具有约束和不确定性的汽车主动悬架控制方法研究
发布时间：2021-11-16 17:48
与传统的被动、半主动悬架相比,汽车主动悬架在车身与车轮之间安装了主动控制力的发生装置——作动器,这能更好的改善汽车乘坐的舒适性和安全性。主动悬架具有欠驱动特性,即控制输入个数小于需要控制的自由度数,存在随时间变化的不确定性和非线性特性,需要在复杂的行驶工况下降低簧载质量的振动,同时满足悬架动行程和轮胎动位移的边界限制。因此其控制方法的设计具有较大的挑战性。本文针对1/4汽车主动悬架中控制方法的设计问题,开展了理论研究和试验验证,旨在对主动悬架的开发提供方法的支持。主要研究工作归纳如下:（1）建立了基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型,分析了简化的二自由度悬架模型和1/4汽车悬架模型的动力学响应,验证了两种模型的等效关系。基于二自由度悬架模型,考虑了悬架弹簧刚度和减振器阻尼的非线性特性,建立了非线性二自由度主动悬架模型。将主动悬架的控制目标表示为簧载质量位移的完整和非完整等式约束（软约束）,提出了主动悬架的等式约束跟随控制,并分析了约束跟随控制下主动悬架的稳定性。通过MATLAB/Simulink平台和Quanser主动悬架试验台,得到了无控制、线性二次控制（Linear quadratic ...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
被动悬架、半主动
第一章绪论3于主动悬架，未见相关文献报道提出一种控制方法，同时能够处理较大的非匹配不确定性和较为复杂的簧载质量位移约束的控制问题。综上分析，本课题的研究目标在于：1)考虑主动悬架中弹簧刚度和减振器阻尼的非线性特性，不采用对悬架进行线性化或者消除悬架中非线性特性的方式进行设计控制方法，从而扩展了主动悬架的应用范围；2)针对非线性悬架模型，将汽车乘坐舒适性的控制目标表示为完整或非完整等式约束，利用所设计的控制方法处理等式约束跟随控制问题，同时满足悬架动行程和轮胎动位移的边界限制(不等式约束)，从而改善主动悬架的综合性能；3)在考虑悬架弹簧刚度、减振器阻尼和控制输入的有界不确定性基础上，所设计的控制方法也能够处理主动悬架系统中存在的较大且有界的簧载质量和外界干扰的非匹配不确定性，并保证系统能够在有限时间内满足完整或非完整约束条件，从而提高主动悬架的稳定性和实用性。1.2汽车悬架研究现状图1-1为被动悬架、半主动悬架和主动悬架的示意图。图1-1(a)为被动悬架的示意图，减振器和悬架弹簧安装在簧载质量与非簧载质量之间；图1-1(b)为半主动悬架的示意图，可调阻尼的减振器和悬架弹簧安装在簧载质量与非簧载质量之间；图1-1(c)为主动悬架的示意图，作动器、减振器和悬架弹簧安装在簧载质量与非簧载质量之间，作动器为控制力的发生装置。(a)被动悬架(b)半主动悬架(c)主动悬架图1-1被动悬架、半主动悬架和主动悬架的示意图被动悬架系统具有价格便宜、结构可靠和设计简单等优点，被广泛应用于中低端汽车上。被动悬架系统中，减振器的阻尼和悬架弹簧刚度是不可调的，不随路面情况而变化，可以满足在大多数路面下衰减簧载质量振动，保证车轮与路面之间的接触，确保悬
华南理工大学博士学位论文61车轮；2转向节；3减振器；4簧载质量；5上控制臂；6悬架弹簧；7下控制臂图1-2基于双横臂悬架的1/4汽车模型但是，基于双横臂悬架的1/4汽车模型的动力学方程(微分代数方程)比较复杂，通常用于分析传统的被动悬架系统的舒适性和安全性，不适合用于主动悬架的控制方法研究。为了便于主动悬架控制方法的设计，国外有研究人员简化了基于双横臂悬架的1/4汽车模型，提出了等效二自由度悬架模型。等效二自由度悬架模型属于二自由度悬架模型，两者的区别是模型中使用的质量、刚度和阻尼参数不一样。(2)等效二自由度悬架模型Kim等人[34]和Chen等人[35]提出了等效二自由度悬架模型，并将其作为主动悬架的控制模型。根据基于双横臂悬架的1/4汽车模型和等效二自由度悬架模型中的动力学响应相等，利用最小二乘法辨识等效二自由度悬架模型中质量、刚度和阻尼。研究结果表明：当作动器的控制力为零时，基于双横臂悬架的1/4汽车模型和等效二自由度悬架模型的动力学响应基本一致，两种模型可以等效。另外，文献[34]和[35]中也研究了等效二自由度悬架模型和基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型的动力学响应。研究结果表明，等效二自由度悬架模型中质量、刚度和阻尼分别近似等于基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型中相对应的参数；悬架几何结构对所研究的基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型的动力学响应影响不大。