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基于磁流变减振器逆模型的轮毂电机式电动汽车悬架控制研究

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基于磁流变减振器逆模型的轮毂电机式电动汽车悬架控制研究

作者：陈少帅吉林大学

学位级别：硕士

随着环保和节能的观念不断加强,越来越多的消费者开始选择电动汽车作为主要交通工具。由于国家政策的扶持,汽车企业对电动汽车研发的投入逐年增长。轮毂电机式电动汽车作为电动汽车的一个发展方向,因其独特的驱动方式,与传统驱动汽车相... 详细信息

随着环保和节能的观念不断加强,越来越多的消费者开始选择电动汽车作为主要交通工具。由于国家政策的扶持,汽车企业对电动汽车研发的投入逐年增长。轮毂电机式电动汽车作为电动汽车的一个发展方向,因其独特的驱动方式,与传统驱动汽车相比具有操控性强、集成度高以及占用空间少等优点。然而,由于轮毂电机的引入,导致轮毂电机式电动汽车存在非簧载质量增加和轮毂电机激励的负效应问题。因此,采用合适的措施对轮毂电机式电动汽车平顺性进行改善,具有理论研究价值和实际应用意义。目前,针对轮毂电机式电动汽车平顺性主要存在轮毂电机轻量化、传统悬架优化、动力吸振器应用和智能悬架开发四种改善措施。前三种改善措施效果一般或应用具有局限性,本文选择引入半主动悬架研究轮毂电机式电动汽车平顺性改善问题。针对轮毂电机式电动汽车悬架控制研究,已经开展了诸多相关研究工作。但是,已有研究大多基于1/4车辆模型,平面模型和空间模型较少,对采用的路面激励时域模型的合理性缺乏探讨,采用的控制策略较少考虑到轮毂电机激励的影响,与实际控制执行机构结合也少。针对轮毂电机式电动汽车平顺性及其悬架控制研究面临的问题,依托中国汽车产业创新发展联合基金重点研究项目和省校共建项目,本文建立基于Padé逼近的前后轮路面激励时域模型和汽车四自由度平面模型,仿真分析Padé逼近的阶次对汽车平面模型平顺性的影响,找出Padé逼近的最佳阶次,以此建立的路面激励模型用于后续仿真;建立磁流变减振器正模型,通过NARX神经网络建立其逆模型;建立轮毂电机式电动汽车平面模型,分析电机激励对被动悬架、天棚控制策略、地棚控制策略和天棚-地棚混合控制策略的影响,通过对比选出较好的控制策略,引入JADE算法和FxLMS算法进行自适应优化,并将其控制效果通过磁流变减振器逆模型实现。主要内容如下(1)研究了Padé逼近的基本原理,推导出指数函数Padé逼近及其在滞后系统中B应用的时域通用公式。基于前轮路面激励滤波白噪声描述和指数函数Padé逼近,建立了前后轮路面激励的时域模型。基于汽车平面模型和所建的路面激励模型,建立了平顺性时域和频域仿真方法,在1阶Padé逼近下,开发了前后轮路面激励时域模型和汽车四自由度平面模型的Simulink仿真模型。以频域仿真结果作为基准,设计了比较方案,选取相对误差和相对误差平均值为比较指标,仿真分析了Padé逼近阶次对汽车平顺性的影响,找出最佳的阶次作为后续仿真输入的依据。(2)给出磁流变减振器Bouc-Wen现象模型的数学描述,建立了相应的Simulink仿真模型,从位移幅值、激励频率和电压强度三方面分析了Bouc-Wen现象模型的响应特性。总结了NARX神经网络的基本原理和MATLAB实现,确定了训练样本,设计了一系列试验方案,选择均方根值和相关系数作为评价指标,分析每种方案的训练测试效果,找出最佳的试验方案,以此建立磁流变减振器逆模型。(3)建立了开关磁阻电机激励模型和包含被动悬架的轮毂电机式电动汽车平面模型,开发了包含被动悬架的轮毂电机式电动汽车平面Simulink仿真模型,仿真分析了电机激励对被动悬架轮毂电机式电动汽车平顺性评价指标的影响。阐述了天棚、地棚和天棚-地棚混合控制策略的原理,建立了轮毂电机式电动汽车平面控制Simulink仿真模型,仿真分析了电机激励对三种控制策略效果的影响。引入JADE算法对天棚-地棚混合控制策略进行自适应优化,仿真发现其对俯仰角加速度的改善并不理想。再引入FxLMS算法对天棚-地棚混合控制策略进行自适应优化,仿真对比了两种自适应优化的结果。(4)建立了基于磁流变减振器的轮毂电机式电动汽车平面模型及其Simulink仿真模型,研究磁流变减振器逆模型应用的基本原理,制定了磁流变减振器逆模型应用效果的评价方案。阐述了磁流变减振器逆模型仿真实现的过程,选取相对误差作为评价指标,仿真评价了磁流变减振器逆模型的应用效果。上述研究结果表明,Padé逼近阶次对路面激励模型影响较大,选择合适的阶次用于仿真比较重要。电机激励对轮毂电机式电动汽车悬架控制策略影响较大,考虑电机激励更符合实际。采用JADE算法和FxLMS算法对控制策略进行自适应优化,并结合磁流变减振器逆模型的应用,可以为轮毂电机式电动汽车悬架控制研究提供一定的理论和方法的参考。

