（机械电子工程专业论文）基于“车椅人”模型的车辆座椅悬架h∞控制研究.pdf

硕士学位论文摘要 摘要 现代车辆，特别像货车、工程车辆和军用战车等车辆，由于其自 身车辆悬架性能相对较差以及运行路况恶劣，在运行时会产生激烈的 振动，使得这些车辆的驾驶者长时间承受低频高强度的乘坐振动，容 易引发脊椎畸变和胃病等职业性疾病，严重损害司机的身心健康，大大 降低工作效率。因此，研究座椅悬架系统，采用切实可行的技术措施， 隔离由于地面激励引起的通过底盘和座椅传动到人体的振动，是改善 这些车辆乘坐舒适性的一个重要途径。而国内对高性能的车辆座椅悬 架的研究较少，因此研究结构简单高性能的座椅悬架是十分必要的。 本文提出的座椅悬架，旨在提高司机的驾驶和乘坐舒适性。本研 究结合教育部立项的“列车车辆主动隔振及预见控制研究”和“列车 主动悬挂系统及智能模糊控制研究”，建立了车辆座椅悬架系统动力 学模型及数学模型，并借助m a t l a b 软件对基于最优控制策略和鲁 棒控制策略的整个机电系统进行了仿真研究，大量的仿真研究表明： 鲁棒控制策略能使车辆座椅半主动悬架系统较好抑制垂直振动加速 度，在共振频率附近其减振幅度能达到4 0 一5 0 ，大大了提高乘坐 的舒适性。最后在仿真研究的基础上，设计和建造了磁流变阻尼器的 特性实验平台，进行了关键部件一磁流变阻尼器的特性实验研究， 为将来对整个系统进行实验做了必不可少的前期准备。 本文研究的主要内容如下： l 建立了四自由度的“车椅人”系统的动力学和数学模型。 2 为车辆座椅半主动悬架设计了最优控制器，并运用m a t l a b 软件进行了仿真分析 3 采用h o o 鲁棒控制策略为车辆座椅半主动悬架设计了鲁棒控制 器，并运用m a t l a b 对座椅悬架系统进行了仿真分析，并与最优控 制器的控制效果进行了对比。 4 设计了磁流变阻尼器实验台架并进行了其特性实验研究。 关键词座椅悬架，最优控制，h o o 鲁棒控制，m a t l a b 硕士学位论文 a b s t ra c t m o d e mv e h i c l ee s p e c i a l l yt h et r u c k sa n dt h ec o n s t r u c t i o nv e h i c l e s w i l lv i b r a t es e r i o u s l yw h e nw o r k i n g b e c a u s et h e i rs u s p e n s i o ns y s t e mi s r e l a t i v e l yw o r s ea n dt h ee n v i r o n m e n to ft h er o a dt h e yw o r ka ti st e r r i b l y b a d m a ti sw o r s ti st h a tt h es e a ts u s p e n s i o ns y s t e m so ft h e s ev e h i c l e s a r ea l m o s tp a s s i v es u s p e n s i o n t h ed a m p i n ga n dt h es t i f f n e s sc o e f f i c i e n t o ft h ep a s s i v es u s p e n s i o nc a l ln o tb ea d j u s t e db yt h ec h a n g eo ft h e e n v i r o n m e n to ft h er o a d s oi t sc o m p e t e n c eo fr e d u c i n gv i b r a t i o ni s l i m i t e d t h u st h ed r i v e r so ft h e s ev e h i c l e sa g es u f f e r i n gf r o ms e r i o u s v i b r a t i o no f t h es e a tw h i c hw i l ls i g n i f i c a n t l ya f f e c tt h e i rh e a l t h i nv e h i c l es e a ts e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mw e 峨t h em r d a m p e rt ot a k ep l a c eo ft h e t r a d i t i o n a ld a m p e r t h i sr e s e a r c hw a s s p o n s o r e db yt h em i n i s t r yo fe d u c a t i o n i nt h i sd i s s e r t a t i o n , d y n a m i c a l m o d e la n dm a t h e m a t i c a lm o d e li se s t a b l i s h e df o rt h es e m i a c