6x6全液压工程车辆主动悬架控制方法研究硕士学位论文.doc
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1、论文分类号 U463.33 单位代码 101836X6全液压工程车辆主动悬架系统研究 吉林大学 徐研密 级 公开 研究生学号 2006412071 吉 林 大 学硕 士 学 位 论 文6x6全液压工程车辆主动悬架控制方法研究Research on Control Strategy of Project VehiclesFull Hydraulic Active Suspension System吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的硕士学位论文,是本人在指导教师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品
2、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标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名:日期: 年 月 日作者姓名论文分类号U463.33 保密级别公 开研究生学号2006412071学位类别工学硕士 授予学位单位吉 林 大 学专业名称机械电子工程培养单位(院、所、中心)机械科学与工程学院研究方向流体传动与控制学习时间 2006 年09月 至2008年05月论文中文题目6x6全液压工程车辆主动悬架控制方法的研究论文英文题目Research on Control Strategy of Project Vehicles Full Hydraulic A
3、ctive Suspension System关键词(3-8个)工程车辆 全液压主动悬架 阀控液压缸最优控制 MATALB仿真导师情况姓 名职称教授学历学位硕士工作单位机械科学与工程学院论文提交日期答辩日期是否基金资助项目否基金类别及编号如已经出版,请填写以下内容出版地(城市名、省名)出版者(机构)名称出版日期出版者地址(包括邮编)学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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标明。本人完全意识到本声
4、明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、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,允许论文被查阅和借阅。本人授权 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行检索,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。涉密论文按学校规定处理。作者签名:日期: 年 月 日导师签名: 日期: 年 月 日提 要本文是吉林大学“211工程”电液比例实验车辆项目,就6x6工程车辆主动悬架系统的控制方法进行深入地研究,主要解决工程车辆在高速行驶中车体平稳性问题。论文提出基于电液比例阀控
5、液压缸的液压主动悬架系统,建立了单轮车体二自由度的简化分析模型,并对悬架系统进行了机械系统动力学分析和液压系统动力学分析。结合最优控制理论设计主动悬架最优控制器,应用多学科仿真平台Matlab仿真软件,分别被动悬架系统和最优控制液压主动悬架系统进行了仿真分析。仿真分析表明:基于最优控制的液压主动悬架系统在车辆乘坐舒适性和操纵稳定性方面的性能都有很大的提高,从而验证了所提出液压主动悬架系统方案的正确性。最后,根据所建立的液压系统模型,计算出比例阀阀芯工作位移在可控范围内,验证了采用最优控制方法的可行性。关键词:工程车辆 全液压主动悬架 阀控液压缸 最优控制 MATLAB仿真目录目录第1章 绪论1
