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原文传递车辆座椅隔振系统的主被动控制研究

论文题名：	车辆座椅隔振系统的主被动控制研究
关键词：	汽车座椅;悬架系统;模糊PID控制;隔振性能;加速粒子群算法
摘要：	车辆行驶中，路面激励经轮胎、悬架衰减后传至车身。由于悬架及轮胎的结构设计需综合考虑整车的行驶性能，特别是行驶稳定性要求，故参数和结构优化受限。主动悬架系统虽能在保证稳定性的前提下提升行驶平顺性，但因硬件要求高、能耗大且成本昂贵，除少数高端车型外并未得到广泛使用。研究表明，大多数乘用车在经一二级隔振后，司乘人员仍旧暴露在低频高强度振动下，长期如此会造成内脏器官及脊椎系统的损伤。座椅作为直接与司乘人员相连的最终隔振环节，对其进行优化设计既不影响整车行驶性能，又便于实现，是衰减人体垂向振动，提高平顺性的有效手段。近年来所出现的由弹簧、减振器组成的座椅悬架系统，虽能进一步衰减高频振动，但同时导致低频段隔振能力恶化。本文对坐姿人体的振动特性进行了分析，以降低人体垂向加速度为研究目的，以座椅悬架为研究对象，进行了主被动控制系统的设计以及仿真验证，具体内容如下: 　　针对坐姿人体低频耐受性差的问题，仅考虑车身的垂向、俯仰运动与座椅的垂向运动，建立了六自由度“车轮-车身-座椅、人体”隔振系统模型，采用加速粒子群算法在保证在避开车身固有频率，同时使人体垂向最敏感频率范围位于减振区域内的条件下对座椅悬架中的刚度、阻尼系数进行了参数优化，提升了座椅悬架系统低频段隔振性能。为进一步衰减低频段“座椅、人体”垂向加速度，提升座椅隔振性能，建立了线性二次型最优控制座椅悬架系统。由于所设计的控制系统中车辆前后轮的路面输入无法直接测得，为保证最优控制系统的完全可测，引入了可用以保证系统完全可测的状态观测器。最优控制器的中控制性能的优劣受所设计的目标函数加权矩阵影响极大，然而在常规最优控制器中加权矩阵往往由设计者依据专家经验人为主观确定，易使控制结果陷入局部最优。本文通过加速粒子群算法寻优确定了所设计最优控制器目标函数的加权矩阵，克服了根据经验人为确定的弊端。将基于加速粒子群算法优化的座椅悬架最优控制系统的仿真结果同参数优化被动系统和目前研究中常采用的遗传算法确定加权矩阵的最优控制系统进行对比，验证了基于加速粒子群算法的最优控制系统在衰减人体垂向最敏感频率段“座椅、人体”垂向加速度方面的有效性，提升了座椅的隔振能力。　　由于最优控制中被控系统的完全可测常需依赖于状态观测器，且要求系统能提供精确数学模型，使其在实际工程中的应用受限。本文考虑利用结构简单且无需确定系统的精确模型的PID控制系统以及模糊控制系统来实现对座椅悬架系统的控制，以衰减“座椅、人体”的垂向加速度，将所设计的主动座椅悬架系统同被动系统进行的仿真对比可知:PID座椅悬架系统能够有效降低“座椅、人体”的垂向加速度，但是受制于常规PID控制器中三环节的参数为固定值，系统无法适应时变的工况，仅能在设定好的特定工况下达到最佳的控制性能;而所设计的模糊控制器由于被控量较小，自身控制精度差，无法有效的实现对座椅悬架隔振性能的提升。本文将上述两种控制策略结合构成复合控制系统，建立了基于模糊PID控制器的座椅悬架隔振系统，由模糊控制器所输出的参数修正值完成对PID控制器中三环节参数的整定。该控制器既解决了控制性能与鲁棒性、动态与静态性能之间的矛盾，又能够较好的适应实际工程中的时变工况。通过对系统仿真结果的分析，座椅悬架模糊PID控制系统相较于被动系统能够大幅降低人体敏感频率段的“座椅、人体”的垂向加速度，且对于座椅隔振能力的提升相较于仅由单一的PID控制器或模糊控制器进行控制的座椅悬架系统有大幅的提升。　　为进一步验证所设计复合模糊PID控制系统在提升座椅隔振性能方面的有效性，对所设计的主动座椅悬架系统进行ADAMS/Simulink联合仿真。在ADAMS中完成了对“车辆-剪式座椅-人体”耦合系统的建模，借助于ADAMS/Controls插件模块实现了ADAMS中系统模型与MATLAB/Simulink中模糊PID控制器之间的通信联系。通过动力学模型与仿真软件之间的联合仿真，进一步验证了所设计模糊PID座椅悬架隔振系统的有效性。
作者：	刘杉
专业：	车辆工程
导师：	孙玲玲
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文