磁流變阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型及其在車(chē)輛懸架中的應(yīng)用研究.pdf

1、高速鐵路對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用，但隨著車(chē)輛運(yùn)行速度的不斷提高，車(chē)輛的振動(dòng)不斷加劇，這對(duì)車(chē)輛的行車(chē)安全性及乘坐舒適性都產(chǎn)生極其不利的影響。同時(shí)隨著汽車(chē)逐漸成為人們出行中必不可少的交通工具，人們對(duì)汽車(chē)的NVH(Noise，Vibration，Harshness)特性提出了更高的要求，它直接關(guān)系到汽車(chē)的乘坐舒適性。懸架是改善車(chē)輛行車(chē)安全性及乘坐舒適性的關(guān)鍵部件之一?；诖帕髯冏枘崞鞯陌胫鲃?dòng)懸架在控制效果上接近主動(dòng)懸架，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、

2、能耗小、響應(yīng)快和失效安全性高等特點(diǎn)，目前已成為車(chē)輛振動(dòng)控制領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。但磁流變半主動(dòng)懸架技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，許多理論與應(yīng)用問(wèn)題仍需要進(jìn)一步研究。為此，本文以降低汽車(chē)和高速列車(chē)的振動(dòng)為目標(biāo)，采用理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，研究了磁流變阻尼器的動(dòng)力學(xué)模型和半主動(dòng)控制策略。具體工作包括以下幾方面:
　　 1、磁流變阻尼器的動(dòng)力學(xué)建模。目前考慮激勵(lì)性質(zhì)的磁流變阻尼器動(dòng)力學(xué)模型并不多，而考慮滯環(huán)非線(xiàn)性且適合于實(shí)際控制應(yīng)用的逆

3、向模型則更少。本文從模型準(zhǔn)確性、簡(jiǎn)單性、適應(yīng)性和可逆性等實(shí)際應(yīng)用需求出發(fā)，提出了電流-激勵(lì)依賴(lài)的擴(kuò)展的雙曲正切模型和簡(jiǎn)化的雙曲正切模型，為設(shè)計(jì)更加有效的半主動(dòng)控制器打下基礎(chǔ)。
　　 利用MTS測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)試了內(nèi)通道式和旁通道式兩種不同結(jié)構(gòu)和尺寸的磁流變阻尼器的動(dòng)力學(xué)特性，分析了控制電流和激勵(lì)性質(zhì)對(duì)阻尼力-速度特性的影響。在此基礎(chǔ)上，提出了電流-激勵(lì)依賴(lài)的擴(kuò)展的雙曲正切模型和簡(jiǎn)化的雙曲正切模型，同時(shí)建立了雙曲正切模型、現(xiàn)象模型、

4、擴(kuò)展的非線(xiàn)性滯環(huán)雙粘性模型和通用Sigmoid滯環(huán)模型，采用遺傳算法對(duì)各模型的參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別，并從模型精度、復(fù)雜度和可逆性等方面對(duì)各個(gè)模型進(jìn)行了系統(tǒng)的對(duì)比分析。結(jié)果表明擴(kuò)展的雙曲正切模型具有最高的模型精度，而簡(jiǎn)化的雙曲正切模型求逆方便。通過(guò)解析方法求得了簡(jiǎn)化的雙曲正切模型的逆向模型，同時(shí)采用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊推理系統(tǒng)(ANFIS)建立了逆向模型，并從建模難易度和模型精度兩方面對(duì)兩種逆向模型進(jìn)行了對(duì)比分析。
　　 2、汽車(chē)懸架半主

5、動(dòng)控制研究。由于基于磁流變阻尼器的車(chē)輛懸架是一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性系統(tǒng)，因此半主動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)具有較大的挑戰(zhàn)性。本文從系統(tǒng)控制器和阻尼器控制器兩方面出發(fā)，對(duì)多種現(xiàn)有的半主動(dòng)控制器進(jìn)行研究和改進(jìn)，并提出了一種LQG-Fuzzy半主動(dòng)控制器，建立了一個(gè)通用的仿真平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)各半主動(dòng)控制器的控制效果進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)評(píng)估，為其在汽車(chē)懸架中的應(yīng)用打下理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　 建立了四分之一車(chē)輛懸架動(dòng)力學(xué)模型和隨機(jī)路面不平度輸入模型。設(shè)計(jì)了不需

6、要被控對(duì)象模型的On-Off控制器和模糊控制器，采用逆向簡(jiǎn)化的雙曲正切模型，建立了考慮磁流變阻尼器滯環(huán)非線(xiàn)性的天棚阻尼和LQG半主動(dòng)控制器，結(jié)合LQG控制和模糊控制，提出了一種LQG-Fuzzy半主動(dòng)控制器。仿真評(píng)估了五種半主動(dòng)控制器的控制效果，并分析了簧載質(zhì)量和阻尼器性能的變化對(duì)各控制器性能的影響。建立了一套模擬四分之一車(chē)輛懸架的試驗(yàn)平臺(tái)，采用基于MATLAB的快速控制原型開(kāi)發(fā)系統(tǒng)編寫(xiě)了控制算法程序，對(duì)五種半主動(dòng)控制器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)比研

7、究。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明五種半主動(dòng)控制器都能有效地降低簧載質(zhì)量加速度和懸架動(dòng)撓度，本文提出的LQG-Fuzzy半主動(dòng)控制器具有較高的魯棒性。
　　 3、高速列車(chē)的魯棒半主動(dòng)控制研究。列車(chē)速度的不斷提高對(duì)控制系統(tǒng)的魯棒性提出了更高的要求，目前已提出的各類(lèi)控制算法主要集中在經(jīng)典控制領(lǐng)域，在魯棒控制和滯環(huán)非線(xiàn)性抑制等方面缺乏深入的研究，因此本文將H∞魯棒控制策略應(yīng)用到高速列車(chē)中，提出了一種H∞-ANFIS魯棒半主動(dòng)控制器，為高速列車(chē)的半

8、主動(dòng)控制提供一種新的方法。
　　 建立了17自由度高速列車(chē)橫向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型和隨機(jī)軌道不平順輸入模型。采用H∞魯棒控制理論計(jì)算期望控制力，采用ANFIS技術(shù)計(jì)算所需的控制電流，提出了一種H∞-ANFIS半主動(dòng)控制器，同時(shí)設(shè)計(jì)了On-Off控制器和模糊控制器。仿真評(píng)估了各半主動(dòng)控制器的控制效果，并分析了時(shí)滯對(duì)各控制器性能的影響和磁流變半主動(dòng)懸架的失效安全性。結(jié)果表明相比于被動(dòng)控制，三種半主動(dòng)控制都能大幅降低車(chē)體的橫向振動(dòng)，其中H