三轴重型车辆行驶平顺性与操纵稳定性协同控制研究

发布时间：2020-07-11 13:31

【摘要】：随着公路货运业的发展,重型货车的数量日益增多,人们对其整体品质的要求也在不断提高。其中,行驶平顺性和操纵稳定性,是车辆最主要的两个动力学性能,对其进行控制研究是提高车辆整体品质的必要前提。悬架控制能够抑制车辆系统的振动,提高其行驶平顺性;转向控制和直接横摆力矩控制可抑制车辆偏航、防止侧翻,提高其操纵稳定性。然而,悬架系统、转向系统和驱动/制动系统间存在耦合关系,因此,为了提高车辆的综合性能,研究平顺性与稳定性的协同控制,具有重要的理论意义和应用前景。本文基于二自由度1/4车辆模型,设计了半主动悬架LQG控制器,引入层次分析法计算了控制器各指标的权重系数,通过与被动悬架和On-Off控制半主动悬架的对比,分析了LQG控制半主动悬架的优越性。针对三轴重型车辆建立了八自由度半车平顺性模型,并通过与实验数据对比验证了其准确性。设计了基于层次分析法的半主动悬架多目标LQG控制器,并基于MATLAB/Simulink进行了仿真试验。采用线性二自由度操纵稳定性模型,对比分析了前轮转向车辆与全轮转向车辆的动力学特性。对前轮转向车辆零质心侧偏角临界速度的存在条件进行了推导与验证;基于准静态侧翻理论提出了全轮转向车辆的侧翻预测模型和极限速度、极限转角预测模型。针对三轴重型车辆建立了全轮转向十自由度非线性操纵稳定性模型。考虑垂向载荷转移和车轮滑移率等对轮胎侧向力的影响,基于刷子模型对参考模型的轮胎侧偏刚度进行了动态逆向估计。结合比例转向控制和直接横摆控制提出了一种稳定性集成控制策略,基于阿克曼原理和模糊PID控制技术设计了稳定性集成控制器,并通过仿真验证了控制效果。针对车辆平顺性与稳定性协同控制问题,分析了悬架系统、转向系统等的相互关系,考虑轮胎动载荷变化对车辆稳定性的影响,建立了平顺性与稳定性相互作用的协同模型。通过分析随机路面下转向时协同模型与操稳模型的不同,证实了协同控制研究的必要性。依据平顺性与稳定性协同原理,提出了车辆系统综合控制策略,设计了悬架半主动控制与稳定控制相结合的协同控制器,并通过仿真验证了控制效果。研究表明,所设计的基于层次分析法的LQG控制器,使半主动悬架具有良好的有效性和工况适应性;比例转向控制与直接横摆力矩控制相结合的稳定性集成控制器,可以避免车辆在不同工况下的转向失稳;平顺性控制与稳定性控制的协同使车辆具有更强的鲁棒性。本文的模型和控制策略可为多轴重型车辆平顺性与稳定性控制的研究提供理论参考。
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U461
【图文】：

二自由度,车辆模型,可控阻尼力

图 2-1 二自由度车辆模型数为 cs，可控阻尼力为 Fc，s 2 1( )d cF = c z z +F系统的动力学方程为：1 s 2 11 s 2 1 1) ( ) 0) ( ) ( ) ct cz k z z Fz k z z k z q F + + = + 车身加速度、悬架动行程与轮状态变量为 X=[x1, x2, x3, x4])，取1 2 2 1 3 2 1 x = z , x = z , x = z z 为：

半主动悬架,车辆模型

第三章三轴重型车辆半主动悬架 LQG 控制本章建立了带有半主动悬架的 8 自由度三轴车辆平顺性模型，并通过仿真与实验结果对比验证了模型的准确性。以驾驶室加速度等 10 个性能参数作为车辆的评价指标，利用第二章中的 LQG 算法设计了车辆半主动悬架的 LQG 控制器，并采用层次分析法确定各控制指标的权重系数。以 B 级路面 70 km/h 工况为例，对比了半主动悬架与被动悬架的动力学性能；并基于路面等级和不同车速的 25 种工况，分析了控制策略的适应性。3.1 三轴车辆平顺性动力学模型3.1.1 半主动悬架车辆模型建立基于半主动悬架的八自由度半车模型，如图 3-1 所示。

三轴车,平顺性,仿真模型

于 MATLAB/Simulink 搭建三轴车辆的平顺性模型，如图 3-3 所示（驾驶员座椅处）、车体质心、前轮（左）、中轮（左）和后轮（处振动加速度的大小作为评价依据。其中，B 级路面 50 km/h 工况试结果对比如图 3-4 与表 3-2 所示。( c)( a)( d)(b )图 3-2 试验测试现场情况

【参考文献】