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原文传递车辆ISD悬架系统的动力学分析及控制优化

论文题名：	车辆ISD悬架系统的动力学分析及控制优化
关键词：	车辆悬架;隔振系统;动力学模型;遗传算法;LQR控制
摘要：	车辆的悬架系统属于车辆底盘的重要组成部分，车辆底盘悬架的调教结果直接决定着车辆的各项性能表现，因此国内外学者对各类悬架的研究工作从未停止。根据常识可知车辆需要在各类工况下均保持良好的舒适性及操纵性，这要求悬架系统具有很强的“灵活性”，但该要求与悬架本身性能指标相互冲突，因此之前对于悬架的各类参数设计只能采取折中的办法。近年来各类微控系统及传感器逐渐被应用于车辆悬架系统，因此人们对于悬架的各类性能提出了更高的要求。因此需要在传统悬架的基础上，提出一款既能够提升车辆的舒适性也能够提升车辆的操纵稳定性的悬架，并且兼顾经济性能与安全性能。　　按照此要求，以“惯容器-弹簧-阻尼”(Inerter-Spring-Damper,ISD)为主元件构建了一种新型的ISD悬架结构,并且进行了相关的结构设计、样机制作以及功能性实验验证。对此ISD悬架隔振系统的动力学模型进行分析计算，并与不同的车辆模型相互耦合;利用优化及控制算法对悬架系统进行控制，使其兼顾车辆的平顺性及操稳性。具体的研究内容主要包括: 　　(1)设计并确定ISD悬架的结构，分析车辆悬架耦合系统的隔振特性，并验证遗传算法对LQR(Linear-Quadratic-Regulator)控制的优化效果。基于车辆性能确定悬架系统的相关评价指标，并且基于该评价指标对ISD悬架结构进行传递特性分析以及频响特性分析。建立四分之一车辆模型，并将该模型与悬架模型相互耦合。将路面激励简化为三种简单激励对系统模型进行动力学分析，并与传统悬架分析的结果进行对比。引入LQR控制算法对悬架系统进行控制，并利用遗传算法进行全局寻优以解决LQR控制器中的参数选择问题，以此证明此悬架系统能够有效提升车辆的平稳性。　　(2)分析车辆悬架耦合系统在非平稳激励下的动力学特性，并利用LQR控制和遗传算法提升车辆的行驶平顺性。建立二分之一车辆模型，并与确定的ISD悬架模型相耦合。针对于实际生活情况，建立非平稳路面激励以及车路耦合激励，并在两种复杂非平稳激励下分析耦合系统的动力学特性。利用STFT对数据进行处理，对比平稳路面以及非平稳路面下的系统动力学响应情况，以证明非平稳路面激励的准确性。同时根据响应结果发现耦合系统的响应主要集中于低频阶段，因此针对本耦合模型的具体情况建立相应的LQR控制器，并将优化结果与优化前的结果数据相对比，证明了该系统能够提升车辆的乘坐舒适性及平稳性。　　(3)分析整车ISD悬架转向动力学模型的的稳态响应和参数灵敏度，探究该动力学系统在转向工况下的具体响应，并利用控制优化算法提升车辆的操纵稳定性。建立整车ISD悬架转向动力学模型，对其进行转向时的稳态响应计算，同时分别考量不同类型的系统参数对于稳态响应的影响，并针对于具体参数进行灵敏度分析。分析转向参数在转向工况下对于车辆操纵稳定性的影响，构建极限转向工况并分析其系统的动力学响应。针对于极限工况下出现的部分性能指标恶化现象，建立所对应的LQR控制器对系统进行控制优化，最终证明本系统能够有效提升车辆的操纵稳定性。　　(4)设计ISD悬架系统隔振物理样机，搭建对应的隔振试验台，并进行相关的系统隔振特性试验。分别对该系统进行扫频及定频试验，确定了该样机系统的共振频率，同时记录了不同频率下重物及振动台处的振动响应，证明了该ISD悬架系统的有效性。
作者：	孙万琪
专业：	机械设计及理论
导师：	李小彭
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东北大学
学位年度：	2021