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原文传递磁流变半主动悬架的时滞理想预测补偿最优控制

论文题名：	磁流变半主动悬架的时滞理想预测补偿最优控制
关键词：	汽车磁流变半主动悬架;磁流变减振器;响应时滞;预测补偿最优控制
摘要：	相较于被动悬架系统的减振性能参数不可调节与主动悬架系统结构复杂、成本高、能耗大等缺点，基于磁流变液(Magneto Rheological Fluid,MRF)技术的磁流变减振器(Magneto Rheological Damper,MRD)因其结构简单、能耗低、阻尼可调范围广等优势为车辆乘坐舒适性和操作稳定性的提高提供了有效方案。然而，磁流变减振器作为磁流变半主动悬架系统的核心部件，其在被控过程中由于系统状态的测量、控制力的计算以及阻尼力的动态响应会不可避免地出现无法忽略的响应时滞现象，这对悬架的被控精度与系统性能有着极大的影响，严重时甚至会导致悬架系统失稳。为降低响应时滞的影响，本文提出了一种磁流变半主动悬架的时滞理想预测补偿最优控制策略。本文所做的主要工作如下：　　首先，设计了采用单通道液压伺服振动台架的磁流变减振器力学特性试验方案，通过分析力学特性试验结果选取了拟合精度较高的渐进饱和魔术公式模型(Asymptotically Saturated Magic Formula,ASMF)，并对磁流变减振器渐进饱和魔术公式模型参数进行拟合。进一步采用一种主要由两个对称的n沟道和p沟道MOS管构成的BUCK型数控驱动电流源，提出了一种磁流变减振器响应时滞的测试方法，系统地研究了励磁电流和频率对磁流变减振器阻尼力上升和下降响应时滞的影响。通过对试验数据的分析和计算，对磁流变减振器的ASMF模型参数进行拟合随之建立了磁流变减振器响应时滞的精确模型，为磁流变半主动悬架时滞的理想预测补偿最优控制策略的设计打下基础。　　其次，提出了一种基于ex函数定义公式展开与等效替换(EFE-LQG)的时滞理想预测补偿最优控制策略，该时滞理想预测补偿最优控制策略构造了一个对下一时滞时刻理想控制进行准确预测的可控预测方程，使当前时刻的含时滞磁流变半主动悬架系统的二次型最优控制力与无时滞磁流变半主动悬架系统的求取的理想控制力相等；为满足二次型最优LQG控制器的设计条件，将目标函数中时滞控制力的平方与预测控制力的平方进行等效替代，实现了磁流变半主动悬架系统时滞补偿效果和预测控制力跟踪精度的同步提高。　　接着，构建了被动悬架、无时滞工况下的理想磁流变半主动悬架与基于EFE-LQG控制的磁流变半主动悬架的Matlab数值仿真模型，为验证所提出的时滞理想预测补偿最优控制策略的适用性，在不同时滞工况下进行Matlab数值仿真，在频域和时域内对影响悬架性能的车身加速度、悬架动挠度与轮胎动变形及悬架综合性能指标进行数值对比分析。其中，考虑到时滞理想预测补偿最优控制策略的实用性，提出了针对该策略的预测方程定义公式展开段数的求解方法。Matlab数值仿真试验分析结果表明：在时域和频域中，基于EFE-LQG控制的磁流变半主动悬架与无时滞下的理想磁流变半主动悬架的各项性能指标理论上可实现重合；与被动悬架相比，悬架各项性能指标皆大幅降低。　　最后，为检验EFE-LQG时滞理想预测补偿最优控制器在更接近实际工况下的可靠性，搭建了离散化的EFE-LQG控制器模型及离散化的磁流变半主动悬架系统模型，采用两台YX-SPACE2000型快速原型控制器(Rapid Control Prototyping,RCP)设计了控制器硬件在环试验方案，通过与数值仿真试验数据进行时域内对比分析，结果表明本文所提出的磁流变半主动悬架的时滞理想预测补偿最优控制策略具有较好的有效性与实用性。　　研究表明：本文提出的基于ex函数定义公式与等效替换(EFE-LQG)的时滞理想预测补偿最优控制策略兼具有效性与适用性的优点，在满足精度需要下的展开段数情况下基于EFE-LQG控制的磁流变半主动悬架的综合性能指标较被动悬架的综合性能指标大幅降低，较理想半主动悬架能够实现预设1%的误差要求；在7.2ms时滞工况下，与被动悬架相比，车身加速度均方根误差减小了37.01%，乘坐舒适性得到大幅改善。对控制器硬件在环与数值仿真的试验结果对比分析后也表明，在30ms时滞工况下，控制力的方差误差仅为2.67%，验证了该策略的可靠性与有效性。
作者：	刘金裕
专业：	交通运输工程
导师：	陈士安
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2022