汽车主动悬架及控制方法的研究

山东交通学院毕业设计（论文）

摘 要

汽车的悬架系统是车辆的重要组成部分，汽车悬架性能的好坏直接影响汽车行驶的平顺性和操纵稳定性，传动的被动悬架系统，由于参数不可调节，对多变环境中工作的汽车难以满足期望的性能要求。因此，为了克服被动悬架对汽车性能改善的限制，近年来出现了主动悬架系统。主动悬架能够根据工况变化，实时主动地调整和产生所需的悬架控制力，以抑制车身的振动，使悬架处于最优减振状态，达到同时改善汽车行驶平顺性和操纵稳定性的目的。近年来随着机械动力学、测控技术、电子技术等学科的快速发展，尤其是信息科学中对模糊控制、人工神经网络、自适应控制、最优控制等的研究，悬架系统控制技术得到了快速发展。本文对汽车的模糊控制、自适应控制、神经网络控制、智能控制以及复合控制等多种控制方法进行了叙述，并以模糊控制在汽车主动悬架中的应用为例，详细叙述了模糊控制的有关知识,希望可以加深对汽车主动悬架及相关控制方法和策略的研究。

关键词： 主动悬架,控制策略,模糊控制

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葛金龙：汽车主动悬架及控制方法的研究

Abstract

Automotive suspension system is an important part of the vehicle, it’s performance has a direct impact on the exercise of the car ride and handling stability. due to the passive suspension system parameters can not be adjusted for the changing work environment ,it is difficult to meet the desired performance requirements, however，Active suspension can take the initiatives to adjust the suspension in real time according to changing conditions ，and produces the desired control to suppress the vibration of the body, so that the optimal damping suspension can be kept in the best state to improve vehicle ride comfort and handling stability purposes simultaneously. In recent years, along with the development of themedynamics, measurement and control technology, electronic technology disciplines, and the rapid development of information science, especially the studies of the fuzzy control, artificial neural networks, adaptive control, optimal control, suspension system control technology which is in modern theoretical guidance, becomes more perfect, suspension control system technology has developed rapidly, the vehicle fuzzy control, adaptive control, neural network control, intelligent control and composite control and other control methods are In this paper ,in order to deepen the understanding of vehicle active suspension control methods and strategies and related researches，the fuzzy control in automotive active suspension system was described as an example in this paper .

Key words : active suspension, fuzzy Control, control strategy

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目 录

前 言 ........................................................................................................................................ 1 1车辆悬架概述 ......................................................................................................................... 2

1.1车辆悬架的定义、作用及性能要求 .......................................................................... 2

1.1.1车辆悬架的定义 ............................................................................................... 2 1.1.2车辆悬架的作用 ............................................................................................... 2 1.1.3车辆悬架系统的性能要求 ............................................................................... 3 1.2车辆悬架的组成 .......................................................................................................... 3

1.2.1弹簧 ................................................................................................................... 3 1.2.2减震器 ............................................................................................................... 4 1.2.3稳定杆 ............................................................................................................... 4 1.3车辆悬架的类型 .......................................................................................................... 4

1.3.1被动悬架 ........................................................................................................... 5 1.3.2半主动悬架 ....................................................................................................... 5 1.3.3主动悬架 ........................................................................................................... 6 1.3.4主动悬架的优点 ............................................................................................... 7 1.3.5主动悬架主要元件及工作原理 ....................................................................... 8 1.4主动悬架的控制功能 ........................................................................................ 11 1.4.1车速路面感应控制 ......................................................................................... 11 1.4.2车身姿态控制 ................................................................................................. 12 1.4.3车身高度控制 ................................................................................................. 13 1.5主动悬架研究与发展状况 ........................................................................................ 14

1.5.1主动悬架的研究现状 ..................................................................................... 14 1.5.2主动悬架发展状况 ......................................................................................... 15

2主动悬架控制及策略 ........................................................................................................... 18

2.1自适应控制 ................................................................................................................ 18 2.2神经网络控制 ............................................................................................................ 19 2.3 PID控制 .................................................................................................................... 20 2.4最优控制 .................................................................................................................... 22 2.5鲁棒控制 .................................................................................................................... 24 2.6遗传算法 .................................................................................................................... 24 2.7复合控制 .................................................................................................................... 25 3模糊控制在主动悬架中的应用 ........................................................................................... 26

3.1模糊控制的技术原理 ................................................................................................ 26

3.1.1模糊控制系统的组成 ..................................................................................... 26

III

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3.1.2模糊控制基本原理 ......................................................................................... 27 3.1.3模糊控制器的结构设计 ................................................................................. 31

4总结 ....................................................................................................................................... 33 致 谢 ........................................................................................................................................ 34 参考文献 .................................................................................................................................. 35

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前 言

随着汽车工业的发展，人们对汽车的乘坐舒适性和操纵稳定性提出了更高的要求，而车辆悬架决定和影响着车辆行驶的平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性。尽管国内外专家对车辆的悬架进行了大量的研究，但是传动的被动悬架由于自身固有的缺陷和弱点，不能很好地满足人们对汽车行驶的平顺性、操纵稳定性和乘坐舒适性的要求，因此，对主动悬架的研究便应市而出。

相比于传统的被动悬架，汽车主动悬架由于具有良好的车辆行驶平顺性，操纵稳定性和乘坐舒适性及控制车身运动的特点近年来备受关注，并且得到了巨大的发展，人们开始越来越多的关注主动悬架，与此同时，由于各种新型控制方法和计算机技术的迅速发展，以及人们对振动的控制水平的不断提高，为提高汽车主动悬架系统性能，完善主动悬架的控制方法开辟了一条崭新的途径。随着控制理论、电子技术、计算机技术、测控技术、机械动力学等学科领域的快速发展，主动悬架及控制方法得到了前所未有迅速发展并逐渐应用于轿车之上。特别是信息科学中对模糊控制、自适应控制、最优控制、以及人工神经网络等智能控制的研究，不仅在理论上取得了巨大的成绩，同时已开始已经推广应用于汽车悬架系统的振动控制，使汽车主动悬架系统的控制技术得到快速的发展。随着汽车结构和功能的不断完善和改进，研究汽车振动，设计新型悬架系统，从而将汽车的振动控制到最低水平是提高现代汽车品质的一项重要措施。因此，汽车悬架的控制技术也必将成为未来汽车研究的一个重要方向之一。

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1车辆悬架概述

1.1车辆悬架的定义、作用及性能要求

1.1.1车辆悬架的定义

车辆悬架是指汽车的悬架与车桥或车轮之间的一切连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓和汽车在行驶的过程当中的由于路面不平引起并传递给车架或车身的冲击力，衰减由此引起的震动，以保证汽车能够平顺行驶，保证乘员的乘坐舒适性并保证货物的完好。悬架决定着车辆的操纵稳定性、乘坐的舒适性和行驶的安全性，是现代汽车十分重要的部件之一。

由汽车构造可知，车辆底盘包含了位于车身下方的所有重要系统，其中包括以下几项。

（1）车架——承载负荷的结构性部件，用于支撑汽车的发动机和车身，而它本身由悬架支撑。

（2）悬架系统——用于支撑重量、吸收和消除震动以及帮助维持轮胎接地的装置。 （3）转向系统——使驾驶员能够控制车辆行驶方向的装置。 （4）行驶系统——利用抓地与路面的摩擦力使车辆能够运动的部件。 因此，车辆悬架在任何系统中都是主要系统之一。 1.1.2车辆悬架的作用

