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基于磁流变阻尼器双曲正切逆模型的半主动悬架h_∞控制研究

'基于磁流变阻尼器双曲正切逆模型的半主动悬架h_∞控制研究'
硕士学位论文硕士学位论文 基于磁流变阻尼器双曲正切逆模型的半 主动悬架 H∞控制研究 A H∞ Control Approach to MR-Damper Semi-active Suspension via Reverse Hyperbolic Tangent Model 卢亚慧卢亚慧 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2015 年年 6 月月 国内图书分类号:U469.72 学校代码:10213 国际图书分类号:629 密级:公开 工工程程硕士学位论文硕士学位论文 基于磁流变阻尼器双曲正切逆模型的半 主动悬架 H∞控制研究 硕 士 研 究 生 : 卢亚慧 导 师 : 宁永臣副教授 申 请 学 位 : 工程硕士 学科 : 控制工程 所 在 单 位 : 航天学院 答 辩 日 期 : 2015 年 6 月 授予学位单位 : 哈尔滨工业大学 Classified Index: U469.72 U.D.C: 629 Dissertation for the Master Degree in Engineering A H∞ Control Approach to MR-Damper Semi-active Suspension via Reverse Hyperbolic Tangent Model Candidate:: Lu Yahui Supervisor:: Vice-Prof. Ning Yongchen Academic Degree Applied for:: Master of Engineering Speciality:: Control Engineering Affiliation:: School of Astronautics Date of Defence:: June, 2015 Degree-Conferring-Institution:: Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 I 摘 要 半主动悬架具有体积小、性能好、价格低等优点,得到了国内外工程界、学 术界的广泛关注。磁流变阻尼器通过输入到阻尼器线圈中的电流大小改变阻尼力, 且具有响应的速度快且耗费能量少的特点,成为目前半主动悬架的主要研究对象。 对此,本文以磁流变阻尼器为对象研究半主动悬架的控制方法。 本文针对不平整路面(如凸起、凹陷)工况,根据车辆平顺性和操纵性的性能要 求,首先设计了对输出阻尼力进行控制的 H∞状态反馈控制器,并在此基础上,采 用磁流变阻尼器双曲正切逆模型,将阻尼力转换成驱动电流,实现了半主动悬架 控制。而后针对 H∞状态反馈控制器要求状态可测量,这对传感器和测量方法提出 较高要求, 导致应用成本较高。 对此, 本文进一步考虑设计满足系统性能需求的 H∞ 输出反馈控制器,以减低应用成本,提高控制器的可应用性。 为实现半主动悬架控制,首先根据磁流变阻尼器的强非线性,给出了以输出 阻尼力为控制变量、基于阻尼器逆模型将阻尼力转换为驱动电流的半主动悬架控 制系统结构,并建立了 1/4 悬架模型;接着在分析磁流变阻尼器的滞回、双黏性等 特性以及现有的阻尼器模型特点的基础上,结合仿真模型数据,建立了两参数随 电流变化的磁流变阻尼器双曲正切模型,推导了双曲正切逆模型,并仿真验证了 模型的有效性。 在以阻尼力控制器设计过程中,为达到悬架系统的控制目标,首先分析悬架 系统的固有属性,给出了车辆平顺性、操纵性以及悬架行程之间的制约关系,对 后续控制器的开发及分析有指导意义。接着给出了不平整路面工况的输入模型, 为仿真分析做准备。针对不平整路况、考虑悬架的性能要求给出了 H∞状态反馈控 制器的设计方法,根据逆模型计算出电流后仿真分析验证了控制效果的有效性。 但这种策略要求对象的状态全部可测,给状态不可直接测量系统的应用带来困难, 且悬架系统所需的传感器数量增多,会增加整车成本,降低系统可靠性。 因此, 为减少悬架系统传感器数量, 针对系统部分状态不可直接测量的情况, 本文又设计了磁流变半主动悬架的 H∞输出反馈控制器。 该方法通过对性能输出加 权得到目标函数,解 LMI 线性矩阵不等式得到动态控制器,最后,通过与 H∞状 态反馈控制方法的对比分析,验证了所提控制方法的性能,这给低成本的半主动 悬架的研究应用增加了可行性。 