t i v es y s t e m m 虮a bi su s e df o rt h es i m u l a t i o no ft h ew h o l em e c h a n i c a la n d e l e c t r i c a ls y s t e mb a s e do no p t i m a lc e n t r e la n dh o ec e n t r e lt h e o r y t h e r e s u l t so ft h es i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ev e h i c l es e a ts u s p e n s i o ns y s t e m w i t hh o ec o n t r o l l e r c a l l m a r k e d l y r e d u c et h ev e r i c a lv i b r a t i o n a c c e l e r a t i o no ft h es e a tb v4 5 5 0 a n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h e c o m f o r to fd r i v e r t h es t a t i cc h a r a c t e r i s t i co fm rd a m p e r , o n ek e yp a r to f v e h i c l es e a ts e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ，i sm e a s u r e dt op r e p a r ef o rt e s t i n gt h e w h o l es y s t e m t h em a j o rc o n t e n to f t h i sd i s s e r t a t i o ni sa sf o l l o w s ： 1 t h e d y n a m i ca n d m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ef o u rd o f v e h i c l e - s e a t - p e o p l e s y s t e mi sb u i l t 2 a n o p t i m a lr e g u l a o rf o rt h e “v e h i c l e s e a t - p e o p l e s y s t e m i s d e s i g n e da n ds i m u l a t e dw i t hm a t l a b 3 ah o ec o n t r o l l e rf o rt h e “v e h i c l e - s e a t - p e o p l e s y s t e mi sd e s i g n e d a n ds i m u l a t e dw i t hm a n ，a b 4 ，b a s e do nt h er e s e a r c ho ft h es i m u l a t i o n ，t h ee x p e r i m e n td e v i c e si s d e s i g n e da n db u i l tf o rm rd a m p e rc h a r a c t e r i s t i ct e s t i n g k e y w o r d s e a ts u s p e n s i o n ，o p t i m a lc o n t r o l ，h o ec o n t r o l ，m a t l a b 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：盥日期：至箜l 瞳月l - 日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者虢盐翩签名函蜘期：型垒皿日 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 座椅悬架是车身与座椅之间一切传力装置的总称，路面作用于车轮上的垂直 反力( 支撑力) ，纵向反力( 牵引力和制动力) 和侧向反力以及这些力所产生的 力矩都要通过座椅悬架传递到座椅。座椅悬架的作用就是在传递这些力和力矩的 同时，缓和不平路面传给座椅( 乘客或司机) 的冲击载荷，提高乘坐和驾驶的舒 适性，减少激烈振动对司机或乘客的身体健康的影响。传统的车辆座椅悬架主要 由弹性元件、阻尼元件和导向元件组成，这种基于经典隔振理论的座椅悬架系统 是根据乘坐的舒适性要求，针对特定的路面状况和汽车运行的状况进行设计的， 系统振动特性固定不变，也就说其座椅悬架刚度和阻尼系数不能随着路面状况和 汽车运行状况改变而改变。 1 1 1 工程车辆的驾驶条件 本论文提出的座椅悬架主要是针对工程车辆。一般工程车辆的使用条件极为 恶劣，它主要包括复杂的地形、道路条件和不可预计的作业阻力，使其在行驶或 作业过程中必然产生强烈的颠簸和冲击。