【畢業(yè)學(xué)位論文】基于微分幾何解耦的汽車主動懸架控制算法研究-機械與運載工程博士論文

學(xué)校代號 10532 學(xué) 號 分 類 號 密 級 公 開 博士學(xué)位論文 基于微分幾何解耦的汽車主動懸架 控制算法研究 學(xué)位申請人姓名 陳建國 培 養(yǎng) 單 位 機械與運載工程學(xué)院 導(dǎo)師姓名及職稱 程軍圣 教授 學(xué) 科 專 業(yè) 機械工 程 研 究 方 向 振動與噪聲控制 論 文 提交 日 期 2013 年 9 月 1 日 學(xué)校代號 ： 10532 學(xué) 號 ： 級 ： 公開 湖南大學(xué)博士學(xué)位論文 基于微分幾何 解耦 的汽車主動懸架 控制算法研究 學(xué)位申請人姓名： 陳建國 導(dǎo)師姓名及職稱： 程軍圣 教授 培 養(yǎng) 單 位： 機械與運載工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱： 機械工程 論文提交日期： 2013 年 9 月 1 日 論文答辯日期： 2013 年 11 月 9 日 答辯委員會主席： 于德介 教授 in of in 2013 基于微分幾何解耦的汽車主動懸架控制算法研究 要 車輛懸架系統(tǒng)不僅影響著車輛的平順性，而且影響著車輛操縱穩(wěn)定性。在平順性方面，由于四個車輪受到路面的激 勵，車身的振動是各車輪引起振動的綜合結(jié)果。在操穩(wěn)性方面，當(dāng)車輛轉(zhuǎn)向時，由于前輪轉(zhuǎn)向角的影響，車輛車身的側(cè)傾會加劇 ； 當(dāng)車輛 處于 緊急轉(zhuǎn)向 工況 ，由于 縱向及橫向 載荷轉(zhuǎn)移， 四個 懸架的垂向力會發(fā)生改變， 從而使各 輪胎的抓地性 發(fā)生改變 ，對緊急轉(zhuǎn)向時車輛的穩(wěn)定性造成影響。車輛在不同工況下，控制的目的是不同的。車輛懸架控制系統(tǒng)是一 輛主動懸架的控制問題，本質(zhì)上是 統(tǒng)的控制分配問題，即數(shù)學(xué)上著名的 題。微分幾何解耦控制理論是解決非線性系統(tǒng)控制問題的有力工具，可以實現(xiàn)對主動懸架控制力的 合理分配。 本 課題 針對車輛的不同工況，利用微分幾何解耦控制理論，對車輛主動懸架控制算法進行研究。 （ 1）車輛在直線工況下，主動懸架控制的目的是提高車輛平順性。提出了不包括阻尼器解耦的 制算法。懸架系統(tǒng)經(jīng)過解耦，車身的垂向、側(cè)傾及俯仰運動各自獨立 。懸架系統(tǒng)被解耦 成 了 多個獨立的線性子系統(tǒng)。通過線性子系統(tǒng)的極點配置，車身的垂向、俯仰及側(cè)傾振動大幅衰減，時域仿真、頻域仿真及基于 件實時仿真驗證了解耦算法的有效性。 （ 2）車輛在轉(zhuǎn)向工況下，車身的側(cè)傾控制是主動懸架控制的重點。通過符號運算，在車身側(cè) 傾表達式中顯式表達了與車輛前輪轉(zhuǎn)角相關(guān)的項，明確了前輪轉(zhuǎn)角對側(cè)傾造成的影響；利用 耦算法，對車身的姿態(tài)進行解耦，使車身的各向運動相互獨立，并對前輪轉(zhuǎn)角對車身側(cè)傾的干擾項通過解耦來進行抑制；分別在前輪轉(zhuǎn)角輸入為階躍信號及正弦信號的情況下進行了仿真，驗證解耦算法的有效性。 （ 3）對于緊急轉(zhuǎn)向工況，車輛的橫向穩(wěn)定性是車輛主動懸架控制的重點。建立了包括 線性輪胎模型的整車橫向穩(wěn)定性控制的數(shù)學(xué)模型，并把該模型表達成仿射非線性的形式，為微分幾何解耦控制奠定了基礎(chǔ)。 （ 4）提出了基于 動與 主動懸架解耦的車輛橫向穩(wěn)定性聯(lián)合控制算法。采用 動來改善緊急轉(zhuǎn)向時車輛的橫擺；以主動懸架的主動作動器為輸入，利用解耦算法來調(diào)節(jié)主動懸架的垂向載荷，改善輪胎的抓地性，從而調(diào)節(jié)車輛的側(cè)向力，達到減小車身側(cè)偏角的目的。對車輛在干燥路面及濕滑路面下，分別進行了階躍輸入及單移線輸入仿真，驗證了 動與主動懸架解耦聯(lián)合控制算法的有效性。 關(guān) 鍵詞：主動懸架；微分幾何；解耦控制；平順性；操縱穩(wěn)定性 博士學(xué)位論文 he of In of of is In of to of of in is in an of so of of of in is a of is of a in is a to of of of on by in (1) In of is to of is of of by is of of of on of (2) In of is of in of on by By of 于微分幾何解耦的汽車主動懸架控制算法研究 IV on of to by is by of of (3) In is of of is is in (4) of on I is I of in is of as to of is as a to of is on of 博士學(xué)位論文 V 目 錄 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 . I 摘 要 . . 