关键词:半主动悬架;磁流变阻尼器;H∞控制;逆模型; 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 II Abstract The semi-active suspension has advantages of small volume, good performance, low price, and has won the extensive research and application of engineering and academic circles both at home and abroad. Because of less power consumption, having the advantages of fast response and good controllability, magneto-rheological (MR) damper has become an important research object of the semi-active suspension. So researching the MR semi-active suspension control method of vehicle suspension system is of great significance. In this paper, in view of the uneven road surface (such as bump or pothole) and in order to improve the trade-off between comfort and suspension travel, a H∞ controller for damping force of semi-active suspension equipped with magneto -rheological (MR) damper is presented, and combined with the inverse hyperbolic tangent model of MR damper to obtain driven current, thereby, to achieve the controlling of vehicle semi-active suspension. In order to achieve the MR semi-active suspension control, chapter 2 firstly analyzes the characteristics of the MR damper, MR damper exhibit strong nonlinear dynamical behavior including bi-viscous and hysteretic behaviors. then the existing model of MR damper is simulated and analyzed. According to the simulation model’s data, a two varying parameters of Hyperbolic tangent model of MR damper is showed, on the basis of this model, an inverse model to obtain driven current is calculated. Last, simulation results show the validity of the inverse model. Due to MR damper’s strong nonlinear, complex structure, it is very difficulty in designing controller according to MR damper model. So, this paper presents a solution for semi-active suspension control in which a controller for damping force of semi-active suspension equipped with MR damper is presented, and combined with the inverse model of