（光学工程专业论文）基于磁流变减振器的汽车半主动悬架研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 以车辆悬架系统中的半主动减振器和半主动悬架为研究对象，对半主动减 振器的结构设计、数学建模和半主动悬架系统控制策略进行了深入研究，主要 涉及以下几个方面： ( 1 ) 提出一种基于遗传算法的磁流变减振器多目标优化设计方法。该方法兼 顾对动力性能、响应速度和能耗的要求，能够快速设计出满足性能要求 的磁流变减振器。应用该方法实际设计和制造了减振器样机，并通过台 架试验对优化设计方法的有效性进行了验证。 ( 2 ) 提出了一种基于修正b a c k l a s h 滞环的磁流变减振器参数化模型。该模型 结构简单，参数意义明确，能准确描述和预测磁流变减振器在不同励磁 电流和激振频率下的动特性。 ( 3 ) 研究基于磁流变减振器的半主动悬架系统控制策略。对磁流变减振器的 反馈线性化控制、神经网络逆模型控制和s i g m o i d 逆模型控制进行了对 比研究；提出连续型负刚度半主动控制方法，该方法能有效避免开关型 负刚度控制中的“颤振”现象，在此基础上提出反馈线性化连续负刚度、 神经网络连续负刚度和s i g m o i d 逆模型连续负刚度三种系统级控制策 略，并对其控制效果进行了对比研究。 关键词：磁流变减振器，多目标优化，修正b a c k l a s h 滞环模型，半主动悬架， 反馈线性化控制，神经网络逆控制，s i g m o i d 逆模型控制，连续负刚 度半主动控制 浙江大学硕上学位论文 a b s t r a c t t h er e s e a r c ho b j e c t so ft h i st h e s i sa r es e m i - a c t i v e d a m p e ra n ds e m i a c t i v e s u s p e n s i o n o fv e h i c l e s u s p e n s i o ns y s t e m t h e s t r u c t u r e d e s i g n o f m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r , p a r a m e t r i cm o d e l i n ga n dt h ec o n t r o ls t r a t e g i e so f s e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e ma r es t u d i e d m a i nt a s k sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) ag e n e t i ca l g o r i t h m b a s e dm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o no fm a g n e t o r h e o l o g i c a l d a m p e rd e s i g nm e t h o dw a sp r e s e n t e d t h em a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e rc o u l db e q u i c k l yd e s i g n e dt om e e tt h ep e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t sb yu s i n gt h em e t h o d t h er e q u i r e m e n t so fd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，r e s p o n s e s p e e da n dp o w e r c o n s u m p t i o nh a db e e nt a k e ni n t oa c c o u n t ad a m p e rp r o t o t y p ew a sd e s i g n e d a n dm a n u f a c t u r e db yu s i n gt h em e t h o d t h e n ，t h ed a m p e rw a st e s t e do nt h e b e n c ht ov e r t i f yt h ee f f e c t i v e n e s so ft h eo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o d ( 2 ) am o d i f i e db a c k l a s hh y s t e r e s i sm o d e lw a sp r e s e n t e d t h em o d e lw a ss i m p l ei n s t r u c t u r e t h ep a r a m