路面频率自适应液电馈能式半主动悬架设计及试验研究

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传统液电馈能式减振器阻尼力无法随行驶工况动态调整,限制了悬架系统动力学性能的进一步提升。本文将DC-DC变换器引入液电馈能式悬架的馈能电路中,通过动态调整DC-DC变换器中MOS管开关信号占空比,改变液电馈能式减振器阻尼力,实现悬架系统的半主动控制。此外,本文设计的液电馈能式半主动悬架可以依据路面频率,调整工作模式,满足多种工况的动力学性能要求,同时具备回馈振动能量的功能。本文主要研究内容如下:  首先,建立液电馈能式悬架系统数学模型,通过对馈能电路的分析,提出调整DC-DC变换器中MOS管开关信号占空比,以改变馈能减振器阻尼力,使实际阻尼力追踪理想阻尼力,达到半主动控制的目的。设计了针对液电馈能式悬架系统的路面频率自适应半主动控制方案,即:从路面频率角度划分了悬架工作模式,设计了“天棚-地棚控制结合模糊PID控制”的双环混合控制器,其中,内环天棚-地棚控制依据车身状态计算馈能减振器理想阻尼力,外环模糊PID控制器根据理想阻尼力和实际阻尼力的差值输出合适的MOS管开关信号占空比以调整馈能减振器阻尼力,实现半主动控制。  然后,基于路面频率划分了半主动悬架的工作模式,设计了双环控制系统,其中,内环采用天棚-地棚控制确定各模式馈能减振器理想阻尼力。基于优化的LQG主动控制器,通过转换关系得出各模式最优的天棚阻尼与地棚阻尼系数,用于计算馈能减振器理想阻尼力。其次,设计了半主动悬架系统的卡尔曼滤波器,为半主动控制方案中的天棚-地棚控制提供车身绝对速度和轮胎绝对速度信号。  随后,利用一阶过零检测法估计路面频率,实现半主动悬架工作模式的自动切换。设计了半主动控制方案的外环模糊PID阻尼力跟踪控制器,将馈能减振器理想阻尼力和实际阻尼力的差值输入模糊PID控制器,模糊PID控制器输出合适的MOS管开关信号占空比,使实际阻尼力跟踪理想阻尼力。以被动悬架为比较对象,仿真研究了液电馈能式半主动悬架在单一工作模式和全局状态的动力学性能和馈能性,验证半主动悬架系统的可靠性和稳定性。  最后,进行了液电馈能式半主动悬架台架试验,研究其在单一工作模式和全局状态的动力学性能和馈能性。试验结果与仿真结果基本一致,验证了仿真结果的正确性和液电馈能式半主动悬架的可行性。  综上,本文将DC-DC变换器引入液电馈能式悬架,通过调整其中MOS管开关信号占空比,使减振器实际阻尼力追踪理想阻尼力,达到半主动控制的目的。基于建立的液电馈能式悬架系统动力学模型,提出悬架系统的路面频率自适应半主动控制方案,并且为半主动控制系统设计了“天棚-地棚控制结合模糊PID控制”的双环混合控制器以及频率识别方案。研究结果表明,相比被动悬架,液电馈能式半主动悬架舒适模式的车身加速度优化了27.91%,运动模式的轮胎动载荷优化了32.65%,综合模式的车身加速度和轮胎动载荷分别优化了18.87%和29.89%,并且,平均馈能功率达到46.94W。因此,相较被动悬架,液电馈能式半主动悬架动力学性能显著提高,同时实现了能量回收。
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