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基于DSP的汽车磁流变减振悬架系统控制策略设计与研究毕业设计.doc
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2022-06-04
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基于DSP的汽车磁流变减振悬架系统控制策略设计与研究毕业设计.doc
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1 绪 论
随着社会的发展和文明的进步,汽车作为一种交通工具,已成为人们出行的主要
选择,汽车乘坐的安全性、舒适性已成为世人关注的焦点。汽车作为高速客运载体,
其运行品质的好坏直接影响到人的生命安全,因此,与乘坐安全性、舒适性密切相关
的轿车动力学性能的研究就显得非常重要。
悬架系统汽车的一个重要组成部分,它连接车身与车轮,主要由弹簧、减震器和
导向机构三部分组成。它能缓冲和吸收来自车轮的振动,传递车轮与地面的驱动力与
制动力,还能在汽车转向时承受来自车身的侧倾力,在汽车启动和制动时抑制车身的
俯仰和点头。悬架系统是提高车辆平顺性和操作稳定性、减少动载荷引起零部件损坏
的关键。一个好的悬架系统不仅要能改善汽车的舒适性,同时也要保证汽车行驶的安
全性,而提高汽车的舒适性必须限制汽车车身的加速度,这就需要悬架有足够的变形
吸收来自路面的作用力。然而为了保证汽车的安全性,悬架的变形必须限定在一个很
小的范围内,为了改善悬架性能必须协调舒适性和操作稳定性之间的矛盾,而这个矛
盾只有采用这折衷的控制策略才能合理的解决。因此,研究汽车振动、设计新型汽车
悬架系统、将振动控制在最低水平是提高现代汽车性能的重要措施
[1][2]
。
1.1 车辆悬架系统的分类及发展
按工作原理不同,悬架可分为被动悬架 (Passive Suspension)、半主动悬架
(Semi-Active Suspension)和主动悬架(Active Suspension)三种,如图 1.1 所示
[3]
。
(a)被动悬架 (b)全主动悬架 (c)半主动悬架
图 1.1 悬架的分类
图 1.1 中 Mu 为非簧载质,Ms 为簧载质量,Ks 为悬架刚度,Kt 为轮胎刚度;C
1
为被动
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悬架阻尼,C
2
为半主动悬架可变阻尼,F 为主动悬架作动力。
目前我国车辆主要还是采用被动悬架(Passive Suspension)。其两自由度系统模型如
图 1.1(a)所示。传统的被动悬架一般由参数固定的弹簧和减振器组成,其弹簧的弹性特
性和减振器的阻尼特性不能随着车辆运行工况的变化而进行调节,而且各元件在工作
时不消耗外界能源,故称为被动悬架。它的结构简单,性能可靠,经过不断改进,现
在发展的已比较成熟。然而,汽车在行驶过程中,其平顺性和操纵稳定性对悬架参数
的要求是不同的,要想同时兼顾两者是很困难的,即使经过优化,也只能使它在特定
的车速和路面下才能达到最佳。所以,悬架的特性参数一经选定,就无法随汽车运行
的工况和激励的变化而进行调节,故其减振性能的进一步提高也就会受到限制。为了
克服被动悬架存在的缺点,人们尝试了很多方法,如采用非线性变刚度弹簧,虽然取
得了一定的效果,但是仍不能从根本上消除上述的缺陷。改善悬架性能的根本出发点
在于改善悬架对车轮和车身的作用,这可以从改变悬架刚度或阻尼或同时改变两者入
手.于是主动、半主动悬架的研究就逐步开始了。
1954 年,GM 公司 Erspie.Labrose 在悬架设计中首先提出主动悬架的思想
[3]
。主动
悬架的基本原理是用可调刚度的弹簧或可调阻尼的减振器组成的悬架系统,该系统采
