基于互联空气悬架系统的车辆动态性能矛盾冲突分析与博弈控制

发布时间：2020-11-14 13:48

　　 随着公路交通的日益发达和国民生活水平的大幅提高,人们对汽车乘坐舒适性与操纵稳定性的要求也日益提高。车辆电控互联空气悬架可实现悬架系统刚度、阻尼的主动调节,对于改善车辆行驶过程中的平顺性与操纵稳定性都有极其重要的意义。其中,通过控制逻辑切换空气弹簧的互联状态,可实现悬架系统的变刚度控制,通过控制可调阻尼减振器的阻尼系数,可实现悬架的变阻尼力控制。整车平顺性与操稳性在车辆实际行驶过程中往往是相互矛盾、此消彼长的,因此,通过对悬架系统刚度和阻尼的协调控制,保持整车姿态稳定的同时兼顾平顺性,提升整车综合动态性能,日益成为车辆工程研究人员关注的热点。互联空气悬架系统可根据连接空气弹簧的互联管路的布置形式,实现多种空气弹簧互联状态间的切换,同时,整车平顺性与操稳性对空气弹簧互联状态又是敏感的,不同的空气悬架互联状态能在某一工况下有效提升一种性能,但同时却会恶化另一种性能。因此,不同工况、不同互联状态下的整车平顺性与操稳性之间存在的矛盾冲突,可归结为二者之间的性能博弈,即二者均试图最大化自身的性能,而另一方的性能则可能因此出现较大的恶化。针对这一现象,本文提出运用博弈论进行互联空气悬架系统协调车辆平顺性与操稳性的博弈控制,进行互联空气悬架系统协调整车动态性能控制系统设计,以期为进一步提升互联空气悬架系统控制性能提供新的理论基础和实现途径。本文基于四角互联空气悬架系统,通过仿真分析在不同工况、减振器定阻尼条件下空气悬架互联状态对整车平顺性与操稳性的影响,获得空气悬架互联状态切换控制逻辑;基于博弈理论建立整车平顺性与操稳性的博弈模型,设计可调阻尼减振器的阻尼力分配控制器、阻尼力输出偏差控制器,并进行控制系统软硬件开发、台架试验等方面的研究,论文的主要研究内容如下:首先,在深入研究单个空气弹簧的动力学特性与空气弹簧互联特性的基础上,设计了四轮处空气弹簧管路互相连接的互联空气弹簧悬架系统构型,基于变质量充放气系统热力学建立了单个空气弹簧的动力学模型、互联管路模型,以及可调阻尼减振器动力学模型。基于上述动力学模型,在车辆动力学仿真软件veDYNA中,首次建立了包含四角互联空气弹簧和可调阻尼减振器的整车仿真模型,作为整车平顺性与操稳性矛盾冲突机理分析和动态性能协调控制方法设计的基础。其次,设计了可综合表征平顺性与操稳性协调的性能指标函数,基于veDYNA整车模型,进行直行工况和转向工况下,不同的互联状态下的平顺性与操稳性性能仿真分析,总结归纳了空气悬架互联状态对平顺性与操稳性优化和恶化的特性。基于以上仿真分析和特性归纳,结合平顺性与操稳性矛盾冲突与协调的难点和特性分析,创新地提出以微分博弈理论解决平顺性与操稳性的矛盾协调方法,并基于博弈理论,设计可调阻尼减振器目标阻尼力分配控制器方案。第三,基于空气悬架互联状态对平顺性与操稳性的性能协调分析,设计了空气弹簧在复杂工况下的互联状态切换逻辑,使空气悬架切换至可改善恶化的性能的互联状态。在此基础上,根据所设计的系统控制目标,基于确定型无穷时域微分博弈理论,设计了可调阻尼减振器输出的阻尼力分配控制器。以所设计的悬架平顺性与操纵稳定性最优指标函数为博弈的支付函数,以七自由度悬架模型为约束条件,从而建立悬架平顺性与操稳性协调博弈模型,通过求博弈模型的软抑制反馈纳什均衡,得到互联空气悬架系统可调阻尼减振器阻尼力最优分配。第四,根据目标最优阻尼力分配,利用自适应超螺旋滑模算法在非线性扰动和高频抖振抑制等方面的优势,设计了目标最优的阻尼力输出偏差控制器,该控制器可使可调阻尼减振器以较高精度输出目标阻尼力,有效抑制集总扰动的干扰。同时,通过对偏差控制器作Lyapunov稳定性分析,给出了控制器的稳定性条件,保证控制器具有较高的控制精度和鲁棒性。在此基础上,利用veDYNA建立了互联空气悬架协调整车动态性能的控制系统仿真模型,通过仿真试验验证了所设计的互联空气悬架协调控制系统的有效性和精度。试验表明,所设计控制系统具有响应时间短、控制精度高、抗干扰能力强等优势,能够使车辆平顺性得到有效提升的同时,车身姿态的大幅度或剧烈变化得到有效抑制。最后,进行了互联空气悬架系统动态控制性能的台车试验验证,基于Arduino DUE处理器开发了整车平顺性和操稳性协调控制器,完成了互联空气悬架试验平台的搭建。采用加速度传感器、气压传感器和高度传感器采集台车相关信息,在试验平台上进行了坏路面直行和稳态转向工况的台架试验,分析协调车辆平顺性和操纵稳定性控制效果,验证互联空气悬架协调动态性能控制系统的有效性和可靠性。研究表明,所设计的控制系统可兼顾整车的平顺性与操稳性,平顺性与操稳性的博弈评价指标总体上得到协调与优化,有效性和鲁棒性良好。即使在坏路面上行驶,与传统空气悬架相比,车身垂向加速度均方根值降低了18.32%,稳态转向工况下,侧倾角幅值减少了1.26%。研究工作提出了结合空气弹簧互联状态切换和车辆动态性能协调博弈控制方法,有效协调了平顺性与操稳性的矛盾冲突,拓宽了互联空气悬架系统控制的研究思路,研究工作对于提升互联空气悬架系统控制领域的研究水平、丰富互联空气悬架系统的研究内容具有一定意义。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U463.33
【部分图文】：

