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原文传递基于负刚度的车辆悬架振动控制系统分析与优化研究

论文题名：	基于负刚度的车辆悬架振动控制系统分析与优化研究
关键词：	车辆悬架;负刚度;振动控制;可变阻尼;主动控制
摘要：	车辆悬架系统作为车身与道路间重要的传力部件，其性能优劣对乘客的乘坐舒适性、车辆行驶的稳定性具有重要意义。近年来，负刚度装置作为一种新型的减振装置，在振动控制领域引起了广泛的关注。本文以负刚度为基础的车辆悬架控制策略为研究对象，系统地分析了负刚度对现有被动、半主动悬架性能的影响，并基于分析结果，进一步提出了基于负刚度与可变阻尼协同工作机制（ Cooperative Control Strategy of Negative stiffness and Semi-active damping ,NSSDc）的悬架主动控制方法，具体研究内容包括：　　（1）根据磁负刚度的设计原理，针对车辆悬架系统，设计了一个线性磁负刚度的设计样例。然后采用四分之一车辆悬架模型对车辆悬架系统进行了建模，模拟了路面不平度，并推导不同车辆行驶速度下路面不平度输入激励的功率谱密度。为系统全面地分析负刚度对现有车辆悬架系统性能的影响，并验证本文所提出的基于 NSSDc 悬架控制方法的性能，针对被动、主动和半主动三大类悬架，共建立了六种悬架控制系统，分别为被动悬架、含负刚度的被动悬架、半主动悬架、含负刚度的半主动悬架、主动悬架以及NSSDc的悬架。　　（2）通过被动悬架和含负刚度的被动悬架性能的对比，分析了负刚度对于被动悬架性能的影响。由于被动悬架的设计参数无法随外界环境的变化而改变，所以不能同时令车辆操纵性和乘坐舒适性达到最优。因此在分析对比时，共考虑令操纵性最优化和令舒适性最优化的两种被动悬架参数。在对比分析负刚度安装前后对悬架性能的影响后，又进行了详细的参数分析，分析了负刚度系数对于被动悬架最优设计参数的影响。　　（3）通过半主动悬架和含负刚度的半主动悬架性能的对比，分析了负刚度对于半主动悬架性能的影响。基于负刚度对被动悬架的性能分析结果，负刚度对乘坐舒适性有较大提升，但对车辆操纵性影响有限。因此半主动悬架采用了常用提升乘坐舒适度的SH-L算法。通过仿真分析了负刚度安装前后对半主动悬架的性能及其控制力的影响。与负刚度对被动悬架的影响相似，负刚度亦可以提升半主动悬架的乘坐舒适性。半主动悬架受其控制力产生方式的约束，仅能产生耗散力，无法产生致动力，因此控制力会产生突变的现象，负刚度在独立工作的情况下，可以减轻但无法完全消除这种现象的不利影响。　　（4）为了克服半主动阻尼器无法完整产生理论控制力的局限，进一步提出了基于NSSDc车辆悬架主动控制方法。在NSSDc系统中，利用了负刚度的逆势能循环特性克服半主动阻尼无法产生致动力的局限。通过仿真验证了 NSSDc 车辆悬架执行 LQG、skyhook 算法的性能，并与主动悬架、半主动悬架的性能进行对比分析。在此基础上，分析了负刚度系数变化对 NSSDc 悬架性能的影响，从而确定选取合适的负刚度系数，使得其能够达到与主动悬架具有相同的性能。
作者：	石伟
专业：	控制工程
导师：	邢兰昌;石翔
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国石油大学(华东)
学位年度：	2021