MR damper to obtain driven current. In the damping force controller design process, in order to achieve control of suspension system, chapter 3, first of all, analyze the inherent nature of suspension system, give the ride comfort, road holding and suspension stroke limitation’s relationship, providing theoretical guidance for the controller design and analysis. Then the uneven road surface model is given to prepare for the simulation analysis. In view of 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 III the uneven road surface, given the suspension performance objectives, chapter 3 presents a H∞ state feedback controller, and based on inverse MR damper model calculate the control current , and simulation analysis shows the validity of the control effect. However, this method requires the system state all measurable, brings to the application difficult of system that state cannot be directly measured. Moreover, the increasing of number of sensors enhances the control cost and reduces the system reliability. In view of the defects of H∞ state feedback control method, in chapter 4, a H∞ output feedback controller is given, expecting to get as much as possible H∞ state feedback controller’s control effect. The method adds the weighting functions to performance output to get the objective functions, and then solve linear matrix inequality (LMI) to obtain dynamic controller. Comparison H∞ state feedback control method, the simulation shows that the validity of the control effect. Keywords: Semi-Active Suspension; MR Damper; H∞ control; Inverse Model; 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 I 目目 录录 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 绪 论 1 1.1 课题的研究背景以及研究目的和意义 . 1 1.2 磁流液半主动悬架研究现状及分析 . 3 1.2.1 磁流变液技术和磁流变阻尼器研究进展 3 1.2.2 磁流变半主动悬架国内外主要研究现状及分析 4 1.3 本文主要研究内容及组织结构 . 7 第 2 章 磁流变半主动悬架建模 9 2.1 引言 . 9 2.2 半主动悬架系统建模 . 9 2.3 磁流变阻尼器建模 . 12 2.3.1 磁流变阻尼器特性分析 12 2.3.2 磁流变阻尼器的双曲正切逆模型 17 2.4 本章小结 . 