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原文传递基于整车悬架虚拟样机的主动抗扰控制器设计与联合仿真研究

论文题名：	基于整车悬架虚拟样机的主动抗扰控制器设计与联合仿真研究
关键词：	主动悬架系统;虚拟样机;自抗扰控制;反步控制;非奇异终端滑模;联合仿真;超扭曲算法
摘要：	随着社会经济和工业水平的飞速发展以及人民生活水平的不断提高，汽车作为日常出行代步工具逐渐进入大众的视野。与此同时，消费者在选购车辆时对汽车的性能要求也越来越高，悬架系统作为汽车的重要部件之一，直接影响车辆行驶平顺性和操纵稳定性，因此备受关注。作为目前应用最为广泛的商用悬架系统，被动式悬架受制于其固定的结构与参数，无法突破性能的瓶颈，而主动悬架系统引入了主动力执行器的概念，悬架的动态不再由固定参数的弹性元件和减振器被动地决定，而是能够根据传感器监测系统对车身状态实时检测并反馈，利用力执行器实现最优的减震性能，因而成为了悬架系统国内外相关研究的热点。　　本文针对整车主动悬架系统开展研究，首先对其进行运动学分析并建立了七自由度整车非线性悬架数学模型，而后借助于多动力体学建模软件ADAMS搭建了相应的整车悬架虚拟样机，并进行了两种建模手段的交叉验证。针对悬架系统存在的强非线性、模型和参数不确定性以及强外部干扰等特点，构建了基于主动抗扰控制理论的自抗扰反步控制器。并在此基础上进一步提升性能，提出了具有有限时间收敛特性的有限时间自抗扰综合控制器，并在联合虚拟仿真中验证了所提方法的有效性。本文主要的研究内容有：　　1）整车悬架系统数学模型建模和虚拟样机构建研究。通过对四分之一悬架及半车悬架系统的系统性分析，在考虑悬架结构部件非线性特性的基础上建立了整车七自由度悬架数学模型，并搭建了相应的虚拟样机作为最终的控制目标以提高整体研究的实用性，对常见随机路面和凸块路面进行了建模，最终给出了悬架系统的性能指标。　　2）整车悬架系统的自抗扰反步控制器设计。将多输入多输出的整车悬架系统解耦为三个单输入单输出子系统，降低了控制策略的设计难度。针对悬架系统存在着的强非线性、强干扰性和模型不确定性等难点，借鉴主动抗扰控制理论中的自抗扰控制器的设计结构，结合轨迹跟踪问题中常用的反步法设计了自抗扰反步控制器。并以整车悬架数学模型为对象进行了仿真，初步验证了该方法的有效性，为后续的联合仿真打下了基础。　　3）整车悬架系统的有限时间收敛自抗扰综合控制器设计。结合有限时间收敛性理论，基于著名的超扭曲算法构建了超扭曲扩张状态观测器，利用非奇异终端滑模面的强抗扰性和鲁棒性，将其与采用BarrierLyapunov方程的反步过程结合，保证了系统的观测误差与跟踪误差均在有限时间内收敛至原点，极大地提升了悬架系统的性能。并同样以整车悬架数学模型为控制目标进行了初步的仿真验证，为后续联合仿真做准备。　　4）悬架系统的联合仿真分析与控制策略验证。搭建了ADAMS+MATLAB/Simulink的联合虚拟仿真平台，在两种常见路面下，对自抗扰控制器ADRC、自抗扰反步控制器ESO-BC、有限时间自抗扰综合控制器ADFTC进行了联合仿真，并将结果与被动式悬架系统进行对比，验证了所提出控制策略的有效性。
作者：	常垒
专业：	控制理论与控制工程
导师：	田杨
授予学位：	硕士
授予学位单位：	南京理工大学
学位年度：	2021