（机械设计及理论专业论文）车辆磁流变半主动悬架系统理论和试验研究.pdf

摘要 磁流变半主动悬架系统的两个关键技术目前仍不成熟。磁流变减振器现有的数学模型 普遍存在某些缺陷：要么简单但不精确，不能反映其滞回特性；要么精确但太复杂，不便 于实施控制。控制策略也存在类似的问题，简单的控制策略效果差强人意，而复杂的控制 策略则偏向复杂的控制理论，与实际工况差异很大，且多以仿真结束，没有试验验证。本 文以“精确而简单”为目标，对磁流变半主动悬架系统进行研究，主要研究工作和结论如 下： ( 1 ) 对磁流变减振器进行了特性试验，提出了磁流变减振器复合多项式模型。此模型能 准确地反映控制电流的饱和特性，且在模型中引入频率和振幅因素。通过数值仿真 与试验数据对比，证明其比一般多项式模型更能准确地反映实际工程应用情况。 ( 2 ) 研制了1 4 模拟悬架机械装置，并基于虚拟仪器系统建立了通用的磁流变半主动悬 架实时测控试验平台，为控制器的快速原型开发奠定了基础。 ( 3 ) 设计了一个新颖的半主动悬架模型参考滑模控制器。此控制器易于实现，不需要测 量路面输入信号和减振器的阻尼力。其采用一个改进的理想天棚控制系统作为参考 模型，使实际被控半主动悬架系统和参考模型间的误差动力学系统产生滑动模态， 仿真计算和控制器快速原型试验证实了其比被动悬架、实际天棚控制及模糊控制具 有更好的综合性能，可用于实车控制器的开发。 关键词：磁流变减振器；复合多项式模型；模型参考滑模控制；半主动悬架；实时测控 试验平台；控制器快速原型 t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho nv e h i c l e m a g n e t o r h e o l o g i c a ls e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m a b s t r a c t t h e t w ok e yt e c h n o l o g i e so fm a g n e t o r h e o l o g i c a l ( m r ) 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 e s t i l li m m a t u r e t h ep r e s e n tm a t h e m a t i cm o d e l so fm rd a m p e r sh a v ec o m m o nl i m i t a t i o nt h a t e i t h e ri ti ss i m p l eb u ti m p r e c i s e ，a n dc a n tr e f l e c th y s t e r e t i cc h a r a c t e r i s t i co fd a m p e r s ，o ri ti s a c c u r a t eb u tt o oc o m p l e xt oc o n d u c tc o n t r o lc o n v e n i e n t l y m e a n w h i l e ，t h e r ea r et h es a m e p r o b l e m sf o rc o n t r o ls t r a t e g y e f f e c to fas t r a t e g yw o n tb eg o o de n o u g hi fi ti ss i m p l e ，w h i l ea c o m p l e xc o n t r o ls c h e m eu s u a l l yu t i l i z e sc o m p l e xa u t o m a t i cc o n t r o lt h e o r y a n di s l a r g e d i f f e r e n c ef r o mt h er e a lc o n d i t i o n s ，a n dc a no n l yb ev e r i f i e db ys i m u l a t i n gb u tc a n tb eb y e x p e r i m e n t t h e r e f o r e ，t a k i n ga c c u r a t ea n ds i m p l ea sag o a l ，t h em rs e m i - a c t i v es u s p e n s i o n s y s t e mh a sb e e nr e s e a r c h e d t h em a i nc o n t r i b u t i o n sa n di n n o v a t i o nc o n c l u s i o n so ft h e d i s s e r t a t i o ni n c l u d et h ef o l l o w i n g s ： ( 1 ) ac o m p o s i t ep o l y n o m i a lm o d e lo fm rd a m p e r sh a sb e e np r o p