-13）式，得 （2-17） 为了初步确定蓄能器各参数的近似值，可假定、、及都等于零。于是（2-17）式就变为 （2-18） 如果令，即活塞移动的速度，则 （2-19） 积分，得 （2-20） 当时，，，所

46、以，故得 （2-21） 及 （2-22） 图2-7等温过程排油时、 与关系 根据（2-21）、（2-22）式可作出、与的关系如图2-7。显然为活塞移动距离时所扫过的容积与蓄能器充油至最大压力时气体容积之比。为移动质量的动能与常数之比。对于每个值可由(2-21)式求得相应的，再根据的比例关系，即可确定这时活塞的移动速度。又如已知活塞断面积及移动距离，则根据(2-21)式在已知比值时，为保证获得一定的活塞移动速度所需的即可按与所对应的值求得。从而由，当已确定后也可以求出。根据，

47、给定后，蓄能器容积也可求出。因，可见当蓄能器容积确定后，则越大，充油前压力也越高。图2-7中还表示出了按梯形法求出的由0至1，的平均值。对于某一确定的系数为常数，所以的平均值可视为在不同的最大行程时活塞移动的平均速度与的乘积，即。 另外，根据和选择适当的值，使，在图2-6中所描绘的点与的平均值重合。于是就确定了值。然后，根据，即可得 ， 及 （2-23） 通常兆帕，所以蓄能器的容积为 （2-24） 2.2.2 阀控悬架液压缸特性分析 阀控非对称缸的原理图如图2-8所示，是由零开口四边滑阀和非对称液压缸组

48、成。其中表示活塞杆的位移，表示活塞的粘性阻尼系数，表示液压缸的负载力，为比例阀阀芯工作位移，和表示阀的进油节流窗口的面积梯度，、、、表示阀的回油节流窗口的面积梯度。和分别表示液压缸活塞无杆腔的有效面积，和分别表示液压缸两腔压力，和分别表示流入和流出液压缸的流量，为供油压力，为回油压力。 阀控非对称液压缸系统数学建模是根据流体力学、机构学、回路系统学等物理和工程的基本定理，应用数学形式来定量地描述模型系统中人们感兴趣的各参数的静态和动态关系。在液压系统中，人们大都从阀的负载压力—流量特性、油缸负载流量方程和油缸的力学方程三个方面来建立数学模型。 图

49、2-8 阀控非对称缸的原理图 由于非对称油缸活塞两腔有效作用面积不等，流量方程与活塞速度的方向有关，应分别讨论。 （1）比例阀流量—压力方程 当时，活塞杆外伸时阀芯右移，即，假定：阀是零开口四边滑阀，四个节流窗口是匹配和对称的，供油压力恒定，回油压力为零；阀的线性化流量方程为 （2-25） （2-26） 式中：—无杆腔的流量，； —有杆腔的流量，； —流量系数； —比例阀窗口的面积梯度，； —流体的密度，； —无杆腔压力，； —有杆腔压力，；

50、 —油源压力，； —比例阀阀芯位移，。 由式（2-25）、（2-26）可得 （2-27） 液压缸稳态时的力平衡方程： （2-28） 由（2-28）得： （2-29） 故定义负载压力为： （2-30） 式（2-27）和（2-30）联立得： ，　　 　　　（2-31） 液压缸的输出功率为： 　　　　　（2-32） 故可定义负载流量为： 　 　　　　（2-33） 当时，活塞杆内缩时阀芯左

51、移，即，比例阀的流量方程为： （2-34） （2-35） 定义负载压力为： （2-36） 负载流量为： （2-37） 仿时的推导过程，得： （2-38） （2）液压缸流量连续方程 假定：阀与液压缸的廉洁管道对称且短而粗，管道中的压力损失和管道动态可以忽略；液压缸油温和体积弹性模量为常数；液压缸内、外泄露均为层流流动。 当时， 　　　　　（2-39） 　　　　　（2-40） 式中：—内泄漏系数，； 　　　—外泄漏系

52、数，； 　　　—无杆腔容积，； 　　　—有杆腔容积，； 　　　—液体的容积模数，。 由（2-31）、（2-33）、（2-39）可知： （2-41） 式中：—等效漏损系数，； 　　　—附加漏损系数，； —等效容积； 为液压缸总行程。 当时， （2-42） （2-43） 由（2-36）、（2-37）、（2-43）可知： （2-44） 式中：—等效漏损系数，； —附加漏损系数，； —等效容积，； —有杆腔容积，（取平均值），

53、为液压缸总行程。 （3）液压缸力平衡方程 根据牛顿第二运动定律，建立液压缸力平衡方程： （2-45） 式中：—活塞及负载的总质量，； —活塞及负载的粘性阻尼系数， —负载的弹性刚度； —任意外负载。 第3章 6x6工程车辆主动悬架系统数学 模型的建立 3.1悬架系统性能指标 车辆悬架的两个主要功能是保证良好的乘坐舒适性和稳定的轮胎动载荷。悬架在执行该功能的同时，还必须将悬架行程控制在允许的限度内，并满足在载荷变化、加速、制动、转弯工况时对车身姿态的要求。车辆行驶性能评价指标中，对加速度的控制显然体现了对乘坐舒适性的要求，而

