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《北京理工大学》 2011年
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油气悬架非线性特性及其阻尼控制策略研究

赵玉壮  
【摘要】:悬架系统是直接决定车辆行驶平顺性和操纵稳定性的关键系统,传统被动悬架已经难以满足越野车辆高机动性对悬架系统的性能需求。本文结合国家预研项目,从理论和试验的角度研究了油气悬架的非线性阻尼和非线性刚度特性,完成了油气悬架原理样车的研制,并进行了道路试验验证;根据台架试验和道路试验数据,进一步完善了油气悬架非线性动力学模型,并在此基础上开展了油气悬架的阻尼控制策略研究,为阻尼控制技术在半主动油气悬架越野车辆上的应用提供了借鉴。论文的主要研究内容和结论如下: (1)建立了具有非线性阻尼阀和非线性油气弹簧的四分之一车油气悬架动力学模型。分析了阻尼阀关键参数对阻尼特性的影响,确定了通过连续控制阻尼阀的卸荷压力来连续调节阻尼特性的油气悬架阻尼控制方案。分析了油气弹簧的初始状态和结构参数对弹性特性的影响,确定了通过控制蓄能器的有效工作容积来控制刚度特性的油气悬架刚度控制方案。通过台架试验分别验证了阻尼阀模型和油气弹簧模型的正确性,为后续的油气悬架仿真研究工作奠定了基础。 (2)建立了油气悬架整车十四自由度动力学模型,并验证了模型的正确性。仿真分析了在转向和制动操纵工况下,由阻尼阀关键结构参数所确定的阻尼特性对油气悬架整车操纵稳定性的影响。建立了双蓄能器油气悬架动力学模型,通过其等效线性模型的频域分析,确定了双蓄能器的匹配方案,并分析了基于双蓄能器的变刚度控制对整车操纵稳定性的影响。 (3)针对油气悬架的非线性特性,采用反馈线性化方法对油气悬架系统模型进行精确线性化,进而采用线性最优控制方法设计半主动油气悬架的阻尼控制策略。选取了两种不同的输出函数,它们分别对应着全局线性化和部分线性化,并分别设计了最优控制器。通过仿真对比了两种反馈线性化最优控制器对油气悬架平顺性的控制效果。最终结果表明,根据控制目标合理选择输出函数是决定反馈线性化最优控制器控制效果的关键因素。 (4)针对油气悬架的非线性特性,提出了油气悬架模型参考滑模控制策略。以天棚阻尼模型为参考模型,以被控对象和参考模型的误差作为滑模面的设计依据,通过控制油气悬架系统的阻尼,使得被控对象的振动响应尽可能跟踪参考模型,达到降低簧载质量振动的目的。采用人工神经网络在线调整滑模控制的切换增益,以削弱滑模控制的抖振。通过仿真对比了油气悬架模型参考滑模控制和油气悬架反馈线性化最优控制在改善平顺性方面的性能。仿真试验表明,模型参考滑模控制在综合性能上要优于反馈线性化最优控制,更适合于非线性油气悬架系统的阻尼控制。 (5)根据整车簧载质量振动特点,提出了基于状态观测器的油气悬架整车模型参考滑模控制策略。建立了非线性油气悬架整车七自由度振动模型,利用油气悬架原理样车试验数据验证了模型的正确性。采用整车天棚阻尼模型作为参考模型,针对整车簧载质量的俯仰、侧倾和垂向振动,分别对应设计了三个滑模控制器,经过协调算法转化为四个悬架的控制阻尼力,使得被控车辆的振动响应尽可能跟踪参考模型。设计了龙贝格整车振动状态观测器,通过状态观测值与实际测试值的对比,说明了其能够很好地观测油气悬架车辆的振动情况,为模型参考滑模控制在实车上的应用奠定了基础。仿真试验表明,所提出的基于状态观测器的油气悬架整车模型参考滑模控制系统能够同时降低整车簧载质量的俯仰、侧倾和垂向振动,有效提高了油气悬架整车行驶平顺性。 (6)提出了油气悬架原理样车的整体方案,完成了样车的搭建工作,设计了油气悬架原理样车的电子控制系统硬件电路和软件程序,完成了油气悬架原理样车与原型车的道路试验对比。平顺性试验结果表明,在随机路面激励以及在脉冲激励下,油气悬架原理样车的平顺性较原型车有明显的改善;蛇行和双移线试验结果表明,油气悬架原理样车相比原型车提高了操纵稳定性。
【学位授予单位】:北京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:U463.33

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【引证文献】
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