o s e da f t e rd a m p i n g c h a r a c t e r i s t i ce x p e r i m e n t sh a v e b e e nc o n d u c t e do nam rd a m p e r t h ea f f e c t i o n so f a m p l i t u d ea n df r e q u e n c ya r ec o n s i d e r e di nt h i sm o d e lw h i c hc a na c c u r a t e l yr e f l e c tc u r r e n t s a t u r a t i o nb e h a v i o r c o m p a r i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nw i t he x p e r i m e n td a t a , i ti sv e r i f i e d t h a tt h i sm o d e lc a nm o r ea c c u r a t e l yr e f l e c tt h er e a le n g i n e e r i n gc o n d i t i o n sc o m p a r e dw i t h t h ec o m m o np o l y n o m i a lm o d e l ( 2 ) aq u a r t e r - c a rs u s p e n s i o nm e c h a n i c a lt e s tr i gh a sb e e ns e tu p ，a n db a s e do nv i r t u a l i n s t r u m e n ts y s t e m ，t h er e a lt i m ec o n t r o le x p e r i m e n tp l a t f o r mo fm rs u s p e n s i o ns y s t e mi n u n i v e r s a lu s eh a sb e e ns e t u p ，a n d i t l a y s f o u n d a t i o no nd e v e l o p i n gr a p i dc o n t r o l p r o t o t y p i n g ( 3 ) a n e wm o d e lr e f e r e n c es l i d i n gm o d ec o n t r o l l e rf o rs e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mh a sb e e n p r e s e n t e d t h ep r o p o s e dc o n t r o l l e ri se a s yt ob ec a r r i e do u ta n d e l i m i n a t e st h en e c e s s i t yo f r o a ds i g n a la sw e l la sm e a s u r i n gd a m p i n gf o r c e t h ec o n t r o l l e ru s e sa na p p r o x i m a t ei d e a l s k y h o o ks y s t e ma sar e f e r e n c em o d e l ，a n dg e n e r a t e sa na s y m p t o t i c a ll ys t a b l es l i d i n gm o d e i nt h ee r r o rd y n a m i c sb e t w e e nt h ep l a n ta n dt h er e f e r e n c em o d es t a t e s as i m u l a t i o ns t u d y a n dt h er a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n ge x p e r i m e n t sh a v eb e e np e r f o r m e d ，a n dr e s u l t ss h o wt h a t c o m p a r e dt op a s s i v es u s p e n s i o n ，p r a c t i c a lc o n t r o la n df u z z yl o g i c a lc o n t r o l ，t h ep r o p o s e d c o n t r o l l e rs h o w sb e t t e ri n t e g r a t e dp e r f o r m a n c e ，a n ds h o u l db ed i r e c t l yt r a n s f e r a b l et o c o m m e r c i a ls e m i a c t i v ev