汽车空气悬架迟滞非线性动力学特性及其分数阶主动控制

装备空气悬架的汽车利用空气弹簧及其工作过程中的变刚度特性，减少了整车的振动噪声，降低车轮的动载荷，提高乘坐舒适性，并保护了路面。由于其优良的性能，空气悬架在汽车中的应用越来越广泛。迟滞现象使得空气弹簧的有效刚度极大地依赖于位移，因而空气悬架的迟滞非线性不可忽视，其对汽车行驶平顺性的贡献也值得深入研究。本项目对空气悬架的迟滞非线性动力学问题进行定性和定量研究，制定其主动控制策略，为电控空气悬架的研发提供理论依据。.主要内容：空气悬架系统的迟滞非线性动力学建模；系统的稳定性分析，研究失稳时产生的分岔现象；系统的近似解计算，分析其全局动力学特性，并确定系统从有序进入混沌运动的道路；基于分数微积分理论的主动最优控制策略设计。.主要创新：改进传统增量谐波平衡法，将其用于空气悬架非线性动力学系统的定量分析；结合胞映射方法研究系统的全局性态；将分数阶控制方法引入空气悬架系统的主动控制。

空气悬架系统具有固有频率低、刚度可变等特点，能有效提升汽车舒适性及安全性。空气弹簧的应力-应变循环具有变刚度的强非线性特性，恢复力表现出强迟滞非线性特性，与传统悬架相比，具有更复杂的动力学表现。本项目围绕汽车半主动空气悬架迟滞非线性动力学特性展开研究工作，根据项目计划书，项目组完成了空气悬架系统的迟滞非线性动力学建模、非线性动力学特性分析及分数阶主动控制等研究工作。.首先，对空气弹簧的刚度进行台架试验，获得不同气压下的力-位移原始数据，并推导得到空气弹簧刚度迟滞非线性特性的数学表达；并基于该模型，完成八自由度人-车迟滞非线性系统的动力学建模。.然后，结合常微分方程定性分析理论完成了汽车非线性动力学系统的定性研究。对人-车非线性动力学系统进行简化，得到单自由度汽车垂向动力学系统的奇点及系统在奇点邻域的稳定性，并推导出二自由度汽车非线性垂向动力学系统在奇点处的失稳条件。.之后，完成了确定性与随机非线性汽车动力学系统的定量研究。基于增量谐波平衡法，推导得到二自由度汽车非线性垂向动力学系统的近似解析解；建立了含单个随机参数的二自由度汽车非线性垂向动力学模型，采用切比雪夫正交多项式推导得出原随机系统的等价确定性系统，通过仿真对系统的随机非线性特性进行研究。.再次，通过仿真完成了八自由度人-车随机非线性动力学系统的分岔与混沌特性的研究。采用蒙特卡罗方法，对确定性激励下含随机参数的人-车非线性系统的动力学特性进行数值仿真，发现系统会产生混沌运动，且从周期运动进入混沌运动的途径是拟周期分岔，确定了八自由度人-车随机非线性系统混沌吸引子的特征；基于简单胞映射理论，对单自由度空气悬架非线性动力学系统的全局动力学特性进行了研究。.最后，完成了汽车空气悬架迟滞非线性系统的分数阶主动控制研究。采用改进的Oustaloup滤波器算法模拟分数阶微积分，建立分数阶天棚阻尼半主动悬架的仿真模型，与被动悬架、整数阶天棚阻尼半主动悬架的对比表明，分数阶天棚阻尼控制策略能更有效地抑制车身振动，改善乘坐舒适性；最后通过设计半主动空气悬架的主控ECU与搭建了硬件在环仿真试验台架，对分数阶天棚阻尼控制策略进行进一步的验证。