由于目前市场上大部分乘用车的前悬架都采用麦弗逊悬架且其结构简单，因此基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型被广泛深入的研究。(3)基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型Fallah等人[36]建立了基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型，其结构的示意图如图1-3所示。该模型由控制臂、弹簧减振器、簧载质量和非簧载质量连接而成；控制臂的一端通
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有扰动观测器的汽车主动悬架滑模控制[J]. 秦武,朱钢,上官文斌,Ahmed Waizuddin. 振动工程学报. 2020(01)
[2]非线性二自由度主动悬架滑模控制方法的研究[J]. 秦武,上官文斌,吕辉. 机械工程学报. 2020(01)
[3]基于双横臂的1/4汽车模型及其等效模型的建模控制研究[J]. 朱柏霖,秦武,上官文斌,Subhash Rakheja. 振动与冲击. 2019(10)
[4]考虑系统不确定性的车辆主动悬架自适应模糊滑模控制[J]. 庞辉,梁军,王建平,刘凡. 振动与冲击. 2018(15)
[5]Udwadia-Kalaba方程构建操作臂名义模型的违约消除[J]. 吕桂志,刘荣. 北京航空航天大学学报. 2018(11)
[6]主动悬架的滑模控制指数趋近率参数优化[J]. 王健,蔡宇萌. 重庆理工大学学报(自然科学). 2017(09)
[7]采用Udwadia-Kalaba理论的微振动隔振平台研究[J]. 黄康,孙顺强,葛新方,王卫荣,刘伟炜,袁炜. 西安交通大学学报. 2017(01)
[8]基于模型参考方法的车辆非线性主动悬架反推控制[J]. 庞辉,陈嘉楠,梁军,陈英. 兵工学报. 2016(10)
[9]车辆半主动悬架全息最优滑模控制器设计方法[J]. 陈士安,王骏骋,姚明. 交通运输工程学报. 2016(03)
[10]汽车磁流变半主动悬架系统设计与试验[J]. 寇发荣. 农业机械学报. 2016(04)
博士论文
[1]考虑不变点特性的半主动悬架综合性能研究[D]. 聂士达.吉林大学 2018
[2]汽车主动悬架系统的非线性控制研究[D]. 潘惠惠.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于电液伺服主动悬架的车身位姿稳定性控制研究[D]. 董绪斌.吉林大学 2017
[4]汽车悬架系统的主动振动控制[D]. 孙维超.哈尔滨工业大学 2013
[5]车辆电磁主动悬架鲁棒控制研究[D]. 张勇超.上海交通大学 2012
本文编号：3499294
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：129 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
被动悬架、半主动
第一章绪论3于主动悬架，未见相关文献报道提出一种控制方法，同时能够处理较大的非匹配不确定性和较为复杂的簧载质量位移约束的控制问题。综上分析，本课题的研究目标在于：1)考虑主动悬架中弹簧刚度和减振器阻尼的非线性特性，不采用对悬架进行线性化或者消除悬架中非线性特性的方式进行设计控制方法，从而扩展了主动悬架的应用范围；2)针对非线性悬架模型，将汽车乘坐舒适性的控制目标表示为完整或非完整等式约束，利用所设计的控制方法处理等式约束跟随控制问题，同时满足悬架动行程和轮胎动位移的边界限制(不等式约束)，从而改善主动悬架的综合性能；3)在考虑悬架弹簧刚度、减振器阻尼和控制输入的有界不确定性基础上，所设计的控制方法也能够处理主动悬架系统中存在的较大且有界的簧载质量和外界干扰的非匹配不确定性，并保证系统能够在有限时间内满足完整或非完整约束条件，从而提高主动悬架的稳定性和实用性。1.2汽车悬架研究现状图1-1为被动悬架、半主动悬架和主动悬架的示意图。图1-1(a)为被动悬架的示意图，减振器和悬架弹簧安装在簧载质量与非簧载质量之间；图1-1(b)为半主动悬架的示意图，可调阻尼的减振器和悬架弹簧安装在簧载质量与非簧载质量之间；图1-1(c)为主动悬架的示意图，作动器、减振器和悬架弹簧安装在簧载质量与非簧载质量之间，作动器为控制力的发生装置。(a)被动悬架(b)半主动悬架(c)主动悬架图1-1被动悬架、半主动悬架和主动悬架的示意图被动悬架系统具有价格便宜、结构可靠和设计简单等优点，被广泛应用于中低端汽车上。被动悬架系统中，减振器的阻尼和悬架弹簧刚度是不可调的，不随路面情况而变化，可以满足在大多数路面下衰减簧载质量振动，保证车轮与路面之间的接触，确保悬