e h i c l es u s p e n s i o ni m p l e m e n t a t i o n s 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 l ( m r ) d a m p e r , c o m p o s i t ep o l y n o m i a lm o d e l ，m o d e lr e f e r e n c e s l i d i n gm o d ec o n t r o l ，s e m i - a c t i v es u s p e n s i o n ，r e a lt i m e c o n t r o le x p e r i m e n t p l a t f o r m ，r a p i dc o n t r o lp r o t o t y p i n g 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行的研究工作 所取得的成果。尽我所知，除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明并表示感谢。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 雏论文作者c 本人：砒毛竣汐7 年易胪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解南京林业大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版( 中国科学技术 信息研究所；国家图书馆等) ，允许论文被查阅和借阋。本人授权南京林业大学 可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进4 - i - 检索，可以汇编和综合 为学校的科技成果，可以采用影印，缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文全部或部分内容。 保密口，在卑解密后适用本授权书。本学位论文属于不保密彭 ( 请在以上方框内打“ ”) 学位论文作者( 本人签名) ：妨甚 指导教师( 本人签名k 铡刁 砂 沙 屯 月月 彩 6 年年 律铲， 致谢 本文是在导师郑加强教授的悉心指导和关怀下完成的。导师高瞻远瞩，以他胸怀世界 的独到眼光，引导我把握学术发展的前沿和动向，使我受益非浅。导师高尚的人格魅力， 严谨的治学态度，敏锐的学术眼光，渊博的专业知识，忘我的工作热情，平易近人的工作 作风和诲人不倦的谆谆教诲给我留下难以磨灭的印象，是我学习的楷模。导师蔡伟义和闵 永军教授诲人不倦的高尚品德，求实创新的工作作风，深厚的专业知识，时刻感召着我。 三年的学习中，我的每一个进步都凝聚着三位导师的心血和汗水。在此，谨向导师们致以 衷心的感谢! 我幸运地生活和学习在一个奋发进取、平等和谐、充满学术追求、团结互助的学术团 队里。我衷心地感谢机电学院副院长周宏平教授给予的指导和提供的各种帮助，感谢同门 师兄弟姐妹们对我的帮助和支持。 感谢课题组陈宁副教授给予的大力支持和帮助，正是由于陈老师提供的相关仪器设 备，使得试验能较顺利地进行。 感谢我指导过的硕士研究生杨金霞、樊登柱和吴九山对本课题所做的工作。 感谢机电学院张振军副教授，工程培训中心高维杰和易杰老师给予的支持和帮助。 感谢美国国家仪器公司胡信伟和周苏平工程师提供的技术支持。 由衷感谢我的父母、岳父母，感谢他们多年来对我的培养、理解和支持；衷心感谢我 的爱人和女儿，她们的大力支持、理解和鼓励是我完成学业的保证，是时刻激励我前进的 动力。 最后，感谢所有其他关心和帮助过我的人，包括在互联网上相识和不相识的热心的朋 友们。 本文得到南京林业大学科技创新基金项目( n o ：c x 2 0 0 4 0 5 ) 的资助，在此表示感谢。 第1 章绪论 1 1 车辆悬架类型及其特性概述 车辆悬架是车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间的一切传力连接装置的总称， 是实现操作稳定性和行驶平顺性的基本装置。路面作用于车轮上的垂直反力( 支承力) 、 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悬架传递到车 架( 或承载式车身) 。悬架的作用就是在传递这些力和力矩的同时，缓和不平路面传给车 架或车身的冲击载荷，抑制车轮的不规则振动，提高车辆平顺性( 乘坐舒适性) 和安全性 ( 操纵稳定性) ，减少动载荷引起的零部件和货物损坏。因此悬架系统是影响汽车性能的 关键部件，研究汽车悬架系统对提高汽车总体性能有着非常重要的意义。 车辆悬架根据其减振方式不同大致可分为两类：被动悬架和电控悬架( 也称之为可控 悬架或智能悬架) 。图1 1 给出了悬架的分类。传统的汽车悬架( 即被动悬架) 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悬架系统是根据汽车的综合 性能要求，针对特定的路面状况和汽车运行状况进行设计的，系统振动特性固定不变。