关键词：电动汽车轮毂电机悬架控制磁流变减振器逆模型 Padé逼近 NARX 电机激励 JADE FxLMS

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汽车半主动悬架控制策略及联合仿真研究

汽车半主动悬架控制策略及联合仿真研究

作者：张好好长安大学

学位级别：硕士

悬架是汽车的核心部件之一,是改善整车弯道操控性能和乘坐舒适性能的关键。相比于传统悬架,半主动悬架能够通过传感器感知路面输入和车身姿态,实时地通过阻尼器连续或间断的输出阻尼力来控制汽车的振动,能够有效改善车辆的驾驶和乘坐舒... 详细信息

悬架是汽车的核心部件之一,是改善整车弯道操控性能和乘坐舒适性能的关键。相比于传统悬架,半主动悬架能够通过传感器感知路面输入和车身姿态,实时地通过阻尼器连续或间断的输出阻尼力来控制汽车的振动,能够有效改善车辆的驾驶和乘坐舒适性能,具有和主动悬架相近的减振性能,且结构简单、造价低廉、能耗低。本论文以半主动悬架的1/4车模型为研究对象,深入研究了汽车半主动悬架多种控制策略,并利用ADAMS和MATLAB软件对多种控制策略下半主动悬架的性能进行联合仿真,对比分析了不同控制策略的控制效果。本论文主要研究内容包括:(1)建立了汽车动力学模型,介绍了悬架性能评价指标及虚拟样机仿真分析软件ADAMS的特点;利用ADAMS创建了汽车半主动悬架机械系统模型,并通过定义测试函数对创建的悬架模型进行了分析验证。(2)分析了汽车振动激励来源,建立了正弦输入和随机输入两种路面模型,研究了路面不平度概念及其功率谱密度;在ADAMS中构建了半主动悬架的弹簧-阻尼器模型,通过定义模型的输入、输出状态变量,创建了基于ADAMS和MATLAB的联合仿真平台。(3)介绍了PID控制基本理论,研究了利用遗传算法(GA)对半主动悬架PID控制器参数进行优化的GA-PID控制策略,对GA-PID控制器的动态性能进行了分析;对被动悬架和分别采用PID控制、GA-PID控制的半主动悬架进行联合仿真,对比分析了不同控制策略下半主动悬架的性能,结果表明相对于被动悬架和基于PID控制的半主动悬架,基于GA-PID控制的半主动悬架性能得到了比较明显的提升。(4)介绍了模糊控制基本理论,研究了用模糊控制对GA-PID控制器参数进行修正的模糊GA-PID控制策略,对模糊GA-PID控制器的动态性能进行了分析;对被动悬架和分别采用PID控制、GA-PID控制、模糊GA-PID控制的半主动悬架进行联合仿真,对比分析了不同控制策略下半主动悬架的性能,结果表明相对于GA-PID控制,模糊GA-PID控制策略能够比较明显地改善半主动悬架的性能。

