详情

原文传递基于车身主模态控制的主动液压互联悬架系统研究

论文题名：	基于车身主模态控制的主动液压互联悬架系统研究
关键词：	新能源汽车;液压互联悬架;模型预测控制;抗侧倾性能
摘要：	近年来新能源、智能网联车辆的蓬勃发展为可控悬架系统的设计研发提出了新的需求。主动悬架系统的高能耗限制了其在新能源汽车上的发展，而智能网联车辆则为悬架系统控制提供了更加丰富多源的信息。低能耗、智能化成为了可控悬架系统发展的新目标。在此背景下，本文提出一种主动液压互联悬架系统，该系统在被动液压互联悬架基础上发展而来，通过在液压系统中加入电磁换向阀，可实现互联悬架系统根据路况信息在不同工作构型之间智能切换，从而改善车辆动力学性能。在两条液压回路之间加入调节油缸，通过驱动调节油缸运动，可主动改变油路之间的压力差，从而在每种工作构型下产生相应的主动控制力，实现车辆抗侧倾和抗俯仰性能的提升。论文从液压系统建模出发，依次对系统各项功能进行研究与开发，并通过台架与实车试验对所开发的悬架系统及提出的理论方法进行验证。完成的主要研究内容包括以下方面：　　（1）建立七自由度整车动力学模型以及具有构型切换与主动控制功能的主动液压互联悬架模型，通过仿真及台架试验对所提出模型的准确性与合理性加以验证。基于所建模型，以提升越野车辆性能需求为目标，完成主动液压互联悬架系统的设计与参数选型。　　（2）对车身三自由度模型进行模态分析，提出可实时在线识别的车身模态能量法，实现了对车身三种主导运动模态的在线辨识。该辨识方法使用到的车辆状态少，可通过传感器直接测量或间接观测。仿真结果表明，在各种典型工况下，车身模态能量法识别出的模态能量结果均与传统整车模态能量法高度吻合，证明了所提方法的准确性与合理性。通过实车试验对车身模态能量法的在线辨识效果做进一步验证，试验结果表明，车身模态能量法能够实时准确的对联合工况下，车身的垂向、侧倾及俯仰模态占比进行辨识。　　（3）对液压互联悬架构型切换时系统油量不均问题进行了研究，分析了油量偏差的产生机理，并提出使用调节油缸对油量进行平衡的方案。在此基础上提出用于优化平衡过程的非线性模型预测控制方法，通过调节算法权重系数，可实现油量调节过程中的车辆动力学性能与悬架系统能耗的平衡。仿真结果表明，相比被动液压互联悬架，具有构型切换功能的主动液压互联悬架车辆在保持相同抗侧倾性能的同时，可显著提升车辆的抗俯仰性能。为实现算法的实际应用，对非线性模型预测控制方法进行线性化处理，提升算法运行效率。通过仿真对比，验证了线性化算法的快速与准确，并优选出合适的预测周期用于试验。台架试验表明，所提方案可保证主动液压互联悬架系统在不同构型之间稳定切换，通过调整权重可对油量调节过程的偏好进行控制。　　（4）设计了具有上、下层控制结构的主动液压互联悬架系统。上层控制器通过LQR状态反馈，计算出液压互联悬架需要输出的目标主动力矩。下层控制器根据反步滑模控制方法驱动调节油缸运动，实现对目标主动力矩跟踪。力矩跟踪基于反步滑模控制设计，通过反步递推，将力矩跟踪误差转化为蓄能器压力差并最终换算为调节油缸所需运动速度。该方法适用于非线性系统，且具有良好的鲁棒性。仿真结果表明，相比被动抗侧倾系统，主动抗侧倾液压互联悬架在双移线测试中可显著提升车辆抗侧倾性能。台架试验对主动抗侧倾液压互联悬架的各项力学性能进行测试，结果表明，基于反步滑模控制方法的主动液压互联悬架系统具有良好的力学性能和跟踪能力。　　（5）开展了实车试验研究，对目标车辆进行主动液压互联悬架测试系统改装，使其具备计算车身模态能量，实现构型切换，以及主动控制功能。在此基础上，通过一系列典型工况对主动液压互联悬架的构型切换及主动控制功能进行验证。实车试验结果表明，在保持平顺性能基本相同的条件下，通过构型切换，车辆可在保持原有抗侧倾功能的基础上，提升40.5%的抗俯仰性能。通过主动抗侧倾控制，车辆相比原被动液压互联悬架系统在双移线和蛇行试验中分别提升了19.1%和31.5%的抗侧倾性能，达到了系统设计预期目标。　　研究结果表明，所开发的基于模态能量法进行构型切换并具有主动抗侧倾功能的主动液压互联悬架系统能够在保持原有平顺性的同时，以较低的能耗提升车辆的抗侧倾与抗俯仰表现，使车辆的操稳性得到明显改善。
作者：	陈桐
专业：	车辆工程
导师：	张农
授予学位：	博士
授予学位单位：	合肥工业大学
学位年度：	2022