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原文传递混合电磁主动悬架全路况节能机理与智能切换控制研究

论文题名：	混合电磁主动悬架全路况节能机理与智能切换控制研究
关键词：	混合电磁主动悬架;全路况;动力学性能;节能机理;智能切换控制
摘要：	悬架系统是汽车的关键子系统，用于传递车身和车轮之间的力和力矩，缓和冲击、衰减振动，关系到汽车的舒适性、安全性等动力学性能。相较于被动/半主动悬架，主动悬架能够根据行驶路况动态调节系统阻尼与刚度，具备最佳的动力学控制效果。现有的主动悬架结构体系中，液电式主动悬架与空气主动悬架始终受限于执行器的固有特性，普遍存在能耗高、响应滞后、可控带宽小等共性问题，线性电磁主动悬架虽然能够极大地缩短系统响应时间、扩大系统控制带宽，但同样无法有效解决高能耗的难题。因此，降低线性电磁主动悬架系统能耗已成为车辆工程领域的研究热点。本文以国家自然科学基金面上项目“主动馈能混合悬架多模式切换系统动态建模与协调监督控制”（项目编号：51575240）为支撑，以集成直线电机与磁流变阻尼器的混合电磁作动器作为解决线性电磁主动悬架系统能耗的潜在方案，采用系统建模、仿真分析和试验研究相结合的方法，以关键问题的机理探索和抽象建模为核心，对混合电磁主动悬架全路况节能机理、节能方法等问题进行深入研究。　　首先，鉴于不同行驶路况下动力学性能需求不同会导致节能控制方式有所差异的问题，构建了包含结构非线性的1/4麦弗逊被动悬架系统模型，分析了不同行驶路况下被动悬架动力学性能的变化趋势，并通过台架测试验证了理论分析的合理性。在此基础上确定了不同行驶路况下混合电磁主动悬架的控制目标（包括整体控制目标与瞬态控制目标），得到了行驶路况与动力学性能需求的映射关系，提出了以路面等级与系统状态变量作为切换条件的全路况快-慢切换思想，为探求全路况混合电磁主动悬架系统节能奠定了基本前提。　　然后，根据行驶路况与混合电磁主动悬架动力学性能需求的映射关系，以改进天棚控制策略为例，基于改进天棚“混合阻尼”与混合电磁作动器“混合结构”的匹配特性，初步阐述了被动阻尼对混合电磁主动悬架系统能耗（电功率）的调节机理。设计了满足不同行驶路况动力学性能需求的LQR控制策略，分析了不同性能需求下系统能耗的敏感因素，揭示了被动阻尼对系统动力学性能和系统能耗的影响规律，得到了不同行驶路况下被动阻尼力的分配机制，给出了系统节能的一般性结论，并试制了混合电磁作动器，进行了对比台架测试，验证了理论分析的正确性。　　随后，基于实现混合电磁主动悬架全路况系统节能就是进行不同行驶路况下控制参数切换（被动控制参数与主动控制参数）这一本质特征，提出了一种适用于可控悬架、结合多传感器信息融合、考虑多未知输入的路面高程/等级与悬架系统状态变量共同估计方法。设计了包含路面功率谱密度估计和路面功率谱密度均方根值计算的路面等级分类方法，仿真分析了不同工况下路面高程估计方法与路面等级分类方法的准确性；基于MTS320轮胎耦合道路模拟机重构了实际路面高程信息，通过台架试验验证了路面高程估计方法和路面等级分类方法在估计实际路面高程与等级方面的有效性，为混合电磁主动悬架控制参数的合理切换（快/慢切换）提供了必要条件。　　最后，在获取混合电磁主动悬架全路况节能机理与系统节能方法（根据路面等级以及系统状态响应切换控制参数），以及路面等级与系统状态响应估计方法的基础上，确定了智能切换系统控制架构，细化了切换逻辑，分析了切换系统稳定性，优化了系统控制参数，进行了混合电磁主动悬架综合性能对比测试并验证了其优越性。　　理论分析与试验研究表明：（1）以路面等级与系统状态变量作为切换条件的全路况快-慢切换思想能够满足全路况动力学性能需求。具体地，相较于被动悬架，混合电磁主动悬架在以操纵稳定性为整体控制目标的B级路面下，悬架动挠度和车轮动载荷分别降低了21.5%和1.75%；以兼顾乘坐舒适性和操纵稳定性为整体控制目标的的C级路面下，车身加速度、悬架动挠度与车轮动载荷分别降低了17.5%、9.1%与5.8%；以乘坐舒适性为整体控制目标的D级路面下，车身加速度和悬架动挠度分别降低了18.7%和8.3%。（2）进行不同行驶路况下的被动阻尼力的合理分配能够有效降低相应动力学性能需求下的系统能耗。具体地，相较于线性电磁主动悬架，混合电磁主动悬架在B级、C级和D级路面下的系统能耗分别降低了83.6%、73.4%和79.4%。（3）对路面高程/等级与系统状态变量的精确估计能够确保全路况控制参数的智能切换，从而使得混合电磁主动悬架在获得相同动力学控制效果的基础上有效降低系统能耗，提升系统综合性能。
作者：	丁仁凯
专业：	车辆工程
导师：	汪若尘
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2020
正文语种：	中文