然 而汽车平顺性和安全性是一对相互矛盾的性能需求，例如为了提高汽车的乘坐舒适性应该 采用比较软的悬架，即采用刚度较小的弹性元件和阻尼较小的阻尼元件，但是这样会使悬 架动行程增大，同时导致车身侧倾、纵倾振动加大，影响车身姿态和操纵稳定性；另一方 面为了提高汽车的操纵稳定性，限制汽车姿态的变化，要求采用比较硬的悬架，但这样会 降低悬架的隔振性能，增加车身的颠簸，影响乘坐舒适性。因此，使用定刚度弹性元件和 定阻尼特性阻尼元件的传统被动悬架系统中不能同时满足良好的乘坐舒适性和操纵稳定 性的要求【卜5 1 。自2 0 世纪5 0 年代以来，工业发达国家已开始研究电控悬架。在智能控制 技术及智能材料科学取得引人瞩目进展的同时，其也开始应用到车辆悬架控制系统，使得 车辆悬架的研究不仅在理论上和方法上取得显著进步，而且开始应用于实际当中。由于电 控悬架具有调节功能，因而，在一定程度上改善了悬架系统性能，其控制功能可以根据实 际需要而定，在汽车运行过程中，常用的控制功能有： ( 1 ) 吸收路面不平引起的振动，提高乘坐舒适性； ( 2 ) 保持正常姿态的姿态控制； ( 3 ) 进行操纵稳定性控制； ( 4 ) 针对不同的载荷进行车身高度控制。 f i g 1 1b l o c k d i a g r a mo fv e h i c l es u s p e n s i o nc l a s s i f i c a t i o n l 器 汽车电控悬架主要由传感器、控制器、驱动器和执行器组成，其中控制器是整个悬架 系统的信息处理和管理中心，它接受来自各传感器的信号，依照特定的数据处理方法和控 制策略，确定控制输出量并发送给驱动器进行信号转换和功率放大，驱动执行器完成相应 的控制动作，改变系统工作状态，构成闭环控制系统，达到提高乘坐舒适性和操纵稳定性、 保持正常姿态和车身高度控制的目的。在整个系统中，执行器的工作特性，尤其是执行器 能否及时准确地响应控制器的控制指令是决定控制系统成败的关键。 汽车电控悬架一般包括具有一定自适应性的车身高度调节悬架和主动悬架。车身高度 调节悬架系统通过提供外部能量保持车身高度不随载荷的变化而变化，目前典型的车身高 度悬架调节系统有可调空气悬架系统和可调油气悬架系统两种。主动悬架根据控制形式不 同，又可划分为全主动悬架、慢主动悬架和半主动悬架三种【5 6 】。参照文献 7 ，列出表 1 1 所示的各种类型悬架的特性对比。 表1 1 各种类型悬架特性对比 t a b l e1 1c o m p a r i s o no fp e r f o r m a n c e sf o rv a r i o u sm o d es u s p e n s i o n s 注：石为簧载质量的固有振动频率；工为非簧载质量的固有振动频率；z 为相对位移 全主动悬架是一种具有作功能力的悬架，它没有固定的弹簧特性和阻尼特性，力( 力 矩) 发生器和相应的外加动力源替代了被动悬架中的弹簧阻尼构件，依靠外界能源提供能 量，并能对能量的大小进行控制，在低速时也能提供较大的阻尼，并且能够提供负阻尼， 能够根据悬架系统状态和当前路面激励主动做出反应，抑制系统振动，能获得一个优质的 隔振系统和实现理想悬架的控制目标，实现真正意义上的最优控制，因而具有同时满足提 高车辆平顺性( 乘坐舒适性) 、安全性( 操纵稳定性) 和动载荷三个方面要求的能力。其 在提高系统性能上具有较全面和较大的潜力，但能量消耗大，液压装置噪声大、成本高、 结构复杂。慢主动悬架和全主动悬架的不同在于力( 力矩) 发生器的响应带宽。全主动悬 架执行器响应带宽大于1 5 h z ，由于主动悬架大多采用电液伺服系统，所以要使其达到这 2 样的带宽很困难，需要相当高的制造水平，同时高带宽的执行器对能量的消耗也是巨大的。 慢主动悬架采用一个与力发生器并联的弹簧来支撑车辆载荷，减轻力发生器负担和降低能 量消耗。如果只考虑减小车身振动的话，慢主动悬架的响应频率只需要覆盖车身的共振频 率，一般达到4 h z 就可以了。但不管是全主动悬架还是慢主动悬架，出于制造和经济方 面的考虑，到目前为止，仅有少数几种主动悬架系统成为商业化产品，限于装载在排量较 太的一些高档车型上。结构复杂、能量消耗大和价格昂贵是阻止其广泛应h 的主要问题， 目前主动悬架系统仍然处于研究和改进之中【8 、l 3 1 。 半主动悬架系统输入少量的调节能量来局部改变悬架系统的动特性( 刚度或阻尼系 数) ，其结构简单，可靠性高，因系统动特性变化很小，仅消耗振动能量，放稳定性好， 而减小振动的能山几乎和主动悬架一样 ll 4 1 1 5 】。一般地，汽车悬架弹性元件需要承担车身 的静载荷，因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难得多，目前半主动悬架的研 究基本h 局限于阻尼控制的研究。半主动悬架的概念首先由c r o s b y 和k a m o p p ”1 于1 9 7 3 年提出k a m o p p 还提出天棚阻尼控制模型和实现方法7 】。直到2 0 世纪8 0 年代初期爿有 试验性的产品问世，但它投入应用的速度比主动悬架快得多【嘲。