汽车振动主动控制理论与技术

本书采用理论、仿真与试验相结合的方法介绍各部分内容，体现了汽车系统动力学、智能控制理论及应用、汽车试验测试等，有助于掌握科学研究方法。

 

本书主要围绕汽车振动控制、主动悬架理论与技术展开，对汽车主动悬架国内外研究进展进行了系统阐述，研究建立汽车悬架系统数学模型和键合图模型，设计基于EHA汽车主动悬架的天棚控制器、地棚控制器、LQR*优控制器、模糊控制器、参数自调整模糊控制器，并利用MATLAB工具箱对其进行仿真分析；在研制EHA汽车主动悬架物理样机及试验系统基础上，对EHA汽车主动悬架的时滞影响及补偿试验研究，并进行基于EHA主动悬架的整车控制仿真研究分析。

寇发荣，博士，教授，博士生导师。2008年获西北工业大学工学博士学位。现任西安科技大学机械工程学院副院长。兼任陕西省汽车工程学会常务理事，中国振动工程学会转子动力学分会理事，中国工程机械学会矿山机械分会理事，陕西省机械工程学会机械设计分会理事，国家自然科学基金同行评议专家，西安科技大学高教兼职研究员，西安科技大学胡杨名师。先后担任Journal of The Franklin Institude、吉林大学学报、南京理工大学学报、交通运输工程学报等国内外期刊审稿人。主要研究方向为车辆系统动力学、振动控制与能量回收、新能源智能网联汽车技术等。主讲车辆系统动力学、汽车理论、车辆振动学等课程，获陕西省优秀教学成果奖1项，校级教学科研成果奖6项。主持承担国家自然科学基金面上项目2项，省部级项目10余项；发表学术论文100余篇，其中SCI/EI收录50余篇；授权发明专利10余项。