而且工程车辆的悬架一般性能都比较 差，基本没有很大减振作用，有些工程车辆为了减低成本连悬架也没有安装，这 使得驾驶司机长时间承受低频( 2 8 ) 1 4 _ z 高强度的乘坐振动，增加驾驶员精神 上和体力上的负担，降低作业质量和工作效率，增大行车事故的概率，并且危害 驾驶员的身体健康。 为了研究工作环境对驾驶员身体健康的影响，联邦德国的r o s e g g e r 等人调 查了3 7 1 名工程车辆的驾驶员。结果表明，工程车辆驾驶员在低年龄组的胃病患 病率要比从事手工劳动的工人高得多，其主要原因是急剧的乘坐振动对胃的消化 功能产生了有害的影响。表1 1 列出了若干种不同职业得工人得脊椎畸形发病率 的平均值及发病的平均年龄的调查统计数据。由此可清楚看出，货车司机和工程 车辆司机脊椎畸形的发病率都很高，这显然归咎于这些车辆司机承受剧烈的乘坐 振动。此外工程车辆司机还常患腰背疼、肾炎、消化不良、胃下垂等职业病。可 见座椅的振动对车辆司机的身心健康有重大的影响，应为车辆司机减低座椅的振 动，以提高其乘坐的舒适性，以提高工作质量和效率【l 卜1 3 硕士学位论文 第一章绪论 表1 - 1 不同职业工人的病理脊椎畸形患病率 工厂 手工业搬运建筑 公共汽工程机 货车 职业 农民 矿工 垄 械 工人工人工人工人 司机 驾驶员驾驶员 脊椎畸 形患病 5 57 04 3 2 99 83 74 3 67 1 38 0 摩1 0 0 平均患 4 05 14 54 15 65 14 02 6 病年龄 调查人 3 l1 1 6 l 5 l 9 7 1 1 32 1 33 1 06 2 数 1 1 2 工程车辆宜人性的工作环境 基于工程机械行驶和作业条件及驾驶员的职能，驾驶员的工作环境的宜人性 应包括以下内容： ( 1 ) 静态舒适性 座椅与人体的匹配关系和为驾驶员提供的舒适程度，称为静态舒适性。静 态舒适性所要研究和解决的问题，是依据人体舒适姿的要求和人体测量数据，合 理布置、优化设计和充分考虑座椅的结构、尺寸和调整参数，以及驾驶室内各操 作钮件和驾驶员的视野等。比如座盆的结构设计要适合人体的体压的特点，满足 人体坐态生理特性要求，理想的坐姿体压分布情况如图1 1 所示【2 】，图中压力单 位为p a 。靠背设计要符合“两点支承”原则，即肩胛骨和腰椎骨两个部位的压 力最高，适应乘坐时的着力状态，形状见图1 - 2 1 2 1 。此外，还应有位置调节和重 量调节的功能，以便不同身材和体重的驾驶员使用 3 1 1 4 1 。 图1 1 理想体压分布 ( 2 ) 振动舒适性 2 图1 - 2 乘坐时的着力状态 硕士学位论文第一章绪论 人体承受全身振动而引起的舒适性问题，称为振动舒适性座椅传给驾驶 员的振动负荷主要是通过人体臀部与座垫的接触面传递进入人体的，其强度用臀 部与座垫接触界面中心垂直方向的振动加速度、振动频率、受振持续时间来描述。 通过座椅及车辆悬架等部件，可以隔离、缓和、吸收和衰减行驶及作业中 所产生的舒适性界限之内。工程车辆振动主要源于地面不严随机激励【5 1 。车辆本 身运转质量的不平衡或者各种作业载荷的波动也会引起车辆的振动。由于工程机 械车体一般不具备悬架系统，轮胎成为车体与地面之间的唯一的弹性元件；而汽 车大都采用悬架结构，车身与地面之间有轮胎和车辆悬架机构两级弹性支承元 件。工程机械驾驶员所承受的振动负荷要比汽车驾驶员大得多，所以改善其动态 舒适性就更重要。 ( 3 ) 操作舒适性 驾驶员进行驾驶操作时的舒适程度称为操作舒适性。操作舒适性所要研究 和解决的问题，主要是车辆驾驶室驾驶员座椅操纵装置显示装置车外视野的 合理匹配。 1 1 3 提高乘坐舒适性的方法选择 支配人的舒适性的因素大体可分为外因和内因两类。外因主要指出外界噪 声、气味、视觉、周围环境和路面状况等；内因则指人的精神状态、身体素质和 经历等。其中振动频率是引起晕车的最主要因素。在不同振动频率下，人的忍受 能力不同。人最敏感的频率范围为：对于垂直振动是4 8 i k ；对于水平振动在2 k 以下。因此如何尽可能减少在此频率范围的振动时间是最主要目标 6 1 。 提高工程车辆乘坐的舒适性的方法主要是两种【7 ，：1 提高工程车辆本身的悬 架性能，2 提高座椅悬架性能。对于工程车辆，其本身车辆结构比较结实和牢固， 一般不用车辆高性能悬架减振以保护车辆的零部件，象货车，一般载货物部分根 本不需要高性能悬架减振，只需要一般的被动悬架就可以，而且使用主动减振能 耗大。所以通过提高工程车辆本身的悬架性能来提高司机的乘坐舒适性，会直接 大大提高工程车辆的成本，因为高性能车辆悬架的造价都比较昂贵，这从一般配 备高性能悬架的小车的价格比较昂贵就可以推知。应此第一种方案会极大地提高 车辆本身的造价，所以一般难以让制造商接受。而对第二种方法，只提高司机座 椅的悬架性能。由于车辆本身结构不需要高性能的悬架系统保护，只提高司机座 椅的悬架性能就可以直接提高司机的乘坐舒适性。由于人体的重量相对比较轻， 所以座椅的悬架承载很小，其结构应该相对车辆悬架就简单多了，制造成本也会 不高，而且司机座椅悬架一般只需要一个，而车辆悬架要四个。因此，提高司机 座椅悬架性能的制造成本比提高车辆悬架性能的制造成本就低多了。