由于电子技术和计算 机技术的发展，半主动悬架逐步从试验室走向工厂，从1 9 7 5 年m a r g o l i s 等人提出“开关” 控制的半主动悬架，到2 0 0 2 年美国德尔福( d e l p h l ) 公司的m a g n e r i d e 磁流变减振器 应用在c a d i l l a cs e v i l l es t s 高档车上( 如图1 2 所示) 2 1 】，半主动悬架系统发展迅速。 、p r i m a r y s u s p e n s i o n 囝j r ，ho 需怠勰二舞尝： l h sc o m p t e x i t y g l e a t e r f e l i n b i l i t y 船鼎鬟粤“。o “ 图i2 d e l p h i 公司生产的m a g n e p d d e 磁流变减振器 r g1 2m a g n e r i d e t m m rd a m p e r m a d e b y d e l p h i m t i o n 半主动悬架系统所涉及的关键技术是设计并实现可控制执行器和控制策略。执行器目 前大多采用电液伺服系统和机械调节，存在着结构复杂、成本高、响应速度慢、工作频带 窄、动作不平稳等缺陷，执行器技术已成为半主动悬架发展的瓶颈，近年来，由于功能材 料的迅猛发展，许多新型执行器闻世，比如，可控流体技术，包括电流变和磁流变技术， 为可控阻尼的减振器设计提供了新的思路，尤其是磁流变减振器，是一种非常有发展前途 的可调减振器。另外，汽车悬架的控制策略并没有严格区分主动悬架和半主动悬架【l l , 2 2 2 3 l ，大部分的控制方法既可用于主动悬架，也可用于半主动悬架，只不过要加以适当修正 和边界条件限制，因为半主动悬架只能耗散振动能量而不能为系统提供能量。 1 2 磁流变减振器研究现状 目前，半主动悬架可控制执行器的研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面。可调 节减振器有多种形式，有传统液压式的，也有新型智能材料的。 传统可调减振器可分成有级可调和连续可调减振器。由各种开关型的节流阀或连续阀 门来控制液体阻尼的大小，实现阻尼的有级或连续调节。可调节流阀既可以设置在减振器 内部，如日本丰田公司的l s 4 0 0 的可调式减振器；也可以设置在外部的旁通道上，如梅 赛德斯一奔驰公司的一种可调减振器。通常有级可调减振器可在2 3 个档之间快速切换， 切换时间为1 0 _ _ 2 0 m s ，通过电机控制转阀的旋转位置，使减振器阻尼在“软、中、硬” 三档之间变化，其结构及控制系统相对简单，但适应行驶工况和道路条件的变化方面有一 定的局限性【l2 1 。还有一种压电式减振器也可实现阻尼的有级调节，利用压电负效应，在 5 0 0 v 直流电压的作用下可在5 m s 的时间内产生5 0 岬左右的位移，经放大后使阻尼力变 换阀动作。这种减振器具有较高的响应能力，但要求电压高、结构复杂【2 4 1 。连续阻尼可 调减振器通过步进电机或电磁阀来控制节流阀的流通面积连续调节阻尼【2 5 1 。已有实车产 品，如萨克斯( s a c h s ) 公司开发的c o n t i n u o u s d a m p e r - c o n t r o l ( c d c ) 系统【2 6 j 。 传统可调减振器研究和应用早，国内也有很多学者在进行研究，以有级可调减振器为 主，并取得了一些成果【2 7 2 8 1 。但它们有无法克服的缺点：节流阀制造精度要求高、结构 复杂、响应慢等，目前相关研究的文献逐渐减少。 近年来，许多学者的研究兴趣集中到了新型智能材料制成的电流变和磁流变减振器 上，尤其是磁流变减振器，是一种非常有发展前途的可调减振器。美国马里兰大学航空工 程系在磁流变阻尼器的设计理论方面一直处于领先地位，代表世晃先进水平，开发了充气 补偿结构的汽车磁流变阻尼器。美国l o r d 公司、德尔福公司、福特公司，德国b a s f 公 司等已经开发出商业产品。不仅如此，磁流变减振器系统已经投入实车。自从2 0 0 2 年美 国d e l p h i 公司的m a g n e r i d e 磁流变减振器应用在c a d i l l l a cs e v i l l es t s 高档车上后，其每 年都在不同的车型上安装，如2 0 0 3 年的c h e v r o l e tc o r v e t t e ( c 6 ) ，2 0 0 4 年的c a d i l l a cs t s ， 2 0 0 5 年的b u i c kl u c e r n e ，2 0 0 6 年的f e r r a r i5 9 9g t b ，2 0 0 7 年的a c u r am d x 等，如图1 3 所示，据称，其性能可靠，保证汽车全寿命使用。建立精确实用的磁流变减振器力学模型 是对其进行控制的关键，由于磁流变效应复杂性，目前还没有大家一致公认的磁流变减振 器力学模型。研究最多的还是试验法，即根据实验数据，采用优化方法建立磁流变减振器 的动力学模型。最早是s h a m e s 等人研究的b i n g h a n l 模型【2 9 1 ，其优点是简单易于分析， 但不能描述前屈服特征，即双粘性特征、滞后特征和剪切变稀现象。