汽车磁流变半主动悬架仿人智能控制研究

论文摘要

随着高速公路网的大量建设,车速不断提高,人们对汽车的舒适性和安全性提出了更高的要求。悬架作为影响汽车性能的关键部件,采用能够根据路面情况和车辆运行工况进行实时控制的智能悬架是提高汽车性能的一条重要途径。基于磁流变技术的半主动悬架由于响应快,动态范围宽,功耗低,结构简单,成为了目前智能悬架的研究热点。磁流变阻尼器的研制和半主动控制策略的设计是磁流变半主动悬架的两项关键技术,随着磁流变阻尼器研制水平的不断推进,控制策略的设计与实现将成为磁流变悬架性能最终能否充分体现的关键因素。由于磁流变悬架是一个存在有不确定性、时滞的复杂非线性动力学系统,控制策略的设计极富挑战性,先前的一些半主动控制算法针对具体问题的特征,虽然都取得了一定的控制效果,但仍然存在局限性,较少从整车的角度对悬架进行协调解耦控制。基于此,本文以“仿人”,“仿生”为指导思想,以安装四支磁流变阻尼器的某国产轿车为研究对象,基于动觉智能图式仿人智能控制理论,运用理论分析、数值仿真和道路试验的方法,对磁流变悬架的建模,控制系统的设计与实现进行了研究,主要进行了以下研究工作:(1)建立了悬架的整车非线性动力学模型,对悬架动力学特性和模型误差进行了研究。整车动力学模型中磁流变阻尼器具有非线性特性;通过试验的方法测试了一些模型参数;研究了阻尼不断变化对悬架传递特性的影响;利用道路测试结果研究了整车悬架动力学模型的误差,分析了误差产生的原因,为控制算法的设计奠定了基础。(2)对磁流变减振器的工作特性进行了测试,建立了一种精确的磁流变阻尼器控制模型。根据汽车悬架减振器的标准和轿车的技术条件,利用电液伺服系统对阻尼器的示功特性、速度特性以及动态响应进行了测试,分析了磁流变阻尼器的工作特性;针对目前磁流变阻尼器控制模型存在的问题,建立了一种基于测试数据的简单、高精度的磁流变阻尼器控制模型。(3)基于整车动力学模型,提出了一种分姿态协调控制的仿人智能控制方法,设计了具有分层递阶的、多模态多控制器的仿人智能控制器。通过对复杂任务的分解,提出将汽车的运动姿态划分为八种进行分姿态协调解耦控制,分别设计了运行控制级和参数校正级。在运行控制级,设计了由八个动觉智能图式组成的图式群,直接对磁流变悬架进行分姿态协调解耦控制;在参数校正级,通过在线调节控制参数,算法具有较强的自适应性;最后运用混合田口遗传算法实现了对仿人智能控器多个控制参数的整定。(4)搭建了基于Matlab/Simulink的磁流变半主动悬架仿真控制研究平台。建

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 汽车半主动悬架振动控制研究的背景和意义
• 1.2 汽车半主动悬架国内外研究及应用情况
• 1.2.1 基于电液或电磁技术的半主动悬架研究及应用情况
• 1.2.2 基于功能材料的半主动悬架研究及应用情况
• 1.3 车辆的悬架模型和振动控制
• 1.3.1 悬架分析模型的推演
• 1.3.2 半主动控制策略的演进
• 1.4 汽车磁流变悬架系统振动控制研究中存在的问题
• 1.5 本文的研究工作
• 1.6 本章小结
• 2 基于动觉智能图式的仿人智能控制理论
• 2.1 前期的仿人智能控制理论
• 2.2 基于动觉智能图式的仿人智能控制理论
• 2.2.1 感知图式的定义及结构描述
• 2.2.2 运动图式的定义及结构描述
• 2.2.3 关联图式的定义及结构描述
• 2.2.4 基于动觉智能图式的仿人智能单元控制器
• 2.3 基于动觉智能图式的仿人智能控制器的设计步骤
• 2.3.1 复杂对象的准确建模
• 2.3.2 复杂控制任务的分解
• 2.3.3 多控制器和多控制模态的动觉智能图式设计
• 2.4 本章小结
• 3 基于磁流变阻尼器的整车悬架系统建模与分析
• 3.1 基于磁流变阻尼器的整车非线性动力学模型的建立
• 3.1.1 基于混合工作模式的磁流变减振器的输入输出特性
• 3.1.2 磁流变减振器工作特性测试
• 3.1.3 磁流变减振器建模及存在的问题
• 3.2 不同阻尼对悬架性能的影响
• 3.3 动力学模型的误差分析
• 3.4 本章小结
• 4 磁流变半主动悬架分姿态协调仿人智能控制器设计
• 4.1 磁流变半主动悬架振动控制复杂任务的分解
• 4.2 磁流变半主动悬架运行控制级动觉智能图式群设计
• 4.2.1 运动姿态A 动觉智能图式设计
• 4.2.2 运动姿态H 动觉智能图式设计
• 4.2.3 运动姿态HP 动觉智能图式设计
• 4.2.4 运动姿态HPR 动觉智能图式设计
• 4.2.5 运行控制级总的动觉智能图式描述
• 4.3 参数校正级设计
• 4.4 分姿态协调仿人智能控制器的分层递阶结构
• 4.5 分姿态协调仿人智能控制器控制参数的整定
• 4.5.1 初始群体的产生
• 4.5.2 适应度函数的选择
• 4.5.3 交叉和变异
• 4.6 本章小结
• 5 汽车磁流变半主动悬架仿人智能控制仿真研究
• 5.1 汽车悬架系统的性能评价
• 5.2 磁流变半主动悬架控制仿真平台的建立
• 5.2.1 路面输入模型
• 5.2.2 磁流变阻尼器的仿真处理
• 5.3 仿人智能控制器离线控制模型的建立及控制参数的寻优
• 5.3.1 离线控制模型的建立
• 5.3.2 仿人智能控制器控制参数的优化
• 5.4 其它一些典型半主动控制算法控制器设计
• 5.4.1 经典半主动控制方法
• 5.4.2 最优控制
• 5.4.3 模糊控制
• 5.5 确定路面和随机路面的仿真对比实验
• 5.5.1 在确定路面激励下的仿真及结果分析
• 5.5.2 在随机路面激励下的仿真及结果分析
• 5.6 本章小结
• 6 控制系统实现与道路试验
• 6.1 基于dSPACE 的磁流变半主动实时控制系统组成
• 6.1.1 试验用车
• 6.1.2 磁流变阻尼器
• 6.1.3 传感器与数据采集评价系统
• 6.1.4 dSPACE AutoBox 实时控制器
• 6.1.5 电流驱动器
• 6.2 控制策略的实现
• 6.2.1 天棚控制策略的实现
• 6.2.2 地棚和混合控制策略的实现
• 6.2.3 最优控制策略的实现
• 6.2.4 模糊控制策略的实现
• 6.2.5 仿人智能控制策略的实现
• 6.3 试验方案的设计
• 6.3.1 随机路面输入平顺性试验
• 6.3.2 确定路面输入道路试验
• 6.4 道路试验结果及分析
• 6.4.1 随机路面试验结果及分析
• 6.4.2 确定路面试验结果及分析
• 6.4.3 道路试验的总结
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结及研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 攻读博士学位期间发表的论文和参加的科研工作
• 附录 B 悬架系统方程的状态空间表达式