汽车悬架的工作是最大限度的增加轮胎与路面之间的摩擦力，并能够提供良好的转向稳定性，以及乘客的舒适度。但是由于路面往往并不平坦，即使是新铺的高速公路，其路面也会有凹凸不平面而对汽车车轮造成影响，路面将力作用在车轮上。总之，车辆在通过颠簸不平的路面时，车轮垂直于路面上下运动，并使车轮产生一个垂直加速度。如果没有一个居间构件，所有车轮的垂直能量都将直接传递给相同方向上运动的车架。在此情况下，车轮会完全丧失与地面的接触，然后在向下的重力作用下再次冲击路面。因此，车辆需要一个能够吸收垂直加速车轮的能量，使车轮顺着路面上下颠簸的同时车架和车身不受干扰的系统，即悬架系统。

行驶中车辆的动力学特性包括行驶特性和操纵特性，其中，车辆的行驶特性是指汽车平稳行驶过崎岖不平路面的能力；而车辆的操纵稳定性是指汽车安全的加速，制动及转弯的能力。这两个特征可以通过路面隔离性能、抓地性能以及转弯性能指标要求来实现。

车辆悬架及各个部件提供了上述所有性能指标要求，即路面隔离性能，抓地性能和转弯性能的全部解决方案。

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1.1.3车辆悬架系统的性能要求

汽车悬架性能是影响汽车行驶平顺性，操纵稳定性和行驶速度的重要因素，在悬架的设计中应该满足以下性能的要求：

（1）保证汽车有良好的行驶平顺性。为此，汽车应有较低的震动频率，乘客在车子中承受的振动加速度应满足国际标准ISO-2631-97规定的人体承受震动极限值。

（2）有合适的减震性能。它应该与悬架的弹性很好的匹配，保证车身和车轮在共振区内的振幅小，振动衰减快，使汽车具有良好的乘坐舒适性。

（3）保证汽车有良好的操纵稳定性。导向机构在车轮跳动时，应该不使主销定位参数变化过大，车轮运动应该与导向运动机构协调，不出现摆振现象，转向时应有一些不足转向特性。

（4）汽车制动和加速时能够保证车身稳定，减少车身纵向倾斜（“点头”或“后仰”）的可能性。

（5）能够可靠地传递车身和车轮之间的一切力和力矩，零部件足够轻并有一定的强度和寿命，保证轮胎的正行和减少轮胎磨损的能力。

1.2车辆悬架的组成

典型的悬架系统结构由弹簧，减震器，导向机构及稳定杆等组成，个别机构中还有缓冲块。

图1-1悬架示意图 Fig1-1 suspension diagram

1.2.1弹簧

悬架弹簧的软硬对车辆行驶的安全性和乘坐舒适性有重要的影响。弹簧较软的汽车（如林肯城市这样的豪华车）可以彻底消除颠簸并提供平稳的行驶感觉，车辆的舒适性高，但同时在加速和制动过程中易产易产生俯冲和蹲伏现象但在转弯时容易产生侧倾和翻滚趋势，即车辆的安全性差。然而弹簧较硬的汽车（如马自达）在颠簸路面上的平顺性较差，乘坐舒适性差，但是车身移动非常小，这意味着即使在转弯处，也可以用较激

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烈的方式来驾驶，即车辆的行驶安全性高。

现在的弹簧系统均以钢板弹簧，螺旋弹簧，扭杆弹簧、空气弹簧或油气弹簧等多种弹簧中的之一为基础。 1.2.2减震器

弹簧具有极佳的能量吸收和释放功能，但在耗散能力方面要稍差一点。因此，如果汽车不使用阻尼结构，也无其他阻尼部件，汽车弹簧以不可控的速率弹开并释放它所吸收的振动能量，并继续按其自身频率往复振动，直到耗尽当初施加在它身上的所有能量。所以，仅仅构建在弹簧上的悬架自身会使汽车根据地形以弹跳方式行驶且不受控制，势必使汽车振动加剧，甚至发生共振，因此，为了满足车辆的行驶安全性，乘坐平顺性和操纵稳定性的要求，车辆悬架一般都安装一个重要的阻尼部件，即悬架减震器，并且使阻尼特性与元件特性相适应。

减震器也称为缓冲器，它通过一种称为阻尼的过程来控制不希望发生的弹簧运动。减震器通过悬架运动的能量转换为可通过液压油散热的热能，来降低和减少车辆的振动。因为减震器和滑柱与汽车操纵性能密切相关，可以视其为非常重要的安全性能。已经磨损的减震器和滑柱会使过多的车身重量向前后左右移动，这会降低轮胎的抓地性能以及操纵和振动性能。

按不同的结构，工作介质和作用方式等，减震器有不同的分类。 1.2.3稳定杆

稳定杆也叫横向稳定杆或防侧滑杆，它是汽车悬架系统的一部分，与减震器或滑柱配合使用，以便为行驶的汽车提供附加稳定性。

稳定杆是一个横跨整个车轴的金属杆，它连接到前方的车架上，但要用衬套链接以便使其可以旋转，两臂连接到两侧的水平摆臂上，将悬架的两侧有效的连接在一起。

1.3车辆悬架的类型

汽车的4个车轮是在两个独立的系统上协同工作的，其中，两个车轮通过前轴相连，另外两个通过后轴相连，也就是说，汽车可以并且通常在前后轴上具有不同的悬架类型，即车轮可以通过刚性轴连接在一起，也可以各自独立运动。因此，根据汽车导向机构的不同，汽车悬架可以分为独立悬架和非独立悬架。根据阻尼和刚度是否根据行驶条件的改变而改变，悬架系统又可以分为主动悬架，半主动悬架和被动悬架。而半主动悬架又可以分为有级式半主动悬架和无级式半主动悬架两类。由此可知，悬架系统的分类如图1-1所示。

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非独立悬架 悬架系统 独立悬架 被动 悬架系统 半主动 主动 无级式半主动 有级式半主动

图1-2悬架系统分类框图

Figure 1-2The classification of suspension system block diagram

1.3.1被动悬架

被动悬架, 由弹性元件和不可变参数的减振器组成, 只能在特定工况下达到最优, 缺少对变载荷、变车速、不可预测路况的适应性。被动悬架是传统的机械结构，由弹簧、减震器和导向机构组成。被动悬架的刚度和阻尼系数均不可调，只能在特定的工况下达到最优减振效果，存在明显的共振峰，难以同时获得良好的乘坐舒适性和操纵稳定性，缺乏灵活性。但被动悬架因结构简单、设计容易和制造方便，且无须额外的能量输入，目前在中低档轿车上应用最为广泛。为了进一步改善被动悬架的减振效果,满足现代汽车对悬架提出的更高的性能要求，在桑塔纳、夏利和赛欧等轿车上采用了带有横向稳定杆的多连杆机构悬架系统， 在一定程度上改善了被动悬架减振效果。 1.3.2半主动悬架

随着生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求越来越高，传动的被动悬架系统已经不能满足人们的要求，人们希望汽车车身的高度，悬架的刚度，减震器阻尼的大小能随着汽车行驶速度和路面状况的变化而自动调节，从而提高乘坐舒适性。

1973年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主动悬架的概念，其基本原理是；用可调刚度弹簧或可调阻尼的减震器组成悬架，并根据弹簧载质量度加速度响应等反馈信号，按照一定的规律调节弹簧的刚度或减震器的阻尼，从而达到较好的减震效果。