6、1.1悬架概述11.1.1 悬架的作用11.1.2 悬架的分类21.2国内外工程车辆悬架研究现状31.3 液压悬架的研究现状41.4 主动悬架常用控制方法61.5 本文的意义及目的81.6 本文主要研究内容9第2章 6x6工程车辆主动悬架液压系统介绍112.1 6x6工程车辆整车液压系统的工作原理112.2主动悬架液压系统的工作原理132.3 主动悬架液压系统元件工作原理及特性分析142.2.1 蓄能器的工作原理及特性分析142.2.2 阀控悬架液压缸特性分析20第3章 6x6工程车辆主动悬架系统数学模型的建立253.1悬架系统性能指标253.2 主动悬架动力学模型建立263.2.1 车辆悬架
7、系统模型的选取263.2.2 路面输入模型273.2.3 基于单轮车体的主动悬架力学模型的建立313.3 主动悬架液压系统数学模型建立33第4章 6x6工程车辆主动悬架控制方法研究374.1 线性二次型最优控制374.1.1线性二次型高斯LQG最优控制394.1.2完全状态信息的随机最优控制404.2 系统可控可观性分析424.2.1 系统可控性424.2.2 系统可观测性424.3 LQG最优控制器的设计43第5章 仿真建模及仿真结果分析455.1 仿真环境介绍455.2 仿真控制模型的建立455.3 仿真结果分析50第6章 论文总结55参考文献56摘要IABSTRACTIII致谢VII第
8、1 章 绪论第1章 绪论工程机械、矿山机械、越野车辆在行驶时,路面或非路面的不平度会引起车辆的振动。这种振动达到一定程度时,由于车轮与路面之间的动载荷,会影响到它们的附着效果,进而影响工程车辆的操纵性、安全性、通过性。因此,研究工程车辆振动和受力,采取主动悬架将振动控制在最低水平,对改善车辆的操作稳定性、通过性及乘坐舒适性具有重要的意义1。1.1 悬架概述悬架是现代汽车上的重要总成之一,它把车架(或车身)与车轴(或车轮)弹性地连接起来。其主要任务是传递作用在车轮和车架(或车身)之间的一切合力矩;缓和路面传给车架(或车身)的冲击载荷,衰减由此引起的承载系统的振动,保证汽车的行驶平顺性;保证车轮在
9、路面不平和载荷变化是有理想的运动特性,保证汽车的操纵稳定性,使汽车获得高速行驶能力。1.1.1 悬架的作用悬架是车身与车轮之间传力装置的总称,其主要作用如下:(1)悬架连接车身与车轴,承受路面作用到车轮上的垂直反力(支承力)、纵向反力(牵引力和制动力)和侧向反力,并把这些反力所造成的力矩都传递到车身上。(2)缓和由不平路面传给车体的冲击载荷,衰减冲击载荷引起的承载系统的振动,以保证汽车的正常行驶。(3)使非悬挂质量尽量跟随地面运动,以减小车轮与地面之间附着力的损失,保证良好的轮胎接地性,从而保证行驶安全。(4)减小或抑制由空气动力、载荷、制动力及转向力的变化而引起的车身姿态的变化,如加速后仰、
10、制动点头、转弯侧倾等。悬架对于车辆的行驶平顺性、操纵稳定性和平均行驶速度有很大影响。传统的工程越野车辆悬架往往为越野行驶而设计有较大的刚度、阻尼和车身高度,但在普通道路上行驶时,其行驶平顺性、高速操纵稳定性和平均行驶速度都不理想,故可变且可控的悬架成为工程越野车辆的最佳选择。1.1.2 悬架的分类目前,汽车上安装的悬架种类很多。根据导向机构可分为独立悬架和非独立悬架两大类,根据悬架控制原理和控制功能可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。如图1-1,(a)被动悬架(b)主动悬架(c)半主动悬架图1-1三种悬架系统两自由度简化模型(1)被动悬架被动悬架即传统式的悬架,被动悬架概念是在1943年由O