关键词：半主动悬架悬架控制遗传算法模糊GA-PID ADAMS/Simulink联合仿真

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基于悬架控制的车辆行驶平顺性研究

基于悬架控制的车辆行驶平顺性研究

作者：赵子男哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

车辆的行驶平顺性是车辆的重要使用性能之一,也是车辆行驶动力学研究的关键问题。路面不平度是引起车辆振动的主要激励,车辆的振动将对行驶平顺性造成影响,而悬架控制能够抑制车辆振动,改善行驶平顺性。本文围绕车辆的行驶平顺性分析及... 详细信息

车辆的行驶平顺性是车辆的重要使用性能之一,也是车辆行驶动力学研究的关键问题。路面不平度是引起车辆振动的主要激励,车辆的振动将对行驶平顺性造成影响,而悬架控制能够抑制车辆振动,改善行驶平顺性。本文围绕车辆的行驶平顺性分析及悬架控制对行驶平顺性的改善这个问题展开。首先,本文分析了路面不平度的功率谱密度,并结合路面谱的统计特性,分别用谐波叠加法和时间序列分析法建立了描述路面不平度的两种时域模型。基于路面不平度的时域模型,进而建立了车辆在直线行驶时,车辆单轮辙的路面随机激励模型和路面离散激励模型。建立的路面激励模型是研究车辆振动的基础。其次,为了研究车辆系统的振动对平顺性的影响,分析了车辆的力学原理,建立了4自由度的二分之一车辆在路面激励下的振动模型。基于此振动模型,再结合路面的激励模型,进一步建立了车辆系统的行驶平顺性分析模型。在此模型的基础上,搭建了车辆行驶平顺性仿真平台。在两种工况下,对路面激励下的车辆振动系统进行了仿真,分析了路面对行驶平顺性的影响。最后,针对被动悬架导致车辆行驶平顺性较差的问题,建立了四分之一车辆悬架系统模型,研究了半主动悬架控制和主动悬架控制对行驶平顺性的改善作用。对于半主动悬架,设计了滑模控制器,并通过径向基函数神经网络（RBF）对其进行了优化。对于主动悬架,设计了LQG控制器,并用层次分析法,重点讨论了LQG最优控制性能指标中加权系数的选择方法。在两种工况下,用所设计的控制器进行了仿真分析,证实了悬架控制对车辆行驶平顺性的改善效果。

关键词：行驶平顺性路面不平度悬架控制滑模控制 LQG控制

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不同工况下汽车悬架控制自适应切换方法研究

不同工况下汽车悬架控制自适应切换方法研究

作者：包黎明辽宁工业大学

学位级别：硕士

以提升车辆的乘坐舒适性及行驶安全性为目的,汽车电控技术的不断发展使车辆悬挂系统趋向智能化。通过实时控制调节主动悬架的调节因子,使车辆在不同路面激励下都能达到良好的平顺性和操稳性,因此,主动悬架拥有传统悬架无法相比的优势。... 详细信息

以提升车辆的乘坐舒适性及行驶安全性为目的,汽车电控技术的不断发展使车辆悬挂系统趋向智能化。通过实时控制调节主动悬架的调节因子,使车辆在不同路面激励下都能达到良好的平顺性和操稳性,因此,主动悬架拥有传统悬架无法相比的优势。论文依托国家自然科学基金青年基金项目(51605213)和辽宁省科技厅联合基金项目(201602367),以汽车阻尼可调悬架为研究对象,对随机平直路、斜坡路、连续减速带三种常见的城市道路工况,利用模态能量比及其变化率对路面特征进行识别,并构建基于特征系数加权和的悬架阻尼自适应切换控制策略,实现不同道路下悬架阻尼控制的平稳切换。具体研究包括以下几个方面:首先,构建车辆振动模型以及包含随机平直路、斜坡路、连续减速带三种路面特征的综合路面输入模型,利用模态能量法对车辆运动状态进行分析,得到车辆系统七个运动模态的模态能量比及其变化率,实现对不同工况路面特征识别。其次,针对三种不同的路面工况,基于不同的控制算法和控制策略分别构建局部控制器。对于随机平直路工况,构建PID算法控制器;对于斜坡路面工况,构建模糊算法控制器;对于连续减速带路面工况,构建LQG算法控制器。最后,基于神经网络控制算法构建局部控制器及加权系数切换策略,采用加权系数和的方法,根据汽车实时监测数据进行路况识别,按照三种路况下车辆响应参数变化的不同控制特征系数的大小,将包含切换特征加权系数的控制方程作为悬架自适应切换输出,实现三种不同路面工况及对应控制的平滑切换。在Matlab/Simulink中对基于神经网络切换的主动悬架自适应切换方法进行仿真验证,将控制结果与被动悬架进行分析比较。论文仿真结果表明:基于模态能量比变化率的路面识别方法能准确识别随机平直路、斜坡路、连续减速带三种路面工况,基于神经网络切换的主动悬架自适应切换控制算法能按照三种不同工况得到了精确的特征加权系数。本文研究方法实现了平滑切换,提高了车辆悬架的舒适性。