e t e rm e a n i n gw a sc l e a r t h em o d e lw a sa b l et od e s c r i b ea n d p r e d i c tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e ra c c u r a t e l yi n d i f f e r e n tc u r r e n t sa n df r e q u e n c i e s ( 3 ) t h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mc o n t r o ls t r a t e g i e sb a s e do nt h e m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e rw a ss t u d i e d t h ef e e d b a c kl i n e a r i z a t i o nc o n t r o l ， n e u r a ln e t w o r ki n v e r s em o d e lc o n t r o la n ds i g r n o i di n v e r s em o d e lc o n t r o lo ft h e m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e rh a db e e ns t u d i e dc o n t r a s t i v e l y ac o n t i n u o u s n e g a t i v es t i f f n e s ss e m i a c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yh a db e e np r e s e n t e d ，w h i c hc a n a v o i dt h e c h a t t e r ”p h e n o m e n o ne f f e c t i v e l yi nt h es w i t c h i n go ft h en e g a t i v e s t i f f n e s sc o n t r 0 1 o nt h eb a s i s ，t h r e es y s t e m - l e v e lc o n t r o ls t r a t e g i e dw h i c hc a l l e d t h ef e e d b a c kl i n e a r i z a t i o n - c o n t i n u o u s n e g a t i v es t i f f n e s s ，n e u r a ln e t w o r k s - c o n t i n u o u sn e g a t i v es t i f f n e s sa n ds i g r n o i di n v e r s em o d e l c o n t i n u o u sn e g a t i v e s t i f f n e s sw e r ep r e s e n t e d t h ep e r f o r m a n c e so ft h e s es t r a t e g i e sw e r es t u d i e d c o n t r a s t i v e l y k e y w o r d s ：m a g n e t o r h e o l o g i c a ld a m p e r , m u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ，m o d i f i e d l l 浙江大学硕士学位论文 b a c k l a s hh y s t e r e s i sm o d e l ，s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ，f e e d b a c kl i n e a r i z a t i o nc o n t r o l ， n e u r a ln e t w o r ki n v e r s em o d e lc o n t r o l ，s i g r n o i di n v e r s em o d e lc o n t r o l ，c o n t i n u o u s n e g a t i v es t i f f i a e s ss e m i a c t i v ec o n t r o l 。一1 1 1 。一 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝鎏盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：年月日签字日期：年月日 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 第1 章绪论 随着生活水平的不断提高，生活节奏的加快和经济的快速发展，人们对汽 车的行驶速度提出了更好的要求，但是高的汽车行驶速度使得汽车的振动问题 变得更加突出。