用有源或无源可控制的元件组成了一个闭环控制系统,它可以根据车辆预测的激励和
簧载质量的加速度响应等反馈信号,按照一定的控制规律调节可调弹簧和可调阻尼器
的参数,以抑制车体的运动,使悬架始终处于最优减振状态。主动悬架的特点就是能
够根据外界的输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节。这种悬架系统为在根
本上改善汽车悬架系统的性能,提供了一条崭新的途径。图 1.1(b)为两自由度全主动悬
架系统(Fully Active Suspension)。该系统是由 Federspiel.labrosse 在 1975 年发明的
[4]
。它
主要由一个可控的电液作动器组成。作动器相当于一个力发生器,可根据车身质量的
速度响应等反馈信号,按照一定的控制规律产生作用力。它可替代被动悬架中的弹簧
和减振器,可以任意变更刚度以及阻尼系数。全主动悬架的最大优点是具有高度的自
适应性,可很好地满足不同环境的要求(如不同道路条件和行驶速度等)。这种装置所要
求的控制目标是实现一个最佳的隔振系统,而且不需要对系统作较大的改变.另外又因
为该悬架系统还能控制车轮的频率范围(10~15Hz),因其响应特性很快,所以又把该
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悬架系统称为“快”主动系统。这种系统功率消耗很大,一般达到 l0Kw 左右,另外传感
器的需用量也很多(如行程传感器、加速度传感器、力传感器及某种情况下的压力传感
器等)。因而尽管全主动悬架的性能非常优越,但由于它的结构相当复杂,而且造价也
较为昂贵,一般仅限于在豪华轿车和客车上使用,所以其应用范围较小
[5]
。
与主动悬架相比,半主动悬架没有力发生器,它通过调节减振器的液力阻力,改
善悬架的振动特性,图 1.1(c)为两自由度半主动悬架(Semi-Active Suspension)。半主
动悬架研究始于 1974 年美国加州大学戴维斯分校 Karnopp 的研究工作
[6]
。该系统主要
由弹性原件与可调阻尼器构成,此可调阻尼器在其力的产生方面非常相似于被动悬架
中的阻尼器,但其阻尼系数是根据车身质量的垂直加速度、簧载质量与非簧载质量的
相对位移等反馈信号,按照一定的控制规律而瞬态变化的,因此其减振效果又接近全
主动悬架。但由于半主动悬架中弹簧钢度为一定值,所以它的自适应性能要稍逊于全
主 动 悬 架 。 其 中 半 主 动 悬 架 又 可 以 分 为 阻 尼 有 级可 调 (On-Off) 和 阻 尼 连 续 可 调
(Contimuous)两种类型。
阻尼可调减振器主要有两种:一种是机械式可变阻尼减振器,一般通过电磁阀或
步进电机进行有级或无级调节截流孔的开口,改变通流面积来调节阻尼系数。该方法
成本较高,结构复杂,响应快,不易实现细微调节;另一种是通过改变减振器的粘性
调节阻尼。通过使用粘性连续可控得新型减振液(如磁流变液、电流变液)来实现阻
尼连续变化,结构简单、制造成本不高、无液压阀的振动冲击和噪声的特点。电流变
液依靠施加一个高压电场来产生电流变效应,电流变液对电场反应迅速,但是在屈服
应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等方面,磁流变液强于同类电流变液。
从以上分析可以看出,全主动/半主动悬架的性能明显优于被动悬架,而阻尼连续
可调的磁流变减振器半主动悬架由于结构简单,可靠性较高,在工作中消耗能量很小,
控制易于实现,性能指标与全主动悬架相近,因此受到车辆工程界的广泛重视,应用
前景将更为广泛。
1.2 磁流变液和磁流变效应
磁流变液 (MagnetorheOI 。 giCalFluid,简称 MRF) 是 1948 年 由 美国学者
RabinowJ 发明的一种流变性能可随外界磁场改变而改变的智能材料。它由磁性微粒、