27 第 3 章 磁流变半主动悬架 H∞状态反馈控制器设计 28 3.1 引言 . 28 3.2 悬架的性能指标与固有属性分析 . 28 3.2.1 悬架的性能指标分析 28 3.2.2 悬架的固有属性 30 3.3 路面输入模型 . 31 3.4 H∞状态反馈控制器的设计 . 33 3.4.1 半主动悬架 H∞状态反馈控制问题描述 33 3.4.2 H∞状态反馈控制算法的求解 34 3.5 仿真结果及分析 . 36 3.5.1 时域仿真分析 37 3.5.2 频域仿真分析 45 3.6 本章小结 . 47 第 4 章 磁流变半主动悬架 H∞输出反馈控制器设计 48 4.1 引言 . 48 4.2 H∞输出反馈控制器设计 . 48 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 II 4.2.1 控制问题描述 48 4.2.2 H∞输出反馈控制算法设计 50 4.3 性能加权函数 . 53 4.4 仿真结果及分析 . 55 4.4.1 时域仿真分析 55 4.4.2 频域仿真分析 60 4.5 本章小结 . 62 结论 63 参考文献 64 攻读学位期间发表的学术论文 69 致 谢 71 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 1 第第1章章 绪绪 论论 1.1 课题的研究背景以及研课题的研究背景以及研究目的和意义究目的和意义 自 19 世纪 90 年代世界第一辆汽车被制造出开始,汽车便开始影响着人类的 生活,使得人类传统的交通运输观念发生了很大变化。随后的一百多年的发展, 汽车产业的技术水平和规模得到了空前的发展,使之成为当今社会中最重要的交 通运输工具之一。由于汽车行业技术的不断进步与个人生活层次的改善,人们已 从较多关注汽车的实用性向注重舒适、安全、环保等多种要求进行转变。其中乘 客的乘车舒适性和车辆的操纵稳定性等成为评判车辆性能的重要指标,而悬架系 统承担着汽车的舒适性、安全性和稳定性的重要责任,得到了工业进和学术界的 广泛关注,成为现代汽车的重要研究领域之一。 车辆在前进路途中,因为道路的凹凸不平整,轮胎遭受持续的干扰,轮胎不 同方向的冲击力导致了汽车的振动。轮胎本身具有弹性可以缓冲较小的振动,但 对于消减恶化汽车舒适性与操纵性等性能的过大的冲击力来说,此时除了应用弹 性轮胎外,在车身和轮胎之间安装的悬架系统对缓冲路面的颠簸振动起着非常重 要的作用。悬架作为车辆中很关键的结构,是车身和轮胎之间的所有传递力的结 构的总称[1],影响着车辆的安全性(操纵性)和舒适性(平顺性)等性能。车辆的操纵 性体现在轮胎对路面的附着能力上,直接影响着车辆的转动方向、制动和牵引等 机动性。如果能减少轮胎垂直方向的受力情况,则可以改善转动方向、制动和牵 引性能,这让汽车可以更好的依据司机的意向进行行驶。此外还要避免悬架性能 恶化时,可能出现的轮胎脱离地面的危险情形。而车辆的舒适性要求车辆在道路 上行驶时由于路面的不平引起的颠簸给乘车人员带来的不适程度限定在小范围里。 它将人们的主观意识作为依据,难于界定好坏。而人们对垂直方向上的振动反应 大,因此在车辆动力学上,可以用悬架质量的垂直加速度来进行评价。 人们对车辆性能的追求与科技的进步,导致悬架的构造和控制类型在不断的 改进。依据悬架导向机构的差异,可分为非独立悬架和独立悬架两种。在非独立 悬架系统中, 车桥上两边的车轮之间的垂直运动能够互相的传递。 而独立悬架中, 两车轮的垂直运动无关联。 根据悬架形式和控制性能的不同,有被动悬架、主动悬架以及半主动悬架三 种结构。被动悬架主要由弹性元件和参数不可调节的减震环节构成,半主动悬架 主要由输入少量能量就改变自身阻尼系数的半主动元件(例如磁流变(MR)阻尼器[2]、 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 2 电流变(ER)阻尼器[3])和弹性元件组成,主动悬架跟被动悬架相比增加了耗能的主 动产力元件(如空气压缩弹簧)。这三种悬架的等效结构形式如图 1-1 所示。悬架参 数的设置与车辆的舒适性和操纵性的好坏密切相关。若悬架特性比较“硬” ,即悬 架的弹性元件的刚度和阻尼元件本身的阻尼系数较大,车辆的操纵性能得到改善, 但会使车身的隔离路面扰动能力下降,舒适性降低;若悬架特性比较“软” ,即弹 性元件的刚度不大并且阻尼元件阻尼系数也较小,则车辆的舒适性较好,但车辆 运动时操纵性将会变差,由此可知操纵稳定性和舒适性之间是相互制约和矛盾。 