基于互联空气悬架系统的车辆动态性能矛盾冲突分析与博弈控制操纵稳定性方面效果并不明显。德国奔驰公司 2010 年在其 S 级轿AirMatic 一种半主动空气悬架系统，通过将半主动空气悬架（如图 1.1与自适应变阻尼减振器（如图 1.1（b）所示）相结合，构成了可显著适性和操纵稳定性的全新智能型电控空气悬架系统[15]，可减少车身的车辆行驶平顺性和操控性能，国外只有极少数高档车辆上安装使用。科研院所和学者已对空气弹簧悬架和可调阻尼减振器开展了一系列的并具备了一定的研究基础，取得一些研究成果，而对悬架刚度和阻尼自并保持车身姿态稳定，具有良好的操控性能的半主动空气悬架的研究于起步阶段。

单位为 m。弹簧的弹簧力大小等于气压与有效面积的乘积，受路面激励于簧载质量，如表达式（3.5）所示：( ) 1 0 1F P P A 空气弹簧产生的弹簧力，单位为 N；A1为空气弹簧的有效为外界大气压力，单位为 Pa；P1为空气弹簧内部压力，单不同型号空气弹簧内部结构不同，其有效面积变化规律也将所采用的一体式空气悬挂中空气弹簧有效面积的变化特性，特性进行分析。因此，基于 INSTRON8800 单通道液压伺空气弹簧特性测定试验平台，对空气弹簧有效面积随空气弹行研究。本试验采用 BilsteinB4 空气悬架作为样件，此空气弹簧与阻尼减振器合成为一体式空气悬挂，结构如图 3.2 所

re 是一款高精度车辆动力学和动力系统实时仿真关仿真研究。veDYNA 具有开闭环的可操作控制供卡车、拖车等插件及交通和传感器的仿真，并选择使用。veDYNA 专为硬件在环、软件在环和基本方程是由 Rill 教授开发的。主微分方程系统积分，任意积分步长下都能够保持稳定。内核函imulink 模型中，也可作为附加支持平台库，子模和总线实现。品组成有：1）内燃机实时仿真模型 enDYNA；YNA；3）液压制动系统实时仿真模型 RealTimA 车辆模型由底盘模型、发动机模型、传动系模模型五大独立的子模块组成，各子模块根据各自构化，如图 3.13 所示为 veDYNA 中的车辆模型
【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 魏天将;赵亮;韦宏法;;汽车悬架对整车操纵稳定性影响的仿真研究[J];计算机仿真;2015年11期

