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原文传递基于混棚策略的重型车辆ISD悬架平顺性与道路友好性预测协调控制研究

论文题名：	基于混棚策略的重型车辆ISD悬架平顺性与道路友好性预测协调控制研究
关键词：	机电惯容器;ISD悬架;混棚策略;预测控制;平顺性;道路友好性
摘要：	随着我国公路交通和道路运输产业的迅猛发展，重型车辆作为公路客货运的主要装备，其产销规模与保有量日益增长。然而随着货运重载化发展趋势，重型车辆在行驶过程中因其较大的轮胎动载荷对于道路的损伤问题逐渐凸显，综合协调重型车辆行驶平顺性与道路友好性便具有重要的理论意义与工程应用价值。由“惯容器-弹簧-阻尼器(Inerter-Spring-Damper)”构成的ISD悬架，突破了传统“弹簧-阻尼器”固有结构的限制，为重型车辆高效协调平顺性与道路友好性开拓了新方向。本文基于重型车辆ISD悬架模型，研究重型车辆变车载质量条件对平顺性与道路友好性的作用机理，构建兼具车身加速度与道路损伤系数性能提升能力的混棚策略理想参考模型，应用含机电惯容器的可控ISD悬架作为实际被控模型，基于模型预测控制方法实现对可控ISD悬架被控模型的协调控制，研制机电惯容器并搭建重型车辆ISD悬架系统试验样机，为重型车辆平顺性与道路友好性的协调控制提供理论与实践经验。　　首先，构建重型车辆悬架半车模型，分别从时域和频域角度，仿真分析重型车辆在变车载质量条件下平顺性与道路友好性评价指标变化规律，阐述其作用机理。进一步建立重型车辆ISD悬架半车模型，基于改进的蚁群优化算法，以车身加速度、悬架动行程、轮胎动载荷的均方根值与道路损伤系数作为优化目标，建立统一目标函数，优化得到重型车辆ISD悬架系统元件最优参数。从时域与频域角度仿真对比分析重型车辆ISD悬架与传统被动悬架在车辆平顺性和道路友好性评价指标上的变化特点，仿真结果表明，重型车辆ISD悬架质心加速度均方根值与道路损伤系数平均值较传统被动悬架分别改善15.08%与14.21%，重型车辆ISD悬架在平顺性与道路友好性的性能综合协调提升上具有一定优势。　　其次，在深入研究理想天棚阻尼策略与理想地棚阻尼策略控制特点的基础上，结合重型车辆平顺性与道路友好性的综合性能需求，构建兼具车身加速度与道路损伤系数性能提升能力的重型车辆混棚策略理想参考模型，应用含机电惯容器的可控ISD悬架模型作为重型车辆平顺性与道路友好性协调控制系统的实际被控模型。基于模型预测控制方法实现被控模型对参考模型的性能跟踪，将重型车辆平顺性与道路友好性协调控制问题转化为被控模型跟踪参考模型的性能输出问题，分别通过模型预测、滚动优化和反馈校正流程，计算当前和未来的系统控制量，使预测的输出可以满足设定值。通过MATLAB搭建模型预测控制系统，基于重型车辆相关参数完成对平顺性与道路友好性协调控制系统实际被控模型即可控ISD悬架的性能仿真，结果表明，在10m/s、20m/s和30m/s车速随机路面输入下，车身加速度均方根值较传统被动悬架性能分别改善27.95%、29.07%与29.92%，道路损伤系数性能分别改善21.61%、22.08%与20.64%。从频域角度分析，重型车辆可控ISD悬架的车身加速度与轮胎动载荷功率谱密度均明显小于传统被动悬架，有效改善了重型车辆平顺性与道路友好性。　　最后，对惯容器装置进行设备选型与参数设计，同时对旋转电机进行设备选型，研制机电惯容器原理样机。在INSTRON8800单通道液压伺服激振台上，进行惯容器力学性能测试，验证所研制的惯容器符合理论设计要求。进一步搭建可控ISD悬架系统样机进行台架试验，分别在正弦型与随机型路面输入条件下测试悬架系统工作性能。试验结果表明，在0.1-15Hz正弦型路面输入下，可控ISD悬架车身加速度与轮胎动载荷均方根值显著低于传统被动悬架，同时性能优于被动ISD悬架；在车速为20m/s的随机型路面输入下，可控ISD悬架相比传统被动悬架，其车身加速度均方根值性能提升了26.61%，道路损伤系数改善了20.13%。试验表明基于混棚策略的重型车辆可控ISD悬架相比传统被动悬架与被动ISD悬架具有更好的车辆平顺性与道路友好性综合性能。　　综上所述，本文归纳了重型车辆变车载质量条件对于平顺性与道路友好性的作用机理，分析了重型车辆ISD悬架相比传统被动悬架在变车载质量条件下的性能优势。结合天棚阻尼与地棚阻尼的控制特点，提出了基于混棚策略参考模型的重型车辆ISD悬架预测控制方法，使得重型车辆平顺性与道路友好性协调控制能力得到显著提升。
作者：	颜龙
专业：	车辆工程
导师：	杨晓峰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2021