11、lley提出的。它通常是指结构上只包括弹簧和阻尼器(减振器)的系统。被动悬架系统的阻尼和刚度参数一旦确定,车辆在行驶过程中就无法随外部状态变化而改变。传统的被动悬架虽然结构简单、造价低廉且不消耗外部能源,但由于悬架参数固定,不能随路况改变,只能针对某种特定工况,进行参数优化设计,故限制了悬架参数的取值范围,具有较大的局限性。(2)半主动悬架半主动悬架系统的概念于1937年被D.A.Crosby和D.C.Kamopp首次提出。半主动悬架是指悬架弹性元性刚度和减振器阻尼力之一可根据需要进行调节的悬架,其目的在于以接近被动悬架的造价和复杂程度来提供接近主动悬架的性能。一般地,由于汽车悬架弹性元件需承
12、载车身的静载荷,因而在半主动悬架中实施刚度控制比阻尼控制困难,所以对半主动悬架的研究目前大多数都只限于阻尼控制问题,利用合适的控制规律,它可提供介于主动悬架和被动悬架之间的性能。(3)主动悬架主动悬架的概念是1954年通用汽车公司在悬架设计中提出的。主动悬架能够根据悬挂质量的振动加速度,利用电控部件主动地控制汽车的振动。主动悬架一般是由隔振弹簧、控制器和作动器组成。主动悬架不但能很好地隔离路面振动,而且能控制车身运动,比如启动和制动时的俯仰、转弯时的侧倾等,另外还可以调节车身的高度,提高轿车在恶劣路面的通过性。1.2国内外工程车辆悬架研究现状传统的工程车辆一般应用被动悬架,传统的被动悬架一般由
13、具有固定参数的弹性元件和阻尼元件组成,参数不能根据系统状态和路面输入的变化进行调整,所以不能满足各种使用工况的变化,限制了车辆性能的进一步提高。自20世纪60年代后期,由Karnopp发明油气减振器以来,工程车辆油气悬架的优良特性即被广大工程技术及研究人员所关注。油气悬架的结构最先应用在德国和日本的重型车辆上,以后逐步推广应用到军用特种车辆、工程机械等车辆上3。油气悬架指的是以油液传递压力,通常用氮气()作为弹性介质,由蓄能器(相当于气体弹簧)和具有减振器功能的悬架缸组成。悬架缸内部的节流孔、单向阀等,代替了通常的减振器元件,构成的油气悬架集弹性元件(通过液体支承)和减振器功能于一体,形成了一
14、种独特的悬架系统。目前,各国在工程机械车辆底盘上应用油气悬架的研究主要有以下几方面:(1)军用轮式特种工程车辆,如意大利“半人马座”轮式装甲车、法国AMX10RC轮式输送车及瑞士Piranha轮式坦克等。(2)全路面汽车起重机,如德国利勃海尔(Liebherr)公司的LTM系列汽车起重机、日本神户(KOBELCO)钢铁株式会社生产的RK系列越野轮胎起重机。(3)铲运机械,如美国卡特彼勒(Caterpillar)公司生产的TS-24B自行式铲运机。(4)自卸车,如美国卡特彼勒 (Caterpillar)公司的Cat789型大型矿用自卸车和瑞典沃尔沃(Volvo)公司的VME R90型大型矿用自卸
15、车。(5)轮式挖掘机,如日本日立建筑机械有限公司生产的轮式挖掘机。由于国内油气悬架还处于研究阶段,其产品性能与国外同类型产品相比还存在较大差距。20世纪90年我国一些企业引进了具有油气悬架系统的工程车辆,此后形成了油气悬架技术的研究高潮,国内一些高校亦开始研究油气悬架技术,同时,徐重、中联浦沅、上海重汽集团等国内工程机械企业也正在对油气悬架系统进行不同方面的理论分析和试验研究设计。1.3 液压悬架的研究现状在工程控制系统中,电液控制系统由于使用了液压元件而具有以下优点:1.液压执行元件的功率重量比和转矩惯性矩比大,具有很大的功率传递密度,可以构成体积小、重量轻、响应速度快的大功率控制单元。2.