相比较下， 硕士学位论文第一章绪论 本文选择了通过提高座椅悬架的性能来提高车辆司机的乘坐的舒适性。 1 2 座椅悬架的选择 一架 竺三瓣麒 l 半主动悬架 茎篓；墓薹羹羹君笔套羹 4 硕士学位论文 第一章绪论 动悬架。表1 2 列出了5 种悬架的特性比较。 表1 - 25 种悬架的特性比较 被动悬架半主动悬架主动悬架 悬架名称 离散控制连续控制慢主动全主动 分级可控减连续可控减 调节元件普通减振器液压系统液压系统 振器振器 阻尼系数不阻尼系数分阻尼系数连车身与车桥车身与车桥 作用原理 可调节 级调节 续调节作用力作用力 手动调节电液控制自 电液控制自电液控制自 控制方式 无 自动调节动调节动调节动调节 频率范围无 0 l o h zo 2 0 h z3 6 h z小于1 5 h z 改善垂直动 很少少 中 大大 力特性 能量消耗无少少 中 大 制造成本最少小中大大 实用程度大量使用小量小量理论探讨理论探讨 由上表可知，主动悬架可以明显改善汽车的乘坐舒适性，然而目前，虽然由 于成本较高，主动悬架尚未得到广泛应用。半主动悬架最大优点是工作几乎不消 耗发动机的功率，结构简单，造价较低，因此受到广泛重视，在实际中的应用价 值也比较大。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 座椅悬架的国内外研究现状 我国工程车辆上，五六十年代生产的座椅至今仍然在使用。这种座椅悬架基 本是典型的被动悬架结构，由弹簧和阻尼元件组成，结构十分简单，制造成本低 廉乘坐舒适性差。座椅上加权加速度值为2 2 3 5 m s 2 ，比国外的大2 3 倍。剐 性结构驾驶座不但没有隔振作用，有时还起到了放大振动强度的作用【l o j 。 我国八九十年代生产的工程车辆座椅多采用弹性悬架座椅结构，如图1 3 所 示，常称为下托式或剪式座椅，如g r a m m e r d s 9 0 ，其固有频率在1 5 h z 以下。 弹性悬架结构座椅对垂直方向传递振动隔离作用达到5 0 以上。 硕士学位论文 第一章绪论 图1 - 3 弹性悬架座椅结构形式 非线性弹性特性悬架借助线性弹性元件与具有某一曲面的构件相配合的机 构，实现给定的非线性弹性特性。这种方法简便又准确，与线性悬架相比，制造 成本增加很少，大大提高隔振性能。图l _ 4 所示为c l - , w m m e t 公司研制的司机磨， 它是借助凸轮4 挤压轮5 及拉簧8 的配合，实现给定的非线性弹性特性的，这一 结构是g f 柚瑚脚公司的专利。由于挤压轮5 处于凸轮4 与底板的挤压中，因此 这种结构磨擦力较大。 1 座盆2 一对剪杆、滚轮3 高度调节机构4 凸轮5 挤压轮 6 滑块7 体重调节螺杆8 拉簧 图1 - 4 由凸轮控制的非线性弹性特性悬架示意图 图l 一5 、1 - 6 是我国研究出的两种非线性弹性特性悬架的示意图，这两种悬 架也已获专利。图1 - 5 、l - 6 所示结构中与曲面板接触的滚轮不承受两个方向的 挤压，因此磨擦力较图1 - 4 小。 1 体重调节螺杆2 拉簧3 曲面板4 支 撑滚轮5 座盆6 一对剪杆、滚轮 7 支撑杆8 高度调节机构 图1 5 由曲面板与拉簧控制的非线性弹 6 i 2 1 座椅及垫子2 剪杆滚轮3 剪杆 4 曲面板支撑滚轮5 曲面板6 扭簧 图1 击由曲面耘蕊扭杆控制的非线性特 性悬架的示意图 硕士学位论文 第一章绪论 为了克服被动悬架的缺陷，国外在9 0 年代设计了主动悬架座椅叫【1 2 】f 1 3 1 ，它 用有源可控的元件组成一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和当前激励的大 小主动作出反应，以抑制座椅的振动，使悬架始终处于最佳状态。目前司机座椅 上采用的主动隔振系统有：用机械控制的拨动或液压气动系统；电液系统；电 气动系统；电动力学系统等。其中电系统和电气隔振系统，具有承载能力大和 响应速度快的优点，能满足座椅隔振的要求，如图1 7 及1 - 8 所示。 ( 1 ) 电气主动悬架隔振系统司机座椅 当底板l 受到外界激励时，座椅6 产生振动，座椅和底板的加速度及它们之 间的相对位移分别通过加速度传感器l l 、当底板l 受到外界激励时，座椅6 产 生振动，座椅和底板的加速度及它们之间的相对位移分别通过加速度传感器1 l 、 1 3 和位移传感器1 2 测定，这些信号经放大后输入控制器1 0 中，在控制器中经 线性组合，形成新的反馈信号沈，电压信号沈树荫电压电流转换器9 ，转换成 电流信号，该信号驱动电气阀动作，控制进入气动弹簧内气体的流量，改变空 气弹簧2 的内部压力，从而产生合适的控制力，抑制基座运动对座椅的激励。 2 i 8 1 底板2 空气弹簧3 剪式支架4 压杆5 座椅底板6 座椅靠背7 弹簧 8 电气网9 电压电流转换器具1 0 控制嚣1 1 1 3 加速度传感器1 2 位移传感器 图1 7 电气主动悬架隔振系统司机座椅的示意图 ( 2 ) 电液主动悬架隔振系统司机座椅 液压油缸安装在车辆的底板上，用活塞杆支撑座椅下的平台3 ，它只能在垂 直方向振动，一个具有被动振动控制系统( 弹簧、阻尼) 的标准座椅5 安装在平 台3 上。