华南理工大学博士学位论文61车轮；2转向节；3减振器；4簧载质量；5上控制臂；6悬架弹簧；7下控制臂图1-2基于双横臂悬架的1/4汽车模型但是，基于双横臂悬架的1/4汽车模型的动力学方程(微分代数方程)比较复杂，通常用于分析传统的被动悬架系统的舒适性和安全性，不适合用于主动悬架的控制方法研究。为了便于主动悬架控制方法的设计，国外有研究人员简化了基于双横臂悬架的1/4汽车模型，提出了等效二自由度悬架模型。等效二自由度悬架模型属于二自由度悬架模型，两者的区别是模型中使用的质量、刚度和阻尼参数不一样。(2)等效二自由度悬架模型Kim等人[34]和Chen等人[35]提出了等效二自由度悬架模型，并将其作为主动悬架的控制模型。根据基于双横臂悬架的1/4汽车模型和等效二自由度悬架模型中的动力学响应相等，利用最小二乘法辨识等效二自由度悬架模型中质量、刚度和阻尼。研究结果表明：当作动器的控制力为零时，基于双横臂悬架的1/4汽车模型和等效二自由度悬架模型的动力学响应基本一致，两种模型可以等效。另外，文献[34]和[35]中也研究了等效二自由度悬架模型和基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型的动力学响应。研究结果表明，等效二自由度悬架模型中质量、刚度和阻尼分别近似等于基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型中相对应的参数；悬架几何结构对所研究的基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型的动力学响应影响不大。由于目前市场上大部分乘用车的前悬架都采用麦弗逊悬架且其结构简单，因此基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型被广泛深入的研究。(3)基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型Fallah等人[36]建立了基于麦弗逊悬架的1/4汽车模型，其结构的示意图如图1-3所示。该模型由控制臂、弹簧减振器、簧载质量和非簧载质量连接而成；控制臂的一端通
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有扰动观测器的汽车主动悬架滑模控制[J]. 秦武,朱钢,上官文斌,Ahmed Waizuddin. 振动工程学报. 2020(01)
[2]非线性二自由度主动悬架滑模控制方法的研究[J]. 秦武,上官文斌,吕辉. 机械工程学报. 2020(01)
[3]基于双横臂的1/4汽车模型及其等效模型的建模控制研究[J]. 朱柏霖,秦武,上官文斌,Subhash Rakheja. 振动与冲击. 2019(10)
[4]考虑系统不确定性的车辆主动悬架自适应模糊滑模控制[J]. 庞辉,梁军,王建平,刘凡. 振动与冲击. 2018(15)
[5]Udwadia-Kalaba方程构建操作臂名义模型的违约消除[J]. 吕桂志,刘荣. 北京航空航天大学学报. 2018(11)
[6]主动悬架的滑模控制指数趋近率参数优化[J]. 王健,蔡宇萌. 重庆理工大学学报(自然科学). 2017(09)
[7]采用Udwadia-Kalaba理论的微振动隔振平台研究[J]. 黄康,孙顺强,葛新方,王卫荣,刘伟炜,袁炜. 西安交通大学学报. 2017(01)
[8]基于模型参考方法的车辆非线性主动悬架反推控制[J]. 庞辉,陈嘉楠,梁军,陈英. 兵工学报. 2016(10)
[9]车辆半主动悬架全息最优滑模控制器设计方法[J]. 陈士安,王骏骋,姚明. 交通运输工程学报. 2016(03)
[10]汽车磁流变半主动悬架系统设计与试验[J]. 寇发荣. 农业机械学报. 2016(04)
博士论文
[1]考虑不变点特性的半主动悬架综合性能研究[D]. 聂士达.吉林大学 2018
[2]汽车主动悬架系统的非线性控制研究[D]. 潘惠惠.哈尔滨工业大学 2017
[3]基于电液伺服主动悬架的车身位姿稳定性控制研究[D]. 董绪斌.吉林大学 2017
[4]汽车悬架系统的主动振动控制[D]. 孙维超.哈尔滨工业大学 2013
[5]车辆电磁主动悬架鲁棒控制研究[D]. 张勇超.上海交通大学 2012
本文编号：3499294
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