圖索引 . 表索引 . X 第 1 章 緒 論 .架的作用及發(fā)展過程 . 懸架對車輛平順性及操縱穩(wěn)定性的影響 . 車輛懸架發(fā)展歷程 .輛主動懸架控制算法的研究現(xiàn)狀 .動懸架控制技術(shù)存在的主要問題及課題的提出 . 主動懸架控制存在的主要問題 . 課題的提出 . 10 文的研究內(nèi)容 . 10 第 2 章 微分幾何理論基礎(chǔ) . 13 本概念 . 13 線性系統(tǒng)的反饋線性化 . 14 統(tǒng)的解耦 . 18 耦示例 . 20 章小結(jié) . 22 第 3 章 直線行駛整車主動懸架解耦減振控制 . 23 線工況下的整車數(shù)學(xué)模型 . 23 分幾何解耦控制 . 25 車懸架系統(tǒng)的狀態(tài)方程 . 25 含阻尼器解耦控制算法 . 27 包含阻尼器解耦控制 . 32 于 主動懸架 法實時仿真 . 42 時仿真的軟硬件 . 42 于 法實時仿真 . 44 章小結(jié) . 47 第 4 章 轉(zhuǎn)向工況下的車輛主動懸架解耦側(cè)傾控制 . 49 基于微分幾何解耦的汽車主動懸架控制算法研究 向工況下整車模型 . 49 統(tǒng)的狀態(tài)方程 . 52 統(tǒng)模型仿真 . 55 統(tǒng)解耦及控制 . 58 法仿真 . 60 輪轉(zhuǎn)角階躍輸入響應(yīng) . 60 輪轉(zhuǎn)角正弦輸入響應(yīng) . 63 結(jié) . 65 第 5 章 基于制動與主動懸架解耦的車輛橫向穩(wěn)定性聯(lián)合控制 . 66 于非線性輪胎模型的整車動力學(xué)方程 . 66 車動力學(xué)方程的建立 . 66 胎模型 . 68 考模型 . 72 制算法 . 72 擺穩(wěn) 定性控制 . 72 動懸架解耦的質(zhì)心側(cè)偏角控制 . 75 法仿真 . 79 燥柏油路面仿真 . 79 滑路面仿真 . 84 于 合仿真的控制算法驗證 . 86 其他方法的控制結(jié)果 對比 . 91 章小結(jié) . 92 結(jié)論及展望 . 93 參考文獻 . 96 致 謝 . 103 附錄 A 攻讀博士期間發(fā)表的論文 . 104 博士學(xué)位論文 圖索引 圖 輛懸架、轉(zhuǎn)向、制動子系統(tǒng)的耦合 . 文的研究思路 . 12 圖 統(tǒng)坐標(biāo)變換后的控制框圖 . 18 圖 統(tǒng)反饋解耦后的控制結(jié)構(gòu) . 19 圖 車主動懸架簡化模型圖 . 23 圖 面激勵信號 . 25 圖 向位移（ . 29 圖 仰角（ . 29 圖 傾角（ . 30 圖 向加速度（ . 30 圖 仰角加速度（ . 31 圖 傾角加速度（ . 31 圖 上質(zhì)量垂向位移 （ . 33 圖 上質(zhì)量俯仰角 （ . 33 圖 上質(zhì)量側(cè)傾角 （ . 34 圖 向加速度 （ . 34 圖 仰角加速度 （ . 35 圖 傾角加速度（ . 35 圖 1 處懸架的動撓度（ . 36 圖 2 處懸架的動撓度（ . 36 圖 3 處懸架的動撓度（ . 37 圖 4 處懸架的動撓度（ . 37 圖 1 處輪胎的動行程（ . 38 圖 2 處輪胎的動行程（ . 38 圖 3 處 輪胎的動行程（ . 39 圖 4 處輪胎的動行程（ . 39 圖 向位移功率譜密度 . 41 圖 向加速度功率譜密度 . 41 圖 仰角功率譜密度 . 41 圖 仰角加速度功率譜密度 . 41 圖 傾角 功率譜密度 . 41 基于微分幾何解耦的汽車主動懸架控制算法研究 傾角加速度功率譜密度 . 41 圖 物圖 . 42 圖 裝的 型 . 43 圖 裝的主動懸架控制器模塊 . 43 圖 時仿真界面 . 44 圖 向位移（ . 44 圖 仰角（ . 44 圖 傾角（ . 45 圖 向加速度（ . 45 圖 仰角加速度（ . 45 圖 傾角加速度（ . 45 圖 1 處懸架動撓度（ . 45 圖 2 處懸架動撓度（ . 45 圖 3 處懸架動撓度（ . 46 圖 4 處懸架動撓度（ . 46 圖 1 處輪胎動行程（ . 46 圖 2 處輪胎動行程（ . 46 圖 3 處輪胎動行程（ . 46 圖 4 處輪胎動行程（ . 46 圖 輛的轉(zhuǎn)向運動 . 49 圖 輛的俯仰運動 . 50 圖 輛的側(cè)傾運動 . 50 圖 同前輪轉(zhuǎn)角下的車身側(cè)傾角 . 56 圖 同前輪轉(zhuǎn)角下的橫擺角速度 . 56 圖 同車速下的側(cè)傾角 . 57 圖 同車速下的橫擺角速度 . 57 圖 傾角曲線 . 60 圖 仰角曲線 . 61 圖 向位移 . 61 圖 向加速度曲線 . 62 圖 擺角速度曲線 . 62 圖 傾角（正弦信號） . 63 圖 仰角（正弦信號） . 63 圖 向位移（正弦信號） . 64 圖 向加速度（正弦信號） . 64 博士學(xué)位論文 擺角速度（正弦信號） . 65 圖 向運動模型 . 67 圖 輪的滑移率 . 69 圖 胎力的方向 . 70