基于磁流变减振器的汽车半主动悬架设计与控制研究

摘要

高速公路网的建设和延伸、点对点运输的实现、出行和运输效率要求的提高，促进了汽车工业的飞速发展。由于汽车行驶速度的提高，人们对汽车的行驶安全性、乘坐舒适性、操纵稳定性、道路友好性等提出了更高的要求。现代电子技术、信息技术、计算机技术和自动化技术的发展和在汽车上的应用，为改善汽车性能和满足人们对汽车性能的要求提供了手段，各类先进的技术在汽车上得到了应用，汽车正成为现代技术的试验场，集中体现着一个国家技术发展的水平。
　　 主动/半主动悬架是实现汽车底盘控制的重要部件之一，对改善汽车的行驶、操纵性能至关重要。以智能材料磁流变液制作的磁流变减振器具有响应快、动态范围宽、功耗低、结构简单等特点，在建筑、桥梁和汽车上的应用成为目前研究的热点，磁流变减振器为半主动悬架的开发和应用提供了新的途径。但是，除美国Lord公司推出的磁流变座椅减振器安装在凯迪拉克汽车上之外，国内外对磁流变半主动悬架的研究大多仍处于理论和实验室研究之中，主要原因是磁流变半主动悬架是一个存在不确定因素复杂非线性系统。尽管先前的一些针对具体问题的半主动控制算法取得了一定的控制效果，但较少从整车的角度对悬架进行控制。同时，磁流变减振器本身的设计制造技术仍不完善，过去的研究多以双出杆或者旁路等其它结构，无法满足汽车对减振器的要求。因此，以汽车磁流变减振器设计为核心，考虑整车的磁流变减振器半主动悬架控制，不但具有很高的理论研究价值，而且具有广泛的应用前景。
　　 本文以单出杆汽车磁流变减振器的设计制作为核心，完成了整车半主动悬架的数学建模、实车改装，设计了模糊控制、自适应变论域模糊控制、鲁棒控制和鲁棒/自适应变论域模糊复合控制系统，进行了大量的仿真和实验研究。主要包括以下内容：
　　 (1)回顾了国内外汽车悬架技术的发展和研究现状，分析了汽车磁流变减振器的研究现状及存在的问题，给出了本文的研究内容和创新点。
　　 (2)在认真分析磁流变减振器动力学模型基础上，完成了磁流变减振器的数学建模和理论分析，根据汽车对悬架的要求，设计了两款汽车磁流变减振器，完成了磁流变减振器的总体设计和部件设计，为样品的制作和研究提供了基础。
　　 (3)在前一章基础上，对磁流变减振器进行了仿真研究，制作了悬架前后四个磁流变减振器，进行了大量的试验，证明所设计的磁流变减振器可以满足汽车半主动控制的要求，为下一步进行整车半主动悬架控制的设计与试验提供了条件。
　　 (4)完成了转向工况下的整车磁流变半主动悬架建模，研究了道路激励信号的生成和验证问题，设计了整车模糊控制器和利用模糊控制器改变伸缩因子的自适应变论域模糊控制器。仿真结果表明：自适应变论域模糊控制效果优于模糊控制。
　　 (5)在设计整车鲁棒控制的基础上，设计了鲁棒/自适应变论域模糊复合控制器，通过仿真进行了鲁棒控制和复合控制策略的性能比较。仿真表明：鲁棒控制和鲁棒/自适应变论域模糊复合控制都可以有效改善汽车的平顺性，但复合控制效果优于鲁棒控制。
　　 (6)利用四个自制的磁流变减振器完成了半主动悬架试验汽车的改装，以ARM单片机LPC2292为核心组建了控制系统，以嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ为平台移植了控制算法，分别进行了台架谐波激励振动试验、车辆驶过凸块和随机路面上的行驶试验。
　　 (7)总结了全文的研究内容，对下一步的研究方向和工作内容提出一些建议。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

致谢

第一章 绪论

1.1悬架技术及其国内外研究现状

1.1.1悬架的分类及应用

1.1.2减振器技术

1.1.3磁流变减振器应用现状

1.2主动/半主动悬架控制策略

1.3本论文研究的主要内容与创新点

1.3.1本文主要研究内容

1.3.2本文主要创新点

第二章汽车单出杆磁流变减振器的设计

2.1 MRD的工作原理及其力学模型

2.1.1 MRD的工作原理和模式

2.1.2 MRD力学模型

2.2 MRD的设计原理

2.2.1 MRD的阻尼力计算

2.2.2 MRD的磁路设计

2.3汽车单出杆MRD的设计

2.3.1 MRD的总体尺寸和材料

2.3.2磁流变减振器设计

2.4小结

第三章汽车单出杆磁流变减振器的性能分析与试验

3.1单出杆磁流变减振器性能计算与仿真

3.1.1 MRD阻尼力与可控倍数的计算

3.1.2单出杆MRD仿真

3.2单出杆磁流变减振器台架试验

3.2.1试验方案

3.2.3试验结果

3.3试验与仿真结果比较

3.4小结

第四章半主动悬架自适应变论域模糊控制

4.1整车半主动悬架数学建模

4.2路面激励数学建模与仿真分析

4.2.1路面激励及其频域描述

4.2.2路面随机不平度时域模型的建立

4.2.3随机路面位移的生成

4.3自适应变论域模糊控制

4.3.1基于八板块模型的半主动恳架模糊控制系统的设计

4.3.2自适应变论域模糊控制

4.4仿真比较研究

4.5小结

第五章MRD半主动悬架鲁棒变论域模糊复合控制

5.1鲁棒控制问题及其求解

5.2整车数学模型与鲁棒控制策略

5.3鲁棒-自适应变论域模糊控制策略

5.4仿真研究

5.5小 结

第六章磁流变半主动悬架控制试验

6.1台架试验

6.1.1试验设备

6.1.2试验条件

6.1.3试验结果分析

6.2道路试验

6.2.1试验设备与方法

6.2.2试验条件

6.2.3试验结果分析

6.3小结

第七章总结

7.1全文总结

7.2工作展望

参考文献

附录