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基于磁流变半主动悬架的汽车底盘集成控制

祝辉  
【摘要】:随着国民经济的飞速发展以及人们生活水平的极大提高,汽车逐渐融入到人们的工作生活之中,成为不可或缺的交通工具。随之而来的汽车行驶速度的显著提高和道路行车密度的急剧增大,使得人们对汽车的行驶平顺性、操纵稳定性和安全性提出更高的要求。而电子技术和自动化技术的发展,使越来越多的控制系统运用到汽车当中。其中,电控悬架作为连接车身和底盘的一个桥梁,在汽车底盘控制中起着至关重要的作用。磁流变半主动悬架具有响应快、动态范围宽、功耗低、结构简单等特点,是目前电控悬架的研究热点,在商业和军事上都具有广阔的应用前景。目前,国内外对磁流变半主动悬架的研究多处于理论研究和实验室研究中,实际应用在整车上并不多见,主要原因是磁流变半主动悬架是一个存在有不确定因索、时滞的复杂非线性系统,使得控制策略的设计和实现极具挑战性,先前的一些半主动控制算法针对具体问题的特征,虽然都取得了一定的控制效果,但仍然存在局限性,较少从整车的角度对悬架进行控制。因此,如果以磁流变半主动悬架为核心,考虑整车多个子系统之间的相互影响,以整车的综合性能为目标进行协调控制,具有很高的研究价值。自20世纪80年代中期至今,企业界和学术界从理论和应用方面对车辆动力学中多子系统之间的协调控制问题进行了大量的研究。对协调控制的研究中,一般是对两个系统进行研究且设计一个控制器,而考虑汽车底盘多个子系统之间的相互影响并进行协调控制的研究较少。 本文以磁流变半主动悬架为核心,分析汽车底盘中悬架、转向和制动系统运动之间的耦合关系和相互影响,设计出半主动悬架和主动前轮转向的协调控制器,以及半主动悬架、制动防抱死和直接横摆力矩控制的协调控制器。主要包括以下内容: (1)首先回顾了汽车动力学的研究进展以及汽车底盘主动控制的研究现状。随后分析了汽车底盘集成控制的研究现状及存在的问题,最后给出了本文的研究内容和创新点。 (2)建立考虑相互影响的汽车悬架、转向和制动系统的数学模型以及轮胎模型。在MATLAB/SIMULINK中搭建了整车的模型,并对不同工况下的各种运动之间的相互影响和制约关系进行了理论分析和仿真计算。 (3)设计了一款剪切和流动混合工作模式的磁流变减振器,给出了磁流变减振器的数学模型,对所设计的减振器进行了台架试验,并将其安装于改装车上。根据磁流变半主动悬架本身具有不确定性、时滞性强等特点,设计了参数自调整PID控制器,进行了脉冲输入和随即路面输入的整车仿真试验。以ARM单片机LPC2292为核心,完成了电荷放大器、车速信号调理、恒流源驱动及系统故障诊断等电路的设计。引入了嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ,并成功移植了控制算法。将磁流变半主动悬架应用于试验车上,进行了台架试验和道路试验。 (4)对基于7自由度整车模型的半主动悬架设计了最优控制器,运用分离定理,得到随机状态反馈调节器的最优控制率。为改善整车的操纵稳定性,对主动前轮转向系统设计了可实时跟踪目标横摆角速度的滑模变结构控制器。为改善转向工况下车辆的行驶平顺性,在两个子系统的基础上设计了一个上层协调控制器。协调控制器根据车辆传感器信息,实时地调整转向和悬架子系统跟踪目标和控制参数,以使车辆获得最好的性能。仿真结果表明:所设计的控制器能够较好的提高整车的行驶平顺性和操纵稳定性。 (5)为改善车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和安全性,对悬架、转向和制动系统分别设计参数自调整PID、滑模变结构和变滑移率逻辑门限值控制器,采用状态识别模式的协调控制方法,进行了多种行驶工况下的整车控制系统仿真。 (6)基于ARM7平台,进行了制动防抱死系统和半主动悬架系统协调控制器的开发,并进行了实车试验。 (7)总结了全文的研究内容,对下一步的研究提出一些建议。


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