这对汽车的行驶安全性、行驶平顺性、乘坐舒适性和操纵稳定 性等都提出了更高的要求。悬架系统作为车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车 轮) 之间的传力元件，对于汽车的外部减振起着十分关键的作用，从而直接影 响了上述诸性能u 1 。传统的汽车悬架是借助弹性元件和阻尼元件来缓和及减少 汽车行驶时由路面产生的冲击和振动，其振动特性( 即刚度和阻尼) 是固定不 变的n 3 1 。全主动悬架系统可以根据路况实时的利用作动器来控制悬架振动，实 现了真正意义上的最优控制，但是这样的最优控制是以悬架系统的复杂程度、 制造成本和能耗的大幅度提高为代价的。而半主动悬架通过输入少量的调节能 量来局部改变悬架系统的振动特性( 刚度或者阻尼) ，结构简单、可靠性高，因 系统动特性变化很小，仅消耗振动能量，故稳定性好，而其减振能力几乎与全 主动悬架一样b j l ，故而汽车半主动控制悬架系统已成为当今国内外学者和生产 商研究和开发的热点。 浙江大学机械设计研究所对基于磁流变减振器的车辆半主动悬架进行了比 较系统的研究，杨礼康博士研究了车辆磁流变半主动悬挂系统b 1 ，王维锐博士 研究了车辆悬架关键技术嘶1 。本文在前人研究基础之上，提出了磁流变减振器 的多目标优化设计，磁流变减振器的滞回现象参数化建模，以及基于磁流变减 振器的半主动控制策略研究的课题。主要目的是为了简化磁流变减振器设计流 程，提高设计效率；设计出更适用于实车应用的磁流变减振器和半主动悬架控 制策略。 研发磁流变半主动悬架系统涉及到的两个关键点是可靠的执行元件_ 磁 流变减振器的研制和控制器的开发与验证。对于磁流变减振器的研制来说，由 于各结构参数之间相互影响、相互制约，并且希望减振器阻尼响应快、可调范 围大、阻尼力满足要求，还需要考虑到磁流变液升温造成的影响，而从节能角 度考虑，也希望减振器所消耗电能越小越好。可以看到，磁流变减振器的设计 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 实际上是一个多目标优化的过程，因此，通过对各目标进行有效折衷，设计综 合水平更好的磁流变减振器是接下来进行半主动悬架系统开发的前提。控制器 的开发是半主动悬架控制的关键，有天棚阻尼控制、地棚阻尼控制、混合控制， 负刚度控制、线性最优控制策略、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、鲁 棒控制等。但这方面的研究多停留在半主动控制目标设计这一阶段，很少考虑 如何控制磁流变减振器达到设计目标的问题。为了解决这一问题，需要精确性 高、计算简单的磁流变减振器数学模型和与之相匹配的控制策略。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 磁流变减振器设计 美国l o r d 公司针对小结构( 如座椅等) 减振，设计的一种小型s d 1 0 0 0 2 型磁流变液减振器。这是一种使用压力驱动模式而非旁通回路的磁流变减振器 形式，其直接将线圈缠绕于活塞处的结构，减振器产生的压缩和拉伸行程阻尼 力相等，对于其装车时压缩和拉伸行程阻尼不同的设计要求是通过合理设计控 制系统来实现的，因而减少了传统减振器阀片等一系列复杂结构。这种对称式 的减振器结构简单、可靠性高。另外，该减振器用一块橡胶隔膜来分隔氮气室 和储液腔，利用橡胶隔膜的变形来解决减振器工作中的体积补偿n 1 。 针对建筑结构抗振，l o r d 开发了一款最大阻尼力为2 0 ，可调阻尼系数为 l o 的磁流变减振器，其结构是将简体作为磁路的一部分外筒与活塞之间的间隙 作为阻尼通道，为增大阻尼力采用了三组活塞进行串联电磁线圈绕制于活塞上， 同时设计了专用的补偿装置协1 。 美国d e l p h i 公司应用l o r d 公司生产的磁流变液开发了m a g n e r i d e t m 半主 动减振系统。m a g n e r i d e t m 减振器的响应时间在1 0 m s 以内，最大峰值能耗2 0 w 。 该结构的活塞采用多节流孔对称分布，零件数量比传统半主动减振器减少了 6 0 ，活塞具有足够的强度，因而能够承受更大的阻尼力，但对于磁场分布可 能会有影响p 1 。 美国圣母玛利亚大学的b es p e n c e rj r 、d y k e 教授，马里兰州立大学的 n o r m a nm w e r e l e y 教授等针对减振器设计的需要，建立了减振器的准静态模 型，对不同工作模式下的磁流变减振器设计方法进行了深入探讨，并成功用于 磁流变液减振器的开发n 1 羽。 2 浙江大学硕士学位论文 第l 章绪论 美国杜克大学的h e n r ig a v i n ，j e s s eh o a g g 等基于最小化外部输入能量和反 应时间恒定的目标对磁流变减振器的优化设计方法进行深入研究，探讨了电磁 回路各结构参数对减振器性能的影响n 羽。 