被动悬架针对特定的路面行驶工况,采用操纵性和平顺性折中的方案设置悬架的 参数,一旦设定参数不能改变,因此当路面输入的激励和行驶工况发生变化时, 悬架不能适应这些变化,不能达到性能的最优。 r z us z s z t k s k s c t k s k s c t k M 车身高度 车桥高度 路面高度 被动悬架半主动悬架主动悬架 s m s m s m us m us m us m 图 1- 1 1/4 悬架的三种不同形式 为了解决这一问题,上个世纪 50 年代针对被动悬架的固有缺陷,Federspiel Labross 首先提出了主动悬架的概念[4]。 Automotive Products(AP)公司在气液悬架基 础上研制了最初用于汽车的主动悬架的机械装置[5]。 主动悬架是在被动悬架的结构 基础上增加了一个有源可控的作动器,根据汽车的行驶状态和输入的路面扰动通 过一定的控制策略调节主动力装置来达到主动悬架的最佳“软硬”特性,以适应 不断变化的路况抑制车辆的振动[6]。 主动悬架的提出给悬架控制问题的研究提供了 崭新的思路,很好的解决了悬架的问题。近些年,致力于液压主动悬架系统研究 的日产和丰田公司已宣布研制成功并在轿车中成功应用[7][8]。但是作动器需有体积 较大的空气压缩泵或者液压泵,且具有较高的安全性要求,其安装和应用成本很 高,这导致一般的中低端车无法负担。 鉴于上述原因半主动悬架研究出来,填补了被动悬架与主动悬架之间存在的 空白。80 年代,美国 D.E. Karnopp 等学者给出了半主动悬架系统的概念[9],半主 动悬架通过较少的能量输入利用相应的控制策略来改变弹簧的刚度系数或者阻尼 系数,实现悬架特性的调节优化。这种悬架较主动悬架来说,价格不高,体积又 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 3 小。对于中低端车型来说,这样的性能已可以满足需求。尽管半主动悬架不能提 供非常理想的性能,但具有很高的性价比[10]。目前奥迪和大众一些车型上面已经 开始装配半主动悬架装置,取得了很好的成果。而国内这种悬架系统的探索尚处 于实验阶段,因此半主动悬架也是当下的重要研究对象。 目前,半主动悬架特性的调节方法大致上有两种,主要是根据调节的参数不 同来划分的,一种是调节弹簧的弹性刚度,这种调节比较困难;另一种是调节阻 尼器的可变阻尼。目前这种类型的半主动悬架主要有变节流口径阻尼器[11]半主动 悬架和磁流变半主动悬架。其中 MR 阻尼器由于它能耗少,性能好,可靠性高成 为了当下半主动悬架研究的重要方向。所以研究磁流变半主动悬架的控制算法和 控制器设计具有重要的理论和现实意义。 1.2 磁流液半主动悬架磁流液半主动悬架研究现状及分析研究现状及分析 磁流变阻尼器与弹性元件,导向机构以及控制器等构成了悬架系统。作为系 统振动控制的执行器,磁流变阻尼器及其材料是近些年的研究热点,已取得了不 错的成果。 1.2.1 磁流变液技术磁流变液技术和磁流变阻尼器研究进展和磁流变阻尼器研究进展 随着各种新型功能材料,如磁流变液的研究开发,人们开始着手将这些新型 材料实际应用到半主动悬架中。磁流变液能够通过调节施加到其上的磁场强度来 调节的本身特性(如粘性、塑性)。磁流变阻尼器就是应用这种新开发的材料研制而 成的。它是在普通的阻尼液里面加入了微米级的软磁性颗粒以及辅助性添加剂, 该液体在磁场作用下能够以毫秒级的速度由自由流动的牛顿流体转变为高粘性的 半固体,这种变化是连续可逆的,借助于调节磁场的强度可以进行控制[12],如图 1-2 所示。这种特性称为磁流变效应,最初是由美国学者 Rabinow 在上个世纪 50 年代发现的[13],并设计出了磁流变离合器。鉴于磁流变液的这些好处,受到大家 更广泛的关注,其工程应用也有所突破。 根据磁流变液设计出了各种新型的具有良好用途的产品,例如磁流变离合器, 医疗用的磁流变液手套等,但最具有影响的产品之一是磁流变阻尼器。早在 1996 年,美国公司 Lord 就进行了磁流变液技术的研究,申请了相关方面的专利[14][15], 开始把磁流变液投入于减振控制方面,设计出了性能良好的磁流变液产品。随后 福特、 德尔、 加州大学等公司高校也相继进行了磁流变液减振方面的研究工作。 Ford 的一些工程师们对磁流变液的屈服应力进行了有限元方面的探索,改善了其 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 4 特性[16]。另外文献[17][18]中加州州立大学学者分析了磁流变液的流体力学特性, 在其上面施加不同的磁场强度,发现了磁流变体相变的三个临界场强,并使用这 三个临界点描述磁流变体相变的不同阶段。