摘  要

　　懸架系統是車輛重要組成部分，其性能好壞直接影響到車輛行駛平順性、通過性以及操縱穩定性。特種車輛對懸架系統有著更高的性能需求，尤其是應急救援車輛有時需要在行進中作業，對保持車身位姿平穩有著特殊要求，傳統懸架系統難以達到這個目標。主動懸架可以實時控制車身位姿，使車身成為一個慣性穩定平臺以完成上述情況對車身位姿穩定控制的要求。

　　本文結合國家重點研發項目“高機動應急救援車輛(含消防車輛)專用底盤及懸掛關鍵技術研究”(項目編號：2016YFC0802902)和吉林省汽車產業發展專項資金項目“轎車慣性調控主動懸架研制開發”(項目編號：20112330)，聚焦特種應急救援車輛行進中需要保持車身位姿平穩的問題，主要對主動懸架系統作動器的伺服控制和車身姿態穩定自抗擾控制進行系統深入的研究，主要研究工作如下：

　　(1) 建立了基于非對稱液壓缸作動器的 1/4 主動懸架非線性模型，針對不同工況建立了閥控非對稱缸非線性模型。通過對彈簧和減振器非線性環節的分析，建立了 1/4 主動懸架非線性模型。根據多組實驗數據，通過參數辨識獲得相對準確的模型參數。

　　(2) 設計了主動懸架系統作動器的伺服控制器。根據分數階微積分定義和分數階系統原理，以 Oustaloup 近似法針對辨識后的作動器模型設計了分數階 PID伺服控制器。提出了并行自適應克隆選擇算法用于分數階 PID 參數整定。

　　(3) 設計了主動懸架系統車身姿態穩定自抗擾控制器。根據自抗擾控制器特性，通過設計虛擬控制量的方法解決了車身姿態穩定控制系統的多輸入多輸出耦合問題，對解耦后的垂向位移、俯仰角和側傾角三個控制通道分別設計了位移-速度(或角度-角速度)雙環自抗擾控制器。通過仿真驗證了該控制算法的解耦效果和位姿穩定性控制效果。

　　(4) 對主動懸架作動器位移輸出飽和的問題進行了研究。針對路面沖擊造成的作動器位移輸出飽和，在分析該問題傳統處理方法的基礎上設計了虛擬限位塊控制策略。針對坡路起伏造成的作動器位移輸出飽和，提出了估計坡路包絡線方法，分別對垂向穩定控制器和俯仰穩定控制器進行改進。通過仿真分析驗證了所提出改進方法的有效性。

　　(5) 基于一汽集團“奔騰”牌轎車懸架制作了主動懸架試驗樣車，并進行了車身位姿穩定控制的路面試驗。以脈沖輸入路面和起伏障礙路面兩種路面輸入作為實驗條件，應用本文提出的位移-速度(或角度-角速度)雙環自抗擾解耦控制器，對主動懸架試驗樣車進行了越障試驗，并通過比較同一試驗樣車的被動懸架越障試驗結果，驗證了雙環自抗擾解耦控制器的控制效果。

　　關鍵詞：主動懸架 位姿穩定控制 自抗擾解耦控制 分數 PID 控制 克隆選擇算法

Abstract

　　The suspension is one of the important assembly of a vehicle, and its performance has a direct impact on ride comfort and handling stability.Special vehicles have higher performance requirement on suspension systems, especially emergency rescue vehicles need to operate while moving sometimes, which have special requirement on stability of the vehicle attitude. It is hard to achieve the target for conventional suspension system. Active suspension system could control the vehicle attitude in real-time, so that the vehicle body becomes an inertial stabilization platform to satisfy the situation on the vehicle attitude stabilization control requirements.