半主动悬架由无源但可控制的阻尼元件组成，在车辆悬架中，弹性元件除了吸收和

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存储能量外，还得承受车身载荷和重量，此外，半主动悬架不考虑改变悬架的刚度而只考虑改变悬架的阻尼。由于半主动悬架结构简单，成本低，在工作时几乎不消耗车辆动力，又能获得与主动悬架相近的性能，因而具有巨大的发展潜力，故应用较广。

半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多，阻尼可调半主动悬架又可以分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架，有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定范围内可以连续变化。 1.3.3主动悬架

为了克服被动悬架的缺陷，国外在20世纪60年代就提出了主动悬架的概念，主动悬架由在悬架系统中采用有源或无源可控制的元件组成。它是一个闭环控制系统，根据车辆悬架的运动状态和路面状况，由中央控制单元ECU实时进行运算，而后ECU马上对减震器发出命令,主动做出反应,使悬架始终处于最优减震状态,并抑制和控制车身震动,当汽车震动和转弯时的惯性引起弹簧变形时,主动悬架系统会产生一个与惯性力相对抗的力,减少车身位置的变化.目前绝大多数的主动悬架系统都是通过空气,液压,电磁液这3种方式之一来实现悬架可调的,所以主动悬架的特点就是根据外界输入的变化进行动态自适应调整,因此,系统必须是有源的.

图1-3某汽车上的主动悬架 Fig 1-3 Active suspension on a car

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图1-4汽车主动悬架示意图 Figure 1-4 Active suspension scheme

主动悬架是近几十年发展起来的由电脑控制的一种新型悬架系统,它具备以下3个条件.

(1)具有能够产生作用力的作用源.

(2)执行元件能够传递这个作用力并能连续工作.

(3)具有多种传感器并将有关数据集中到微型计算机中运算并决定控制方式 1.3.4主动悬架的优点

主动悬架汇集了力学和电子学的技术知识,是一种比较复杂的高技术装备,例如法国桑蒂雅车装备了主动悬架系统,该悬架系统的中枢是一个微型计算机,5种传感器分别向微型计算机传送速度,前轮制动压力,踏动油门踏板的速度,车身垂直方向的振幅及频率,转向盘角度及转向速度等数据,微型计算机不断的接受数据并与预先设定的临界值比较,选择相应的悬架系统状态.同时,微型计算机独立控制每一只车轮上的执行元件,通过控制减震器内的油压的变化而产生抽动,从而能在任何时候,任何车辆上产生符合要求的悬架系统运动.因此,该悬架系统有多重驾驶模式,驾车者只要扣动位于副仪表盘上的“正常”或“运动”按钮，轿车就会自动设置在最佳的悬架系统状态，以求最好的舒适性能。

主动悬架还有控制车身运动的功能，当汽车制动或转弯时的惯性引起弹簧变形时，主动悬架系统会产一个力与惯性力对抗，减少车身位置的变化，例如德国奔驰2000款C1型跑车，当车辆转弯时悬架系统传感器会立即检测出车身的倾斜和横向加速度，微型

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计算机根据传感器的消息，与预先设定的临界值进行比较，立即确定在什么位置上以多大的负载加到悬架系统上，使车身的倾斜减到最小。 1.3.5主动悬架主要元件及工作原理

主动悬架可以根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使其处于最佳减振状态。阻尼调节可以采用和半主动悬架相同的方法，而刚度调节则必须利用额外的能源来实现。主动悬架（图1-8）是在被动悬架系统（弹性元件、减振器、导向装置）中附加一个可控制作用力的装置，通常由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。执行机构的作用是执行控制系统的指令，一般为力发生器或转矩发生器（液压缸、气缸、伺服电动机、电磁阀等）。测量系统的作用是测量系统各种状态，为控制系统提供依据，包括各种传感器。控制系统的作用是处理数据和发出各种控制指令，其核心部件是汽车电脑（ECU）。能源系统的作用是为以上各部分的动作提供能量。主动悬架最主要的控制目标是簧载质量的各个方向的振动，使之振幅最小，达到车身最平稳的状态。所以大部分传感器都是装在车身或车架上的。虽然非簧载质量不是主要控制对象，但几乎所有的振动能量都是通过非簧载质量（轮胎）传递给簧载质量的，所以主动悬架带来的一个附加好处就是使得轮胎和路面可以始终保持良好接触（几乎不会发生因为冲击而使车轮被弹离路面的情况），从而保证了驱动力、制动力和转向力，提高了汽车的操纵稳定性。

根据采用的可调节刚度的弹性元件种类，主动悬架分为主动油气悬架、主动空气悬架和主动液力悬架。

主动空气悬架的典型工作原理: 改变主副气室之间通路的大小来调节刚度，用步进电机驱动阻尼力调节杆来调节阻尼力，另可通过向主气室充放气来调整车高

1-轮胎 2-弹性元件 3-减振器

图1-5主动悬架的工作原理

Fig 1-5 The working principle of active suspension

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主动油气悬架的典型工作原理: 调节空气体积实现弹簧刚度特性的变化，通过改变油液管路中的节流孔的数量或改变减振液的黏度完成减振器阻尼特性调节。

主动液力悬架的典型工作原理: 执行器(液压缸)中所采用的介质是不可压缩的油液，故其响应的灵敏度较高。当执行器(液压缸)发生作用时，液压缸中的活塞从上、下两侧接受油压，一侧油压上升，另一侧油压下降，从而使活塞产生往复伸缩运动，以主动适应路面的凸凹，保持车身的平稳。

图1-6主动悬架系统的液压控制装置的工作原理图

Fig 1-6 Hydraulic active suspension system control device operating principle a-进油管 b-工作压力 c-控制压力 d-回流管

1-径向柱塞泵 2-储液罐 2a-机油滤清器 4-后轴储压器 9-机油冷却器 14-前轴储压器 40-前悬挂滑柱 41-后悬挂滑柱 52-压力供应阀装置 52a-脉动缓冲器 52b-压力限制阀 53-储压器回流管 56-前放气螺钉 57-后放气螺钉 B4/5-ABC 压力传感器 B22/1-左后柱塞行程传感器 B22/4-左前柱塞行程传感器 B22/5-右前柱塞行程传感器 B22/6-右后柱塞行程传感器

图1-6所示为奔驰公司的Airmatic主动悬架系统（奔驰公司简称其为ABC）的液压控制装置的原理图。ABC主动悬架作为一种主动式的悬架和减振系统，所有静态及动态支撑都由车轮上的四个悬挂滑柱（图1-7）提供。在每个悬挂滑柱中有一个可动态调节的液压缸g，它与一个螺旋弹簧串联，与减振器并联。液压缸可以产生与车轮运动相反的力，从而在车轮剧烈跳动时，可以主动提供反向作用力来保持车身的稳定。同时液压缸也可以调节车身的高度。图1-7中用四种颜色表示液压控制装置的工作路径。a颜色表示进油管，从能源系统接收高压油。b颜色表示工作压力管路，该管路系统储存能量并由压力供应阀装置52保持工作压力的稳定性。c颜色表示控制压力管路，其压力在前轴阀装置Y36/1和后轴阀装置Y36/2的控制下根据需要分别给4个悬挂滑柱的液压缸提供高低适合的控制压力，从而实时不间断地调节4个悬架的动态性能。d颜色表示回流

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管路，用于将多余的控制油液送回储液罐。在车身多处装有各种传感器，包括转向角传感器、车身垂直加速度传感器、纵向加速度传感器、横向加速度传感器、悬挂柱塞传感器和水平高度传感器。汽车电脑ECU通过分析计算这些传感器提供的信息，发出指令给前、后轴阀装置，控制悬挂滑柱的刚度、阻尼和高度位置。