控制电液油缸动作的电信号，是根据系统的振动加速度和相对位移信号 而产生的，因此油缸产生的控制力，可以有效地抑制底板运动对座椅地激励，其 隔振效果远远好于任何一种被动隔振系统。 7 硕士学位论文第一章绪论 1 底板；2 液压油缸；3 座椅下平台；4 座椅阻尼；5 座椅； 6 ，8 、9 加速度传感器；7 位移传感器；1 0 控制器；1 1 放大器1 2 电液阀 图1 - 8 电一液主动振动隔振系统司机座椅的示意图 液压油缸安装在车辆的底板上，用活塞杆支撑座椅下的平台3 ，它只能在垂 直方向振动，一个具有被动振动控制系统( 弹簧、阻尼) 的标准座椅5 安装在平 台3 上。控制电液油缸动作的电信号，是根据系统的振动加速度和相对位移信号 而产生的，因此油缸产生的控制力，可以有效地抑制底板运动对座椅地激励，其 隔振效果远远好于任何一种被动隔振系统。 电气、电一液主动隔振系统执行机构的控制力，是随座椅的运动状态的改变 而变化的。它的变化规律取决于所设计的控制系统。应用自动控制理论设计的控 制线路，通常能使执行的控制力按所希望的变化。 由于座椅主动悬架系统要求力发生器( 可变阻尼或刚度) 的响应速度快，导 致成本高，结构复杂，能量消耗大，抗干扰能力差，一旦控制失效，其隔振效果 将不如被动悬架系统，使其使用受到限制。 1 3 2 座椅悬架系统的研究方法现状 目前，对座椅悬架系统动态特性的研究主要是考察其频率响应函数和座椅悬 架系统动力学参数的选择。其惯用方法是先建立“人体一座椅”系统的力学模型， 通过对所建立的运动微分方程实施拉氏变换得到系统的频率响应函数，再辅以一 定的动态测试与分析，最终确定座椅悬架系统的动力学参数。对座椅频率响应函 数影响最大的参数有两个，即系统的固有频率和相对阻尼系数。 国内外学者针对不同的车辆，对座椅悬架系统的动态特性作了大量的探索和 研究l l o o “卅。i s 0 7 0 9 6 土方机械一司机座椅一振动的传递规定，驾驶员座椅 8 硕士学位论文第一章绪论 是否满足乘坐舒适性的要求，由以下两项指标评定：在l 2 0h z 频率范围， 测得的驾驶员座椅的最大加速度传递率不得超过2 ；按每天工作8h 计，座椅 传给驾驶员的频率加权加速度均方根值不得超过1 2 5m s 。依照此标准，太原 重型机械学院的卫良保、陶元芳研究了叉车座椅的振动特性。他们对目前叉车上 常用的五种座椅进行了动态测试，分析了座椅的振动传递特性和座椅动态特性参 数的设计要求，其研究结果表明，要满足i s 0 7 0 9 6 规定的要求，中小吨位叉车 座椅不能求全，只能兼顾，使固有频率在3 4h z 之间，同时保证相对阻尼系数 大于或等于0 3 。江苏大学的陆森林等人对农用三轮运输车进行了座椅振动试验， 试验结果表明，农用三轮运输车的座椅振动问题是严重的，根据i s 0 2 6 3 l 的评 价标准，当样车以2 5 k m h 的较低速度在路面条件较好的沥青路面上行驶时， 振动疲劳减效的时间界限仅为3 6 2 h 左右；而当样车以3 5 k m h 的较高速度在砂 石路面上行驶时，振动疲劳减效的时间界限仅为0 8 7 h 左右。东北林业大学的许 其春等对林用车辆座椅的动态特性进行了研究，实测结果表明，依照i s 0 2 6 3 1 的评价标准，j 5 0 集材机以3 4 k m h 速度工作时，不足lh 驾驶员就会因振动 而疲劳降低工作效率；在1 2 k m h 速度下，因疲劳降低工作效率的承受时也 不足2h 。而东风e q l 4 0 运材汽车，由于座椅座垫比较软，共振频率低，能量分 布避开了人体的敏感区域，其疲劳降低工作效率的时间为4h 左右。上海交通大 学的蒋祖华、黄斌等研究了某公交车驾驶员座椅系统的动态舒适性，他们应用 p r o e 软件建立了驾驶员座椅系统的几何模型，应用a d a m s 软件建立了动力 学模型，仿真计算了座椅系统的动力学性能参数，并采用g b 4 9 7 0 7 8 标准，分 析了该座椅的舒适性，分析结果表明，利用仿真手段建立的座椅系统的动态特性 符合动态舒适性的要求，这种方法可以代替或部分代替物理样机来对产品进行创 新设计和人机工程评估，从而缩短产品的开发周期、降低成本、改进产品设计质 量。 隔振系统的最优隔振效果是与系统的参数( 刚度、阻尼比) 密切相关的，因 此，需合理选择系统的动态参数。对于带有悬架系统的座椅有许多优化研究。优 化目标一般有三种：一是传入人体的能量为最小；二是使人体在敏感频率区域动 态响应为最小；三是传给人体的加速度均方根值最小。其中，第三种方法为人们 的常用方法。 同济大学的白胜勇，靳晓雄探讨了工程机械悬置式座椅的优化设计问题【嘲。 在驾驶室地板激励谱已知的情况下，悬置式座椅减振系统的动态参数可作为单输 入单输出的非线性规划问题来处理，优化的目标函数是驾驶员所受垂直振动的加 速度加权均方根值最小，设计变量是弹簧的刚度和阻尼系数，并以g b 8 4 1 9 - 8 7 提供的4 类工程机械为例在微机上进行了优化计算。优化的结果表明，按照 9 硕士学位论文 第一章绪论 g b 8 4 1 9 - 8 7 工程机械分类标准，对第一类、第二类工程机械悬置式座椅，如果能 够选择合理的动态参数，驾驶员能够连续工作4h ，而第三类、第四类工程机械 的驾驶员则能连续工作8 h 。