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原文传递基于多体动力学理论的车辆主动悬挂的控制策略研究

论文题名：	基于多体动力学理论的车辆主动悬挂的控制策略研究
关键词：	主动悬挂;虚拟样机;多体动力学;车辆动力系统;控制策略
摘要：	悬挂系统是车辆动力系统的重要组成部分，性能良好的悬挂系统可以改善车辆的动态运行品质，特别是随着主动控制策略的介入，车辆悬挂系统从此发生了革命性的变化，实现了与现代控制策略和计算机信息技术的有机融合。然而，常规的基于主动悬挂的车辆系统动力学的研究通常是仅围绕着主动控制策略及车辆结构动力学的研究，理论研究的结果最终是要付诸于大量的物理试验来验证，这无疑增大了研发成本，也延缓了产业化进程。基于多体理论的数字化虚拟样机技术的发展及其在各行各业中的应用为主动悬挂车辆系统的快速设计、分析和优化提供了有力的工具。本文在教育部重点基金的资助下，借助于多体理论的最新成果一一虚拟样机技术，完成了主动悬挂车辆动力系统的设计、分析和研究，即将传统的主动悬挂的控制研究纳入到现代多体动力系统的设计方法中，以虚拟样机的形式来展现主动悬挂车辆系统在现在智能控制策略作用下的动态性能，并以全新的设计理念对主动悬挂的设计进行了新的构思和规划。考虑车体轻量化是现代车辆发展的重要趋势，但车体轻量化后将会引起车辆在运行过程中的产生剧烈振动，严重地危害了车辆的运行品质，因此研究基于轻量化车体的车辆系统的动力学行为已成为刻不容缓的任务。为了适应这一发展要求，本文将刚性车体泛化为柔性车体，借助Craig-Bampton固定界面模态综合法的分析方法，利用功能强大的有限元分析软件ANSYS建立车体的有限元分析模型，同时利用ANSYS的内核将柔性车体转换为多体动力学分析软件ADAMS可以接受的模态中性文件格式，用以研究柔性车体在运行工况下的车体质心的垂／横动态响应，为优化车体结构提供技术支持。为实现车辆主动控制的需要，本文建立了基于轨道谱的6自由度和9自由度的车辆垂向主动悬挂动力学的数学模型以及17自由度的车辆横向主动悬挂动力学的数学模型，并将轨道不平顺谱函数作为路面输入，建立了基于高速轨道谱输入的用于车辆主动悬挂动力学研究和分析的系统数学模型，同时，用数值模拟的方法得出了路面谱输入的时域函数关系。在控制策略的研究中，本文设计了一种具有可调因子的模糊控制器，并进行了主动隔振的仿真研究。同时根据车辆自身的结构特点和路面信息的获取渠道，本文创新性地将最优预见控制划分为轴间预见控制和轴外预见控制，并将这两种控制策略应用到车辆主动悬挂的控制研究中，研究在两种预见控制策略作用下车辆主动避振性能，同时将模糊控制策略和预见控制策略结合起来，构建模糊预见控制器，在解决车辆中存在的非线性问题的同时增加预见的功能，研究基于混合智能控制策略的车辆主动避振性能。各控制策略的仿真研究结果表明：轴外预见控制策略由于其具有严格的二次加权效应，因此其隔振的效果为最佳，混合智能控制策略作为一种控制策略设计的新思路也取得了较好的隔振效果，另外包括可调因子的模糊控制和轴间预见控制在内，所有的仿真研究结果都表明了本文所设计的控制器能够将车体的各种振动抑制在理想或较理想的范围内。将基于多体动力学理论的现代虚拟样机技术成功地引入到车辆虚拟样机系统的建模及车辆动力学性能的分析计算中，对刚性车体的车辆系统运行平稳性进行了详细地分析。以车体结构轻量化的前沿研究成果为背景，将第二章中用有限元的分析软件ANSYS为工具所建立的柔性车体为基础，并结合ADAMS/Rail Matlab的联合仿真技术，以虚拟样机为平台，介入现代控制理论，创新性地将控制策略应用到刚/柔耦合车辆系统的主动隔振的控制中，研究在主动控制策略作用下刚/柔耦合车辆系统隔振水平，并首次实现了基于柔性车体的垂向主动悬挂和横向主动悬挂的车辆隔振研究。本文作者建立了一个用于车辆整车主动隔振的模拟试验台，并将高速开关阀技术应用到车辆振动主动控制的模拟实验研究中，同时本文还在实物车辆试验台上进行了基于滚动轨道谱式的整车车辆的主动隔振试验，这两种试验都取得了良好的实验效果，充分验证了本文对复杂多自由度车辆系统进行主动隔振研究所用方法的正确性。上述研究工作对于拓展车辆主动隔振的研究思路具有重要的参考价值和指导意义，为主动悬挂车辆系统的产业化研究作了技术上的铺垫，并为今后进一步开展车辆动力学性能的研究和控制提供了一条新的思路和方法。
作者：	朱浩
专业：	机械设计及理论
导师：	刘少军
授予学位：	博士
授予学位单位：	中南大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文