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原文传递主动半主动悬架模型及其分数阶PID控制算法研究

论文题名：	主动半主动悬架模型及其分数阶PID控制算法研究
关键词：	车辆悬架系统;电动油气式作动器;滚珠丝杠式馈能作动器;闭环自动控制
摘要：	在分数阶微积分理论被广泛应用于车辆悬架系统研究的背景下，为了更好地对悬架系统进行研究并提高其减振性能，本文结合分数阶微积分理论分别对半主动悬架系统和主动悬架系统进行了相关研究。其中，针对半主动悬架系统设计了一种电动油气式作动器来进行半主动控制，针对主动悬架采用了滚珠丝杠式馈能作动器来进行主动控制。　　在研究半主动悬架的过程中，考虑到油气悬架存在的粘弹性特点，结合分数阶微积分理论，推导出具有非线性刚度和分数阶阻尼的分数阶非线性悬架系统模型,并以它作为悬架半主动控制的研究对象。在研究主动悬架的过程中，为了更全面地分析悬架系统的各项性能指标，本文建立了整车七自由度悬架系统模型，并以它作为悬架主动控制的研究对象。　　对于半主动悬架，设计了一种基于分数阶PID位置反馈控制的电动油气式作动器，通过该作动器对悬架系统的阻尼系数进行调节，从而实现悬架的半主动控制。以路面不平度作为阻尼调节的判断依据，使用粒子群算法(PSO)对不同路面等级下的目标函数进行寻优，从而得到作动器电机的最优转角值。使用分数阶PID位置反馈控制电路对电机转角进行控制，从而实现悬架系统的阻尼调节。使用MATLAB/Simulink对该类型悬架进行仿真模拟，搭建该类型悬架系统的等比例实验台架，根据仿真和试验的结果进行相关研究与分析。　　对于主动悬架，提出了一种分数阶PID控制下的滚珠丝杠式馈能型主动悬架，并进行相关研究。建立馈能作动器数学模型，搭建馈能试验台架，通过实验测量不同频率下的能量回收功率，再根据实验结果计算出代表馈能电机输出转矩和电流之间比例关系的电磁转矩常数。使用天牛须算法(BAS)对整车悬架系统分数阶PID控制器的各项参数进行整定，从而计算出作动器中电机需要提供的理想控制力。使用分数阶PID控制电路对馈能电机的电流进行控制,从而实现实际控制力的输出。提出用于作动器工作模式切换的能量管理策略，使用MATLAB/Simulink对所设计的悬架系统进行建模，并对能量管理结果和主动控制结果进行仿真分析。　　对两种类型悬架的控制电路，建立控制电路数学模型，并通过公式推导得到分数阶PID控制电路转角控制和电流控制的数字实现方法，使用STM32-F407开发板当作PID和分数阶PID控制算法的载体，以此实现对电机转角和电流的控制，从而保证悬架系统的实际控制效果与理想控制效果接近，并通过两种算法控制结果的对比来验证分数阶PID控制算法相较于整数阶PID控制算法的优越性。　　仿真与试验结果证明，所设计半主动悬架有效实现了悬架系统减振性能的优化，所设计主动悬架有效实现了悬架系统的主动减振和能量回收，所设计的分数阶PID控制器在各研究方向的控制效果均要优于PID控制器。
作者：	张景铭
专业：	机械
导师：	柳江;李胜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	青岛理工大学
学位年度：	2023