【摘 要】
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汽车在行驶过程中受到路面激励扰动时,车辆速度及行驶方向等行驶条件发生改变,容易导致整车或车辆局部发生剧烈振动。车辆振动会产生一系列不良影响,如汽车各器件损耗,乘车舒适性和行驶平顺性变差等等。作为汽车的重要组成部分,也是车辆的主要减振元件,悬架可以承受车身和车轮之间的作用力,有效降低由于道路激励扰动给车身造成的冲击,是衡量车辆性能的重要指标之一。本文建立了相比整数阶更为准确的含分数阶微分项的汽车悬架
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汽车在行驶过程中受到路面激励扰动时,车辆速度及行驶方向等行驶条件发生改变,容易导致整车或车辆局部发生剧烈振动。车辆振动会产生一系列不良影响,如汽车各器件损耗,乘车舒适性和行驶平顺性变差等等。作为汽车的重要组成部分,也是车辆的主要减振元件,悬架可以承受车身和车轮之间的作用力,有效降低由于道路激励扰动给车身造成的冲击,是衡量车辆性能的重要指标之一。本文建立了相比整数阶更为准确的含分数阶微分项的汽车悬架系统模型,并对汽车悬架系统进行主动控制相关研究。主要研究内容可概括为:首先,车辆悬架减振装置不仅具有迟滞非线性特性,而且多数阻尼器都具有类粘弹性本构关系,这些粘弹性材料介于弹性和阻尼特性之间,普通的整数阶理论无法准确地描述这种材料的本构关系。为此,很多研究学者开始对粘弹性材料采用分数阶理论进行描述,研究证明,采用含分数阶微分项的微分方程描述具有记忆特征阻尼材料的本构关系更为准确。基于此,将分数阶微积分理论引入汽车悬架系统,建立了可以更加客观真实地描述分数阶主动悬架系统的数学模型。其次,介绍了分数阶微积分的定义及基本性质。针对不同路面激励,首先需要通过算法处理分数阶主动悬架系统中的分数阶微分项。通常对于分数阶微积分项的处理方法,主要包括三大类,分别是近似解析法、数值解法及滤波器算法。本文详细推导了分数阶微积分项处理方法中的近似解析法与滤波器算法,并验证了其有效性。然后,结合1/4车三自由度分数阶主动悬架系统的数学模型,考虑到车辆的性能约束及一些与之相关物理系统的约束,将分数阶主动悬架系统的控制问题简化成一个同时存在两方面约束,即输出约束和控制约束的鲁棒干扰抑制问题。针对不同种类及形式的道路扰动输入,将H∞范数作为闭环系统的性能优化指标,进行控制器系统的设计与优化,并得到了相应的线性矩阵不等式(LMI)形式。通过Matlab仿真体现了主动悬架相对于被动悬架的明显优势,通过对仿真结果进行分析,验证了分数阶主动悬架系统的鲁棒性。另外,考虑到车辆行驶时,实际簧载质量并非一个固定值,而是随车辆实际使用情况而变化的不定值。因此,在建立1/4车三自由度分数阶主动悬架系统模型时,还应考虑簧载质量的变化对系统动力学特性及鲁棒控制效果的影响。为此,在考虑簧载质量变化的情况下,设定簧载质量的变化范围,建立了基于T-S模糊模型的分数阶主动悬架系统模型,并通过仿真对比分析了被动悬架、传统主动悬架及基于T-S模糊模型的分数阶主动悬架系统在输出约束和控制约束方面的差异,验证了被动悬架、传统主动悬架与基于T-S模糊模型的主动悬架在系统动力学性能表现方面的优劣。最后,考虑到在实际的控制系统中,由于组件的越来越多,系统功能要求越来越高,不同环节之间的关联程度越来越紧密,其中任何一个组件或者环节出现故障都可能直接导致整个控制系统的性能急剧恶化,甚至彻底丧失,使得悬架系统达不到要求的理想结果,从而无法满足车辆在行驶过程中的乘坐舒适性和行驶稳定性。因此,本文设计了容错模糊控制器,并通过对比验证不同作动器推力损失下容错模糊控制器的优越性。
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