关键词：主动悬架不同工况模态能量法路面识别自适应切换悬架控制

轮毂电机式电动汽车主动悬架控制容错性能研究

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轮毂电机式电动汽车主动悬架控制容错性能研究

作者：成林海吉林大学

学位级别：硕士

随着环境污染、能源危机日益严重和国内外对于新能源汽车的日益重视,电动汽车市场逐渐增大。轮毂电机式电动汽车因其具有节能高效、环境友好、结构紧凑和对单个车轮可以实现独立控制等优点,成为研究热点之一。然而,轮毂电机的引入对汽... 详细信息

随着环境污染、能源危机日益严重和国内外对于新能源汽车的日益重视,电动汽车市场逐渐增大。轮毂电机式电动汽车因其具有节能高效、环境友好、结构紧凑和对单个车轮可以实现独立控制等优点,成为研究热点之一。然而,轮毂电机的引入对汽车平顺性造成了一定的负面影响。针对轮毂电机对汽车平顺性的负面影响,已经提出多种改善方法。其中,通过悬架控制进行改善是一种有效的办法。然而,以往的研究较少考虑轮毂电机定转子偏心对悬架控制效果的影响。因此,研究考虑电机偏心的悬架对轮毂电机式电动汽车平顺性改善的影响具有理论价值和实际应用意义。主动悬架可以用于改善汽车平顺性,但是其在应用过程中可能会遇到模型或参数不确定性、外界扰动、测量误差、执行器故障和传感器故障等现象,这些现象将对主动悬架控制容错性能造成影响。针对轮毂电机式电动汽车主动悬架控制容错性能面临的问题,本文考虑了路面和轮毂电机偏心的共同作用,基于平面模型开展轮毂电机式电动汽车的被动悬架的建模和性能分析、主动悬架状态反馈H控制设计和性能分析、主动悬架状态估计反馈H控制和性能分析、考虑主动悬架执行器状态的容错性能分析等研究工作,研究的主要内容如下:(1)针对电机引入对轮毂电机式电动汽车的影响,建立了轮毂电机式电动汽车被动悬架四自由度平面性能模型,确定了随机路面和脉冲路面的悬架性能指标。基于滤波白噪声和Pade逼近建立了随机路面前后轮激励模型,基于国家标准建立了脉冲路面模型前后轮激励模型,基于电机定转子偏心建立了典型的四相8/6极开关磁阻电机偏心激励模型。采用Matlab/Simulink开发了轮毂电机式电动汽车被动悬架性能仿真模型,在不含偏心、前轮偏心、后轮偏心和双轮同时偏心的4种情况下,分析了随机路面和脉冲路面的轮毂电机式电动汽车被动悬架性能。结果表明,电机定转子偏心对轮毂电机式电动汽车被动悬架性能有着不可忽视的影响。(2)说明了线性矩阵不等式和Schur补引理,给出了线性矩阵不等式的Matlab求解方法。总结了标准状态反馈H控制和约束状态反馈H控制,克服了以往描述过于复杂的问题。建立了轮毂电机式电动汽车主动悬架四自由度平面性能模型,应用约束H状态反馈控制设计和实现了轮毂电机式电动汽车主动悬架的设计,并且提出一种通过仿真确定状态反馈H两个控制参数的方法。应用Matlab/Simulink开发了轮毂电机式电动汽车主动悬架控制性能仿真模型,通过随机路面和脉冲路面仿真结果,说明了所建立主动悬架H状态反馈控制器的有效性。(3)考虑测量方程的控制项和外界扰动,给出了卡尔曼滤波算法离散线性系统的表示及其推导过程、注意事项和Simulink的实现方式。采用Matlab命令实现了线性连续系统离散化程序处理,采用Matlab/Simulink开发了轮毂电机式电动汽车主动悬架性能离散仿真模型,比较了随机路面和脉冲路面轮毂电机式电动汽车主动悬架性能连续和离散两种仿真模型的结果,说明了离散化仿真模型的有效性。