为了能描述减振器的 滞后特征，很多学者又研究了各种模型，比较有效的模型有s p e n c e r 等人提出的b o u c w e n 模型【3 0 】和基于b o u c w e n 滞回模型的现象模型( p h e n o m e n o l o g i c a lm o d e l ) 3 1 】，s 一bc h o i 和s 一k l e e 提出的多项式模型p z j 。 我国在磁流变减振器的研究上做了大量工作，取得了一些成就【3 3 3 4 】。国家仪表功能 材料工程研究中心研制的磁流变体，其剪切屈服应力基本达到美国l o r d 公司的产品水平 p 川。复旦大学、中国科技大学还对磁流变材料的流变机理进行了研究，提出了一些有参 4 考价值的模型和理 仑分析方法。西北工业大学对磁流变材料的稳定性进行了分析，提出了 一些提高磁流变材料稳定性的措施。南京航空航天大学的翁建生和浙汀大学的杨礼康利用 美国l o r d 公司的磁流变减扳器进行了减振器的特性试验研究，分别提出了非线性滞凰模 型h “和s 型滞环模型口7 】；重庆大学黄尚廉院士牵头的课题小组设计制作了磁流变减振器， 并在“长安之星”s c 6 3 5 0 微型车上进行了实车试验，取得了较好的效果口卜4 ；西安大学 的倪建华m 、同济大学的赵治国、余卓平等【4 ”也分别研制了磁流变减振器，并进行了特 性试验研究。目前的研究除了磁流变液性能的改进，减振器的发计制造技术提高之外，较 多地集中在磁流变减振器的数学模型上。迄今为止，已提出的磁流变减振器数学模型多种 多样，但都存在某些缺陷：有的虽然简单，但不能很好地模拟减振器的非线性动态特性， 有些能很精确地模拟减振器的非线性动态特性，但模型是由强非线性方程构成，参数过多， 不便于数值处理，无法直接反映减振器的逆向动态特性，不便于实施控制。 图13 磁流变减振器在轿车上应用进程 f i g13 t h ea p p l i c a t i o no f m rd a m p e r s i nc a r 1 3 半主动悬架控制策略研究现状 目前已建立的半主动悬架控制策略主要有三类。第一类适用于比较简单的控制系统模 型，通过求解动力学问题，建立系统动力特性对可控减振环节参数的依赖关系，提出控制 策略，其中最有代表性的是天棚阻尼控制策略，由于其简单实用，是目前研究应用最多的 方法之一。第二类控制策略是根据线性时不变系统的动力学模型和控制理论建立的控制策 略，其中包括线性最优控制、自适应控制和滑模控制等。第三类控制策略是考虑到半主动 悬架足一个强非线性、强耦合、参数时变的系统，线性系统模型精度差，而精确的数学模 型往往难以建立，或控制律的求解非常困难，因而采用的一类控制方法。常用的有自适应 控制、模糊控制、神经网络控制、鲁棒控制的h 一控制。近年来有学者研究完全的无模型 控制在汽车悬架上的应用，如迭代学习控制、无模型自适应控制。归纳三类控制策略的特 点、典型算法及优缺点如表1 2 。 表1 2 半主动悬架系统主要控制策略对比 t a b l e1 2c o m p a r i s o no fm a i nc o n t r o ls t r a t e g i e sf o rs e m i - a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m 类型类型特点主要控制特点不足 第靠求解动操纵稳定性欠佳，高 力学问题天棚控制算法简单、实用频效果差 类简单控制 实际部分最优。无法 第 最优控制理论上最优产生主动力及不确定 根据线性因素 时不变系 可辨识参数，能适应载悬架很难精确建模， 统的动力自适应控制荷和元件特性变化，自因而在线识别和控制 学模型和动调节控制参数效果受影响 控制理论 建立的控线性非线性系统，方法 类 制策略滑模控制简单易于实现，对参数 “抖振” 不确定、外界扰动鲁棒 性高 简单、不需了解对象数适用s i s o 系统，复杂 p i d 控制学模型，较好的鲁棒性系统难适用，对参数 变化灵敏 鲁棒性好，适用于非线只能适用于一定的悬 模糊控制性、时变和滞后系统架参数，无稳定性判 系统数学 别标准 第 模型难以 神经网络适用于描述复杂非线计算量大，耗时长， 建立；或 性系统，多与传统控制参数难精确调节，不 精度差而 器相结合用作辨识器适用于表达基于规则 控制效果 和控制器的知识 差 鲁棒h 。控鲁棒性好，可大大缩短控制器保守，且需在 制控制时间和能耗鲁棒稳定性和性能鲁 类 棒性之间作折衷选择 完全无模型需大量试验，没有成 控制无需建立系统模型熟分析和设计方法， 设计复杂，效果难把 握 6 三类控制策略的各种具体控制方法各有优缺点，如：理想的天棚控制没法实现，实际 应用的是可调减振器装在簧载质量和非簧载质量之间，而近似实现；最优控制应用到半主 动悬架难以达到最优效果，只能是部分最优【4 6 】；自适应控制策略需要在线辨识大量的结 构参数，计算量大，实时性不好w 卜4 9 1 ；滑模控制适用于线性或非线性系统，方法简单易 于实现，对模型参数的不确定性和外界扰动具有高度的鲁棒性，是一种受到了工程界关注 的鲁棒控制方法【5 0 ”】，其最大的问题是“抖振”；模糊控制和神经网络控制不需建立精确 的数学模型，可避免因系统建模误差带来的影响，但模糊控制自适应能力差，精度不够高 5 2 5 5 j ，神经网络不适于表达基于规则的知识，因其需要较长的训练时间，控制参数没有 物理意义，因而很难进行精确调节【5 6 5 8 j ：鲁棒控制的h 。