　　This dissertation is funded by National Key Technologies R&D Program “Key Technology Research on Special Chassis and Suspension for High-mobility Emergency Rescue Vehicle (Including Fire Fighting Vehicle)” (Project Number: 2016YFC0802902) and the Special funds of Automobile Industry in Jilin Province for the project “Research and Development of Inertial Control Technology for Car Active Suspension” (Project Number: 20112330). The methods to keep stability of the vehicle attitude for special vehicles are conducted research in depth, a servo controller for active suspension actuator and a set of active disturbance rejection controllers (ADRC) for the vehicle attitude stability control are designed, the main work is as follows:

　　(1) The dynamic model of valve controlled asymmetric hydraulic cylinder and the nonlinear model of 1/4 active suspension are built. The dynamic model of valve controlled asymmetric hydraulic cylinder is built on different working conditions. The nonlinear model of 1/4 active suspension is built with nonlinear parts of spring and shock absorber. Then, the relative accurate model parameters are obtained by the method of parameter identification with multiple experimental data.

　　(2) A servo controller for active suspension actuator is designed. According to definition of fractional order calculus and theory of fractional order system, an Oustaloup recursive approximation (ORA) fractional order PID (FOPID) controller is designed as the servo controller for active suspension actuator. Then,the parallel adaptive clonal selection algorithm (PACSA) is proposed to tuning the FOPID parameters.

　　(3) A set of ADRC for the vehicle attitude stability control is designed. The problem of multi-input multi-output (MIMO) coupling of vehicle attitude stability control system is solved by setting virtual control variables, according to the features of ADRC. And the displacement-velocity (or angle-angular velocity) dual-loop ADRC is designed for decoupled vertical, pitching and rolling control channels. Then the decoupling effects of this control method and the vehicle attitude stability control performance are verified by simulation research.

　　(4) The problem of displacement output saturation of active suspension actuator is studied. In order to solve the problem of actuator displacement output saturation caused by the impact of road surface, the control strategy of virtual limit block is designed on the basis of analyzing the traditional processing method of the problem. In order to solve the problem of actuator displacement output saturation caused by rise and fall of the slope road, a method is proposed to estimate slope envelope, the improvements of the vertical stability controller and pitch stabilization controller are designed respectively based on the method.The effectiveness of the proposed method is verified by simulation analysis for two conditions of actuator displacement output saturation.

　　(5) The prototype of active suspension vehicle is built based on the suspension of FAW “Besturn” car, the road experiments are carried out to verify the vehicle attitude control. With the experimental conditions of pulse input road and uneven terrain, the performance of vehicle attitude control using displacement-velocity (or angle-angular velocity) dual-loop decoupling ADRC which proposed in this dissertation is verified and compared with the passive suspension set of the same vehicle.

　　Keywords: active suspension, attitude stability control, active disturbance rejection control, fractional order PID controller, clonal selection algorithm.

　　車輛懸架系統將車身與車輪彈性連接，起到支撐車身、隔離振動并保證車輪持續接地等作用，是車輛重要組成部分。懸架性能好壞直接影響到車輛行駛的舒適性和安全性，因此車輛懸架一直是車輛工程的主要研究領域之一。隨著人們對車輛行駛性能的追求，對車輛隔振能力的要求也逐漸提高。懸架的主動隔振技術在近年來得到了廣泛關注和深入研究，一些研究成果也在汽車產業中得到了應用。

　　汽車的普及加快了工業化進程和產業結構優化，并推動了生產方式的變遷和生產率的提高[1]。隨著汽車在各行各業的廣泛應用，不同領域多樣化的需求不斷給汽車產業和車輛工程技術帶來新的挑戰。特種車輛對懸架系統有著特定的性能需求，尤其是一些應急救援車輛有時為了提高救援效率，需要在行進中實施救援作業，要求懸架系統能夠在車輛行駛中保持車身位姿穩定。這需要懸架系統具備實時調節車身位姿的功能，傳統懸架系統難以達到這個目標。主動懸架可以實時控制車身位姿，使車身成為一個慣性穩定平臺以完成上述情況對車身位姿穩定控制的要求。

