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磁流变减振器磁路分析及磁流变半主动悬架控制策略研究

杨小卫  
【摘要】: 可调阻尼减振器是影响车辆半主动悬架振动控制效果的重要部件之一,目前相关的研究正日益得到重视。磁流变减振器可以在外加磁场作用下实现阻尼力的无级可调,能够根据系统的振动特性产生最佳阻尼力,实现悬架振动的半主动控制,而且在零磁场下相当于传统的被动液压阻尼器,具有较强的可靠性,在车辆工程界正受到广泛重视。车辆半主动悬架较被动悬架提高了乘坐舒适性和操纵稳定性,同时又比主动悬架有良好的性价比,耗能小,而基于磁流变减振器的车辆半主动悬架可以进一步提升悬架性能,成为近年来车辆工程研究的热点方向之一。 本文简述了磁流变技术及磁流变减振器的发展过程和研究现状,探讨了车辆半主动悬架技术的发展趋势。结合当前磁流变减振器研究中的关键问题,对磁流变减振器的磁路设计从理论和有限元分析的角度进行了深入的探讨。建立了采用Fuzzy-PID控制理论的半主动悬架振动模型,对采用磁流变阻尼可调减振器的车辆半主动悬架控制理论进行研究。 探讨了磁流变液的流变机理和磁流变减振器的工作原理,对磁流变减振器中产生和改变磁场的关键部位之一——磁路的设计原理进行分析,为磁流变减振器的磁路设计提供理论基础。利用有限元法对磁流变减振器的电磁场进行数值模拟,研究磁场在减振器磁路内部的分布。对磁场中各励磁材料结构尺寸,材料特性等因素对减振器磁路及整体性能的影响进行了研究,分析具体的影响规律。研究不同磁路级数时,磁路结构参数对磁路性能的影响和磁路性能的差异。 台架实验研究了磁流变减振器的外特性,结果表明磁流变减振器阻尼力存在可控特性和迟滞性。分析了磁流变减振器可控阻尼力与控制电流之间的关系,根据实验数据拟合了库仑阻尼力—电流的关系曲线,为磁流变减振器控制模型的建立和半主动悬架系统控制提供了理论支持。 在模糊控制和PID控制的基础上建立了Fuzzy—PID开关切换控制策略,并采用工程整定法确定PID参数。基于2自由度1/4车辆模型,对MR半主动悬架进行控制仿真,结果表明采用Fuzzy—PID控制时,簧载质量加速度、悬架动挠度较Fuzzy控制时都有所减少小,收到较好的减振效果,悬架平顺性得到进一步改善。综合悬架性能要求,和Fuzzy控制策略比较,Fuzzy—PID开关切换控制的控制效果相对更好,适用于车辆悬架复杂非线性系统的建模与控制。 进行控制系统软、硬件的选用与开发,编写了基于Fuzzy—PID开关切换控制策略的半主动悬架控制程序,采用单片机开发了半主动悬架Fuzzy—PID控制器。基于该控制器进行了台架实验,结果表明:磁流变半主动悬架同被动悬架相比,簧载质量加速度有较大改善,尤其簧载质量在低频共振点附近有明显改善。实验验证了所提出的控制方法和控制系统的正确性、可行性,设计的Fuzzy—PID控制系统可以较好地抑制车身振动。


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