控制可使控制系统对不确定和未 知信息的影响有较强的鲁棒性，同时，可大大缩短控制时间和降低能量消耗【2 2 , 5 9 6 3 】，但 是，鲁棒控制始终不能克服模型的不确定性和控制系统性能之间的矛盾关系；完全无模型 控制已有学者证明其有效性，如文献畔 67 1 ，但由于不确定因素很多，且没有成熟的分析 和设计方法可用，因此其控制的设计非常复杂，效果也难以把握。 值得一提的是模型参考控制一直以来受到国内外学者的重视。模型参考控制的基本原 理是用合适的控制力来使被控系统和理想系统工作一样，理想系统作为模型参考系统，其 好处在于模型参考系统不必是一个实际的系统，却能是任何理想的数学模型，并且不必实 际可行【6 引。模型参考控制避免了其他控制策略设计时的盲目性，是可实用的少数几种控 制策略之一。如在半主动悬架控制中研究较多的模糊控制，很多也是以天棚控制的运动状 态作为参考，将其与被控对象的差值作为模糊控制器的输入对象，如文献 6 9 。还有目前 研究较多的模型参考自适应控制和滑模参考控制【7 叭，尤其是后者，近年来得到了越来越 多的关注，文献 7 1 把滑模参考控制应用于电液悬架系统，控制器依赖精确的悬架系统模 型，改善汽车的行驶性能。伊朗的m o h a m m a d i 在汽车主动悬架上设计了模型参考自适应 和滑模控制相结合的控制策略，比单独的模型参考白适应效果好【7 2 1 ；美国密西根大学机 械工程系的车辆动力学和控制研究小组研究了汽车主动悬架系统的数字化控制技术，采用 了离散滑模参考控制设计控制器，效果比p d 控制、最优控制都好，表现了很好的跟踪效 果和抗干扰能力。我国学者的研究起步相对较晚，重庆大学郑玲等人分别研究了汽车半主 动悬架的模型参考自适应控制和模型参考滑模控制，取得了比较好的效果【7 引。然而，涉 及模型参考滑模控制的半主动悬架研究大多停留在仿真上，实际应用存在信号的测取成本 高昂，实际效果有待证实等问题。尤其是国内的研究，还没进行相关试验。 1 4 论文选题意义和主要研究内容 1 4 1 选题意义 磁流变减振器具有优良的可控性，很宽的动态范围，较高的响应速度，很低的功耗， 相对简单的控制方式，因此它在结构振动控制，车辆工程中具有广阔的应用前景，尤其是 在汽车半主动悬架领域它已经成为竞相研究的热点【3 2 , 3 7 , 7 4 7 6 ，世界发达国家的研究机构和 企业投入大量人力物力利用磁流变液开发减振器及相关技术，磁流变液和减振器己商品 化，磁流变技术在汽车工程中的应用正给汽车减振系统带来革命性的进步。但对于磁流变 减振器，还需进一步提高磁流变液的切应力值和稳定性，防止出现减振器油液渗漏等问题， 7 提升减振器设计制造水平。另一方面，己提出的磁流变减振器力学模型都存在某些缺陷： 有些虽然简单但不精确，有些虽然精确，但太复杂，不便于控制。 在半主动悬架系统3 0 多年的研究过程中，已经发表的控制研究方法几乎涉及现代控 制理论的所有分支。从目前的情况来看，研究大多偏向复杂的控制理论和策略，但它们或 是建立在各种假设的基础之上，与实际工况差异很大，或是计算复杂，收敛慢，实时性差， 得出的结论却比较贫乏，往往以仿真结束，没有试验验证，实际难以实现。因此，有必要 对汽车半主动悬架的控制策略做进一步探索和研究。 正是由于半主动悬架的诱人的优点和存在的诸多问题，使得其成为当今国内外学者和 生产商研究和开发的热点【9 】，是最有可能投入批量生产并得到普及的智能悬架形式。 1 4 2 主要研究内容 根据前面国内外研究趋势分析，本文总体目标是基于磁流变减振器，建立简单、成本 低、实时性好、易于实现、性能优良的半主动悬架控制系统。主要研究内容如下： ( 1 ) 磁流变减振器的试验建模。进行磁流变减振器特性试验，在对磁流变减振器进行力 学特性试验研究的基础上，建立既能精确地表达磁流变减振器非线性特性，又便于 实施控制的非线性滞回模型。 ( 2 ) 车辆半主动悬架系统动力学分析和模型建立。分析车辆悬架系统的动力学特性：建 立单自由度和两自由度车辆模型；建立路面输入模型；同时建立半主动悬架动力学 模型。 ( 3 ) 磁流变半主动悬架天棚控制和模糊控制系统研究。进行理想天棚控制和实际天棚控 制的动力学分析；设计模糊控制算法；经仿真计算，对比理想天棚控制、实际天棚 控制、模糊控制及被动悬架的性能。 ( 4 ) 研究模型参考滑模控制的基本理论和性质，基本的设计步骤，动态品质的控制及抖 振的控制。 ( 5 ) 磁流变半主动悬架的模型参考滑模变结构控制器设计和仿真。设计结构简单、易于 实现，具有良好性能的模型参考滑模变结构控制器；并对比典型控制算法，进行仿 真研究。 ( 6 ) 建立半主动控制悬架试验系统。设计制作用于试验的模拟悬架机械装置；配置传感 检测系统、数据处理系统、执行元件系统和动力激振系统组成测控系统；编写各种 采集和控制程序；选择合适的实时控制系统；设计实时控制流程。 ( 7 ) 磁流变减振器半主动悬架控制系统的试验研究。对所设计的最优被动悬架、天棚控 制器、模糊控制器、及模型参考滑模变结构控制器进行试验研究，评价其平顺性和 安全性，并和仿真结果进行对比。 第2 章磁流变减振器的理论分析和试验建模 可控制执行器是半主动悬架系统的核心组成部分，如何对磁流变减振器进行经济而有 效的控制是磁流变半主动悬架系统商业化的关键技术。