54、对轮胎载荷均匀性要求则是出于对轮胎附着性的考虑。由于轮胎对地面的附着能力会因载荷的波动而减弱，因而应尽量避免轮胎动载荷过大。 对车辆悬架系统而言，其性能可用三个基本参数来进行评价，而这些参数实际上代表了悬架互相冲突的不同性能要求。 1．车身加速度[16] 车身加速度参数，定义为 ISO2631 频率加权后垂向加速度均方根值。由此，车辆复杂的振动环境就可简化成仅用一个特征参数即可描述其行驶平顺性品质。对轿车而言，垂直加速度很大程度上决定了车辆行驶平顺性品质，加权函数反映了人体对 4—8Hz 范围内的垂直振动最为敏感。对客车或货车来说，纵向加速度对乘员的不舒适程度影响较大。 本文研究的对象

55、为越野状态的工程车辆问题，由于车辆速度较慢，纵向加速度较小，因此，悬架性能指标主要考虑垂向加速度。 2．悬架动行程 悬架动行程（）定义为车轮和车身的位移之差的方均根值，用于描述相对于静平衡位置的悬架位移变化程度。根据随机路面高斯分布的假设，对线形系统而言，其响应也应该具有高斯性质，并用正态分布描述。因而对悬架动行程而言，可以认为在静平衡位置条件下，车轮与车身相对位移保持在、、以内的概率分别为68.3%、95.4%、99.7%。因此，根据悬架动行程方均根值，就可以决定在某种路面输入条件下车辆所需的悬架动行程。 3．轮胎动位移 轮胎动位移定义为相对于静平衡位置的轮胎位移变化的方均根值。因为

56、轮胎位移的变化会引起路面接触印迹面积的变化，并导致侧向力和制动力的减小，所以轮胎动位移可作为衡量轮胎附着能力的一个指标。轮胎动位移变化引起的轮胎力损失的机理比较复杂，简言之，如果轮胎的垂直载荷比较稳定，则可获得较大的轮胎力；如果轮胎动位移波动增加，随着轮胎跳动的加剧，轮胎产生力的能力将随之减弱。 3.2 主动悬架动力学模型建立 3.2.1 车辆悬架系统模型的选取 建立车辆悬架的力学模型是进行汽车悬架系统仿真和控制策略研究的基础。悬架系统作为一个复杂的多自由度“质量—刚度—阻尼”振动系统，对其动力学特性进行精确的描述和分析是非常困难的。长期以来大量研究表明，根据研究内容的出发点、分析的侧重

57、点和研究的目的不同，可采取不同的简化方法建立不同的系统动力学模型，这样可以突出问题本质、简化研究对象、满足分析计算正确性、有效性的要求。 目前研究汽车悬架常采用二自由度的单轮车辆模型，四自由度半车模型及七自由度整车模型。为了对主动悬架进行更细致的研究，更准确地预测悬架参数对车辆性能的影响需要建立精确的整车模型。但精确的大模型的建立本身就很复杂，不容易抓住问题的主要矛盾。在进行悬架的概念设计和控制理论研究时，通常采用单轮车体模型，它能较好的体现垂直振动的问题；而在研究前后悬架间的参数匹配关系和车身的垂直方向与纵向的运动耦合时，采用半车模型，它较好的体现垂直跳动和俯仰变化的问题；当在需要从总体上

58、较全面地把握车辆运动响应或控制的综合质量时，采用整车模型，它完整的体现了垂直跳动、俯仰变化以及侧倾的问题。 尽管各种悬架的结构不同，但研究来自不平路面激励引起车体的垂直振动都可用单轮车辆力学振动模型表示。因为虽然单轮车体模型没有包括汽车的整体几何信息，也无法用它来研究汽车俯仰角振动及侧倾角振动，但它包含了实际问题中的绝大部分基本特征，例如负载变化和悬架系统受力的信息等。 本文由于是研究悬架的控制理论，因此经过比较采用单轮车辆模型进行深入的研究。 3.2.2 路面输入模型 当把汽车近似作为线性系统处理时，而且掌握了输入的路面不平度功率谱以及车辆系统的频响函数，就可以求出各响应物理量的功率

59、谱，用来分析振动系统参数对各响应物理量的影响和评价平顺性。 路面输入具有随机特性，作为汽车振动输入的路面不平度，主要采用路面功率谱密度描述其统计特性。大量测量结果证明，路面功率谱密度函数具有负指数特性。所以标准（GB7031-86和ISO/DIS8608）中规定路面功率谱密度的拟合表达式为： （3-1） 式中：—功率谱密度，； —空间频率，； —参考空间频率，； —路面不平度系数，；是路面谱密度在处的值； —频率指数；它表示谱密度的频率结构，在双对数坐标上表现为谱密度函数的斜率。 标准用路面功率谱密