吉林工业大学的麻文焱、王羽对由富奥汽车零部件 有限公司提供的某货车座椅的动态参数进行了优化设计试验研究例，通过控制 座椅悬架中塔簧的有效工作圈数与驾驶员体重的匹配关系，达到变刚度座椅的结 构设计，优化设计加工出的新座椅具有较好的减振性能，其载荷在5 0 0 1 2 0 0n 范围内变化时，固有频率变化范围为2 5 2 9 h z ，刚度在1 8 0 2 7 5 n r a m 之 间变化，相对阻尼系数为o 3 2 。中国农业大学的李华、戴锦轩，西安交通大学的 袁清珂等人对拖拉机的座椅悬架系统动态参数进行了优化。优化目标均为最小化 驾驶座质量沿垂直方向的稳态高斯随机振动过程的加速度均方根值，并以人体的 频率敏感性作为权因子。袁清珂建立并分析了三种不同的线性和非线性座椅悬架 系统的动力学模型，编制了座椅悬架系统动态参数的优化设计程序，利用复合形 法对铁牛- 5 5 型拖拉机座椅悬架系统的动态参数进行了优化设计，并将优化前后 的两种座椅安装到铁牛一5 5 型拖拉机上。其在标准土路跑道上的实测结果表明， 优化后的座椅的乘坐舒适性比原座椅有了较大的改善。i h o s t e n s ，k d e p r e z ， h r a m o n 将带辅气室的空气弹簧和变阻尼空气阻尼器应用到行走式农用机械的 座椅上i 2 l j ，理论分析与实验研究均表明，对于被动式座椅悬架，在输入相似的 振动激励的情况下，这种座椅悬架具有最优的振动衰减性能。 众多的研究表明，在建立恰当的人椅动力学模型的基础上，对座椅悬架系统 的动态参数进行优化设计，为座椅结构设计提供依据，是改善车辆乘坐舒适性的 一条经济有效的途径。然而，驾驶座椅的隔振系统的参数一经选定，就不能随着 路面激励的变化而改变，不能完全满足人们对乘坐舒适性的要求，因此，研究开 发主动或半主动隔振系统是有必要的。将外界能量输入隔振系统，根据检测到的 数据，调整和产生所需的控制力，可同时有效的改善乘坐的舒适性和操纵安全性。 东北大学机电工程学院的黄英、张以忱建立了车辆座椅两自由度悬架系统的力 学和数学模型，应用线性随机最优控制理论( l q o ) ，根据路面随机振动输入的 统计特性，在状态变量不全知的情况下，通过k a l m a n b u c y 滤波器对其进行无 偏最优估计，设计出控制系统的最优反馈规律，并应用m a t l a b 仿真语言对该 模型进行编程设计和计算机仿真实验，结果表明，主动悬架座椅可以有效隔离机 体振动，大幅度地改善工程机械驾驶员的乘坐舒适性。主动悬架是工程机械座椅 悬架的发展方向，其在提高乘坐舒适性方面具有很好的效果。 上述资料还表明，动态特性好的座椅安装在不同的整车上表现的乘坐舒适性 并不一样，“座椅- 人体”系统与整车之间的互相匹配很重要。因此，我们不仅要 研究人一椅系统，还要研究整车的振动特性，这是一项系统的工程。 1 0 硕士学位论文第一章绪论 1 4 座椅悬架控制方法的选择 由于座椅悬架发展较晚较慢，而汽车悬架发展很快，所以座椅悬架控制方法 也基本是参考汽车悬架的控制方法，因而我们从汽车悬架控制方法的发展来看座 椅悬架控制方法的发展。 1 4 1 悬架控制方法发展 随着电、液控制、计算机的发展，传感器、微处理器及液、电控元件制造技 术的提高使可控悬架在车辆上的应用成为可能。而且现代社会车辆性能及行驶速 度的要求不断提高，因此对车辆悬架的可控性的要求更为迫切。这样对悬架系统 的设计及研究提到了一个更高的水平。而要想在车辆悬架的设计中，获得满意的 控制律就必须应用控制理论和技术。过去二、三十年问，国内外学者在车辆悬架 控制系统的研究方面作了大量的理论工作，尤其是近十年来，随着主动悬架及半 主动悬架在实际乘用车上的应用成功，有关其系统控制方法的研究引起学术界和 工程界相当的关注。就报道的控制研究方法，几乎涉及到控制理论的所有的分支。 就露前应用控制理论所能提供的方法在半主动和主动悬架的研究重作了大 量的工作：古典控制理论的跟轨迹法和频率法；现代控制理论的振型分析与控制、 极点配置法、区域极点配置法、速度反馈、最优控制；自适应和自校正及 g a i n s c h e d u l i n g ；神经网络和模糊控制；以及鲁棒控制与非线性控制。我们这里 仅从控制理论应用的角度讨论对悬架控制系统的研究。 在悬架控制系统的研究中，随机线性最优控制 2 2 1 ( l q g ) 的应用占据主导 地位。一方面是由于在不平路面上行驶的汽车所处的振动环境是随机的，其路面 速度的输入可以看作是高斯白噪声；相互冲突的悬架系统诸性能要求也可以用二 次型性能指标描述，其中的加权系数代表各性能要求的重要性与不重要性。另一 方面是由于l q o 理论( 包括k a l m a n 最优滤波与分离原理) 不仅为状态反馈也 为输出反馈控制系统的设计提供了非常完善的工具在l q o 的框架内是采用全 状态反馈的最优控制，还是部分状态反馈的次优控制，或是基于状态观测器的输 出最优控制，完全取决于系统状态是否全部可以测量。当然，前提条件是悬架系 统状态空间描述( 凡b ) 是可稳定的。在选定测量输出后( c ，a ) 应该是可测的。另外， 在( q “2 a ) 可测的前提下，是选择位移和速度作为被控输出出现在性能指标中还 是再加入加速度项完全由物理意义是否明确、是否能更好地反映悬架系统的性能 要求来决定。