对其实施闭环控制，根据反馈的阻 尼力信号实时调节控制信号的大小，这种方法虽然有效，但成本太高。而实施开环控制不 仅降低成本而且可靠，建立磁流变减振器精确而便于控制的模型是进行开环控制的首要问 题。本章首先对磁流变减振器进行理论分析，然后对其进行特性试验，在分析试验数据的 基础上建立其数学模型，对此数学模型的要求是能准确反映磁流变减振器的滞回特性，符 合实际车辆运行工况，同时易于求得其反模型，以便于实施开环控制，最后，要对数学模 型的有效性进行仿真验证，比较其和试验数据的吻合程度。 2 1 磁流变液的基本特性 磁流变液是一种新型智能材料，其基本组成是将微米级的磁性微颗粒悬浮于适当的液 体载体中，主要由高磁导率、低磁滞性的微小铁磁性颗粒、非导磁性载液及稳定剂组成【7 6 7 7 1 。载液的作用是将固体粒子均匀地分散开，这种分散作用保证在零磁场时，使磁流变液 仍保持有牛顿流体的特性，而在有磁场作用时则使粒子形成链化的结构，产生剪切屈服作 用力，并使磁流变液呈现b i n g h a l n 弹塑性流体的特性。好的载液应具有低零场粘度、大 的温度稳定性、不污染环境等特性。铁磁性微粒大多由铁、钴、镍等磁性材料组成【7 8 】， 在磁场的作用下粒子形成链状，产生磁流变效应。因此，固体粒子材料的化学性质和物理 性质对磁流变液的性能优劣起着决定性的作用。固体粒子一般用球形金属及铁氧体磁性材 料，其尺寸范围为5 - - 1 0 9 m ，所占体积比为1 5 - - 3 0 ，稳定剂又称表面活性剂，其作 用是促进磁流变效应，防止铁磁性微粒凝聚及沉淀。 目前，关于磁流变液流变机理的研究相对较少，磁流变效应产生的机理还没有明确的、 完全令人信服的物理解释【j 7 9 1 。在显微镜下，磁流变液中磁性颗粒在零磁场和强磁场作用 下的分布状态是不相同的。在零磁场下，磁流变液的颗粒分布是杂乱的；而在强磁场作用 下，却是有规则地沿磁场方向成链束状排列。因此，磁流变效应最直观的解释是，强磁场 作用使得磁性颗粒在两极板之间形成的链束状结构像桥一样横架在极板之间，阻碍了液体 的正常流动。而且，当外磁场强度较弱时，链数量少、长度短、直径细，剪断它们所需外 力也较小，相应的磁流变液剪切屈服强度也较低；随着外磁场不断增大，磁流变液中链束 数量增加、长度加长、直径变粗，剪断它们所需外力也增加，相应的磁流变液剪切屈服强 度也提高。 关于颗粒在磁场下成链或链束的原因，比较有代表性的理论有：相变理论和场致偶极 矩理论【8 0 1 。 相变理论认为：在零磁场下，弥散在母液中的悬浮颗粒为随机状态，其迁移和转动受 热波动影响，是自由相。当磁场强度增加到一定程度后，颗粒被磁化，受热波动和场强两 方面影响，某些颗粒互相靠拢成有序排列，成为有序相。随后随着场强增加，这些有序相 连成长链，且以长链为核心吸收短链，并使链变粗，构成固态相。相变理论解释了“链束” 变粗的现象，但对链强度问题无法解释。 9 场致偶极矩理论认为：在j l - 力n 磁场作用下，每一颗粒都极化成磁偶极子，各个偶极子 互相吸引形成链( 或纤维) ，磁流变效应强度与偶极子链力的大小有关，静磁相互作用是 该理论的基础。该理论能解释单链强度函数关系式的诸影响因素，也能解释链演变过程的 j l - d i l 场强三个区域，但该理论不能解释链变过程，也不能解释磁流变液剪切屈服强度和粒 子大小( 单畴和多畴) 间的关系。 磁流变液集流体流动性和固体塑性于一体，其流变特性，如粘度、弹性等会随j , i , ；h n 磁 场改变而迅速改变。在磁场作用下磁流变液成类固体状态，并可以承受机械力。像其它固 体材料一样，使磁流变液发生破坏的应力即为其屈服应力。磁流变液在j b ：d l ：i 磁场作用下的 屈服过程由屈服前区、屈服区和屈服后区三个阶段组成，且在屈服前区有粘弹性材料的特 性，稳定流动下的磁流变液具有类似b i n g h a m 体的本构特征。图2 1 显示了磁流变液剪 切应力与剪切应变的关系曲线。 剪切应变 图2 1 剪切应力与剪切应变的关系 f i g 2 1p r o p e r t i e sc u r v eo fs h e a rs t r e s sv s s h e a rs t r a i nr a t e 2 2 磁流变减振器的结构和理论分析 2 2 1 磁流变减振器的工作模式 磁流变减振器是以磁流变体这种新型的智能材料作为减振器的工作液，并在减振器的 活塞轴上缠绕电磁线圈，线圈产生的磁场作用于磁流变液，通过控制电磁线圈电流的大小 来改变磁流变体的粘度，实现阻尼可调的目的【8 1 】。根据磁流变液在减振器中的受力状态 和流动形式的不同，直线运动的磁流变减振器可分为以下3 种工作模式以及它们的任意组 合【8 2 】： 1 ) 流动模式( f l o wm o d e ) ，如图2 2a ) 所示，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( s h e a rm o d e ) ，如图2 2b ) 所示，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、机床夹具和减振器等磁流变器件。 1 0 3 ) 挤压模式( s q u e e z e m o d e ) ，如图22c )