汽车座椅悬架系统半主动控制研究

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随着驾驶员对于商用车的乘坐舒适性要求愈发升高,商用车的NVH性能成为当前行业关心的重点,如何降低商用车在行驶过程中产生的振动噪声,提高声品质,提高驾驶员的乘坐舒适性以及安全性得到更多的重视。座椅作为连接驾驶室与人体之间的传力部件,起着缓解路面不平以及动力总成运转所引起的振动、冲击的作用,直接影响驾驶员的乘坐舒适性。在商用车上使用半主动座椅悬架能有效衰减路面通过驾驶室传递至人体的振动,因此研究半主动座椅悬架具有较高的现实意义。本文依托校企合作项目(3R119D592415-智能座椅集成技术开发)对半主动座椅悬架系统及其相关内容进行了研究。第一部分,对本文所研究的磁流变半主动座椅悬架系统相关研究成果进行了介绍,主要包括磁流变阻尼器及其动力学模型、座椅悬架系统分类及其相应优缺点。梳理了国内外相关研究成果,叙述了磁流变阻尼器及其在座椅悬架系统上应用的发展历程,结合相关学者研究,表明研究半主动座椅悬架的必要性。第二部分,由于磁流变阻尼器Bouc-Wen动力学模型未知参数较多,识别过程较为复杂,基于前人提出的两种元启发式优化算法提出动态鸟群布谷鸟搜索(Dynamic Bird Swarm Cuckoo Search,DBSCS)优化算法。采用算法通用测试函数对所提出的优化算法性能进行测试,与常用几种优化算法的测试结果进行对比,结果显示所提出的优化算法具有搜索能力强、收敛快的优点。通过力学特性试验结果,采用所提出的DBSCS算法辨识Bouc-Wen模型各未知参数,完成磁流变阻尼器正向动力学模型的建立。第三部分,由于各组数据分布的非均性,对特性试验数据进行预处理,在小批量训练的前提下确定隐含层节点数并完成了磁流变阻尼器神经网络逆模型的搭建。基于谐波叠加的方式建立72km/h下C级路面时域输入模型。建立了商用车半车动力学模型,通过参考相关研究选择Wan和Schimmels所提出人体集中质量模型并耦合磁流变座椅悬架模型建立人椅动力学模型并同时搭建了磁流变阻尼器控制器模型。第四部分,理论分析了理想天棚阻尼控制的幅频特性,并根据实际天棚控制阻尼力控制方程建立天棚阻尼控制器仿真模型。提出结合模糊控制与PID控制的一种加权模糊PID控制策略,并采用DBSCS优化算法辨识模糊PID控制策略最优权重系数,根据增量式PID控制器建立模糊PID控制器仿真模型。基于所建立的路面模型对半主动座椅悬架的性能进行仿真,仿真结果表明相比于被动座椅悬架,天棚式半主动座椅悬架与模糊PID半主动座椅悬架均可有效衰减人体各部位振动加速度,且所提出的加权模糊PID控制策略具有更优异的性能,人体头部处的加速度均方根值下降了27%。第五部分,基于STM32单片机进行半主动座椅悬架控制器软件编写,并介绍控制器硬件组成及与AD采样外设间的通信。叙述了磁流变阻尼器电流驱动器的设计需求,基于放大电路原理设计了电流驱动器,并在Multisim中进行了电路响应特性仿真。在面包板上采用实际元器件与杜邦线搭建了试验电路,基于示波器进行了电流驱动器试验分析,试验结果与仿真结果较为吻合,电路阶跃响应时间约在5ms左右,能有效满足磁流变阻尼器的工作需求。
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