【论文精选】如何有效地改善车辆乘坐舒适性和行驶安全性？

以下文字摘编自《重庆理工大学学报(自然科学)》2016年第30卷第11期

《磁流变半主动悬置系统与悬架系统微粒群优化集成控制》

为有效地改善车辆乘坐舒适性和行驶安全性，基于车辆系统动力学理论，建立了含半主动悬置系统与半主动悬架系统的整车动力学模型。利用线性二次型最优控制原理设计了集成控制器，并采用微粒群优化算法对集成控制器的权系数进行优化设计。以车体的垂直加速度、侧倾角加速度、俯仰角加速度作为评价指标，对车辆磁流变半主动悬置系统与磁流变半主动悬架系统集成控制进行了仿真计算。结果表明：集成控制的峰值比独立控制分别减少了7.22％、14.38％和 12.75％，集成控制的均方根值比独立控制分别减少了8.58 ％、22.38％和4.13％，经过集成控制后的车辆综合性能明显优于独立控制。

1、磁流变悬置和磁流变减振器

    磁流变液是一种智能材料，具有可逆、连续和易于控制等特点，已开始在少量高档车型上应用。采用磁流变液的减振器能使机械结构与电子单元之间的接口更简单。为了隔离发动机振动向车体的传递和衰减路面不平对车体造成的振动，分别研制了磁流变悬置和磁流变减振器。

2、集成系统动力学模型

   设整车质心为坐标原点 Ｏ，Ｘ轴正方向为车辆前进方向，Ｙ轴正方向为水平向左，Ｚ轴正方向为过质心垂直向上。动力总成悬置系统简化为6自由度系统。根据上述简化，整车动力学模型为包含动力总成悬置系统与悬架系统的 13自由度模型。

1、集成控制原理

    为了实现整车 NVH性能最优的目的，对动力总成悬置系统和悬架系统进行集成控制。集成控制系统主要由传感器、控制器（ECU）、悬置、减振器组成。车辆行驶时，传感器采集动力总成垂直加速度、车体垂直加速度等状态信息作为传感信号，经处理后传递到控制器，控制器对此进行分析产生控制信号，然后传递到悬置和减振器、从而改变悬置和减振器的可控阻尼力以适应当前状态，使整车NVH性能达到最优。

2、LQG控制器设计

      集成系统的控制目标是使车辆获得较好的乘坐舒适性和行驶安全性，因此应尽可能地降低车体垂直加速度、侧倾和俯仰角加速度和轮胎动载荷。为了防止悬架撞击缓冲块，必须限制悬架动挠度。在设计控制器时，还要考虑悬置和减振器的能耗问题，避免提供过大的可控阻尼力。

 1、参数优化模型

      加权矩阵 Ｑ，Ｒ的选择是设计最优控制器的重点。由于最优控制器权系数较多，采用粒子群算法对权系数矩阵进行优化，以节省控制器设计时间，同时避免了设计的主观性。优化目标主要考虑垂向、俯仰、侧倾方向的振动。由于垂向和俯仰是引起人们晕车、呕吐的主要因素，尤其是俯仰运动，故在优化目标中具有更大的权重。

 2、微粒群优化

为了验证磁流变半主动悬置系统与磁流变半主动悬架系统集成控制的有效性，利用 Matlab/Simulink建立相应的仿真模型，分别仿真系统在被动控制、磁流变半主动悬置系统与磁流变半主动悬架系统独立控制、磁流变半主动悬置系统与磁流变半主动悬架系统集成控制下的动态性能。仿真条件：发动机转速为2500r/min，车辆以20m/s匀速通过B级路面。悬置动行程、悬架动行程的输出曲线如图 ８和图 ９所示。图10和图11分别为磁流变半主动悬置系统与磁流变半主动悬架系统集成控制时磁流变悬置和磁流变减振器输出的可控阻尼力。

      设计了不同电流时的三角激励试验，分别得到了磁流变悬置和磁流变减振器电流与可控阻尼力的关系式。基于车辆系统动力学理论，建立了含半主动悬置系统与半主动悬架系统的整车动力学模型。利用线性二次型最优控制原理设计了集成控制器，并采用微粒群优化算法对集成控制器权系数进行优化。经过集成控制的磁流变半主动悬置系统和磁流变半主动悬架系统，汽车整车综合性能明显优于独立控制，集成控制的峰值比独立控制分别减少了7.22 ％，14.38％，12.75％，集成控制的均方根值比独立控制分别减少了 8.58％，22.38％，4.13％。

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