半主动座椅悬架控制理论与实验研究

论文摘要

越野车辆和工程机械经常工作于恶劣的环境中,在行驶或作业的过程中,由于路面的不平而产生强烈的振动。如果驾驶员或操作者长时间暴露于一定强度的振动中,将影响到其工作效率,严重的还会导致身体损伤。为了减小振动传递到驾驶员或操作者身上,一般通过座椅悬架系统对振动进行隔振,从而改善乘坐的舒适性。由于被动座椅悬架系统对隔振性能的改善空间有限,不能有效减小低频段振动传递的强度,因而需要半主动或主动悬架系统来进行有效衰减。磁流变液这种功能材料在近年来受到人们的极大重视,利用磁流变液特性的产品在土木工程、机械工程中的应用中显示出了优越的性能,其中以磁流变阻尼器作为减振控制的应用最为突出,例如高楼隔振和大桥悬拉索减振等。磁流变阻器减振应用的一个重要领域是悬架系统,其中包括车辆悬架系统和车辆座椅悬架系统。在磁流变阻尼器的悬架应用中,主要是为了耗散由路面激励所产生的对车辆和乘员的振动能量,改善乘座的舒适性。本文中将以基于磁流变阻尼器半主动座椅悬架为研究对象,研究和探讨控制系统的这些关键技术。研究内容主要包括如何利用磁流变阻尼器阻尼特性实验的结果,通过优化方法得到其数学模型的参数,并由此数学模型推导出结构简单、精度较高的逆模型。以及如何设计一个控制策略,不仅对参数不确定性具用鲁棒性,而且能减少传感器的使用和避免用到一些难以获取的状态量作为控制决策量,从而使控制策略容易实现,且降低其实现成本。最后通过数值仿真和实验的方法检验这些关键技术。在本文中所做的具体工作包括以下几个方面:（1）对磁流变阻尼器进行阻尼特性实验,并利用实验结果通过遗传算法辨识Bouc-Wen现象模型中的14个参数,由此建立了该磁流变阻尼器的数学模型,为座椅半主动悬架系统的数值仿真提供基础。（2）由磁流变阻尼器Bouc-Wen现象模型推导出不仅结构简单,容易实现,但又具有一定精度的磁流变阻尼器逆模型。该逆模型利用期望控制力和当前的活塞速度而得到磁流变阻尼器需要输入的电压,利用此逆模型能将目前众多的主动控制算法运用到半主动控制当中。（3）针对实际物理系统难以准确建模,以及被控对象参数随环境变化而变化的特点,运用参数不确性理论将这些因素考虑到控制器的设计过程中,推导出具有参数不确定性的H∞鲁棒输出反馈控制器,由此提高半主动控制系统的控制器对参数摄动的鲁棒性,保证控制器动态性能。（4）根据工程车辆座椅悬架系统振动实验的国家标准,利用激振加速度的功率谱密度要求,通过傅里叶逆变换的方法求得激振输入在时域的位移和速度数据,这些数据可作为半主动座椅悬架系统数值仿真和实验的激励输入。（5）应用数值仿真的方法对半主动座椅悬架系统进行仿真研究,不仅将被动悬架与半主动悬架系统的动态性能在时域中进行了对比研究,而且运用频域分析方法来进行分析比较。另外,通过在仿真中加入多种参数摄动的方法,检验控制器对参数不确定性的鲁棒性。（6）运用LabVIEW程序设计的方法来实现半主动座椅悬架的控制器,该控制器包括数据采集、信号调理、半主动约束、磁流变阻尼器逆模型、控制信号输出、H∞鲁棒输出反馈控制器等部分。（7）为了检验控制系统的可行性和鲁棒性,对基于磁流变阻尼器的座椅半主动悬架系统进行了实验设计,主要包括座椅模态实验、座椅激振的实现、座椅夹具设计、驾驶员模拟、控制器实现等方面。通过座椅悬架实验,比较被动悬架和半主动悬架系统的振动控制效果,验证控制系统的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 插图索引
• 附表索引