因此，l q g 主动悬架系统的不足实际上是l q g 理论本身的不足： ( 1 ) 没有明确的理论来指导加权矩阵的选取。定性的说，加权系数是对所 选取被控输出的归一化处理，并在此基础上反映诸控制输出的重要性与不重要 硕士学位论文第一章绪论 性。由于诸被控输出量之问的耦合，调整加权系数以获得期望的控制性能并不是 一件容易的事，往往需要反复的调试。 ( 2 ) 没有考虑模型不确定性，只是在平均的意义上考虑随机白噪声扰动。 由此而产生的问题是l q c 控制系统的鲁棒性差，尤其是对模型不确定性的鲁棒 性。 实际汽车是以不同速度行驶在不同的路面上，作为系统干扰的路面输入变化 范围很大，且车辆系统也存在不确定性因素( 如车身质量和轮胎刚度) ，人们把 目光投向了自适应控制，即要求控制系统能自动地调整参数以适应车速、路面情 况及车辆系统参数的改变。这其中也包括基于在线参数估计( 如最小二乘法和 k a l m a a 最优估计) 的自校正控制和离线g a i n s c h e d u l i n g 方法 2 3 1 1 2 4 1 应用于车辆 悬架振动控制的自适应控制系统主要有自校正控制( s t c ) 和模型参考自适应控 制( m r a c ) 两类。自校正控制是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整 定相结合的控制方法。模型参考自适应控制的原理是当外界激励条件和车辆自身 参数状态发生变化时，被控车辆的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采 用自适应控制的电液悬架系统，在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用。 八十年代发展起来的鲁棒控制为系统地解决不确定系统的鲁棒性分析与设 计问题提供了较完美的理论框架。h 。控制器设计是在保证闭环系统各回路稳定 地条件下，使相对噪声干扰地输出取极少的一种最优控制算法。h o o 控制在汽车 悬架控制系统分析与设计中的应用也得到了广泛的关注。无论是针对简单的四分 之一车模型1 7 , 2 5 , 2 6 1 ，或是二分之一车模型 2 7 , 7 s 1 ，还是针对考虑了液压工作器特性 的整车模型；无论是针对参数不确定性( 如车身质量和轮胎刚度) 的理论分析， 还是实验车的实验结果，都充分表明了鲁棒控制理论特别是频域h o o 理论在悬架 系统设计方面的优越性。 九十年代以来，模糊控制方法被广泛应用到车辆悬架系统中。其中最有代表 性的是日本德岛大学方村敏夫的研究工作，他同时把模糊理论应用于车辆悬架半 主动和全主动控制系统，采用模糊控制推理分别构成半主动和主动控制规则，进 行计算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动。其结果证实了模糊控制算 法的有效性。日本名古屋大学桥山智训等采用遗传算法( g a ) 设计车辆悬架半 主动系统的模糊控制器，计算结果显示结合g a 的模糊推理方法比常规方法更有 效。模糊控制方法不仅能够使控制矩阵离线计算完成，提高系统的实时性，而且 能够降低控制规律对模型误差和不确定性的敏感程度，提高系统的广谱适应性。 但是设计一个优秀的模糊控制器需要大量的经验知识作为控制依据，需要大量实 验来调整控制器参数。 神经网络是一个大量处理单元所组成的高度并行的非线性动力系统。文献把 硕士学位论文 第一章绪论 神经网络控制的非线性悬架动力系统的识别和实施最优控制。仿真研究表明用神 经网络控制的非线性悬架系统和传统的l q 调节器控制相比具有更好的性能。但 是神经网络控制需要求大量的非线性方程，计算量大，收敛速度慢，甚至发散， 目前无法应用于实时控制【2 9 】刚。 另外，前馈加反馈的控制策略在悬架控制系统中应用也相当普遍，一般称其 为预见控制，所用的前馈信号是前方的路面状况，而反馈控制策略基本为l q g 。 无论是采用路面位移传感器，还是将前轮处感受到的路面信息传递给后轮，由于 控制系统提前获得影响乘坐舒适性和操纵稳定性最主要的干扰信息，预见控制悬 架系统在提高车辆性能方面的优势是显然的【3 l 3 2 , 3 3 , 3 4 。 1 4 2 本文采用的悬架控制方法 主动或半主动悬架的控制方法几乎涉及到了所有的控制理论，作为一个理想 的主动或半主动悬架系统的控制方法很可能是多种控制方法的综合运用。本研究 选用 b 鲁棒控制方法作为车辆座椅悬架的控制方法是基于以下考虑： 1 考虑到人类对不同频率的振动的反应敏感程度不同，h m 鲁棒控制在人类 对振动的反应敏感区( 研究结果表明为4 8i - i z ) 内实行较大的反馈增益，从而 产生较大的控制输出； 2 考虑到系统数学模型的不确定性( 建模的误差、乘员数变化等引起的系 统参数变化等) ，h m 鲁棒控制保证了系统的稳定性。 这种方法的实质是合理的分配和使用系统的控制能量来取得有效而实用的 控制效果，使系统的性能指标和稳定性均得到满足，对于座椅这样一种大众产品 而言非常有意义。 1 5 本研究的主要内容 设计了一个车辆座椅悬架，以磁流变阻尼器为作动器，运用最优控制方法和 h 。o 鲁棒控制理论设计了车辆座椅半主动悬架系统的最优调节器和鲁棒控制器并 且用m a t l a b 对控制性能进行了仿真分析比较。