16、液压控制系统的负载刚性大,精度高。3.液压控制系统可以安全,可靠并快速地实现频繁的带负载起动和制动,进行正、反向直线或回转运动和动力控制,而且具有很大的调速范围。液压主动悬架使用不可压缩的油液,故其响应的灵敏度较高。由于采用高精度和高灵敏度的比例阀与伺服阀,以及由载荷、非簧载质量加速度和悬架行程的反馈控制来减小车身姿态变化。因此这种控制系统能保证汽车具有良好的操纵稳定性和舒适性,被广泛应用于工程越野车辆5,下面介绍几种国内外正在或已经完成的几种可在任意路面行驶的“车辆机器人”。1美国HMMWV高机动性多用途越野车美国的HMMWV是高机动性车辆的代表,平均越野速度是普通吉普车的2倍。在该车上验证
17、可控悬架的工作也较多。1993年,英国莲花工程公司最早对HMMWV越野车悬架进行了试验性改装。该主动悬架系统采用的是液压作动器,如图1-2所示。图1-2采用液压作动器的HMMWV试验车2T3六轮电动车 图1-3 T3六轮电动车 图1-4 ROKTOY如图1-3所示,T3是一款由TRL实验室为UGV开发的动态概念型六轮电动车,重约100lbs。它能自动或利用操纵杆驾驶,每个车轮都是独立驱动的,并且六个车轮都可以任意控制悬架的高度。这种可以360度任意方向旋转的独立驱动的车辆能越过任何障碍物,是普通只能前后行驶的汽车所不能完成的。这大大的提高了车辆的通过能力,可以使汽车行驶在任意复杂的路面,并且若
18、改变其重心的高度,也可以使其以一定的速度爬坡。3. ROKTOY越野车如图1-4所示,ROKTOY是Jay Kopycinski通过一辆小型货车改装而来的,直到2003年4月才基本完成对车操纵系统、仪表板等结构细节部分的改造。ROKTOY仍然采用传统车辆的机械式驱动,但在在前后轮的悬架上安装有可调整车身位置的液压油缸,它可使车辆在任意复杂的路况下保持车体的平衡,并能在一定范围内提高车与地面的离地间隙。4. 160t全路面汽车起重机如图1-5、1-6所示,徐工集团研制的160t全路面汽车起重机为六桥车辆,该车采用了一种先进的油汽悬架系统,保证车辆在各种不同的路面上均能正常平稳地工作。每根车轿左右
19、两侧各有一个悬架液压缸与车架相连,桥的两侧分别装有纵向和横向推力杆,保证液压缸在伸长或缩短时,车轿与车架之间只有竖直方向位移,而无前后和左右方向位移。 图1-5 六桥车辆正面示意图 图1-6 六桥车辆侧面示意图1.4 主动悬架常用控制方法目前,汽车主动悬架己进入到利用微处理器进行控制的时代。控制方法先进、减振效果好、能耗低,是主动悬架发展的主要方向。近年来,针对实际悬架系统的非线性、系统建模的不精确性以及参数的时变性等问题,提出了非线性控制、自适应控制方法,对系统的鲁棒性、主动作动器的方案设计和动态特性等也作了一些分析研究。现今主动悬架常见的控制方法主要有以下几种:1自适应控制自适应一般发生在
20、车辆行驶过程中,具有较慢统计特性变化的干扰,即路面输入干扰。自适应控制方法的基本思想是根据系统当前输入的相关信息,从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。其设计关键的选择能准确、可靠地反映输入变化的参考变量。自适应控制方法考虑了车辆系统参数的时变性,具有参数辨识功能,能适应悬架载荷和元件特性的变化,自动调整控制参数,保持性能指标最优。2神经网络控制近年来,采用神经网络的控制方法已日益引起人们的重视,神经网络具有自适应学习,并行分布处理和较强的鲁棒性、容错性等特点,因此适合于对复杂系统进行建模和控制。可以建立一种神经网络自适应控制结构,有两个子神经网络,其中一个神经网络对于系统进行在线
21、辩识。在对被控对象进行在线辩识的基础上,应用另一个具有控制作用的神经网络,通过对控制网络的权系数进行在线调整,控制器经过学习,对悬架系统进行在线控制,使系统输出逐渐向期望值接近。具有神经网络自适应控制的主动悬架能很好地减小车辆振动,提高行驶平顺性和稳定性。3最优控制最优控制是通过经验确定一个能提高平顺性和操纵稳定性的目标函数,然后以一定的数学方法算出使该函数取得极值的控制输入。在智能悬架中应用最优控制的方法主要有线性最优控制、最优控制和最优预见控制等。其中线性最优是建立在系统模型较为理想的基础上,采用受控对象的动态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标,同时保证受控结构动态稳定性条件下实现最优
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