　　本文結合國家重點研發項目“高機動應急救援車輛(含消防車輛)專用底盤及懸掛關鍵技術研究”(項目編號：2016YFC0802902)和吉林省汽車產業發展專項資金項目“轎車慣性調控主動懸架研制開發”(項目編號：20112330)，主要針對高機動應急救援車輛行進中車身位姿穩定性控制問題，通過分數階 PID 控制方法和自抗擾控制方法分別對主動懸架系統的電液伺服作動器控制和車身位姿穩定控制開展研究,并針對主動懸架作動器位移輸出飽和提出改進方案。

　　主動懸架思想早在上世紀 70 年代就已經提出，但由于種種原因，時至今日仍然沒有在量產車中得到廣泛的應用。本節結合汽車懸架系統的分類及主動懸架系統的發展對汽車主動懸架系統研究現狀進行綜述。

　　車輛懸架是連接車身和車輪的機械裝置，主要由彈簧、減振器、主動懸架作動器以及導向機構等組成[2]。車輛的懸架系統能夠緩沖、吸收由路面不平引起的車身振動，同時能夠傳遞車輪與路面之間的驅動力和制動力，當車輛行駛的工況發生改變時，懸架系統也能夠承受各個方向上產生的慣性力。性能良好的懸架系統可以使車輛在復雜路面環境下仍能保持良好的工作狀態，在保證車輛行駛平順性和安全性的同時使車輛保持理想的行駛速度[3]。車輛懸架系統主要分為被動懸架，主動懸架和半主動懸架三種基本類型[4]。

　　被動懸架由支撐車身并抵抗沖擊的彈簧，吸收振動的減振器和限制懸架運動的導向機構組成，在參數設計合理的前提下可以有效吸收地面沖擊。圖車輛的實際工況復雜多變，若實際工況偏離設計工況越大，則被動懸架的效果越差。一般在汽車設計之初就把汽車定型為運動型、舒適型、越野型等不同產品，因此汽車懸架的設計就是一個折中妥協的過程。主動懸架則是在被動懸架的基礎上增加了作動器來提供額外能量輸入，安裝于車身的傳感器實時采集車輛行駛信息，根據路況的不同實時調節作動器輸入能量大小，使車輛的懸架系統滿足不同工況要求。但主動懸架能耗高，成本高，并沒有廣泛應用于成本敏感的民用車型中。能夠實時調節懸架減振器阻尼或彈簧剛度而不向懸架系統輸入額外能量的半主動懸架成為了懸架研究的另一個熱點。半主動懸架相比主動懸架有能耗低的優勢，且半主動懸架能夠達到半波近似主動懸架的控制規律[5]，成本和能耗的降低為半主動懸架的普及奠定了基礎。