图1-9 主动悬架系统后轴悬挂结构

Fig 1-9 Active suspension system rear axle suspension structure

a-减震橡胶挡块 b-上刮油环 c-上弹簧片 d-活塞杆管 e-活塞杆 f-定位磁铁 g-液压缸 h-下导套 i-下刮油环 j-内侧止动缓冲器 k-外侧止动缓冲器 l-阀门弹簧座 m-回弹橡胶挡块 n-悬挂塔型连接板 o-液压管路 p-上导套 q-高压密封件 r-钢质弹簧 s-防尘罩 t-下液压缸挡块 u-活塞杆减震器 v-减震器 w-球形节 B22/1-左后悬挂滑柱运动传感器 B22/6-右后悬挂滑柱运动传感器

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1.4主动悬架的控制功能

汽车主动悬架的控功能主要包括车速路面感应控制，车身姿态控制和车身高度控制。

1.4.1车速路面感应控制

车速路面感应控制主要随着车速和路面的变化改变悬架的刚度和阻尼，使之处于“软”或运动模式。每种模式按照刚度和阻尼的大小依次有低，中，高3种状态。在“软”模式中，悬架经常处于低刚度和低阻尼的低状态，在运动模式中，悬架经常保持在中状态。按照两种不同的控制方式，悬架由微型计算机控制在3种状态之间，根据车速和路面的变化情况自动地调整悬架高度和阻尼系数，使车身的振动可能达到的最佳值。

车速路面感应控制具有3种控制功能，即高速感应控制，前后车轮关联感应控制和坏路面感应控制。其控制逻辑表见下表。

Table 1-1 The logic control Of The speeding and road

表1-1车速和路面感应控制逻辑

功能 高速感应 联感应 工况 车速≧11km/h 车高在0.0.3s内突变 ⊙ 车高在0.5s内突变 车速≧100km/h,车高在○→⊙→● ⊙→● 0.5s内多次大幅度变化 1）高速感应控制能力

当车速大于110KM/H时，微机根据车速传感器信号，经过分析后发出指令改变悬架的刚度和阻尼。如果驾驶员选择的模式是“软”模式，则悬架的刚度和阻尼自动地从低状态进入中状态；如果选择的是运动状态，则悬架仍然稳定在中状态保持不变，以提高车辆高速行驶时的操纵稳定性。当车速降低后，悬架又回到软模式的经常保持状态。

2）前后车轮关联感应控制

车速在30-80KM/H时，如果前轮遇到障碍时，安装在汽车前部的车身高度传感器将脉冲信号送给微机，微机经过分析后发出命令，令悬架改变刚度，阻尼等参数。如果驾驶员选择的是“软”模式，则后轮的悬架保持在低状态；如果选择的是运动状态，则后轮悬架从中状态进入低状态，从而提高汽车的乘坐舒适性。当后轮越过障碍后，悬架又回到选定模式经常保持的状态。

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软模式 低 中 高 ○→⊙ 运动模式 低 中 高 ⊙ ○←⊙ 前后车轮关30km/h≦车速≦80km/h,○ 坏路面感应 40km/h≦车速≦100km/h,○→⊙

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但是当车速很高时，如果悬架太软则车轮遇到冲击时，汽车容易丧失操纵稳定性，所以当车速超过80KM/H时，无论选择何种模式，悬架参数都应该保持在中状态不变。

3）坏路面感应控制能力

当汽车突然驶入坏路上时，为了抑制突然产生的车身纵向角振动，应加大悬架的刚度和阻尼。

汽车以40-100KM/H速度突然驶上坏路面时，车身高度传感器会立即给出周期小于0.5秒的车高变化信号。微机分析车速传感器和车高传感器的信号后发出指令，如果驾驶员选择的是“软”模式，则悬架从低状态进入中状态；如果选择的是运动模式，则悬架保持中状态。

当车速以100KM/H以上的速度行驶在坏路面上时，如果选择的是运动模式，则悬架从中状态进入高状态。 1.4.2车身姿态控制

车身姿态控制主要是指车速和转向急剧变化时，对车身姿态进行控制，以保证汽车的操纵稳定性和行驶稳定性。这种控制包括3种控制功能，即转向时的车身侧倾控制、制动时的车身点头控制和起步时的车身俯仰控制。车身控制姿态逻辑表如下。

Table 1-2The Control logic of body posture

表1-2车身姿态控制逻辑

功能 抑制侧倾 抑制点头 工况 软模式 运动模式 低 中 高 低 中 高 急转弯,急○ ⊙→● ⊙ → ● 打方向盘 车速≧○→ ● ○ → ● 60hm/h的制动 抑制俯仰 车速≦○→⊙ ○ → ⊙ 20km/h的突然加速 1）抑制转向时车身侧倾

在急转向情况下，应增加悬架的刚度和阻尼，以减少车身的侧倾。当驾驶员突然打转向盘时，安装在转向盘上的转向传感器把检测到的转向盘转角机器速度变化传给微机，微机对悬架发出指令，通过执行元件使悬架刚度和减振器的阻尼力转换到高状态。如果悬架处于“软”模式，则从中状态或低状态直接进入高状态。如果悬架处于运动模式，则从中状态进入高状态。

2）抑制制动时车身点头

在紧急制动时，应增加悬架的刚度和阻尼，以减少车身的点头。在车速高于60KM/H

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是的情况下突然踏制动踏板时，车速传感器发出相应的车速信号和制动开关发出的阶跃信号同时传给微机，微机向悬架发出命令。如果此时悬架处于“软”模式下则从低状态直接进入高状态；若悬架处于运动模式，则从低状态进入高状态，以抑制车身前部的俯仰。

3)抑制起步时车身俯仰

当突然起步或从低速情况下突然加速时，应增加悬架的刚度和阻尼，以抑制车身的俯仰。在车速低于20KM/H时突然加速。加速度大时，节气门开度传感器的信号和相应的车速信号传给微机，微机向悬架发出指令。此时如果悬架处于“软”状态，则从低状态进入高状态。如果这时处于运动模式，则从低状态进入高状态。 1.4.3车身高度控制

车身高度控制分为常规和高两种控制方式，每种控制方式中按车身的高度从高到低的顺序分为低、中、高3种状态。在常规模式中，车身高度经常处于中状态，而在高模式中，车身高度又经常处于高状态。

在通常情况下，车身高度不受乘员人数和装载质量的变化影响，由微机控制在保持在所选模式的经常状态高度。在高速行驶或连续坏路面行驶时，车身高度根据所选择的不同模式，由微机控制在低、中、高3种状态之间自行调节。使汽车经常处于稳定行驶状态。这种控制包括高速感应控制和连续坏路面行驶控制两种控制功能。车身高度的控制逻辑间下表.