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基液及稳定剂三部分组成。通常磁性微粒的粒径在 1~10 微米范围内,一般采用铁、
钴、镍等磁性材料
[7]
,它是使液体获得磁流变效应的主要成分;基液是作为磁性微粒的
载液,要求具有良好的阻燃性和温度稳定性,还应保证不会发生腐蚀和污染作用;而稳
定剂是改善磁流变液的沉降稳定性和凝聚稳定性,通常稳定剂具有特殊的分子结构:一
端对磁性颗粒界面能够产生高度的亲和力,吸附于磁性颗粒表面,而另一端是极易分
散于载液中的具有适当长度的弹性基团。一般采用氧化硅胶添加剂或其他表面活化剂。
磁流变液的流变效应目前还没有完全成熟明确的理论,通过显微镜可以观察到:在没有
施加磁场的情况下,磁性颗粒是杂乱无章分布的。而一旦施加磁场后,磁性微粒沿磁
场方向呈链或链束状排列,在磁极之间形成粒子链阻碍流体的正常流动,使流体成为
一种具有一定剪切屈服强度的粘塑性体,如图 1.2 所示。
(a)不加磁场时 (b)加磁场时
图 1.2 磁流变效应示意图
当没有磁场作用时,磁性粒子悬浮于基液中呈现出随机分布状态。而施加磁场作
用后,粒子表面出现极化现象,形成磁偶极子。磁偶极子在克服热运动的作用下沿着
磁场方向结成链状结构。极化链中各个相邻粒子之间的吸引力随外加磁场强度的增加
而增加。当磁场强度增至临界值时,磁偶极子相互作用超过热运动,使粒子热运动受
阻,此时磁流变液呈现固体状态,相邻粒子间的吸引力也达到最大。磁流变液的屈服
应力也是随外加磁场强度的增加而增加的,但当达到某一饱和值后,如果再增加磁场
强度,屈服应力不再增加,这时就达到了饱和磁场下的 J 态屈服应力
[8][9][10]
。
磁流变效应是磁流变液走向工程应用的基础,那么具有良好性能的磁流变液应满
足的以下几点要求:
① 磁场作用下有较高的屈服应力;
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② 零场作用时具有较低的勃度;
③ 较宽的工作温度范围;
④ 长期的沉降稳定性和凝聚稳定性;
⑤ 较好的化学稳定性;
⑥ 响应时间短;
⑦ 与密封元件不发生化学作用。
1.3 磁流变减振器工作原理
磁流变减振器利用磁流变液的流变特性可受外加磁场控制的特性,实现减振器阻
尼系数的可控,从而实现阻尼力的控制。
(a)流动模式 (b)剪切模式
图 1.3 磁流变液减振器的工作模式
汽车磁流变减振器的工作原理一般都基于两种工作模式:剪切模式和流动模式
[11]
(见
图 1.3)在流动模式中磁流变液位于两个相对静止的极板之间,磁流变液流经阻尼通道
所产生的压力差受外界磁场控制的,从而推动磁流变液流动的活塞所受到的阻尼力就
受外界磁场控制;在剪切模式中,磁流变液位于两相对运动的极板之间,外加磁场方向
垂直于极板的相对运动方向,磁场强度受控制系统控制,由于不同的磁场可以使磁流
变液产生不同的剪切屈服应力,从而极板之间相对运动所产生的阻力就受到了磁场的
控制。将剪切模式和流动模式融为一体就形成混合工作模式,对于这种模式,活塞的
移动引起磁流变液的流动与剪切,但由于流动引起的阻尼力比剪切引起的阻尼力大得
多,所以只按流动模式计算阻尼力。
1.4 汽车悬架控制策略简述
关于车辆悬架系统的振动控制研究与开发是控制领域和车辆动力学领域研究的国
际前沿课题。随着现代控制理论的不断深入发展,有关汽车半主动悬架的控制策略也
是越来越多。自上世纪七十年代以来,典型的控制方法有天棚阻尼控制、 PID 控制、
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- jx2223332024-01-15资源很实用,内容详细,值得借鉴的内容很多,感谢分享。
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