由此国内外兴起了磁流变技术的探索 潮流。磁流变阻尼器的使用也慢慢增多。在土木工程中多用磁流变阻尼器进行减 震控制、地震防护。日本 Sanwa Teki 公司研发的磁流变阻尼器已应用于楼宇地基 中进行隔振减振[19]。中国多处桥梁公路,例如湖南省岳阳市洞庭湖大桥、山东省 滨州市黄海公路大桥等也都是磁流变阻尼器应用[20]成功的例子。 未加磁场时粒子排列 加强磁场时粒子排列 加弱磁场时粒子排列 图 1-2 磁场作用下的磁流变液特性图 最近,磁流变(MR)阻尼器由于其高强度、优良的可控性、动态范围宽、响应 速率快、能耗少以及性价比高的优点,受到了越来越多的汽车制造商的关注和研 究,成为智能悬架系统中最有前景的振动控制装置。美国 Lord 和 Delphi 公司已经 研制出了用于汽车悬架的 MR 阻尼器并已经在凯迪拉克和奥迪等一些高端车型上 应用[21]。 美国 Virginia 工学院设计的半主动悬架控制系已经在沃尔沃 VN 型重卡上 实行实车道路测试。国内车辆制造商和学者对这方面的探索应用开始的比较晚, 为智能悬架也投进了很多精力,积极参与了技术研究和产品设计也取得了一定的 成果。文献[22]中张步云,陈怀海等人搭建了 MR 阻尼器的减振测试系统,分析了 磁流变阻尼器的减振特性及对振动结构的影响。 文献[23]中宗路航分析了磁流变阻 尼器的动力学性能,建立了 MR 阻尼器的模型并研究出了 LQG :呗,起到了 一定的控制效果。磁流变阻尼器良好的性能使之受到了大量关注,但本身存在的 强烈非线性和滞回特性给汽车悬架的应用增加了困难,成为当下的研究热点。因 而探索 MR 半主动悬架的控制方法很有实际的价值。 1.2.2 磁流变磁流变半半主动悬架主动悬架国内国内外外主要研究现状主要研究现状及及分析分析 半主动悬架从出现发展到现在短短几十年间,得到广大学者的关注与研究, 取得了不错的进展。半主动悬架系统研究的核心问题是控制策略,其直接决定悬 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 5 架最终的控制效果。半主动悬架控制的研究工作开始于 1973 年美国加州大学戴维 斯分校 D.C.Karnopp 等的研究[24]。文献[9]中学者第一次提到了半主动悬架控制, 又阐述了“天棚(Sky-hook)”阻尼控制的思想。天棚阻尼是一个理想的概念,是假 设减震器能够传送一个仅正比于车身速度的力(而不是正比于车身与车轮相对速度 的力)。之所以成为“天棚”阻尼是因为仅考虑车身速度,相当于将阻尼器固定在 车身质量块和刚性平面之间,如图 1-3 所示。这种算法给出的是期望阻尼力,在工 程实践中是不能直接使用的,需要一个执行机构,一般是调节控制阻尼器的阻尼 进行实现的。 进而文献[25]改善了 “天棚” 控制策略, 提出直接控制阻尼系数的 “开关(On-Off)” 半主动悬架控制方法。阻尼器输出的阻尼力等于当前阻尼系数与阻尼器相对振动 速度的乘积,这是阻尼器要满足的约束条件。 s m us m sky c 天 棚 阻 尼 图 1-3 “天棚”阻尼器 其中 d F:阻尼力,c:簧下阻尼,zs:车身质量块的振动速度,zus:为簧下质量块 的振动速度。 (zz ) dsus Fc?? (1-1) 根据“天棚”思想给出的期望阻尼力如下式(1-2)所示,其中 sky c为天棚阻尼。 skys Fc z? (1-2) 将两者结合给出“开关”半主动悬架控制方法。如下式(1-3)所示。 min max (zz )0 (zz )0 ssus ssus cz c cz ??? ?? ?? ? (1-3) 根据“开关”半主动控制思想能够根据车辆的状态获取阻尼系数直接控制阻 尼器产生悬架所需的阻尼力,目前该方法已经在实车中使用。但若车辆状态变化 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 6 时阻尼系数将在最大值和最小值之间来回不连续的切换,这就要求执行器响应速 度快,频带宽,跟踪性能好。另外不连续的状态切换会造成悬架系统的抖动,执 行机构的寿命也会缩短,这是无法避免的。 为了获得更好的控制效果,文献[26]将 1/4 悬架车身质量看做一个不确定性参 数,针对外部不确定扰动设计除了滑膜鲁棒控制器,并和“天棚”控制算法性能比 较,验证了控制器的有效性。Isobe 等[27]也利用滑膜方法设计出了半主动悬架控制 器,获得了好的控制效果;た刂破鞯墓丶谇谢缓娜范,当系统状态变 化切换函数达到一个临界值时,系统结构就发生变化,仍然属于切换控制; 控制方法目前大多处于理论研究中,滑模面的确定较难,实际应用的较少。 