Table 1-3 The control logic of height

表1-3车身高度控制逻辑

功能 高速感应 感应 车工况 速软模式 ≧○←⊙ 运动模式 ⊙←● 低 中 高 低 中 高 90km/h 40km/h≦ ⊙→● ● 车速≦90km/h,车高持续在2.5s以上的车速﹥ ⊙ ⊙←● 连续坏路面大幅度变化 100km/h,车高在0.5s范围内多次大幅度变化 13

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车?速 ⊙ ● 40km/h 1）高速感应控制

当车速超过90KM/H时，为减小风阻，提高稳定性，应该降低车声身的高度，此时微机发出指令悬架动作。若悬架处于常规模式，则车身高度从中状态降至低状态，如果处于高模式，车身高度从高状态降至中状态。

连续坏路面行驶时，一个提高车身高度，以避免悬架弹簧被压死，车身直接承受来自车轮的冲击，同时提高汽车的通过性能。当车身高度传感器向微机给出连续2.5秒以上的车高大幅度变化信号，车速在40-90KM/H时，若悬架处于常规模式，则车高从中状态升至高状态，若处于高模式，则车身高度维持在高状态不变。

当车身速度传感器给出同样的信号时，而车速高于90KM/H时，应先考虑整车的行驶稳定性。因此，如果悬架处于常规模式，则车高维持在中状态保持不变。如果处于高模式，则车高从高状态降至中状态。当车速低于40KM/H时，则车身高度完全由驾驶员选择，选择常规模式时，车身高度处于中状态；选择高模式时，车身高度处于高状态。

另外，还具有驻车时的车高控制功能，当汽车处于驻车状态时，为了使车身外观平衡，保持良好的驻车姿势，在点火开关断开后，微机发出指令，使车身高度处于常规模式的低状态。

1.5主动悬架研究与发展状况

由于汽车平顺性和操纵稳定性的要求，具有安全，智能和清洁的绿色智能悬架系统将是今后汽车悬架的发展趋势。 1.5.1主动悬架的研究现状

主动悬架的研究也是集中在主动悬架的可靠性和执行器上，同时，还必须对悬架系统最佳参数控制及理论进行研究。

1）可靠性研究

主动悬架采用了大量的传感器，单片机，输入输出电路和各种接口，所以，加大元件的集成度，增加可靠性，降低成本，是主动悬架研究不可逾越的一个阶段。

2）执行器研究

执行器的研究主要是用电动器件代替液压器件。今后将取代液压执行元件。运用电磁蓄能原理，结合参数估计自校正控制器，可望设计出高性能的电磁蓄能式自适应主动悬架，使主动悬架由理论研究转换为实际运用。

3）悬架系统控制理论研究

主动悬架需要对悬架参数进行检测，所采用的许多控制方法如天棚阻尼控制，PID控制，最优控制，自适应控制，神经网络控制，滑膜变结构控制，模糊控制，预测控制

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等，因此，必须根据车架类型、悬架结构、减震器的类型，对控制方法和控制理论进行研究，选择最佳控制策略和控制方法。 1.5..2主动悬架发展状况

随着电子技术的发展，目前研制开发的新型主动悬架有可变特性手动控制悬架，电控主动控制液压悬架，电控主动空气悬架，ABC主动车身控制悬架系统， BOSE新型主动悬架系统等几种。

1）可变特性手动控制悬架

可变特性手动控制悬架是根据车辆运行条件和路况，以手动控制悬架特性。手动开关可以选择以下两种档位。

（1）STOP档位，刚性好，相当于高级跑车的悬架特性。 （2）TOURING档位，柔性好，相当于高级旅行车的悬架特性。 2）ABC主动车身控制悬架系统

图1-10车身主动控制悬架

Fig 1-10 Active body control suspension

ABC（ACTIVE BODY CONTROL）主动车身控制悬架系统是比较先进的主动悬架的代表。它是通过感应微型的车轮及车身的动作，在任何大的车身振动之前，及时对悬架系统进行调整，保持车身的平衡，简称主动式车身控制悬架系统，即ABC,该系统能很好的适应各种路面，在异常崎岖不平的路面，车辆也能保持优良的操作性，舒适性及方向稳定性。

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2）BOSE新型主动悬架系统

图1-11 Bose新型主动悬架 Fig 1-11 New Bose active suspension

BOSE新型主动悬架系统在每个车轮处使用一个线性电磁电机(LEM)取代了传统的减震器和弹簧装置。放大器以随着系统的每次压缩重新产生动力的方式向电机提供动力。这种电机的优点是不受传统液压式减震器固有惯性限制。因此，LEM能够以更快的速度伸缩，从而几乎完全消除了车厢的振动。车轮运动可以控制的如此之好，以至于不管车轮发生什么情况车身都能保持平稳，LEM还可以抵消车轮加速，制动和转弯是车身的运动，为驾驶员提供更美妙的操控体验。

4）电控主动控制液压悬架

电控主动控制液压悬架的最大特点在于可手动调节悬架高度，并能自动调节减震器的刚度和阻尼。

电控主动控制液压悬架以液压球代替了传统的螺旋弹簧，并且通过液压球实现了人工控制车身高度，无论车辆装了多少人或行李，行驶过程中车身高度始终保持不变。电控主动控制液压悬架提高了ECU控制单元的计算速度，并且还提供舒适和运动两种模式供选择。

电控主动控制液压悬架包括一个电子液压集成模块（包括ECU中央控制单元，电磁液压分配阀，液压泵和一个电动机）,新型球状液压承重部件，前后减震器调压装置，储液缸，简化液压网和车内显示屏。其中，电子液压集成模块是整个系统的核心，它的作用是采集车速信号，减震器振动频率等数据信息来决定液压球是增高还是降低车身。而遍及全车的多个横向，纵向加速度和横摆陀螺仪传感器，检测着车身的跳动，高度，倾斜状态和加速度，然后这些信号传输到ECU控制单元，根据预先设定的程序来控制液压制动器里的油缸是增压还是泄压，以保持合适的减震器阻尼和足够的支撑力。

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虽然针对弹簧和减振器已经有了许多改进，但在过去的若干年中，汽车悬架的基本设计仍未有重大的突破，但随着Bose全新的设计理念的引进，可能会使汽车悬架设计发生变化。有些专业人士甚至表示，Bose悬架是独立悬架面世以来汽车悬架领域的最大进步。

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2主动悬架控制及策略

主动悬架控制理论涉及控制理论的各个领域，其中包括模糊控制、神经网络控制、

PID控制、自适应控制、遗传算法控制、最优控制、滑模控制及复合控制等，控制策略分类框图如下图所示。

复合控制 神经网络控制 PID控制 控制策略 自适应控制 遗传算法控制 最优控制 滑模控制 模糊控制

图2-1控制策略分类框图

Figure 2-1Control strategies Classification diagram

控制策略的选择对于主动悬架的性能有重大影响，选择合适的控制车辆应用于控制律，才能更好地改善悬架性能。

2.1自适应控制

自适应控制系统不是普通的反馈控制系统，它处理的是具有“不确定性”的系统，即自适应控制是针对具有不确定性的系统设计的。这种不确定性可以来自系统内部也可以来自系统外部。既可以是关于系统特性（结构和参数）的不定性，也可以是(干扰)环境条件的变化引起的，既可以是有规律的，也可以是随机的。自适应控制方法可以自动检测系统的参数变化，从而时刻保持系统的性能指标最优。

汽车在使用过程中，载荷、车速、路况等会随着时间有较大的变化，而且悬架系统

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是非线性的，因而基于时不变的控制方法难以将汽车悬架控制在最佳性能状态。由于自适应控制系统具有“不确定性”的控制特点，近年来在主动悬架中得到了广泛的应用。

自适应控制方法应用于汽车悬架系统有自校正在线控制与控制器整定控制相结合的控制方法；模型参考自适应控制是在外界激励条件和车辆自身参数状态发生变化时，被控车辆的振动输出仍然能所选定的理想参考模型。采用自适应控制的悬架阻尼减震器系统能改善车辆的行驶特性，在德国大众公司所生产的底盘上得到了应用。但是，采用自适应控制的振动悬架比采用常规反馈控制的主动悬架要复杂的多，成本也高很多，因此只是在采用常规反馈达不到所期望的性能时，才会考虑采用。下图即为某主动悬架阻尼自适应控制的系统框图。