美国内华达大学的d a r r e l lgb r e e s e ，f a r a m a r zg o r d a n i n e j a d 等学者针对磁 流变减振器的热效应提出了一个基于磁流变液非线性特性的理论模型，对工作 在正弦激励下的磁流变减振器温升效应进行预测，分析得出磁流变减振器内部 和外部关键参数对热产生和热耗散的影响n 钔。 美国佛吉尼亚工学院先进车辆动力学实验室( a v d l ) 的j e o n g h o ik o o ， m e h d i a h m a d i a n 等学者通过试验研究了磁流变减振器控制电流、活塞移动速度 对反应时间的影响，结果表明磁流变减振器的反应时间与控制电流无关，当活 塞运动速度提高时反应时间呈指数下降，最终趋近于某一恒定值；减振器装车 时都是通过橡胶衬套连接，因此，对具有橡胶件的磁流变减振器进行试验得出： 橡胶件等柔性物体对磁流变减振器反应时间的影响明显。为此需要在减振器设 计阶段就考虑到此影响 1 5 1 。 哈尔滨工业大学的张进秋、欧进萍等学者基于b i n g h a m 模型，对影响磁流 变减振器阻尼力的各因素进行了分析研究，并对自制的双出杆剪切阀式磁流变 减振器进行试验研究，建立了减振器阻尼力、可调系数与磁流变液动力粘度、 活塞间隙等的关系，讨论了活塞间隙设计的取值范围和依据，其结果对于磁流 变减振器的设计具有一定指导意义n6 1 。 上海交通大学的曹民、喻凡等学者在详细分析了目前磁流变减振器实际应 用中存在的油液泄漏、磁流变液凝聚和沉降现象、导磁材料利用率低及单缸磁 流变减振器的空行程等问题基础上，提出了一些列改进措施，并总结了磁流变 减振器的设计方案，针对上海大众产的p a s s a tb 5 轿车开发了一种具有抗凝聚和 沉降的双筒滑阀式磁流变减振器n 。 江苏大学的刘韶庆、周孔亢等学者对磁流变减振器工作过程中由于温升导 致阻尼性能下降的现象进行了理论和试验研究。结果表明，磁流变减振器工作 过程中的温升会导致磁流变液粘度下降，从而使得阻尼力下降，且下降幅度取 决于磁流变减振器的励磁电流和温差大小n 。1 。 重庆大学的郑玲，李以农等学者对磁流变减振器的磁路设计进行了深入研 3 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 究，分析了三种不同绕线圈结构对减振器性能的影响，以确保各部分磁化工作 点接近于饱和工作点，阻尼通道处的磁场强度达到设计要求，且磁响应时间最 短为设计目标，提出了基于磁路设计的结构优化方法，通过试验验证了经过优 化的具有双极交替改变方向线圈磁路的磁流变减振器具有更高的可调系数和响 应速度n 们。 浙江大学的杨礼康等学者对磁流变减振器的半主动功能失效工况进行了深 入研究，提出了一种具有自动被动半主动切换功能的复合结构磁流变减振器， 以保证失效时磁流变减振器仍具一定的自调节性或实际路况不需无级调节时， 节省不必要的能耗拈1 。 浙江大学的王维锐等学者对磁流变减振器的设计方法进行了探索和创新， 研发出新型的具有失效保护功能的磁流变减振器。该减振器是在传统磁流变减 振器基础上，设置一个永磁体磁路，一旦电磁磁路失效时，能保证减振器在永 磁磁场的作用下获得保证汽车行驶的基本阻尼力，从而保证行车安全哺1 。 1 2 2 磁流变减振器建模 由于磁流变液的动态本构关系复杂，应用流变力学理论分析磁流变阻尼器 的阻尼特性极为复杂和困难。为更好的描述其动态非线性特性，各国学者对磁 流变液减振器动态模型进行了深入的研究，大致可分为两类：非参数化模型和 参数化模型。 1 2 2 1 非参数模型 g a v i n 等学者提出的c h e b y c h e v 多项式模型。这种模型特点是可以用于磁 流变液减振器的设计，但模型往往过于复杂，用于控制器设计时需考虑与实际 选择方法的匹配性，较方便用于参考分析n 们。 韩国学者c h o i 提出的双回路多项式模型，将速度特性曲线氛围正向和负向 两个加速度区域，分别用多项式进行拟合。这种模型特点是表达式较简单、计 算快捷、省时，通过简单的多项式反解就能求出所需控制电流乜。 重庆大学的廖昌荣等学者提出的b p 神经网络模型，这种模型特点是具有 很强的函数逼近能力和学习能力，对控制极为有利，但由于模型依赖于特定的 平台，普适性较差聆羽。 武汉理工大学的涂建维在对自制磁流变阻尼器进行试验的基础上，用径向 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 基神经网络建立磁流变减振器的非参数正模型和逆模型，结果表明径向基网络 能够精确描述磁流变阻尼器的正、逆向非线性特性，但与b p 神经网络模型一 样，需要大量试验数据进行训练，以保证模型精度瞳3 1 。 南京航空航天大学的夏品奇在系统识别理论基础上，采用具有输出反馈的 自回归a r x 网络模型建立了磁流变减振器的正模型和逆模型，并利用优化“脑 外科”策略消除多余神经元，从而得到一个优化了的网络结构。结果表明该模型 能精确预测磁流变减振器的力和电压，易于控制系统实现幢4 1 。 1 2 2 2 参数模型 非线性b i n g h a m 模型是最简单的磁流交减振器模型。该模型假设外力小于 屈服应力时，材料表现为刚体，无流动现象，此时减振器活塞也不存在相对运 动的发生。