最优控制的车辆主动座椅悬架仿真分析【字数：9052】
汽车的行驶平顺性、操作稳定性、乘坐舒适性等性能的优劣与汽车的悬架系统性能的好坏联系密切。司乘人员长时间受到振动、冲击，易引发职业病、产生疲劳感、操作失误，从而造成交通事故。已知改善底盘悬架系统可以提升行车稳定性，但汽车的行车要求与此有冲突，悬架太软易引起安全事故，太硬则乘坐体验较差，只能取一合理值平衡。而车辆座椅作为直接与乘员接触的部件，通过提高座椅悬架的减振性能达到提高乘坐舒适性，易于实现、成本较低、效果明显，且座椅动态参数的改变对汽车其它使用性能影响小。因此，研究车辆座椅悬架对于提高乘员乘坐舒适性和行车安全具有重要意义。本文首先介绍了论文的研究背景及意义，以及控制方法的研究现状。参考相关规定及范例，建立了路面输入模型，并构建路面输入仿真模块。为方便模拟仿真的进行，简化座椅悬架系统，搭建了三自由度1/4车加座椅主动悬架系统的数学模型，并写出动力学方程。选择最优控制作为座椅悬架的控制方法，并设计了车辆座椅加速度、悬架动行程、轮胎动位移作为输出的LQR控制器，且在Simulink环境下搭建了仿真模块，并进行仿真分析。
目录
1．绪论 1
1.1论文的研究背景及意义 1
1.2车辆座椅悬架控制方法概述 2
1.2.1座椅悬架系统概述 2
1.2.2车辆座椅悬架研究现状 3
1.2.3座椅悬架控制方法的发展 3
1.2.4座椅悬架的选择及发展趋势 5
2．座椅系统动力学模型建立 6
2.1人体乘坐舒适性要求 6
2.2车辆平顺性评价指标 6
2.3路面输入模型 6
2.3.1 路面不平度的功率谱密度 6
2.3.2 空间频率功率谱化为时间频率功率谱 7
2.3.3空间频率功率谱密度转化时间频率功率谱密度 8
2.4座椅悬架系统动力学模型 9
3.最优控制器设计 11
3.1最优控制概述 11
3.2最优控制模型 11
4.座椅悬架仿真分析 13
4.1座椅悬架Simulink仿真模型 13
4.2仿真结果分析 13
5.总结 16
参考文献 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
致谢 19
1．绪论
1.1论文的研究背景及意义
随着经济的飞速发展，汽车早已进入广大人民群众的生活中，如今人们的日常出行大部分都是选择乘坐汽车，更为方便快捷。方便快捷的同时也有一些小缺点，机械的快速运转引起的机械振动以及路面激励等会使司乘人员感到不适，即乘坐舒适性差，目前越来越多的消费者及厂商关注汽车的乘坐舒适性。
如今，我国汽车工业的质量和产量发生了巨大的变化。截止至2018年6月底，中国拥有机动车高达3.19亿辆，拥有机动车超过100万辆的城市高达58个，这其中有7个城市超过了300万辆。与此同时，机动车驾驶人数达到3.96亿人，男性占70.7%，女性占29.3%。由于长期驾驶汽车会造成疲劳、严重甚至疾病，人们不再只考虑汽车的安全性能和经济性能，所以现在越来越多的消费者更加注重乘坐舒适性。市场即需求，汽车制造商也逐步把乘坐舒适性作为评价车辆品质的重要指标。
汽车行驶在路面时，因路面不平导致车轮跳动，车轮跳动引发车身振动，再经车身将激励传给座椅，最终人体感到振动。车身悬架作用如下：（1）汽车在通过凹凸不平的路面时，悬架起到缓冲作用来减小振动从而达到优化舒适性（2）保证车轮在固定的角度内活动，使转向稳定，保证行驶安全（3）车身重量经过悬架，在由悬架反馈给轮胎，起支撑作用（4）确保路面与车轮之间产生的驱动力、制动力能准确地传到车身，不会产生较大的轮胎动位移（5）汽车车身悬架除了提升车辆乘坐舒适性，还有一个重要作用是要保证行驶稳定性，保障车辆安全平稳行驶。这之间就出现了要满足舒适性和稳定性的矛盾。弹簧越软越好，乘坐舒适就越好。而弹簧太软，则会造成制动点头，就会发生操纵不稳等危险情况。车身悬架的结构设计还需考虑整车的行驶性能，尤其是对行驶稳定性的要求，所以在结构和参数方面优化受到很大限制。