设计了一个振动台架，对磁流 变阻尼器的特性进行了实验研究。本文共分七章，各章主要内容如下： 第一章绪论，分析了研究高性能座椅悬架的必要性，在分析各种悬架和悬架 的控制方法的基础上，选择了半主动悬架为本研究的座椅悬架，控制方法为最优 控制和鲁棒控制。 第二章磁流变阻尼器的工作特性和阻尼力的计算。分析了磁流交阻尼器的工 作特性，介绍了磁流变阻尼器阻尼力的计算公式，并对磁流交阻尼器的特性做了 实验研究，为后面的控制器设计做好了准备。 硕士学位论文 第一章绪论 第三章建立四自由度的“车椅人”系统的数学模型，建立了“车椅人” 系统的动力学及数学模型，为后面的控制器设计做好准备。 第四章系统最优控制器设计，利用最优控制策略，为座椅半主动悬架设计最 优调节器，并进行了仿真分析。 第五章系统鲁棒控制器设计，利用鲁棒控制策略并运用m a t l a b 软件及其 自带的鲁棒控制工具箱对整个机电系统进行仿真，验证鲁棒控制器的控制效果。 第六章结论，为全文作研究总结。 1 6 本章小结 本章分析了设计高性能座椅悬架的必要性，在分析了国内外的悬架发展状况 下，选择了半主动座椅悬架为本文研究对象。对于相同的悬架系统硬件，控制效 果受控制策略的影响而千差万别。多年来人们不断尝试将各种控制方法和控制理 论引入智能悬架的控制策略设计中，如最优控制，模糊控制，神经网络控制，自 适应控制，鲁棒控制等，有效地改善了悬架系统的性能和控制质量。本章在分析 了各种控制方法的控制原理和效果之后，决定采用最优控制和鲁棒控制作为本系 统的控制策略。 1 4 硕士学位论文第二章磁流变阻尼器的工作特性和阻尼力的计算 第二章磁流变阻尼器的工作特性和阻尼力的计算 2 1 磁流变阻尼器的工作模式 磁流变阻尼器是基于磁流变液的可控特性的一种新型阻尼器，其工作原理是 在外加磁场的作用下，磁流变液中随机分布的磁极化粒子沿磁场方向运动，磁化 运动使得粒子首尾相联，形成链状或网状结构，从而使磁流变液的流动特性发生 变化，进而使阻尼器阻尼通道两端的压力发生变化，达到改变阻尼力的目的。目 前，直线运动的磁流变阻尼器都是基于下列三种工作模式口5 1 1 3 6 1 进行设计的： 1 ) 流动模式( p o i s e c u i l l e 流动) ，如图2 2 - a ，在两固定不动的极板之间充 满磁流变液，外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变液，使磁流变液 的流动性能发生变化，从而使推动磁流变液流动的活塞所受的阻尼力发生变化， 达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用这种工作模式可以设计开发流体控制阀、 阻尼器和减振器等磁流变器件。 2 ) 剪切模式( c o u t u r e 流动) ，如图2 2 - b ，在两相对运动的极板之间充满磁 流变液，外加磁场经过极板垂直作用于两极板之间的磁流变液，使磁流变液的流 动性能发生变化，从而使推动极板运动的活塞所受阻力发生变化，达到外加磁场 控制阻尼力的目的。利用这种工作模式可以设计开发流体离合器、制动器、机床 夹具和阻尼器等磁流变器件。 3 ) 挤压模式，如图2 - 2 - c ，在两极板之间充满磁流变液，磁流变液受极板的 挤压向四周流动，外加磁场经过极板作用于两极板之间的磁流变液，极板的运动 方向平行于外加磁场方向，使磁流变液的流动性能发生变化，从而使推动极板运 动的活塞所受阻力发生变化，达到外加磁场控制阻尼力的目的。利用这种工作模 式可以设计开发行程较小的阻尼器等磁流变器件。 m a g n e tt i , l d 8 流动模式b 剪切模式c ) 挤压模式 图2 - 2 磁流变阻尼器工作模式 由于汽车悬架阻尼器在结构尺寸和结构强度上有严格要求，因此汽车磁流变 阻尼器设计不能采用挤压模式，通常采用剪切模式和流动模式共同作用，即混合 誊辜 硕士学位论文 第二章磁流变阻尼器的工作特性和阻尼力的计算 模式，其工作原理如图2 3 所示，磁流变阻尼器的活塞在工作缸内做往复直线运 动，利用线圈产生的磁场来控制磁流变液在阻尼通道中的流动特性，改变活塞左 右腔之间的压力差，从而实现阻尼力的调节。 1 工作缸，z 阻尼通道，3 磁流变阻尼液，4 线圈，5 磁通，6 活塞，7 活塞杆 图2 - 3 汽车悬架磁流变阻尼器的原理 2 2 磁流变阻尼器的力的计算 基于混合模式的磁流变阻尼器是利用磁流变液在阻尼通道中流动来实现阻 尼力控制的，其阻尼通道的宽度远大于阻尼间隙，可以将其简化为磁流变液在两 相对运动的圆环行通道中的流动和两相对运动的平板之问的流动。本文将基于上 述两种模型进行分析，根据别人已有的流变学方程来推算阻尼力的计算方法【3 7 】。 网。 2 2 1 基于环形通道模型的流变学方程 如图2 - 4 所示的环形通道中活塞外经和工作缸内径分别为r l 、r 2 ，活塞运动 速度为v 0 ，由流体力学n a v i e r - s t o k e s 方程可得： p 罢4 - 鍪+ 三= 罢( 2 - 6 ) p 瓦石+ 7 2 言 式中，u 是磁流变液在轴向的流动速度，f 是磁流变液的切应力，f 是径向 坐标，工是轴向坐标，p 是活塞运动引起的压力，p