1 绪论1

1.1 车辆悬架研究背景1

1.2 车辆智能悬架的类型2

1.2.1 半主动悬架3

1.2.2 主动悬架5

1.3 智能悬架国内外研究现状6

1.3.1 半主动悬架研究现状6

1.3.2 主动悬架研究现状8

1.3.3 控制策略研究现状10

1.3.4 能量回收研究现状13

1.4 车辆悬架控制策略简介16

2 车辆悬架动力学建模与路面模型19

2.1 引言19

2.2 不平路面输入模型19

2.2.1 阶跃路面输入模型19

2.2.2 正弦路面输入模型20

2.2.3 随机路面输入模型20

2.3 车辆悬架系统动力学模型22

2.3.1 模型简化22

2.3.2 1/4汽车二自由度悬架动力学模型24

2.3.3 1/2汽车四自由度悬架动力学模型26

2.3.4 整车七自由度悬架动力学模型27

2.4 本章小结29

3 车辆电动静液压主动悬架动力学建模及参数优化30

3.1 引言30

3.2 电动静液压主动悬架系统的结构与工作原理30

3.3 电动静液压作动器的数学模型31

3.3.1 主动控制模式下电动静液压作动器的数学模型31

3.3.2 随动馈能模式下电动静液压作动器的数学模型35

3.4 电动静液压作动器参数的优化37

3.4.1 参数敏感性分析37

3.4.2 优化目标及约束条件37

3.4.3 优化结果分析38

3.5 本章小结39

4 车辆电动静液压主动悬架协调切换控制40

4.1 引言40

4.2 主动悬架分层协调切换控制40

4.2.1 分层协调切换控制器设计40

4.2.2 主动悬架能量平衡条件功率流分析42

4.2.3 主动悬架能量平衡条件42

4.2.4 分层协调切换控制仿真分析42

4.2.5 结果分析45

4.3 电动静液压主动悬架力跟踪控制策略46

4.3.1 力跟踪控制方案46

4.3.2 力跟踪控制主环47

4.3.3 力跟踪控制内环48

4.3.4 力跟踪控制仿真51

4.4 电动静液压主动悬架双滑模控制策略55

4.4.1 双滑模控制方案设计55

4.4.2 主动模式下双滑模控制方案56

4.4.3 双滑模控制仿真分析60

4.4.4 失效模式下状态估计与切换控制策略65

4.4.5 失效模式下仿真分析69

4.5 本章小结74

5 车辆电动静液压主动悬架时滞补偿控制76

5.1 引言76

5.2 电动静液压主动悬架时滞产生机理76

5.3 控制时滞问题解决的策略77

5.3.1 减小时滞77

5.3.2 时滞补偿策略77

5.4 考虑时滞的电动静液压主动悬架模型建立79

5.4.1 考虑时滞的二自由度主动悬架模型建立79

5.4.2 电动静液压作动器动态模型建立80

5.5 电动静液压主动悬架时滞特性分析82

5.5.1 时滞对电动静液压主动悬架稳定性的影响82

5.5.2 时滞对电动静液压主动悬架动态性能的影响84

5.6 电动静液压作动器的内模PID控制86

5.6.1 内模控制原理86

5.6.2 内模控制器设计87

5.6.3 内模控制的PID控制形式转化89

5.6.4 内模PID控制仿真91

5.7 本章小结95

6 车辆磁流变半主动悬架控制96

6.1 引言96

6.2 磁流变液的组成与特性96

6.2.1 磁流变液的组成及特点96

6.2.2 磁流变效应97

6.2.3 磁流变液的动态本构特性98

6.3 磁流变减振器的工作模式与结构原理100

6.3.1 磁流变减振器的工作模式100

6.3.2 磁流变减振器的结构原理101

6.3.3 馈能式磁流变减振器的结构原理102

6.4 磁流变减振器的力学模型103

6.4.1 改进型磁流变减振器多项式模型104

6.4.2 模型参数辨识107

6.5 磁流变半主动悬架控制仿真109

6.5.1 磁流变半主动悬架模糊控制仿真109

6.5.2 磁流变半主动悬架混合天棚控制仿真114

6.6 本章小结123

7 车辆滚珠丝杠式半主动悬架控制124

7.1 引言124

7.2 滚珠丝杠式半主动悬架原理与参数分析124

7.2.1 滚珠丝杠式半主动悬架结构原理124

7.2.2 滚珠丝杠作动器的结构与工作原理125

7.3 滚珠丝杠作动器动力学建模131

7.3.1 并联式滚珠丝杠作动器动力学模型131

7.3.2 等比传动滚珠丝杠作动器动力学模型133

7.4 滚珠丝杠半主动悬架仿真分析136

7.4.1 并联式滚珠丝杠式半主动悬架仿真分析136

7.4.2 并联式滚珠丝杠半主动悬架控制仿真140

7.4.3 等比传动滚珠丝杠式半主动悬架仿真分析143

7.5 本章小结148

8 车辆直线电机式主动悬架控制149

8.1 引言149

8.2 作动器有限元分析149

8.2.1 作动器的工作原理149

8.2.2 作动器有限元建模152

8.2.3 作动器同步速度对电磁力的影响152

8.2.4 拉伸长度对电磁力的影响153

8.2.5 齿槽开口系数对电磁力的影响153

8.2.6 输入电压对作动器响应特性的影响155

8.3 作动器动力学模态分析156