采用传感器可以测量的4个响应,结合轮毂电机式电动汽车主动悬架性能离散仿真模型和卡尔曼滤波算法实现了状态估计,采用Matalb/Simulink开发了轮毂电机式电动汽车主动悬架状态估计反馈H控制仿真模型。针对电机无偏心和前后电机偏心两种情况,分别比较了随机路面和脉冲路面状态估计和状态反馈的响应,说明了基于卡尔曼滤波状态估计H反馈控制的效果。(4)针对执行器的三种主要故障状态:执行器卡死故障、执行器增益故障和执行器偏差故障,建立了可以考虑执行器的正常状态和主要故障状态的执行器状态模型,以此为基础建立了考虑前后悬架执行器状态的主动悬架执行器状态模型。将主动悬架执行器模型与轮毂电机式电动汽车相结合,采用Matalb/Simulink开发了考虑前后悬架执行器状态的轮毂电机式电动汽车主动悬架状态反馈H控制性能模型。在主动悬架执行器恒增益故障和恒偏差故障的情况下,比较了随机路面和脉冲路面的无故障悬架理论输出力和前后执行器同时发生故障时实际输出力及其差值。将卡尔曼滤波和执行器故障相结合,设计了故障补偿控制方法,采用Matalb/Simulink开发了相应的轮毂电机式电动汽车主动悬架故障补偿控制仿真模型。在恒增益故障和恒偏差故障情况下,分别针对随机路面和脉冲路面开展了主动悬架容错性能的分析。结果表明:基于卡尔曼滤波和执行器状态的轮毂电机式电动汽车主动悬架故障补偿控制可以在一定程度上消除执行故障的影响。以上研究表明,电机偏心对汽车平顺性有着重要的影响,在轮毂电机式电动汽车中需要考虑轮毂电机偏心带来的负效应;通过主动悬架控制设计可以改善汽车平顺性,采用卡尔曼滤波可以实现状态估计,将H控制、卡尔曼滤波、执行器状态模型相结合,可以实现轮毂电机式电动汽车主动悬架控制容错性能研究。

关键词：电动汽车轮毂电机悬架控制容错性能主动悬架 H∞控制卡尔曼滤波线性矩阵不等式执行器模型

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基于主坐标的车辆悬架控制方法研究

基于主坐标的车辆悬架控制方法研究

第十五届全国非线性振动暨第十二届全国非线性动力学和运动稳定性学术会议

作者：邱亚宇陈宁南京林业大学汽车与交通工程学院南京林业大学机电工程学院

行驶车辆是一个极其复杂的系统,具有自由度数大、结构复杂、参数不确定、环境不断改变、非线性和人员干预等特点。对车辆整体性能实行控制是一个在现实中很迫切,但在研究和实现上却是很困难的任务。本文基于振动力学理论,提出利用系统... 详细信息

行驶车辆是一个极其复杂的系统,具有自由度数大、结构复杂、参数不确定、环境不断改变、非线性和人员干预等特点。对车辆整体性能实行控制是一个在现实中很迫切,但在研究和实现上却是很困难的任务。本文基于振动力学理论,提出利用系统特征模态,通过车辆的刚-柔多体系统动力学模型,以静平衡状态为参考系,计算车辆系统的各阶模态。对求得的各阶模态建立坐标变换,将物理空间的系统方程变换到主坐标空间的系统方程,建立两空间模型的映射关系。利用天棚阻尼控制策略对各个模态进行控制,并且在悬架模态的控制策略中引入分数微积分的特点和分数阶微分方程的动力特性,最后映射到物理坐标空间对车辆的仿真模型进行运动学仿真,获得车辆的运动响应。