簧上质量 随机输入 簧下质量 自适应控制器 可控减震器

图2-2主动悬架阻尼自适应控制系统框图

Fig2-2 Active suspension adaptive damping Control system diagram

如上图所示的主动悬架阻尼自适应控制系统，是利用汽车簧上质量的振动响应，逐步调节悬架阻尼，直至车身振动加速度相应的均方根值达到极小值作为控制的目标量。

2.2神经网络控制

人工神经网络是使用大量简单相连的人工神经元来模拟人类大脑的一阶段性的并行分布计算系统。可以通过计算机线路或计算机程序来实现，其理论来源于上世纪50年代，神经网络可以反映人类大脑的若干基本特性，作为一种并行分布式策略系统，可以逼近任意非线性函数，具有自动知识获取、联想记忆、自适应性、良好的错容性和分布能力。因此，在主动悬架建模控制系统中得到了广泛应用。

神经网络是一个由大量处理单元所组成的高度并行的非线性动力系统，其特点是可学习性和并行性，故在汽车悬架振动控制中广泛的应用前景。但神经网络不适应于表达

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基于规则的知识，不能利用已有查表法变参数PID控制的专家经验知识，需要较长的训练时间，因此神经网络必须与其它控制方法相结合构成符合控制模式，才能有更大的实际应用。如下图所示即为某主动悬架系统的神经网络自适应控制系统简图。

网络1 控制器 网络2 悬架系统

图2-3主动悬架神经网络自适应控制系统简图

Fig2-3 Active suspension system neural network adaptive Control diagram

在如上图所示的主动悬架神经网络自适应控制系统中，有两个子神经网络，其中，神经网络1应用对汽车主动悬架系统进行在线辨识。在对悬架进行在线辨识的基础上，应用具有控制作用的神经网络2，通过对控制网络的权系数在线调整，控制器经过学习，对悬架系统进行在线控制，使得悬架系统输出逐渐接近于期望值。具有神经网络自适应的主动悬架系统能很好的减小汽车振动，提高车辆行驶平顺性和稳定性。

2.3PID控制

以经典控制理论为基础的PID控制，不需要立即被控对象的数学模型，只需要根据经验对调节器参数进行在线调节，即可获得比较满意的结果。PID控制有两类，分别是查表法变参数PID控制和模糊PID控制，分类框图如图所示。

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查表变参数PID控制 PID控制 模糊PID控制

图2-4 PID分类框图

Figure 2-4 PID classification diagram

PID控制的不足之处是对被控对象的参数比较敏感，因此，研究查表法变参数PID控制和模糊PID控制方法，在主动悬架控制系统中的应用有一定价值。

1）查表法变参数PID控制

查表法变参数PID控制是采用自动寻找最优整定对不同负荷时控制系统的PID参数进行优化，得到几组不同的比较系数和微分时间常数。以表格形式存放在计算机内存中。根据采得的复合值从表中查出对应的比例系数、积分时间常数和微分时间常数进行控制。

2）模糊PID控制

模糊PID控制应用模糊控制理论来设计数字PID控制器，其基本设计思想是：将输入的两偏差和偏差变化率平面分成不同的区，在不同的区采用不同的比例系数、积分时间常数和微分时间常数的偏差及偏差率值从控制表中查得，下图即为某主动悬架的PID控制系统图。

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电荷放大器 PID控制器 悬架系统

图2-5 主动悬架PID控制系统简图

Figure 2-5 Active suspension system PID control diagram

在上图所示的主动悬架PID控制系统中，通过加速度计测得车身加速度，经过电荷放大器后输入PID控制器，经过比例、微分、积分处理，反馈给主动悬架，调节悬架的阻尼。

2.4最优控制

最优控制方法是应用状态空间法，以状态空间表示加权二次性能指标，采用最优控制率来接优化问题。常用的最优控制法包括最优预测控制、线性最优控制和H∞最优控制等。

最优预测控制 最优控制 线性最优控制 H∞最优控制

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图2-6最优控制分类框图

Figure 2-6 Optical control classification block diagram

1）最优预测控制

最优预测控制通过在车头安装红外传感器或超声波传感器等方法预先获得路面激励信号，然后由主动悬架控制系统发出指令，调节减震器阻尼力，从而实现最优预测控制，可以解决控制系统的时滞性问题。由于该控制技术可以通过某种方法提前检测到前方的路面状况和变化，将有足够的时间采取措施。因此，可以大大降低系统的能耗，且改善系统的控制性能。但是，因为该控制方法是以线性随机最优控制理论为基础的最优控制方法，在建立主动悬架系统模型时，忽略高端动态环节，根据确定的主动悬架系统参数计算出控制参数，仅对理想的主动悬架数学模型保证预期的性能。因而限制了线性最优控制在主动悬架控制系统中的应用。

2）线性最优控制

线性最优控制是建立在系统较为理想的模型基础上的，采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能标志，同时，保证受控结构在动态稳定条件下实现最优控制。例如，将线性二次型调节器控制理论和线性二次型高斯控制理论应用于汽车悬架系统以实现最优控制。

线性最优控制方法是在系统建模时，忽略了高阶动态环节如车架、轮胎的高阶模态，以及减震器、传感器的动态特性等，所得到的控制参数是根据确定的参数计算出来的，仅对理想的数学模型保证预期的性质。当系统参数变化到一定程度时，会使系统变得不稳定，控制参数不再使性能指标最优，有时甚至会使悬架性能恶化。实际悬架系统有许多不确定的非线性、时变得高阶动力系统，因此，难以用定长反馈系统达到预定的性能要求，所以，线性最优控制方法在主动悬架上应用很少。

3）H∞最优控制

H∞最优控制是通过设计控制器，在确保闭环各回路稳定的条件下，使相对于干扰的输出取最小的一种最优控制方法。为了模拟由于车身质量、轮胎刚度以及减震器阻尼系数等变化所引起的误差，应用H∞最优控制方法可以使汽车悬架振动控制具有较强的适应不确定因素影响的能力。下图为某主动悬架H∞最优控制图简。

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积分器 H∞控制器 悬架系统

图2-7 主动悬架HFigure 2-7 Active suspensionH?控制系统简图

? control system diagram

在上图所示的主动悬架H∞最优控制系统中，是利用加速度传感器分别测量簧上质量和簧下质量的加速度，再利用通过高通滤波器对低频滤波信号进行滤波，然后分别积分得到相应的速度和，将簧上质量和簧下质量的绝对速度信号输入H∞控制器，实现动态输出反馈。

2.5鲁棒控制

鲁棒控制（Robost Control）方面的研究始于上世纪50年代，鲁棒控制是一种考虑动态非线性及参数时变性的控制方法，它可以在系统设计阶段对可能的影响因素加以考虑，从而将这些因素对系统的影响将到最低。鲁棒控制方法适应用于稳定性和可靠性作为首要目标的应用。同时过程的动态特性已知且不确定性因素的变化范围可以预估。采用鲁棒控制的主动悬架具有较强的适应不确定性因素影响的能力。但是，鲁棒系统的设计要有高级专家完成，一旦设计成功，就不需要太多的人工干预；而且若升级或做重大的调整，系统就要重新设计。