　　電液伺服主動懸架的車身位姿穩定系統：

主動懸架試驗樣車

雙橫臂獨立懸架總成

車架三維圖

液壓缸三維圖

主動懸架控制系統外層控制器(車身位姿穩定控制)結構

目 錄

　　摘 要
　　Abstract
　　目 錄
　　第 1 章 緒論
　　　　1.1 研究背景
　　　　1.2 汽車主動懸架系統研究現狀
　　　　　　1.2.1 汽車懸架系統概述
　　　　　　　　1.2.1.1 汽車懸架系統分類
　　　　　　　　1.2.1.2 主動懸架發展過程
　　　　　　1.2.2 主動懸架控制技術研究現狀
　　　　1.3 位姿穩定控制研究現狀
　　　　　　1.3.1 車身位姿穩定控制研究現狀
　　　　　　1.3.2 其它典型穩定控制研究現狀
　　　　　　　　1.3.2.1 云臺穩定控制研究現狀
　　　　　　　　1.3.2.2 坦克主炮穩定器研究現狀
　　　　1.4 相關研究中存在的主要問題
　　　　1.5 本文主要研究內容
　　　　1.6 論文章節安排
　　第 2 章 基于并行自適應克隆選擇算法的懸架作動器分數階控制
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 懸架及作動器建模
　　　　　　2.2.1 動力學模型推導
　　　　　　　　2.2.1.1 四分之一懸架系統建模
　　　　　　　　2.2.1.2 作動器建模
　　　　　　2.2.2 模型辨識
　　　　　　　　2.2.2.1 待辨識參數
　　　　　　　　2.2.2.2 辨識方法
　　　　　　　　2.2.2.3 模型驗證
　　　　2.3 作動器的伺服控制器設計
　　　　　　2.3.1 分數階 PID 控制器設計
　　　　　　　　2.3.1.1 分數階微積分及分數階 PID 控制器
　　　　　　　　2.3.1.2 分數階 PID 控制的 Oustaloup 近似
　　　　　　2.3.2 并行自適應克隆選擇算法
　　　　　　　　2.3.2.1 基本概念
　　　　　　　　2.3.2.2 關鍵算子
　　　　　　　　2.3.2.3 算法流程
　　　　2.4 主動懸架作動器仿真分析
　　　　　　2.4.1 控制器參數整定
　　　　　　2.4.2 分數階 PID 控制器跟蹤效果分析
　　本章小結
　　第 3 章 基于雙環自抗擾解耦技術的車身位姿穩定控制研究
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 整車模型的建立與解耦
　　　　　　3.2.1 整車 7 自由度主動懸架系統建模
　　　　　　3.2.2 車身控制解耦
　　　　3.3 自抗擾控制器簡介
　　　　　　3.3.1 跟蹤微分器
　　　　　　3.3.2 擴張狀態觀測器
　　　　　　3.3.3 非線性控制律
　　　　3.4 車身垂向穩定控制器的設計
　　　　　　3.4.1 速度環控制器設計
　　　　　　3.4.2 位移環控制器設計
　　　　　　3.4.3 車身垂向穩定雙環自抗擾控制器的整合
　　　　3.5 車身俯仰側傾姿態穩定控制器設計
　　　　　　3.5.1 角速度環控制器設計
　　　　　　3.5.2 角度環控制器設計
　　　　　　3.5.3 車身姿態穩定雙環自抗擾控制器的整合
　　　　3.6 車身位姿穩定控制的仿真分析
　　　　　　3.6.1 四輪相關路面輸入建模
　　　　　　3.6.2 整車主動懸架系統的仿真模型設計
　　　　　　3.6.3 仿真結果及分析
　　　　　　　　3.6.3.1 自抗擾控制器的解耦效果分析
　　　　　　　　3.6.3.2 車身位姿穩定控制效果分析
　　　　本章小結
　　第 4 章 作動器位移輸出飽和問題的改進
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 路面沖擊造成作動器位移輸出飽和的改進
　　　　　　4.2.1 懸架行程超限問題的傳統處理方法分析
　　　　　　4.2.2 虛擬限位塊控制策略
　　　　　　4.2.3 虛擬限位塊在車身位姿穩定控制中的應用
　　　　4.3 坡路起伏造成作動器位移輸出飽和的改進
　　　　　　4.3.1 垂向穩定控制器的改進
　　　　　　4.3.2 俯仰穩定控制器的改進
　　　　　　4.3.3 改進后控制效果分析
　　　　本章小結
　　第 5 章 試驗樣車的制作與實車試驗
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 試驗樣車的設計與制作
　　　　　　5.2.1 機械與液壓系統
　　　　　　5.2.2 電氣與控制系統
　　　　5.3 試驗結果
　　　　　　5.3.1 脈沖輸入試驗
　　　　　　5.3.2 通過起伏障礙路面試驗
　　　　本章小結
　　第 6 章 結論與展望
　　　　6.1 本文完成的主要工作
　　　　6.2 今后工作展望
　　參考文獻
　　作者簡介及在學期間所取得的科研成果
　　致謝

（如您需要查看本篇畢業設計全文，請您聯系客服索�。