8.3.1 作动器模态分析理论基础156

8.3.2 非线性接触刚度理论157

8.3.3 作动器主体结构建模159

8.3.4 作动器模态振型图159

8.3.5 不同FKN值对作动器模态频率的影响161

8.3.6 不同FKN值对形变位移的影响162

8.3.7 不同运行速度对模态频率的影响162

8.4 直线电机式主动悬架控制策略仿真163

8.4.1 直线电机式主动悬架的工作原理163

8.4.2 直线电机动力学建模163

8.4.3 直线电机控制165

8.4.4 主动悬架控制策略170

8.4.5 控制系统仿真分析173

8.5 本章小结177

9 车辆悬架振动能量回收179

9.1 引言179

9.2 能量回收可行性分析179

9.3 馈能式磁流变半主动悬架能量回收分析与试验181

9.3.1 馈能效率分析181

9.3.2 能量回收方案184

9.3.3 馈能回收电路设计185

9.3.4 馈能式磁流变半主动悬架能量回收试验190

9.4 并联式滚珠丝杠式半主动悬架能量管理系统分析和试验191

9.4.1 能量管理策略191

9.4.2 能量管理系统硬件电路192

9.4.3 分级调压储能装置和控制策略设计192

9.4.5 储能装置电气元器件的选型196

9.5 馈能式悬架能量回收系统设计197

9.5.1 能量回收电路设计仿真197

9.5.2 悬架馈能回收试验203

9.6 本章小结206

参考文献207 

振动控制是振动工程领域内的一个重要分支，是振动研究的出发点和归宿。从广义上来讲，振动控制包括两个方面的内容：一方面是振动的利用，如振动能量的回收；另一方面是振动的抑制，尽量减少有害的振动，因为振动会缩短产品与结构的寿命，使人易于疲劳，使仪器易于失灵。振动控制的任务就是通过一定的手段使受控对象的振动水平满足人们的预定要求。这里的受控对象是各类产品、结构或系统的统称。按是否需要能源区分，振动控制分为无源控制和有源控制，前者又称为被动控制，后者又称为主动控制。振动主动控制是主动控制技术在振动领域中的一项重要应用，包括开环控制和闭环控制。开环控制装置中的控制律是预先按规定的要求设置好的，与受控对象的振动状态无关；而闭环控制中的控制器是按受控对象的振动状态为反馈信息而工作的。闭环控制后者是目前应用较为广泛的控制。本书内容主要针对振动主动控制在汽车工程领域内的应用——汽车悬架控制技术展开。悬架是位于车架〔或车身)与车轴〔或车轮)之间缓和并衰减由地面引起的冲击和振动，同时传递作用在车轮和车架(或车身)之间的各种力和力矩的装置的总称，是现代汽车中的重要组成部分。传统的汽车悬架是基于经典的隔振理论，根据汽车的综合性能要求，针对特定的路面状况和汽车运行状况而设计的，系统振动特性固定不变，这就限制了汽车性能的进一步提高。随着传感器技术、智能控制技术和先进的执行器技术的飞速发展，可控悬架（或称智能悬架）在汽车上的应用成为了可能。对悬架系统进行有效的控制，使悬架系统能根据不同的行驶工况而具有不同的性能，可以从根本上解决传统被动悬架平顺性和操纵稳定性之间的矛盾。可控悬架根据是否提供动力源及调节对象的不同又可分为主动悬架和半主动悬架。主动悬架能够同时调节悬架系统的刚度、阻尼及车身高度等，获得*佳的悬架动态性能；半主动悬架只能改变悬架系统的刚度或阻尼。主动悬架控制效果*好，能极大地提高车辆的平顺性和安全性，但耗能相对较大，成本较高；半主动悬架兼具被动悬架和主动悬架的特点，阻尼可以在一定的范围内变化，改善了车辆的行驶性能，控制相对简单，成本比主动悬架低，而且能耗小，可靠性高，设计简单易行。当车辆行驶在不平的路面上时，由路面颠簸、车辆加速、车辆减速、车辆制动、车辆转向等引起的垂直运动、俯仰运动、侧倾运动、横摆运动激励产生的振动能量一直未被充分利用，而通常主要由悬架减振器将其转化为热能耗散掉。解决车辆主动悬架的高能耗问题迫在眉睫, 而振动能量回馈是降低能耗和减少使用成本的一个重要手段，馈能式主动悬架是必然的选择。自2006年以来，本研究团队探索了多种不同类型的主动悬架、半主动悬架的结构和控制策略，同时对悬架振动能量回收进行了深入的研究，具体包括电动静液压主动悬架、直线电机式主动悬架、磁流变半主动悬架、滚珠丝杠式半主动悬架等，在可控悬架系统的结构设计与理论、主动和半主动控制策略、能量回收电路、能量管理策略等方面都取得了一定的研究成果。本书部分研究内容得到了国家自然科学基金“车辆电动静液压自供能量式主动悬架工作机理与协调控制研究”（51275403）和“车辆电磁直线式自供能混合主动悬架工作机理与协调控制研究”（51775426）的资助。在本书的编写过程中，编者参阅了国内外许多的著作、论文和研究报告，特在此对其作者表示衷心的感谢。本书的编写、整理与出版，包含着我们研究团队中所有人的辛勤付出，在这里特别感谢硕士刘攀、陈龙、张冬冬、范养强、曾宪梓、任全、梁津、杜嘉峰、王哲、方涛、李冬、李立博、魏冬冬、田蕾、陈晨、李阳康、孙凯、何凌兰、郝帅帅、杜曼，以及在读博士研究生许家楠、张新乾，在读硕士研究生郭杨娟、李孟欣、贺嘉杰、高建、刘朋涛、王甜甜、武大鹏、武江浩、张宏、郑文博等对本书出版做出的贡献。由于作者水平有限，书中难免有不妥之处，敬请读者批评指正。