2.6遗传算法

遗传算法（Genetic Algorithm）最初是由美国芝加哥大学J.Holland教授于1975 年首先提出来的，它是模拟达尔文生物进化论的自然选择和遗传学机理的生物进化过程计算模型，是一种模拟自然进化过程搜索最优解的方法。由于遗传算法的整体搜索策略和优化搜索方法再计算时不依赖于梯度信息或其他辅助知识，而只需要影响搜索方向的目

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标函数和相适度函数，所以遗传算法提供了一种求解复杂系统问题的通用框架，近年来开始应用到主动悬架控制中。

2.7复合控制

目前，主动悬架采用的各种控制方法均有其优点和不足之处，将两种或几种方法相结合的复合控制方法往往能起到更好地控制效果。其中，由于模糊控制与神经网络和自适应控制理论具有互补性。近年来采用基于天棚阻尼控制理论、模糊控制理论、和自适应控制理论为主线的复合控制策略称为焦点。

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3模糊控制在主动悬架中的应用

3.1模糊控制的技术原理

模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种计算机数字控制.从线性控制和非线性控制的角度分类,模糊控制是一种非线性控制,从控制器的智能性看,模糊控制属于智能控制的范畴,而且它已经成为实现智能控制的一种而有效的形式.

3.1.1模糊控制系统的组成

模糊控制属于计算机数字控制的一种形式.因此,模糊控制系统的组成类似于一般的数字控制系统,其方框图如下所示.

A/D 控制器 D/A 执行机构 被控对象 执行器

图3-1模糊控制系统框图

Figure 3-1 Fuzzy control system block diagram

模糊控制系统一般可以分为五个组成部分

（1）模糊控制器。实际上是一台微型计算器,根据控制系统的需要,即可以选用系统机,又可选用单板机或单片机.根据被控对象的不同,以及对系统静态和特性的动态要求和所应用的控制规则各异,可以构成各种类型的控制器,如在经典控制理论中,用运算放大器加上阻容网络构成的PID控制器和由前反馈、后反馈环节构成的各种串、并联校正器。在现代控制理论中，设计的有限状态观测器、自适应控制器、解耦控制器、鲁棒控制器等。而在模糊控制理论中，则采用基于模糊控制知识表示和规则推理的语言型“模糊控制器”，这是模糊控制系统区别于其他控制系统

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的特点所在。

（2）输入/输出接口装置。模糊控制器通过输入/输出接口从被控对象获得数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模转换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。在I/O接口装置中，除了A/D、D/A转换外，还包括必要的电平转换线路。

（3）执行机构。包括各交流、直流电动机伺服电动机，步进电动机，气动调节阀和液压电动机、液压缸等。

（4）被控对象。它可以是一种设备或装备以及它们的群体，也可以是一个生产的、社会的、生物的或其他各种的状态转换过程。这些被控对象可以是确定的或模糊的、单变的、有后滞的或无后滞的，也可以是线性的或非线性的、定长的或时变的，以及具有强耦合和干扰等多种情况。对于那些难以建立精确数学模型的复杂对象，更适应采用模糊控制。

（5）传感器。传感器是将被控对象或各种过程的被控量转换为电信号（模拟的或数字的）的一类装置。被控制量往往是非电量。如速度、加速度、位移、温度、压力、流量、浓度、强度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此，在选择传感器时，应注意选择精确度高且稳定好的传感器。 3.1.2模糊控制基本原理

模糊控制的基本原理可用下图表示，它的核心部分为模糊控制器。模糊控制器的控制规律有计算机的程序实现，微机通过采样，获得被控量的精确值，然后将此量与给定值比较得到误差信号E（在此取单位反馈）。一般误差信号E作为模糊控制器的一个输入量。把误差信号E的精确量进行模糊量化变成模糊量，误差E的模糊量可用相应的模糊语言表示。至此得到了误差E的模糊语言集合的一个子集e（e实际上是一个模糊向量）。再由e和模糊控制规则R(模糊关系)根据推理的合成规则进行模糊决策，得到模糊控制量u为

u=e o R

式中；u是一个模糊量；合成运算符号“o”表示模糊矩阵的乘法运算，它与普通矩阵的乘法运算规则相似，只不过将两数间的相乘改为取“小”，相加改为“取大”而已。

为了对被控对象施加精确的控制，还需要将模糊量u转换为精确量，这一步骤称为非模糊化处理（亦成为清晰化），得到了精确的数字控制量后，经过模数转换变为清晰的模拟量送给执行机构，对被控对象进行控制。然后，中断等待第二次采样，进行第二个步骤这样循环下去，就实现了被控对象的模糊控制。模糊控制实现有以下五个基本步骤。

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A/D 计算控制 模糊量化 控制规则 模糊决策 非模糊化处D/A 传感器 被控对象 执行机构

图3-2 模糊控制原理框图

Figure 3-2 Fuzzy control theoretical block diagram

1将精确量模糊化

此处的精确量是指模糊控制器的输入变量和模糊控制量的基本论域，常用的论域是系统偏差E，偏差变化率C和控制量U。

模糊控制算法需要模糊量，将输入变量转换为模糊量，称为模糊化，精确量模糊化的规则是一样的，现在以偏差E为例。设偏差E的基本论域为[-x，x]，偏差E所取的模糊集论域为[-n，-n+1，??n-1，n]即可得精确量模糊化的量化因子KP=n/x，基本论域为[a，b]时，可通过变换式 y=

把[a，b]间的变量x转化为[-n，n]之间的变量y。 2将模糊变量分解称为模糊子集

将精确量模糊化后的模糊变量分解成几个不同的模糊子集。模糊子集如何划分有一定的主观性，一般根据经验确定，生活中描述变量的大小和事物的状态，多用“大、中、小”或“快、中、慢”等区别，因此习惯上划分为八个子集，即；正大（PL）、正中（PM）、正小（PS）、正零（PO）、负零（NO）、负小（NS）、负中（NM）、负大（NL）等八挡。 在模糊子集划分以后，也就构成了模糊隶属函数，隶属函数是模糊集合的特性。模糊隶属函数将0～1之间的变量值分配给每一个子集，如下表所示，模糊隶属函数既可以用列表的形式表示也可以用三角形、梯形等图形表示。

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2nb?a(x-

a?b2)

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Table 3-1 discrete exact amount of the proceeds of the membership function of fuzzy subset

表3-1 精确量离散化所得模糊子集的隶属函数

-6 -5 0.8 0.7 0.1 0 0 0 0 0 -4 0.7 1.0 0.3 0 0 0 0 0 -3 0.4 0.7 0.7 0 0 0 0 0 -2 0.1 0.3 1.0 0.1 0 0 0 0 -1 0 0 0.7 0.6 0 0 0 0 0 0 0 0,2 1.0 1.0 0.2 0 0 1 0 0 0 0 0 0.6 0.7 0 2 0 0 0 0 0.1 1.0 0.2 0.1 3 0 0 0 0 0 0.7 0.7 0.4 4 0 0 0 0 0.1 0.3 1.0 0.7 5 0 0 0 0 0 0.1 0.7 0.8 6 0 0 0 0 0 0 0.3 1.0 NL 1.0 NM 0.2 NS NO PO PS PM PL 0 0 0 0 0 0 3构造模糊控制规则集

设分别表示偏差E、偏差变化率C及控制量U的变化量为模糊量，则典型的模糊控制规划集如下图所示。

模糊控制集是实践经验的总结，它由若干模糊条件语句组成，如E=NL.则不论C为何值，都应使E迅速增加，故取U=PL.如E=NO,C=PS,则取U=NS以消除偏差??，制定这些规则的原则是；既要迅速消除偏差，又要防止振动和超调。