关键词：悬架控制主坐标天棚阻尼控制分数阶

来源： cnki会议评论

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cnki会议

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汽车悬架参数优化的最优控制方法

农业机械学报 2005年第11期36卷 21-24页

作者：潘国建刘献栋北京航空航天大学汽车工程系

以主动悬架系统模型为研究对象,应用最优控制理论进行了线性二次型最优控制器设计,并得到了最优控制力。把一个刚度阻尼系统并联于被动悬架系统,根据变参数后的悬架系统产生的力接近最优控制力,利用最小二乘法求得刚度阻尼系统参数,从... 详细信息

以主动悬架系统模型为研究对象,应用最优控制理论进行了线性二次型最优控制器设计,并得到了最优控制力。把一个刚度阻尼系统并联于被动悬架系统,根据变参数后的悬架系统产生的力接近最优控制力,利用最小二乘法求得刚度阻尼系统参数,从而使得被动悬架参数得以优化。与传统优化方法比较表明,以最优控制理论和最小二乘法相结合的悬架参数优化方法快捷有效,能较大改善悬架系统的动态性能。

关键词：汽车悬架控制最小二乘法优化

汽车非线性主动悬架系统的自适应事件触发控制

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汽车安全与节能学报 2023年第4期14卷 439-447页

作者：贾俊茹郑黎明张镇汕头大学工学院汕头515063 智能制造技术教育部重点实验室汕头515063

针对汽车非线性主动悬架提出一种基于区间二型模糊模型的自适应事件触发控制方法,以实现悬架系统乘坐舒适性和通信资源节约性能的双重提升。建立非线性悬架系统的区间二型模糊模型,准确描述悬架系统弹性元件和阻尼器的非线性特征;引入... 详细信息

针对汽车非线性主动悬架提出一种基于区间二型模糊模型的自适应事件触发控制方法,以实现悬架系统乘坐舒适性和通信资源节约性能的双重提升。建立非线性悬架系统的区间二型模糊模型,准确描述悬架系统弹性元件和阻尼器的非线性特征;引入自适应事件触发通信机制,相比传统的采样通信机制能够有效节约通信资源,同时保证系统良好的控制性能;基于时滞理论构建非线性悬架自适应事件触发控制的闭环系统模型,提出事件触发器和模糊控制器的协同设计方法。结果表明:在保证系统稳定性和性能约束的同时,所提方法的车身加速度降低52.12%,悬架动行程减小45.81%,轮胎动载荷减少31.91%,且事件触发频率降低44.33%。该方法能够有效提升悬架系统的乘坐舒适性,实现通信资源的有效节约。

关键词：非线性悬架系统二型模糊模型事件触发悬架控制

电动汽车悬架系统控制与材料表面裂缝激光熔覆修复方法

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应用激光 2022年第6期42卷 29-35页

作者：陈正科詹慧贞江西科技学院智能工程学院江西南昌330098

由于电动汽车悬架系统控制的效果较差,且未能对材料表面裂缝进行提取,故降低了裂缝修复完整度和效果。因此,提出电动汽车悬架系统控制与材料表面裂缝激光熔覆修复方法。首先构建电动汽车的动力学模型,并对悬架性能进行分析,在此基础上设... 详细信息

由于电动汽车悬架系统控制的效果较差,且未能对材料表面裂缝进行提取,故降低了裂缝修复完整度和效果。因此,提出电动汽车悬架系统控制与材料表面裂缝激光熔覆修复方法。首先构建电动汽车的动力学模型,并对悬架性能进行分析,在此基础上设计LQG控制器,实现悬架系统的控制。利用泛洪填充算法提取材料表面的裂缝目标,并对裂缝的高度和宽度进行计算,采用神经网络构建激光熔覆修复模型,完成材料表面裂缝的修复。试验结果表明,所提方法具有良好的控制效果,且裂缝修复完整度高、效果好。

关键词：电动汽车悬架控制裂缝修复神经网络激光熔覆