一旦外力大于屈服应力，磁流变液转为塑性体，这部分力表现为减 振器的库仑力。 非线性双粘本构模型与非线性b i n g h a m 模型相比，在描述滞环特性方面有 所改进。非线性双粘性模型假设磁流变液在屈服前和屈服后表现出不同的粘性 2 5 1 非线性滞环双粘本构模型在非线性双粘性模型的基础上，增加了三个专门 用于描述滞环特性的参数。该模型是根据减振器活塞相对加速度戈符号的变化 确定阻尼力动态特性，将阻尼力表示为两组，分别用压缩屈服速度和拉伸屈服 速度描述乜们。 非线性粘弹塑性模型是根据材料的屈服性能，将减振器动态特性分为材料 屈服前和屈服后动态分开表示。屈服前区域具有粘弹性材料的强滞回特征，而 屈服后区域具有同以上三种模型相同的非零屈服力。该模型在一定程度上更加 接近试验值，但数学求解非常困难，不适宜于控制器阻尼力的求解乜 。 s p e n c e rj r 在研究b o u c w b n 模型的基础上，提出了修正b o u c w e n 模型。 该模型在各个区域都能与实验数据基本符合，也能较好描述磁流变减振器的非 线性行为，但该模型待识别参数较多，物理意义不明确，较适于开关半主动控 制策略，不利于连续半主动控制策略的应用心引。 周强用d a h l 滞回模型模拟库仑摩擦力，提出了修正d a h l 模型。该模型的 待定参数比修正b o u c w e n 少6 个，但是其动态特性是非光滑的 2 9 1 。 5 - 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 北京交通大学的高国生等学者在磁流变减振器的实验基础上，提出一种修 正的b o u c w e n 模型。研究结果表明该模型能较精确的描述磁流变减振器在不 同励磁电流下的动特性口们。 浙江大学的杨礼康提出了s 型滞环模型。该模型比修正b o u c w e n 简洁一 些，且光滑连续，性能优于非线性b i n g h a m 模型，试验结果表明：s 型滞环模 型与状态归一法可以匹配，适宜于阻尼连续可控半主动策略。 大连理工大学的李秀领等学者在试验的基础上，提出了双s i g r n o i d 模型。 该模型考虑了施加励磁电流、激励信号的性质等因素的影响，且具有参数辨识 容易、物理意义清晰等优点。在不同激励条件和电流下，该模型能准确描述磁 流变减振器的低速滞回特性和高速饱和特性朝。 南京航空航天大学的王唯、夏品奇等学者在实验数据基础上对修正 b o u c w e n 模型做了进一步的简化，将原模型中的电压参数从b o u c w e n 方程中 分离了出来，新模型能够准确预测在不同谐波激励和不同定常电流下的磁流变 减振器输出力3 1 。 综上所述，每个模型有其自身优点，亦有其局限性。因为就控制器设计而 言，不仅要考虑到模型的精确度，还要考虑到计算复杂度，并且对于不同的控 制方法可能有不同的与之匹配的磁流变减振器模型。 1 2 3 基于磁流变减振器的半主动悬架控制 美国佛吉尼亚工学院的r e i c h e r t 、s i m o n 、p a r 6 、m c l e l l a n 、g r a v a t t 和m a s i 等 分别将磁流变减振器应用在汽车座椅、c h e v r o l e tl u m i n a4 1 1 轿车、v o l v ov n 重型 卡车，f o r de x p e d i t i o n 多；功能运动型车( s u v ) 以及h o n d ac b r 9 0 0 r r 型摩托车 等的半主动减振上，研究了基于磁流变减振器的天棚阻尼、地棚阻尼和混合阻尼 控制等策略阳4 。4 们。b l a n c h a r d 在以上研究的基础之上，以减小系统在所有频率处的 振动总能量为目标，采用h 2 方法进行优化悬架系统的阻尼系数。研究结果表明， 天棚阻尼控制策略可以有效隔离路面激振对簧载质量的影响，但是会增大非簧载 质量的振动。而地棚阻尼则恰恰相反，在有效抑制非簧载质量振动的同时却增大 了簧载质量的振动。混合阻尼策略在天棚阻尼和地棚阻尼两种控制策略中进行折 衷，其对簧载质量和簧下质量的振动控制效果也在这两种控制策略之间h 。 美国北卡罗莱纳州立大学d i x i t 在四分之一悬架试验台上进行了基于磁流 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 变减振器的滑模变观测与控制研究，用理想的线性非线性s k y h o o k 阻尼控制进 行评估，并与线性二次型控制策略( l q r ) 做了对比h 2 1 ；c r a f t 研究了c a r r e r a m a g n e s h o c k t m 磁流变减振器的实时模糊控制策略，并在丰l a n dc r u i s e rf j 一5 5 越野车上进行城市道路试验。其模糊逻辑是来自于赛车工业里资深专家们调校赛 车的经验，结果表明磁流变半主动控制与原装被动减振相比较，可以将簧载质量 的耗散能量降低2 5 甚至更多，簧载质量加速度比被动悬架降低9 ，但所引起 的悬架动挠度比被动悬架有所提高h3 1 。 