在“天棚“思想基础上,文献[28]给出了最优半主动悬架控制策略。四分之一 车辆悬架系统的状态空间模型如下: 12spspp sp xA xB wB yC x u Du ??? ? ? ? ? ? (1-4) 确定系统的性能指标: 0 [] TT Jy Qyu Ru dt ? ?? ? (1-5) 根据最优控制知识,可求出最优控制率: 1T s uR B Px ? ?。其中正定矩阵P通过 求解黎卡提方程获得。该策略在车辆悬架上的研究使用较多,文献[29]描述了最优 控制算法在汽车悬架系统中实现控制的设计过程,文献[30]给出了 LQ 和 LQG 两 种最优控制器,并比较了鲁棒稳定性能。最优控制方法求出阻尼系数后需要利用 天棚算法的思想求解控制电流,也属于一种切换控制,也存在悬架抖振现象。最 优控制在建模时忽略了系统的高频未建模动态,鲁棒性差,加之磁流变阻尼器的 强非线性以及悬架本身不确定性会导致最终控制效果较差。 文献[31]描述了一种连 续“天棚”控制策略,这种改进的“天棚”算法给出了期望阻尼力,通过测试磁 流变阻尼器阻尼力与电流、振动速度的关系建立了图表,因此根据期望阻尼力和 对应的振动速度就可以求出所需要电流。这种方法解决了“天棚”的切换控制带 来的影响,给车辆悬架系统的研究开辟了新的道路。MR 半主动悬架控制的核心在 于调节输入到 MR 阻尼器的绕线中的电流值,也就是控制阻尼系数。由此这种悬 架产生出了两种控制思路。一是直接将线圈电流作为控制量设计控制器;二是将 阻尼力作为控制量设计控制器,通过阻尼力与驱动电流的逆模型得到磁流变阻尼 器驱动电流。 第一类方法的研究中,文献[9][25][32]描述的控制方法都是直接控制阻尼系数, 实际应用中需要根据阻尼系数与电流的非线性关系求出对应的电流。 文献[33]直接 给出了控制电流,描述了一种用双曲正切模型表征磁流变非线性特性的参数依赖 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 7 H∞控制方法,但设计时仅考虑乘车舒适性。对此文献[34]针对文献[33]仅考虑平顺 性性能的不足,增加了操纵性评价指标。 为简化控制器设计, 文献[34]双曲正切模型 中仅用一个变化参数表征电流与阻尼力特性,使得模型的精度较低。 MR 阻尼器存在滞回和“双黏性”等强动态特性,使得第一种策略的控制器设 计难度较大。 采用简化模型可降低控制器设计难度, 但同时带来控制性能的下降。 为此,第二类控制方法将阻尼力考虑为控制量,由此设计控制器,进而通过阻尼 器逆模型计算驱动电流。阻尼力控制器设计方法中,广泛采用“天棚”算法以及 不同的改进算法[35]获取期望阻尼力,这面临着实际中期望阻尼力不可实现的问题。 文献[36]采用多项式模型表征磁流变阻尼器特性, 建立了 H2/H∞鲁棒控制器,这种 方法在振动速度幅值变化时,逆模型不准确,阻尼力会产生较大误差。鉴于磁流 变阻尼器存在滞回与“双黏性”特性,因而在建立驱动电流与阻尼力映射关系时 比较困难。神经网络控制和:刂芠37]是建立磁流变阻尼器逆模型应用比较多的 控制方法。神经网络控制方法鲁棒性和自适应性强,对于复杂的非线性问题比较 实用。文献[38][39]对磁流变阻尼器建立递归神经网络模型,仿真取得了一定的效 果。但是神经网络控制方法模型训练比较困难,需要大量的实验数据,神经网络 的结构层数的不同,训练出来的模型存在很大差异,在使用时多根据使用者的经 验来,所以神经网络控制方法实际使用不多,对于:刂评此狄惨罅康牟馐 数据,算法复杂,同样不是特别好用。所以这种方法的关键在于逆模型的准确建 立,只要模型精度高,其控制效果相对于开关控制来说就比较好。 总之目前存在的很多控制策略都是在一定的前提条件下使用的。因此,进一 步去探索 MR 阻尼器的特性及其悬架的控制,设计开发出简单实用,性价比高的 控制器是非常有必要的。 1.3 本文本文主要研究内容主要研究内容及组织结构及组织结构 综上分析可知,磁流变半主动悬架控制方法存在阻尼器模型精度不高和控制 性能不佳等方面的问题亟待解决。另外,乘车舒适性与操纵性衡量了汽车性能好 坏。为此,本文针对不平整路面(凸起、凹陷)将探索基于磁流变阻尼器逆模型的半 主动悬架的控制问题,兼容乘车舒适性与操纵性,设计简单有效,性价比高的 H∞ 控制器,通过仿真验证控制算法的有效性。为了实现这种控制方法,本文首先分 析了磁流变阻尼器模型并综合实验数据给出了两参数变化的磁流变双曲正切模型, 搭建 1/4 半主动悬架模型,并根据磁流变阻尼器双曲正切模型建立逆模型。