Table 3-2 Typical fuzzy control rule set

表3-2典型模糊控制规则集

NL NM NS O PS PM PL NL × PL PL PL PL PL PL NM × PL PM PM PM PM PM NS PL PS PS PS NS NM NL NO PL PM PS O NS NM NL PO PL PM PS O NS NS NL PS PL PM PS NS NS NS NL PM NM NM NM NM NM NL × PL NL NL NL NL NL NL × 注:表中“×”为不可能出现的情况 4确定系统的模糊输出量

一组多重条件语句组成模糊控制规则，可以表示为从偏差论域到控制量论域的模糊关系矩阵。通过偏差模糊向量和偏差变化模糊向量与模糊关系矩阵的合成进行模糊推理，得到模糊控制向量。

上述模糊控制规则表示为语句，即 If E and C ,Then U

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都可用前面讲过的方法得出模糊关系矩阵R为 R=(E×C)×U 隶属度定义为

?R(x,y,z)?[?E(x)??C(y)]??U(z)

实际上，优秀操纵人员的控制经验可归纳为一系列的条件语句； If E1and C1 then U1 If E2and C2 then U2

……

If En and Cn then Un

有了控制规则表，根据每一条语句，都可以推断出相应的模糊关系矩阵，即可得R1,R2,R3,??Rn而整个系统的控制规则的模糊关系矩阵为

n R??R

ii?1有了R,则当任意输入时，相应的输出为

Ui?（Ei?Ci）?R

不同类型的模糊控制规则，可以有不同的模糊推理方法。 5进行模糊判决，得出控制量的精确值

由模糊控制器得出输出量U是一个模糊子集，需要把它转化为一个精确的控制量u，常用的方法有最大隶属度法，取中位数法和重心法等。

（1）最大隶属度法。取模糊子集U中隶属度最大的元素作为输入量u，如

U=

0.120.430.741.050.760.37+++++

控制量隶属于等级5的隶属度最大，则u=5.

此法简单，但要求隶属度函数曲线为正规的凸模糊集合（即曲线只能单峰）。如果曲线为梯形度平顶，具有最大隶属度的元素不止一个，此时就要对所有偶最大隶属度元素取正值。

（2）取中位法。最大隶属度法完全排除了其他一切隶属度较小的元素的影响和作用。为了充分利用模糊子集所有的信息量，可以求出隶属函数曲线和横坐标之间包含平分为两部分之和，以此数作为输入量。

（3）重心法。求出隶属度函数曲线和横坐标之间包含面积的中心位置，以此得出控制量的精确值，这和取中位法基本相似。

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3.1.3模糊控制器的结构设计

模糊逻辑控制器（Fuzzy Logic Controller）简称为模糊控制器，因为模糊控制器的运算规则是基于模糊条件语句描述的语言控制规则，所以模糊控制器又称为模糊语言控制器。

模糊控制器的设计主要包括以下几项内容； （1） 确定模糊控制器的输入变量和输出变量； （2） 设计模糊控制器的控制规则； （3） 进行模糊化和去模糊化；

（4） 选择模糊控制器的输入变量和输出变量的论域并确定模糊控制器的参数（如

量化因子、比例因子）； （5） 编制模糊控制算法的应用程序； （6） 合理选择模糊控制算法的采样时间。

模糊控制器的结构设计是指确定模糊控制器的输入变量和输出变量。究竟选择哪些变量作为模糊控制器的信息量，还必须深入研究，在手动控制过程中，人如何输入、获取信息，因为模糊控制器的控制规则归根到底还是要模拟人脑的思维决策方式。

在确定性自动控制系统中，通常将具有一个输入变量和一个输出变量（即一个控制量和一个被控量）的系统成为单变量系统（SISO, Single Input Single Output）,而将多余一个输入/输出变量的系统称为多变量控制系统（MIMO, Multiple Input Multiple Output）。在模糊控制系统中，也可以类似的分别定义为“单变量模糊控制系统”和“多变量模糊控制系统”。所不同的是模糊控制系统往往把一个被控量（通常是系统输出量）的偏差，偏差变化，以及偏差变化的变化率作为模糊控制器的输入，因此，从形式上看，这时的输入量应该为三个，但是人们也习惯于称它为单变量模糊控制系统。

如下图所示。一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器输入变量只选一个误差，它的动态控制性不佳。所以，目前被广泛应用的为二位模糊控制器，这种控制器以误差和误差的变化为输入变量。以控制量的变化为输出变量。从理论上讲，模糊控制器的维数越高，控制越精细。但是维数过高，模糊控制工作变得过于复杂，控制算法的实现相当困难。这或许是目前人们广泛涉及和应用二维模糊控制器的原因所在。

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模糊控制器 d/dt 模糊控制器 控制器 d/dt d/dt 图3-3模糊控制器的结构

Figure 3-3 Structure of fuzzy controller

在有些情况下，模糊控制器的输出变量可按两种方式给出。例如，如果误差“过大”时则以绝对控制量输出；而当误差为“中”或“小”小时，则以控制量的增量（控制量的变化）为输出。尽管这种模糊控制器的结构及控制算法都比较复杂，但是可以获得较好的上升特性，改善了控制器的动态品质。

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山东交通学院毕业设计（论文）

4总结

汽车主动悬架系统是一种全新的悬架系统，在汽车减振领域也具有创造性。相对于传统的被动悬架系统，它有很多显著的优点和十分广阔的应用发展前景，必定是将来汽车悬架系统发展的新方向。此次论文选题通过对现阶段国内外汽车悬架系统的研究状况和成果研究分析，根据汽车悬架系统的工作原理和应用要求，详述了以模糊控制方法在汽车主动悬架中的应用，其具体的内容有，首先，概述了汽车悬架的有关知识，详述了汽车悬架的定义、功能、构造、性能要求及悬架系统的分类并对当前国内外主动悬架的最新发展成果进行了描述，力求对汽车的悬架系统有更加深入的了解，掌握有关汽车主动悬架的有关知识。其次，论文对有关汽车主动悬架的模糊控制、自适应控制、最优控制、智能控制以及复合控制等有关控制方法和策略进行了详细的论述，并对各种控制方法的优缺点进行深入的探究，以力求能掌握这些控制方法，并熟悉最常用的控制策略。最后，论文以典型的模糊控制为例，深入探究了模糊控制方法在汽车主动悬架中的应用，具体分为：（1）模糊控制的技术原理。（2）模糊控制系统的组成。（3）模糊控制的基本原理。（4）模糊控制器的设计等内容。通过对模糊控制方法的详细描述，可以掌握模糊控制的原理、方法、以及运用等，能够做到触类旁通，在今后遇到其它悬架的控制方法时，能做到举一反三，自行学习，加深对汽车主动悬架及控制方法的掌握和运用。

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葛金龙：汽车主动悬架及控制方法的研究

致 谢

首先本论文选题、撰写过程和最后定稿修改均在周长峰老师的悉心指导下完成。在论文撰写阶段周老师为我提供了很多有价值的资料，同时提出了许多宝贵的意见和建议。周老师知识渊博，治学严谨，对待同学和善有亲和力。在论文撰写完成之时，表示衷心感谢！

其次在论文撰写过程中我的同学也给予我很多帮助，在此表示深深感谢，同时在本论文的撰写过程中，查阅了大量的书籍、文献以及技术资料等，在此谨向论文中所引用资料的作者表示衷心的感谢！

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山东交通学院毕业设计（论文）

参考文献

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