美国伊顿公司的s o n g 博士将基于非线性模型的自适应半主动控制算法应用 到汽车座椅的磁流变半主动减振上，当簧载质量或悬置刚度发生改变时系统能够 实时的自动调节对磁流变减振器的控制电流，结果证明这种基于非线性模型的自 适应半主动控制策略对于实时的调节系统阻尼特性是有效的h 4 1 。 德国达姆施塔特工业大学r e t t i g 和s t r y k 两位学者将最优控制理论应用到汽 车半主动悬架上，将行驶安全性和乘坐舒适性进行加权得到控制目标，对线性二 次型校正及线性最优鲁棒控制( h 。) 在磁流变半主动控制方面进行了深入研究， 并建立了1 4 悬架、1 2 单轨及整车的线性和非线性模型进行了软件在环 ( s o f t w a r e i n t h e l o o p ) 仿真研究。虽然研究中采用的是电流变减振器 ( e r f s h o c ka b s o r b e r ) ，但是从数学模型角度来讲，磁流变减振器和电流变减振 器具有十分类似的特性，因此，可以作为磁流变减振器控制策略设计时的参考h5 1 。 美国内华达大学的y i m 和s i n g h 等学者采用分段线性化方法处理磁流变减振 器的非线性特征( 双粘本构滞环模型) ，基于最小能量的李亚普诺夫方法 ( l y a p u n o v ) 对磁流变半主动悬架进行控制策略的设计，仿真结果表明该控制策 略可以有效的降低悬架振动，并且具有很好的稳定性h 们。 英国谢菲尔德大学的s i m s 首先提出了利用一个反馈线性化控制策略使非线 性的磁流变减振器等效为一个具有连续可变阻尼的线性减振器，并将该技术扩展 到应用该方法控制磁流变减振器的输出力速度特性曲线的形状力；随后，他从 稳定性角度研究了磁流变减振器在反馈线性化控制下的极限环特征，并通过构建 磁流变减振器非线性模型，预测磁流变减振器的极限环现象并与试验结果进行了 对“侧；在此研究基础之上，b a t t e r b e e 和s i m s 两位学者将反馈线性化控制应用于 基于天棚阻尼的半主动悬架系统中，构建实际磁流变减振器、2 自由度1 4 悬架虚 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 拟样机及实时测控系统的硬件在环仿真平台，研究表明：与其他控制策略相比， 这种反馈线性化控制能够很好的执行天棚阻尼控制策略，提高了乘坐舒适性、轮 胎抓地性和悬架工作空间h 。 美国德州农工大学的m 和r o s c h k e 对磁流变减振器构建了神经网络正模型 和逆模型，并利用逆模型产生所需励磁电流，对磁流变减振器进行线性化试验研 究，获得了良好的效果b 们。 伊朗谢里夫技术大学的k h 旬e k a r a m o d i n 等学者建立了磁流变减振器的神经 网络逆模型以产生控制电流，并采用了线性二次型高斯( l q g ) 控制策略提供半 主动最优控制力，从而得到一种基于神经网络逆模型的最优控制策略，并与主动 l q g 及剪切型最优( c o c ) 控制策略进行对比，结果表明神经网络逆模型可以使 得磁流变减振器输出力很好的跟踪最优控制力，该最优控制策略性能优于其余两 种控制策略b 1 1 。 香港中文大学的l a m 和l i a o 等学者将修正天棚阻尼悬架作为汽车悬架半主 动控制的参考模型，使用滑模控制方法( s l i d i n g m o d ec o n t r o l l e r ) 对参考模型输 出进行跟踪，并考虑了车体质量变化的情况，并使用反馈线性化控制策略对磁流 变减振器进行闭环控制，使磁流变减振器实际输出力跟踪滑模控制器输出的期望 力，最后在减振器试验台上对实际磁流变减振器作了硬件在环仿真，结果表明基 于滑模变控制方法的磁流变减振器能够很好的跟踪参考阻尼力，使悬架系统的加 速度和动位移显著降低，该结果对于实际开发基于磁流变减振器的汽车悬架系统 具有较好的指导意义b 2 1 。 浙江大学的王维锐对磁流变减振器的半主动控制策略进行了深入研究，提出 了基于负刚度理论的悬架半主动控制策略，通过硬件在环仿真得出：负刚度半主 动悬架对车身加速度的控制在大部分频段上要明显优于天棚阻尼半主动控制，在 对悬架动挠度及车轮动载的控制效果方面，在车身和车轮固有频率附近比天棚阻 尼控制效果略低，但在半主动控制复杂程度方面负刚度控制更简单恻。 武汉理工大学的涂建维等学者在修正b i n g h a m 模型基础上，采用逆模式神经 网络模拟磁流变减振器的逆向特性，与l q r 控制算法结合得到一种磁流变减振器 智能控制方法。由于采用神经网络逆模型可以得到连续的控制电流，其输出力是 连续可调的，控制效果优于l q r 半主动控制眵4 1 。 8 浙江大学硕上学位论文 第1 章绪论 重庆大学的余淼针对长安微型面包车自制了用于其前悬架的磁流变减振 器，提出了一种小波频域控制策略一一利用小波分解车身加速度信号，判断当 前振动频率组成，进而确定减振器输出力大小。通过仿真和实验比较了模糊控 制与小波频域控制策略的控制效果。研究表明模糊控制策略和小波频域控制策 略能够明显抑制车身的垂向振动，因而提高了行驶平顺性b 5 1 。 南京航空航天大学的翁建生针对磁流变减振器的非线性滞回饱和特性，建 立了能精确模拟其力学特性的非线性滞回模型，利用l y a p u n o v 方法分析了天 棚、地棚阻尼半主动悬架的稳定性，设计了基于天棚阻尼思想的开关、线性连 续和修正线性连续控制策略，并研究了半主动模糊控制策略，通过仿真与台架 试验得出，半主动模糊控制算法能够对悬架进行有效的控制，并且所需传感元 件最少b 们。 