然后综 合车辆平顺性和操纵性两种性能要求设计了磁流变半主动悬架 H∞状态反馈控制器, 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 8 仿真分析控制效果。鉴于状态反馈需要测量全部的状态变量,因此要使用多个传 感器,成本增加,为此紧接着设计出了磁流变半主动悬架 H∞输出反馈控制器,根 据双曲正切逆模型来计算驱动电流,最后通过四分之一悬架的数值仿真验证了该 方法的有效性。 本文的组织结构如下: 第 1 章:绪论。介绍磁流变半主动悬架的研究背景及其意义,通过 分析磁流变半主动悬架国内外的研究现状,引出本文的研究内容。 第 2 章:磁流变主动悬架建模。确立本文悬架的控制结构,构建四分之一半 主动悬架的模型。根据从一汽技术中心得到的磁流变阻尼器的数据,分析其动力 学特性。对文献已经有的 MR 阻尼器模型作分析,仿真分析其存在的优缺点,确 定本文最终使用的模型。 推导磁流变阻尼器逆模型, 为控制器的设计做准备工作。 第 3 章:磁流变半主动悬架 状态反馈控制器的设计。以悬架车身垂直加速 度和轮胎压缩量变化率为舒适性和操纵稳定性的性能指标, 设计 状态反馈控制 器,根据控制器输出的期望阻尼力和磁流变阻尼器逆模型求出驱动电流,仿真并 跟天棚控制策略对比,验证最终的控制效果。 第 4 章:磁流变半主动悬架 输出反馈控制器的设计。鉴于状态反馈控制器 所需的测量量多传感器的需求多并且实际中不一定都完全可测量,本章设计了 输出反馈控制器。并将控制效果与 H∞状态反馈控制器和天棚控制算法进行对 比,验证控制效果。 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 9 第第2章章 磁流变半主动悬架建模磁流变半主动悬架建模 2.1 引言引言 本文半主动悬架的研究主要分为两部分,一是磁流变阻尼器的研究;二是磁 流变半主动悬架控制策略的研究。这两部分的研究共同围绕一个问题,即磁流变 阻尼器模型的搭建。建模的目的在于使用数学的方法尽可能精确地描述出磁流变 阻尼器的动力学特性。磁流变阻尼器是一种通过改变输入阻尼器线圈中的电流大 小来改变自身阻尼特性的器件,本身特性十分复杂,存在滞回、双黏性等强非线 性,对此精确地构建出 MR 阻尼器模型十分困难。 目前经过几十年的研究,已经出现了很多种模型。常见的模型有 Bingham 模 型[40]、双黏性模型[41][42]、双曲正切模型[43][44]、多项式模型[31][36][45]、Bouc-Wen 模 型[38][46][47]以及改进 Bouc-Wen 模型(现象模型)[48][49]等。 由于应用目的和场合不同, 因此建立出来的模型的复杂性和精确度也不同。仿真应用时,为了验证控制效果 的有效性使用的模型精度要求高,进而模型复杂,一般这种模型难用于控制器设 计,因此仅用于仿真。控制器设计时,模型的复杂程度影响控制器设计的简易程 度,模型的精度影响最终系统的控制效果,一般要求在降低模型的复杂程度便于 控制器设计的条件下尽可能的提高模型的精度。因此建立精度高,易于设计的模 型显得非常重要。 对此本章首先确定了悬架的控制结构。继而搭建 1/4 半主动悬架模型。接着基 于一汽技术中心的测试研究磁流变阻尼器的特性,然后分析现存在的磁流变阻尼 器模型的优缺点,将高精确度的改进的 Bouc-Wen 模型用于仿真,并以此为数据来 源建立了磁流变阻尼器双曲正切模型。最后由于控制系统结构需求根据磁流变阻 尼器模型确定了描述驱动电流与阻尼力之间映射关系的逆模型,并仿真对比了逆 模型效果。 2.2 半主动悬架系统建模半主动悬架系统建模 目前,磁流变半主动悬架控制方法的研究主要有两种思路:一种是直接建立 磁流变半主动悬架模型,设计以驱动电流为控制量的控制器;另一种是设计以阻 尼力为控制量半主动悬架控制器,继而通过驱动电流与阻尼力逆模型获得磁流变 阻尼器的驱动电流。第一种控制方法复合实际磁流变半主动悬架控制系统的结构, 但阻尼力与驱动电流的强非线性特性,带来控制器设计复杂的问题。第二种控制 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 10 方法采用分层控制器设计结构,第一层设计阻尼力控制器,第二层利用阻尼力与 电流的逆模型实现半主动悬架的控制。第二种控制方法中获得精确阻尼力与驱动 电流关系极其困难,此时,对控制系统性能的影响是未知的。尽管如此,第二种 控制方法具有的控制设计简单的特征,
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