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 车辆智能悬架系统的应用现状
• 1.2.1 车辆智能悬架系统概述
• 1.2.2 主动悬架系统
• 1.2.3 半主动悬架系统
• 1.3 车辆座椅悬架系统的研究概况
• 1.3.1 车辆座椅分类
• 1.3.2 座椅悬架控制系统的研究进程
• 1.4 智能悬架系统控制策略研究概况
• 1.4.1 智能悬架系统的经典控制策略
• 1.4.2 智能悬架系统的现代控制策略
• 1.4.3 智能悬架系统智人控制策略
• 1.5 磁流变液的组成与性能
• 1.5.1 磁流变液流变特性及工作模式
• 1.5.2 磁流变液本构关系
• 1.5.3 磁流变技术应用
• 1.6 本文的主要研究内容
• 第2章 磁流变阻尼器数学模型及逆模型研究
• 2.1 磁流变阻尼器数学模型
• 2.1.1 磁流变阻尼器正模型
• 2.1.2 磁流变阻尼器逆模型
• 2.2 磁流变阻尼器阻尼特性实验
• 2.2.1 实验原理
• 2.2.2 实验标准
• 2.2.3 控制电压与线圈电流之间的关系
• 2.2.4 实验设备
• 2.2.5 实验过程及数据结果分析
• 2.3 磁流变阻尼器逆模型研究
• 2.3.1 磁流变阻尼器数学模型确定
• 2.3.2 磁流变阻尼器逆模型推导
• 2.3.3 磁流变阻尼器逆模型验证
• 2.4 磁流变阻尼器半主动约束
• 2.5 本章小结
• 第3章 悬架系统的控制策略研究
• 3.1 半主动天棚控制
• 3.1.1 被动与半主动悬架
• 3.1.2 天棚控制策略
• 3.2 鲁棒控制
• 3.2.1 线性矩阵不等式
• ∞性能指标'>3.2.2 鲁棒H_∞性能指标
• ∞综合'>3.2.3 控制系统的 H_∞综合
• 3.2.4 系统不确定描述
• ∞鲁棒输出反馈控制器设计'>3.3 具有参数不确定性的 H_∞鲁棒输出反馈控制器设计
• 3.3.1 控制系统描述
• ∞控制器设计'>3.3.2 最优H_∞控制器设计
• 3.3.3 定理证明
• 3.4 本章小结
• 第4章 半主动座椅悬架数值仿真
• 4.1 半主动座椅悬架系统描述
• 4.1.1 座椅悬架系统数学建模
• 4.1.2 控制系统描述
• 4.2 座椅激励确定
• 4.2.1 座椅激励要求
• 4.2.2 座椅激励时域信号求解
• 4.3 仿真参数以及说明
• 4.4 仿真结果及分析
• 4.4.1 两种被动悬架系统的比较
• 4.4.2 控制性能分析与比较
• 4.4.3 参数摄动情况分析
• 4.4.4 驾驶员全身振动暴露分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 半主动座椅悬架实验
• 5.1 实验关键设备介绍
• 5.1.1 加速度传感器
• 5.1.2 NI 数据采集系统
• 5.1.3 磁流变阻尼器与电流驱动器
• 5.1.4 液压激振实验台
• 5.2 座椅参数辨识
• 5.2.1 单自由度振动系统的频响函数
• 5.2.2 座椅模态实验
• 5.2.3 座椅刚度和阻尼辨识
• 5.3 座椅悬架半主动控制实验
• 5.3.1 实验原理
• 5.3.2 LabVIEW 与虚拟仪器
• 5.3.3 基于LabVIEW 的控制器设计
• 5.3.4 实验结果分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B （座椅悬架系统数值仿真程序）
• 附录C （座椅模态实验LABVIEW 数据采集程序）