2 李仲兴;许荣洲;江洪;;稳定杆对互联空气悬架车辆侧倾特性的影响[J];重庆理工大学学报(自然科学);2015年09期

3 江洪;杨勇福;余鹏飞;徐兴;李美;;气路闭环横向互联空气悬架车身高度调节[J];北京航空航天大学学报;2015年11期

4 朱春红;李婕;梁时光;宋建桐;;奔驰轿车空气悬挂系统的结构与特点[J];河南科技;2014年12期

5 伍亮;杨金明;;基于微分博弈理论的含多电源区域电力系统负荷频率控制[J];中国电机工程学报;2014年16期

6 李仲兴;崔振;徐兴;邱亚东;;互联式空气悬架动态特性试验研究[J];科学技术与工程;2014年14期

7 张智勇;李华娟;杨磊;石永强;;基于微分博弈的双渠道广告合作协调策略研究[J];控制与决策;2014年05期

8 陈双;宗长富;刘立国;;主动悬架车辆平顺性和操纵稳定性协调控制的联合仿真[J];汽车工程;2012年09期

9 朱怀念;张成科;李云龙;杨超进;;一类不定仿线性二次型随机微分博弈的鞍点均衡策略[J];广东工业大学学报;2012年03期

10 汪若尘;陈龙;张孝良;朱兴华;;车辆半主动空气悬架系统设计与试验[J];农业机械学报;2012年04期

相关博士学位论文 前8条

1 蒋荣超;轿车悬架零部件性能匹配与轻量化多目标优化方法研究[D];吉林大学;2016年

2 周海英;广义随机线性系统的非合作微分博弈及应用研究[D];广东工业大学;2015年

3 穆蕊;非零和随机微分博弈及相关的高维倒向随机微分方程[D];山东大学;2015年

4 丁飞;重型商用车液压互联悬架系统特性分析及设计[D];湖南大学;2013年

5 周艳平;基于博弈理论的多目标生产调度问题研究[D];华东理工大学;2013年

6 陈双;基于电控空气悬架的轿车平顺性和操纵稳定性协调控制研究[D];吉林大学;2012年

7 李美;带附加气室空气弹簧系统动态特性机理的研究[D];江苏大学;2012年

8 陈燕虹;半主动空气弹簧悬架智能控制算法的仿真及试验研究[D];吉林大学;2005年

相关硕士学位论文 前10条

1 曾亮铭;基于主动悬架的汽车平顺性与操纵稳定性协调控制[D];湖南大学;2017年

2 王维;汽车平顺性与操纵稳定性协同研究与仿真实现[D];吉林大学;2016年

3 陈清;基于微分博弈理论STATCOM与SVC协同控制的研究[D];华南理工大学;2016年

4 邵欣欣;液压互联悬架建模及控制策略研究[D];湖南大学;2014年

5 庄文英;基于动态微分博弈理论的工程应急决策研究[D];山东大学;2014年

6 常媛媛;重型牵引车平顺性和操纵稳定性仿真分析与优化研究[D];合肥工业大学;2014年

7 李华娟;基于博弈分析的双渠道供应链协调机制研究[D];华南理工大学;2013年

8 徐文立;油气悬架对整车动力学性能的影响[D];吉林大学;2011年

9 王福光;BRT客车的操纵性及稳定性分析[D];青岛理工大学;2010年

10 李艳春;基于某6*6越野车的油气互连悬架应用与仿真[D];吉林大学;2008年

本文编号：2883539