北京航空航天大学的刘献栋等学者研究了基于磁流变减振器多项式模型的 开关型半主动控制的阻尼力跳跃对车辆簧载质量加速度的不利影响，建立了1 2 汽车半主动悬架模型，并设计了简单模糊和自适应模糊神经半主动控制策略， 仿真结果表明自适应模糊神经控制策略优于简单模糊控制，均优于开关型半主 动控制策略b 7 1 。 南京航空航天大学的郭大蕾、胡海岩两位学者针对磁流变减振器引起的半 主动悬架非线性特性，设计了一种神经网络直接自适应控制策略，结果表明该 控制策略能明显改善车辆的乘坐舒适性和稳定性，并且磁流交减振器对悬架系 统带入的附加非线性刚度对车辆行驶的平顺性和安全性无影响，但会使悬架动 特性发生频移 5 8 o 西南交通大学的王月明研究了基于磁流变减振器的开关型半主动控制策略 的颤振现象，根据主动悬架控制信号的特点，提出了一种基于神经网络自适应 控制的连续阻尼控制策略，并将天棚阻尼控制策略融进连续阻尼控制策略，导 出一种复合控制算法，并研究了时滞对系统性能的影响眵9 1 。 1 3 论文主要研究内容 1 3 1 磁流变减振器多目标优化设计 磁流变减振器作为半主动悬架系统的执行元件，其性能好坏直接影响着半 主动悬架控制系统能否开发成功。但由于目前对磁流变减振器的设计理论还不 。o 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 完善，产品的研制不过关，导致减振器产品的输出特性畸变，增加了控制的难 度。为了设计出更满足实际要求的磁流变减振器，本文首先对磁流变减振器的 设计方案进行探讨，根据实车性能要求提出多目标优化的必要性，然后建立磁 流变减振器的设计模型，将遗传算法引入磁流变减振器的优化设计，提出一种 基于多目标遗传算法的磁流变减振器设计方法，最后加工制作出磁流变减振器 样机，利用台架试验验证设计方法的有效性。 1 3 2 磁流变减振器参数化模型研究 目前大多数半主动悬架控制策略的研究均围绕控制目标设计这一阶段，很 少考虑如何控制磁流变减振器达到设计目标的问题，要想精确控制磁流变减振 器输出期望的阻尼力，就必须建立能精确描述其非线性特性的数学模型。本文 在对自制磁流变减振器进行试验研究基础上，通过总结现有模型的特点和不足， 引入描述磁滞现象的动态b a c k l a s h 模型，并采用s i g m o i d 模型进行修正，提出 了一种修正b a c k l a s h 滞环的参数化模型。最后应用试验数据对模型参数进行辨 识，并验证了该模型的预测性能。 1 3 3 基于磁流变减振器的半主动悬架控制系统研究 在基于磁流变减振器的半主动悬架系统中，关键控制单元有两个：一个是 半主动悬架控制单元通过收集车辆悬架行驶状态，根据半主动控制律向下 一级控制单元输出期望控制力；另一个是磁流变减振器控制单元根据上一 级控制单元提供的期望控制力，通过调整励磁电流，控制磁流变减振器的输出 能很好的跟踪期望控制力。对于磁流变减振器控制单元，文中将对反馈线性化 控制、神经网络直接逆控制和s i g m o i d 逆模型控制三种策略下磁流变减振器输 出力的跟踪特性进行比较；对于半主动悬架控制单元，文中提出一种连续型负 刚度半主动控制策略，从而有效避免开关型负刚度控制中的“颤振”现象； 文中基于磁流变减振器构建了半主动悬架控制系统，将对反馈线性化一连续 负刚度、神经网络一连续负刚度和s i g m o i d 逆模型一连续负刚度三种系统级控制 策略对汽车平顺性的控制效果进行分析比较。 1 4 论文研究思路 综上所述，本论文的研究思路如图1 1 所示： 1 0 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 磁流变减振器结构设计 ( 1 ) 设计方案探讨 ( 2 ) 多f 1 标遗传优化设计 ( 3 ) 样机试制 ( 4 ) 台架试验 磁流变减振器参数化模型 ( 1 ) 磁流变减振器实验研究 ( 2 ) 修正b a c k l a s h 滞环模型 ( 2 ) 模型验证 基于磁流变减振器 的半主动悬架系统 ( 1 ) 反馈线性化连续负刚度 ( 2 ) 神经网络连续负刚度 ( 3 ) s i g r n o i d 逆模型连续负刚度 ( 4 ) 系统级控制策略分析比较 车辆悬架模型 磁流变减振器控制单元 ( 1 ) 反馈线性化控制 ( 2 ) 神经网络逆控制 ( 3 ) s i g m o i d 逆模氆控制 ( 4 ) 控制策略分析比较 半主动悬架控制单元 ( 1 ) 开关负刚度半主动控制 ( 2 ) 连续负刚度半上动控制 ( 3 ) 控制策略分析比较 图1 - 1 论文的研究思路 1 1 基于磁流变减振器的半主动悬架研究 浙江大学硕士学位论文 第2 章磁流变减振器结构设计 第2 章磁流变减振器结构设计 磁流变液的粘度可通过改变外加磁场来连续、可逆、宽幅并快速的调节。 作为车辆半主动悬架系统中的关键元件，磁流变减振器既需要良好的动力学特 性，又需要良好的系统响应和低功耗特性，但目前大多数设计仅仅以其中某一 项为目标进行优化，很难得到综合性能满足要求的磁流变减振器。 