60、度的量度把路面不平度分为8级。分级的频率指数。各级路面不平度系数的几何平均值可参考表3.1。 表3.1 路面不平度8级分类标准表 路面 等级 上限 几何平均值 下限 几何平均值 A 8 16 32 3.81 B 32 64 128 7.61 C 128 256 512 15.23 D 512 1024 2048 30.45 E 2048 4096 8192 60.90 F 8192 16348 32768 121.80 G 32768 65536 131072 243.61 H 131072

61、 262144 534288 487.22 是路面垂直位移的空间功率谱密度。它的一阶导数和二阶导数，分别是路而垂直位移的空间速度功率谱和加速度功率谱，用来补充路面不平度的统计特性，下标分别代表位移、速度和加速度。它们与的关系如下： ， （3-2） ， （3-3） 当频率指数为时，把式（3-1）代入式（3-2）得到： 可以看出，路面速度功率谱密度的值在整个频率范围内是一个常数，幅值大小只与不平度系数有关。 当车辆以一定车速通过一段道路时，在车速的作用下把空间域的路面不平度变换成了时间域的激励，其关系为。 式中：时间激励频率

62、，；车速，，空间频率，。 时间频率带宽与空间频率带宽的关系为。当空间频率或带宽一定时，时间频率与带宽与车速成正比变化。 在车辆的应用中，需要把空间频率功率谱密度化为激励功率谱密度。功率谱密度的物理意义是单位频带内的“能量”(均方值)，所以空间频率下的功率谱密度可以表示为： （3-4） 式中—路面谱在频带内所包含的“能量”。 在一定的车速下，与空间频率带宽相对应的时间频率带宽内所包含的不平度垂直位移谐量成分相同，其“能量”仍为，所以换算为激励频率的功率谱密度可表示为： 将及式（3-4）代入上式，得到与的换算式： （3-5） 将式（

63、3-1）和代入式（3-5），得到激励路面功率谱密度表达式（单位）。当时，得： （3-6） 因此，路面不平度时间频率下，速度功率谱密度和加速度功率谱密度的表达式为： （3-7） （3-8） 对式（3-7）取对数，得到，等式的右端为常数项；表现为斜率为零的水平直线，如图3-1， 图3-1 取对数后斜率 可见，路面速度功率谱密度不随频率变化而变化，在整个频率范围内为一常数，因此汽车的路面速度输入为一白噪声，即： （3-9） 式中：为路面位移；为零均值的白噪声。 产生随机路面不平度时间轮廓常有两种

64、方法，即由一白噪声通过积分器产生或由白噪声通过一成形滤波器产生。文章采用一个滤波白噪声作为路面输入模型，即： （3-10） 式中：—路面位移，； —路面不平度系数，； —车辆前进速度，； —均值为零的高斯白噪声； —下截止频率，，。 其中，白噪声的生成直接调用MATLAB函数WGN(M,N,P),其中M为生成矩阵的行数，N为列数，P为白噪声的功率（单位为dB）。 3.2.3 基于单轮车体的主动悬架力学模型的建立 图3-2 主动悬架简化模型图 由上图3-2所示，我们可以对车辆悬架系统进行力学分析，建立两自由

65、度悬架系统的运动微分方程： （3-11） （3-12） 由公式（3-10），本文我们采用一个滤波白噪声作为路面输入模型，即： 结合式（3-10）、式（3-11）和式（3-12），将系统运动方程和路面输入方程写成矩阵形式，即得到系统的空间状态方程： （3-13） 式中：，为系统状态矢量； ，为高斯白噪声输入矩阵； ，为控制矩阵输入矩阵。 系统运动学一阶微分方程组为： （3-14） 主动悬架系统的状态空间的描述为： （3-15

66、） 式中：为系统矩阵； 为控制输入矩阵； 为输出矩阵； 为直接联系矩阵； 为扰动输出矩阵。 由式（3-14）得， 3.3 主动悬架液压系统数学模型建立 在第二章中，我们介绍了阀控缸的基本原理，像这种电液比例控制系统的完全数学模型非常复杂，并且很难控制。因此，必须将非线性方程线性化来求解系统的方程。 利用Taylor级数展开公式，根据阀的流量方程及液压缸的力平衡连续方程求得系统数学模型。 当时，将式（2-25）进行线性化处理，略去增量符号，并按本文定义，得： （3-16） 式中：—流量增益，； —流量-压力系数，。 将式（2-44）、（2-45）和（3-16）分别进行拉氏变换，得： （3-17） （3-18） （3-19） 由这三个基本方程是可以画出阀控非对称液压缸的方框图，如图3-3所示，该方块图可用于模拟计算。 图3-3 阀控非对称液压缸方框图 由式（3-17）、（3-18）、（3-19）