根据大量的研究，汽车经过多级防震，乘员承受低频(28 Hz)的高强度振荡，引起脊椎系统等的损伤，严重地损坏乘员的身心健康，根据这个工作效率大幅度降低，对驾驶的安全带来重大的影响。一般家庭用汽车，由座位的骨骼和海绵，覆皮组成，靠垫有一定的缓冲防震功能,不过，座位的骨骼与汽车的地板直接连接，不能起到隔振的作用。对路面恶劣的环境，这显然不足。为了提高装载车、工程车辆、商用车等乘坐舒适度，很多研究人员广泛研究汽车轮胎、车台架架、动力总成悬架系统和驾驶席等，改善驾驶者的工作环境，提高乘坐舒适度。相关研究表明：（1）提升汽车隔振性能的有效方法之一是将轮胎气压降低，但降低气压会导致轮胎严重磨损，增加滚动阻力，降低机械效率，因此在实践中是不可取的。（2）为了隔离发动机的高频振动，动力总成可以不直接与机架连接安装，但地面引起的低频隔振效果不明显。（3）通过引入参数可调的主动悬架系统，可以达到优化乘坐舒适性的目的，但其结果是成本高、能耗高、技术要求高。普通民用车辆很难普及。（4）安装在座椅上的悬挂系统作为与驾驶员直接接触的部件，效果最明显，布置困难，成本低，参数有限。
被动座椅的优化方法较为单一，现阶段主要通过优化座椅自身结构来提高隔振性能。随着被动座椅的制造，参数变为固定，不会随着道路激励的变化而改变。被动座椅在受到低频、高强度振动时，提升乘坐舒适性能力低。因此，有必要建立合适的座椅悬架动力学模型，研究主动式座椅悬架系统。
1.2车辆座椅悬架控制方法概述
1.2.1座椅悬架系统概述
座椅悬架由导向支撑机构、弹性元件、限位块、阻尼器和坐垫等几部分构成。交叉臂式由于结构稳定和可靠，多用于座椅的支撑和导向。座椅悬架中的弹性元件有机械弹簧和空气弹簧两种不同类型，弹性元件一般有三种布置形式，分别为基座与上底板之间、交叉臂之间或者交叉臂与基座之间，目前第三种形式应用较为广泛。阻尼器一般以一定角度布置在交叉臂之间或者几座与地板之间。座椅靠一对平行的交叉臂式结构的拉压来保证其垂向运动，座椅悬架结构平面布置如图11所示。
/
图11 座椅悬架结构图
车辆座椅悬架与汽车悬架相似，座椅悬架按振动控制方式分为被动悬架、半主动悬架、主动悬架，悬架简化模型如图12
被动座椅悬架 半主动座椅悬架 主动座椅悬架
目录
1．绪论 1
1.1论文的研究背景及意义 1
1.2车辆座椅悬架控制方法概述 2
1.2.1座椅悬架系统概述 2
1.2.2车辆座椅悬架研究现状 3
1.2.3座椅悬架控制方法的发展 3
1.2.4座椅悬架的选择及发展趋势 5
2．座椅系统动力学模型建立 6
2.1人体乘坐舒适性要求 6
2.2车辆平顺性评价指标 6
2.3路面输入模型 6
2.3.1 路面不平度的功率谱密度 6
2.3.2 空间频率功率谱化为时间频率功率谱 7
2.3.3空间频率功率谱密度转化时间频率功率谱密度 8
2.4座椅悬架系统动力学模型 9
3.最优控制器设计 11
3.1最优控制概述 11
3.2最优控制模型 11
4.座椅悬架仿真分析 13
4.1座椅悬架Simulink仿真模型 13
4.2仿真结果分析 13
5.总结 16
参考文献 17 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
致谢 19
1．绪论
1.1论文的研究背景及意义
随着经济的飞速发展，汽车早已进入广大人民群众的生活中，如今人们的日常出行大部分都是选择乘坐汽车，更为方便快捷。方便快捷的同时也有一些小缺点，机械的快速运转引起的机械振动以及路面激励等会使司乘人员感到不适，即乘坐舒适性差，目前越来越多的消费者及厂商关注汽车的乘坐舒适性。