本章将从多目标优化的角度探讨磁流变减振器设计的方法，以动力性能、 响应速度和能耗要求为目标，利用遗传算法求解其结构参数。 2 1 设计目标与方案分析 2 1 1 设计目标 对于磁流变半主动悬架系统来讲，为了能够在各种路况下都能快速衰减振 动，希望减振器输出力的可调范围越大越好；从半主动控制难易程度考虑，则 希望减振器的响应时间滞后越短越好；由于磁流变减振器实际上是一个阻尼作 用元件，其工作过程不可避免要发热，温度升高带来阻尼特性的热衰退现象n 引。 这不仅与磁流变液的性能有关，也与减振器的结构参数( 例如阻尼缝隙、电磁 磁路等) 有关。而从节能和稳定性考虑，又希望其能耗最小，减少线圈发热， 从而保证系统工作稳定。同时满足上述性能的减振器只是一种理想减振器，而 事实上各种性能指标会相互制约。因此，为了设计出合适的磁流变减振器，就 必须综合考虑各目标作适当折衷。 2 1 2 设计方案 磁流变液的选择须考虑到，选择零场粘度低、饱和屈服应力高、工作温度 范围宽、密度小以及可压缩性小的材料。 由于m r f 在温度升高时粘度会降低，影响其正常工作。因此从散热方面 考虑，采用单缸结构减振器；为补偿在拉压行程中由活塞两端有效作用面积不 等造成的体积差，采用蓄气室充气结构。 使m r f 工作在压力驱动模式下，活塞设计为套筒式结构，则工作缸可选 用强度较好的材料而不必考虑磁导；为减小漏磁，则选用矫顽力小的软磁材料 作活塞；活塞套简与铁芯在对称的四个点上焊起来；焊点要尽可能小，以保证 缝隙内磁场尽可能大。 12 浙江大学硕士学位论文第2 章磁流变减振器结构设计 磁芯填充材料的选择非常重要，要求其具有良好的耐热耐冲击耐腐蚀耐磨 损性能，并且要有良好的抗磁性和绝缘性。 线圈导线的选择应尽可能选择内阻小、耐热及耐压性能高的铜漆包线。 参考一汽大众产捷达轿车原装减振器，设计磁流变减振器的活塞结构简图 如图2 1 所示。 o 1砸怂丑段 ：j ? ：；一一= 0 r c - j - - - - - _ l 。】 。 jl 山 i 捌 禳死万佃 召 戥眵粼i ，习 匝 r v 2 话塞扦i i a 一己夸受灸l o 套冽l 2 v i ，? 。母卜一l 一电磁甄 ( 1 = 二二i 图2 - 1 磁流变减振器活塞简图 ( 1 ) 根据设计方案确定所设计磁流变减振器结构为单简式，上安装型式为 外螺纹，下安装型式为吊环 ( 2 ) 根据捷达轿车后减振器的外型尺寸和布置尺寸确定所设计的磁流变减 振器外型尺寸( 包括工作缸内外径d ，活塞杆半径尺刚等) 和活塞行程s ； ( 3 ) 采用美国l o r d 公司产m r f 1 3 2 l d 型磁流变液( 如图2 2 ) 。根据m r f 饱和磁感应强度确定所设计减振器的工作点马，骨、月旆r k 及其对应屈服应力r ， 确定其在工作温度和大剪切率下的零场粘度瑁； 磁感应强度b f r )磁场强度h ( k a l m ) ) ( a ) m r f 的f b 曲线( b ) m r f 磁化曲线 图2 - 2m r f 1 3 2 l d 型磁流变液特性曲线呻1 ( 4 ) 采用d t 4 a 电工纯铁作为活塞铁芯及活塞套筒材料，其磁化曲线如 图2 3 。可以得到铁芯的饱和磁感应强度甜和饱和磁场强度。 1 3 浙江大学硕i 。学位论文第2 章磁流变城振罄结构设* 囤2 3d t 4 a 的磁化曲线 ( 5 ) 考虑线圈内阻及绕线等因素，选定铜漆包线型号，确定其标称直径 4 和外皮直径乩，并结合其安全载流量，设定最大工作电流k 。= l2 a ； ( 6 ) 确定磁流变减振器在一定振幅a 和频率f 的正弦激励下活塞的最大速度 ： 2 2 用于设计的磁流变减振器数学模型 2 2i 动力特性数学模型 用平行平板问流动近似模拟同心环形缝隙流动，如图2 _ 4 所示。 圈2 0 碰流变痕的平行平板缝隙流动模式 根据平行平板模型内b i n g h a m 流体的压力梯度方程4 1 振器的阻尼力方程为： c = c + = ( 月，h ，r ，r 州，l ，l ，v o ，l _ ) 其中： 可以得到磁流变减 2 1 ) + 1 i i i b 叫坐i 笔二盟州) ( 22 ) + 了丽面面再7 _ 一j j 一8 “v ” 3 ( r 2 一2 ) = 【，+ ：； ! ； 考，! 1 2 i ；：；：- ：；j 芷+ r 一+ ! ；望。；：寻】1 2 j j ；i ；：。：；i ；：2 - 2 3 一eg口 浙江大学硕士学位论文 第2 章磁流变减振器结构设计 。寺= 半_ l + 等咧脚思u m 帆) ( 2 4 ) 式( 2 2 ) 和( 2 3 ) 中，r 是可控阻尼力，凡是不可控( 粘性) 阻尼力。 2 2 2 磁路特性数学模型 由上节可以知道，磁流变液的工作屈服强度7 决定了磁流变减振器可控阻 尼力的大小，根据磁流变液屈服强度f 磁感应强度曲线b ( 如图2 - 5 ) ，可以确 定相应的磁感应强度b ，。 氛 n 咖h d li c 墩玳( t o s l a ) 图2 - 5 磁流变液f b 曲线 将活塞磁路划分为a ，b ，c ，d 四段，( 如图2 1 所示) ，由安培环路定理可得： 嘎豆a t = n i o ( 2 5 ) x a j 叠8 l ，a t 十1 8 。豆b