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        基于Simulink的汽車主動懸架仿真分析

        2018-12-14 01:30:36
        汽車實用技術 2018年21期
        關鍵詞:被動懸架車身

        夏 偉

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        基于Simulink的汽車主動懸架仿真分析

        夏 偉

        (武漢交通職業(yè)學院,湖北 武漢 430065)

        文章簡要介紹了用Simulink建立主動懸架的仿真模型的方法。采用單輪車輛模型動力學方程,建立被動懸架的仿真模型。通過設計主動懸架的LQG控制器,建立主動懸架仿真模型。并將兩種模型的車身加速度、懸架動行程、輪胎位移進行比較分析。結果表明LQG控制器的主動懸架能有效改善懸架性能。

        Simulink;主動懸架;仿真

        引言

        懸架是車架(或承載式車身)與車橋(或車輪)之間一切傳力連接裝置的總稱。它的功用是把路面作用于車輪上的垂直反力(支承力)、縱向反力(驅動力和制動力)和側向反力以及這些反力所造成的力矩傳遞到車架(或承載式車身)上,以保證汽車的正常行駛。雖然汽車的懸架結構各有不同,但是一般來說,汽車的懸架都由彈性元件、減振器和導向機構等三部分組成,分別起緩沖、減振、和導向的作用。三者的共同任務是傳力。對于傳統(tǒng)的被動懸架,車身高度、懸架剛度和減振器的阻尼大小是固定不變的。這樣一來就無法適應多變的路況,也無法滿足人們期望的性能要求。

        主動懸架是一種能供給和控制動力源(油壓、空氣壓)的裝置。根據(jù)各種傳感器檢測到的汽車載荷、路面狀況、行駛速度、起動、制動、轉向等狀況的變化,自動調(diào)整懸架的剛度、阻尼力以及車身高度等。當汽車急轉彎、急加速或緊急制動時,車內(nèi)人員能夠感受到懸架比較堅硬,減輕“點頭”和側傾現(xiàn)象,而在正常行駛時懸架則表現(xiàn)得較為柔軟,從而更好的吸收路面帶來的沖擊。此外,主動懸架能夠根據(jù)不同情況自動調(diào)節(jié)車身高度,當載荷變化時能保持汽車高度一定,高速行駛時降低車身高度以降低空氣阻力,正常行駛時提升車身高度,改善汽車的通過性。因此,隨著汽車電子技術的的發(fā)展與廣泛應用,越來越多的汽車都裝備了電子懸架控制系統(tǒng)。

        1 被動懸架仿真建模

        1.1 單輪主動懸架二自由度建模

        本次仿真采取的是1/4車輛模型。構建雙質量二自由度模型如圖1所示。

        圖1 1/4主動懸架二自由度模型

        根據(jù)牛頓第二定律得系統(tǒng)的運動微分方程為:

        狀態(tài)空間可描述為:

        其中:

        1.2 路面輸入模型

        當把汽車近似作為線性系統(tǒng)處理時,通常把路面相對基準平面的高度q,沿道路走向長度I的變化q(I),稱為路面縱斷面曲線或不平度函數(shù)。作為車輛振動輸入的路面不平度,主要采用路面功率密度描述其統(tǒng)計特性。在GB 7031《車輛振動輸入——路面不平度表示》標準中,建議路面功率譜密度G()用式—作為擬合表達式。

        將上述空間頻率功率譜密度化為時間頻率功率譜密度得:

        本文采用的路面輸入模型是由高斯白噪聲通過一階濾波得到。即:

        其中G0為路面不平度系數(shù);w為數(shù)字期望為零的高斯白噪聲;f0為下截止頻率。路面激勵仿真模型如圖2所示:

        1.3 被動懸架Simulink仿真模型

        Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包,它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。在Simulink環(huán)境中,利用鼠標就可以在模型窗口中直觀地“畫”出系統(tǒng)模型,然后直接進行仿真。它為用戶提供了方框圖進行建模的圖形接口,采用這種結構畫模型就像你用手和紙來畫一樣容易。它與傳統(tǒng)的仿真軟件包微分方程和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點。Simulink包含有sinks(輸入方式)、source(輸入源)、linear(線性環(huán)節(jié))、nonlinear(非線性環(huán)節(jié))、connections(連接與接口)和extra(其他環(huán)節(jié))子模型庫,而且每個子模型庫中包含有相應的功能模塊。用戶也可以定制和創(chuàng)建用戶自己的模塊。

        圖3 被動懸架仿真模型

        用Simulink創(chuàng)建的模型可以具有遞階結構,因此用戶可以采用從上到下或從下到上的結構創(chuàng)建模型。用戶可以從最高級開始觀看模型,然后用鼠標雙擊其中的子系統(tǒng)模塊,來查看其下一級的內(nèi)容,以此類推,從而可以看到整個模型的細節(jié),幫助用戶理解模型的結構和各模塊之間的相互關系。在定義完一個模型后,用戶可以通過Simulink的菜單或Matlab的命令窗口鍵入命令來對它進行仿真。菜單方式對于交互工作非常方便,而命令行方式對于運行一大類仿真非常有用。采用SCOPE模塊和其他的畫圖模塊,在仿真進行的同時,就可觀看到仿真結果。除此之外,用戶還可以在改變參數(shù)后來迅速觀看系統(tǒng)中發(fā)生的變化情況。仿真的結果還可以存放到Matlab的工作空間里做事后處理。

        利用Simulink建立仿真模型時既可以采用狀態(tài)方程,也可以采用動力學微分方程。本文采用的是動力學微分方程,具體模型框圖如圖3所示。

        2 LQG控制器設計

        車輛懸架設計中的主要性能包括:①代表輪胎接地性的輪胎動載荷;②代表乘坐舒適性的車身垂向振動加速度;③影響車身姿態(tài)且與結構設計和布置有關的懸架動行程。因此,LQG控制器設計中的性能指標J即為輪胎動位移、懸架動行程和車身垂向振動加速度的加權平方和在時域T內(nèi)的積分值,其表達式為:

        式中,q1、q2和q3分別為輪胎動位移、懸架動行程和車身垂向振動加速度的加權系數(shù)。加權系數(shù)的選取決定了設計者對懸架性能的傾向,如對車身垂向振動加速度項選擇較大的權值,那么就意味著懸架系統(tǒng)以提高乘坐舒適性為主要目標;若對輪胎動位移項選擇較大的權值,則考慮更多的是提高車輛操縱穩(wěn)定性。為方便起見,這里車身垂向振動加速度的加權系數(shù)q3=1。

        將性能指標J的表達式改寫成矩陣形式,即:

        式中,

        當車輛參數(shù)值和加權系數(shù)值確定后,最優(yōu)控制反饋增益矩陣可由黎卡提方程求出,其形式如下:

        最優(yōu)控制反饋增益矩陣:

        由車輛參數(shù)和加權系數(shù)決定。根據(jù)任意時刻的反饋變量狀態(tài)Y(t),就可以得出t時刻作動器的最優(yōu)控制Ua,即:

        車輛模型仿真輸入?yún)?shù)值如表1所示:

        表1 單輪車輛模型仿真輸入?yún)?shù)值

        根據(jù)表3-1給出的仿真參數(shù),求得的最優(yōu)反饋增益矩陣K為: 3 主動懸架仿真建模 主動懸架的仿真模型是在被動模型的基礎上加上LQG控制器。在Simulink環(huán)境下建立的最優(yōu)主動懸架車輛仿真模型框圖如圖4所示: 建設項目投保主要目的就是風險轉移,風險分擔,用少量的保費,保證出險后,減少業(yè)主及承包方承擔的經(jīng)濟損失,將風險損失轉嫁到保險公司身上。但是目前國內(nèi)很多承包商只關注的是施工質量、安全、工期和成本效益,對于出現(xiàn)損失后的經(jīng)濟彌補和損失轉嫁并沒有足夠的重視,加之工程保險并不一定具有強制性,很多承包商和業(yè)主抱有萬一不出險,做好防護不會有大的損失等僥幸心理,對建設項目不投?;蛘叩唾M率投保,使得投保范圍不能涵蓋可能的風險,導致出險后得不償失,造成自身重大經(jīng)濟損失。 圖4 主動懸架仿真模型 4 仿真結果與分析 被動懸架與LQG主動懸架系統(tǒng)的時域仿真結果如下圖所示,包括路面位移輸入(圖5)、輪胎動位移(圖6與圖7)、懸架動行程(圖8與圖9)及車身加速度(圖10與圖11)。 有一位同學,軍訓時總是說餓。他就想了個辦法,每天去買鴨脖,放在塑料袋里然后綁在腿上,用褲腿蓋上,準備在休息的時候吃。軍訓都要踢正步,那天他沒有把鴨脖綁好,踢正步時鴨脖甩了出去!教官正好在他前方,鴨脖直接就飛到了教官的身上,教官撿起鴨脖,一臉疑惑地說:“你小子還隨身攜帶暗器?” 圖5 路面位移輸入 圖6 被動懸架輪胎動位移 圖7 主動懸架輪胎動位移 圖8 被動懸架懸架動行程 圖9 主動懸架懸架動行程 圖10 被動懸架車身加速度 圖11 主動懸架車身加速度 由上述仿真結果得出有LQG控制器的主動懸架對車輛行駛平順性和乘坐舒適性具有良好的改善效果。 5 總結 本文采用動力學微分方程進行了仿真建模。在被動懸架仿真模型的基礎上,通過添加LQG控制器得到主動懸架的仿真模型。通過對比分析得到了兩種懸架的性能優(yōu)劣。由于1/4車輛模型的運動學微分方程并不復雜,因此采用這種建模方法能省略中間轉化為狀態(tài)方程的環(huán)節(jié),節(jié)約了時間。但是本文還是存在著許多不足。由于控制器的設計參數(shù)不理想,導致主動懸架的優(yōu)勢并不明顯??刂品椒ㄒ仓徊捎昧薒QG這一種方法,分析的不夠全面。在后續(xù)的工作中需要對這幾方面加以改進。 參考文獻 [1] 曹紅兵.現(xiàn)代汽車電子控制技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012. [2] 余志生.汽車理論[M].北京:機械工業(yè)出版社,2014. [3] 蘭波,喻凡.車輛主動懸架LQG控制器的設計與仿真分析[J].農(nóng)業(yè)機械學報,2004. [4] 趙玲.基于Simulink的汽車懸架系統(tǒng)動態(tài)仿真[J].四川工業(yè)學院汽車工程系,2002. [5] 喻凡,林逸.汽車系統(tǒng)動力學[M].北京:機械工業(yè)出版社,2012. Simulation Analysis of Vehicle Active Suspension Based on Simulink Xia Wei ( Wuhan Technical College of Communications, Hubei Wuhan 430065 ) Abstract: This paper describes the simulation model using Simulink Active Suspension method. Establish a passive suspension simulation model by using the single wheel vehicle model dynamics equations. By LQG controller design active suspension, active suspension simulation model established. Compared and analyzed the body acceleration, suspension dynamic travel, tire displacement of the two models. The results showed that the active suspension with LQG controller can effectively improve the suspension performance. Keywords: Simulink; Active Suspension; Simulation CLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2018)21-38-04 中圖分類號:U467 文獻標識碼:B 文章編號:1671-7988(2018)21-38-04 作者簡介:夏偉,就職于武漢交通職業(yè)學院。 10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.014

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