如今，我国汽车工业的质量和产量发生了巨大的变化。截止至2018年6月底，中国拥有机动车高达3.19亿辆，拥有机动车超过100万辆的城市高达58个，这其中有7个城市超过了300万辆。与此同时，机动车驾驶人数达到3.96亿人，男性占70.7%，女性占29.3%。由于长期驾驶汽车会造成疲劳、严重甚至疾病，人们不再只考虑汽车的安全性能和经济性能，所以现在越来越多的消费者更加注重乘坐舒适性。市场即需求，汽车制造商也逐步把乘坐舒适性作为评价车辆品质的重要指标。
汽车行驶在路面时，因路面不平导致车轮跳动，车轮跳动引发车身振动，再经车身将激励传给座椅，最终人体感到振动。车身悬架作用如下：（1）汽车在通过凹凸不平的路面时，悬架起到缓冲作用来减小振动从而达到优化舒适性（2）保证车轮在固定的角度内活动，使转向稳定，保证行驶安全（3）车身重量经过悬架，在由悬架反馈给轮胎，起支撑作用（4）确保路面与车轮之间产生的驱动力、制动力能准确地传到车身，不会产生较大的轮胎动位移（5）汽车车身悬架除了提升车辆乘坐舒适性，还有一个重要作用是要保证行驶稳定性，保障车辆安全平稳行驶。这之间就出现了要满足舒适性和稳定性的矛盾。弹簧越软越好，乘坐舒适就越好。而弹簧太软，则会造成制动点头，就会发生操纵不稳等危险情况。车身悬架的结构设计还需考虑整车的行驶性能，尤其是对行驶稳定性的要求，所以在结构和参数方面优化受到很大限制。
根据大量的研究，汽车经过多级防震，乘员承受低频(28 Hz)的高强度振荡，引起脊椎系统等的损伤，严重地损坏乘员的身心健康，根据这个工作效率大幅度降低，对驾驶的安全带来重大的影响。一般家庭用汽车，由座位的骨骼和海绵，覆皮组成，靠垫有一定的缓冲防震功能,不过，座位的骨骼与汽车的地板直接连接，不能起到隔振的作用。对路面恶劣的环境，这显然不足。为了提高装载车、工程车辆、商用车等乘坐舒适度，很多研究人员广泛研究汽车轮胎、车台架架、动力总成悬架系统和驾驶席等，改善驾驶者的工作环境，提高乘坐舒适度。相关研究表明：（1）提升汽车隔振性能的有效方法之一是将轮胎气压降低，但降低气压会导致轮胎严重磨损，增加滚动阻力，降低机械效率，因此在实践中是不可取的。（2）为了隔离发动机的高频振动，动力总成可以不直接与机架连接安装，但地面引起的低频隔振效果不明显。（3）通过引入参数可调的主动悬架系统，可以达到优化乘坐舒适性的目的，但其结果是成本高、能耗高、技术要求高。普通民用车辆很难普及。（4）安装在座椅上的悬挂系统作为与驾驶员直接接触的部件，效果最明显，布置困难，成本低，参数有限。
被动座椅的优化方法较为单一，现阶段主要通过优化座椅自身结构来提高隔振性能。随着被动座椅的制造，参数变为固定，不会随着道路激励的变化而改变。被动座椅在受到低频、高强度振动时，提升乘坐舒适性能力低。因此，有必要建立合适的座椅悬架动力学模型，研究主动式座椅悬架系统。
1.2车辆座椅悬架控制方法概述
1.2.1座椅悬架系统概述
座椅悬架由导向支撑机构、弹性元件、限位块、阻尼器和坐垫等几部分构成。交叉臂式由于结构稳定和可靠，多用于座椅的支撑和导向。座椅悬架中的弹性元件有机械弹簧和空气弹簧两种不同类型，弹性元件一般有三种布置形式，分别为基座与上底板之间、交叉臂之间或者交叉臂与基座之间，目前第三种形式应用较为广泛。阻尼器一般以一定角度布置在交叉臂之间或者几座与地板之间。座椅靠一对平行的交叉臂式结构的拉压来保证其垂向运动，座椅悬架结构平面布置如图11所示。
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图11 座椅悬架结构图
车辆座椅悬架与汽车悬架相似，座椅悬架按振动控制方式分为被动悬架、半主动悬架、主动悬架，悬架简化模型如图12
被动座椅悬架 半主动座椅悬架 主动座椅悬架
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