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磁流变阻尼器的动力学模型及其在车辆悬架中的应用研究

宗路航  
【摘要】:高速铁路对我国的经济发展起着重要作用,但随着车辆运行速度的不断提高,车辆的振动不断加剧,这对车辆的行车安全性及乘坐舒适性都产生极其不利的影响。同时随着汽车逐渐成为人们出行中必不可少的交通工具,人们对汽车的NVH (Noise, Vibration, Harshness)特性提出了更高的要求,它直接关系到汽车的乘坐舒适性。悬架是改善车辆行车安全性及乘坐舒适性的关键部件之一。基于磁流变阻尼器的半主动悬架在控制效果上接近主动悬架,并且具有结构简单、能耗小、响应快和失效安全性高等特点,目前已成为车辆振动控制领域的研究热点。但磁流变半主动悬架技术还远未成熟,许多理论与应用问题仍需要进一步研究。为此,本文以降低汽车和高速列车的振动为目标,采用理论分析、数值仿真和实验研究相结合的方法,研究了磁流变阻尼器的动力学模型和半主动控制策略。具体工作包括以下几方面: 1、磁流变阻尼器的动力学建模。目前考虑激励性质的磁流变阻尼器动力学模型并不多,而考虑滞环非线性且适合于实际控制应用的逆向模型则更少。本文从模型准确性、简单性、适应性和可逆性等实际应用需求出发,提出了电流-激励依赖的扩展的双曲正切模型和简化的双曲正切模型,为设计更加有效的半主动控制器打下基础。 利用MTS测试系统分别测试了内通道式和旁通道式两种不同结构和尺寸的磁流变阻尼器的动力学特性,分析了控制电流和激励性质对阻尼力-速度特性的影响。在此基础上,提出了电流-激励依赖的扩展的双曲正切模型和简化的双曲正切模型,同时建立了双曲正切模型、现象模型、扩展的非线性滞环双粘性模型和通用Sigmoid滞环模型,采用遗传算法对各模型的参数进行了识别,并从模型精度、复杂度和可逆性等方面对各个模型进行了系统的对比分析。结果表明扩展的双曲正切模型具有最高的模型精度,而简化的双曲正切模型求逆方便。通过解析方法求得了简化的双曲正切模型的逆向模型,同时采用自适应神经网络模糊推理系统(ANFIS)建立了逆向模型,并从建模难易度和模型精度两方面对两种逆向模型进行了对比分析。 2、汽车悬架半主动控制研究。由于基于磁流变阻尼器的车辆悬架是一个复杂的非线性系统,因此半主动控制器的设计具有较大的挑战性。本文从系统控制器和阻尼器控制器两方面出发,对多种现有的半主动控制器进行研究和改进,并提出了一种LQG-Fuzzy半主动控制器,建立了一个通用的仿真平台和实验平台,对各半主动控制器的控制效果进行仿真和实验评估,为其在汽车悬架中的应用打下理论和实验基础。 建立了四分之一车辆悬架动力学模型和随机路面不平度输入模型。设计了不需要被控对象模型的On-Off控制器和模糊控制器,采用逆向简化的双曲正切模型,建立了考虑磁流变阻尼器滞环非线性的天棚阻尼和LQG半主动控制器,结合LQG控制和模糊控制,提出了一种LQG-Fuzzy半主动控制器。仿真评估了五种半主动控制器的控制效果,并分析了簧载质量和阻尼器性能的变化对各控制器性能的影响。建立了一套模拟四分之一车辆悬架的试验平台,采用基于MATLAB的快速控制原型开发系统编写了控制算法程序,对五种半主动控制器进行了实验对比研究。仿真和实验结果表明五种半主动控制器都能有效地降低簧载质量加速度和悬架动挠度,本文提出的LQG-Fuzzy半主动控制器具有较高的鲁棒性。 3、高速列车的鲁棒半主动控制研究。列车速度的不断提高对控制系统的鲁棒性提出了更高的要求,目前已提出的各类控制算法主要集中在经典控制领域,在鲁棒控制和滞环非线性抑制等方面缺乏深入的研究,因此本文将H∞鲁棒控制策略应用到高速列车中,提出了一种H∞-ANFIS鲁棒半主动控制器,为高速列车的半主动控制提供一种新的方法。 建立了17自由度高速列车横向运动的动力学模型和随机轨道不平顺输入模型。采用H∞鲁棒控制理论计算期望控制力,采用ANFIS技术计算所需的控制电流,提出了一种H∞-ANFIS半主动控制器,同时设计了On-Off控制器和模糊控制器。仿真评估了各半主动控制器的控制效果,并分析了时滞对各控制器性能的影响和磁流变半主动悬架的失效安全性。结果表明相比于被动控制,三种半主动控制都能大幅降低车体的横向振动,其中H∞-ANFIS控制的减振效果最佳,但转向架的振动则会出现一定程度的恶化,轮对的振动则基本不变。随着时滞时间的增加,各个控制算法的减振效果都会降低,并且时滞对H∞-ANFIS控制的影响最大。 本文以磁流变半主动悬架为研究对象,针对现有研究中的不足,建立了磁流变阻尼器的正向模型和逆向模型,基于此设计了多种半主动控制器,并进行了仿真和实验验证,为磁流变阻尼器在车辆半主动悬架中的应用提供了理论和实验基础。


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