本文是一篇物流管理论文，本文在对馈能主动悬架及其控制算法的发展现状分析基础上，分析了不同的馈能悬架方案，选定滚珠丝杠结合直流电机组成的馈能悬架为研究对象展开研究，根据振动原理具体分析推导出在不同等级路面、不同行驶速度下，悬架系统耗散掉的能量，分析了其能量回收潜力。
1 绪论
1.1 研究背景与意义
自1886年第一辆内燃机汽车问世以来，全球汽车保有量迅速增长，数据显示，截至2022年9月底，中国的机动车保有量已经达到4.12亿辆，其中汽车占比高达76.45%，位居世界前列[1]。汽车作为人类文明中不可或缺的一部分，极大地改变和便利了人们的生活和工作方式。然而，汽车也带来了许多不可避免的恶性影响，汽车尾气排放所产生的污染物导致了环境污染和雾霾天气增多。同时，随着汽车数量的迅速增加，对不可再生能源的消耗也日益加重，这加剧了全球范围内的能源危机。
当前，不断走高的国际原油价格以及居高不下的国内油价，让我们切实体会到了能源带来的冲击。在这个背景下，建设节约型社会成为我国面临的一个重要课题。在国家的大力倡导下，节能减排已渐渐成为研究的热点。汽车行业的节能减排不仅符合我国政府的大力倡导，更对交通运输业和有关产业的蓬勃发展起着积极作用。
新能源汽车从排放角度而言可视作零排放车辆，具有良好的环保效益，得到了蓬勃发展[2]。在节能发展大趋势下，汽车的能量回收引起了大量研究者的关注，根据相关研究，车辆悬架系统以热能耗散到环境中的能量占整车总能量的比重很大，能量回收潜能较大。悬架系统作为汽车必不可缺的重要部分，其连接着车身与车轮并起到减弱车身振动的作用[3]。被动悬架系统中内置的阻尼器，将车辆产生的振动能量以热能释放到空气中，造成了能量浪费。随着人们对车辆性能要求的不断提高，被动悬架已经不太能够达到人们对车辆性能的要求。因而馈能式主动悬架脱颖而出，其工作原理为：在被动悬架基础上加装了馈能作动器，通过控制策略实施主动控制以达到既能改善车辆性能又能回收振动能量的目的[4]。
1.2 悬架系统概述
悬架系统按照控制形式的差别可分成三类，分别为被动悬架、半主动悬架以及主动悬架[7]。目前，大多数汽车上安装的是被动式悬架系统，这种系统具有结构简单和价格低廉的优点。然而，被动悬架系统的减振能力仅依赖于系统弹簧和阻尼的固有特性，无法主动适应多变的路面条件[8]。从控制的角度来看，被动悬架系统采用开环控制，其性能主要依赖于经验设计，对非常规路面变化相对较为敏感。这意味着被动悬架系统难以提供精确的悬架调节和响应，无法实现对车辆行驶稳定性和舒适性的高级控制。
半主动悬架这一概念由Crosby和Karnopp于20世纪70年代提出[9]，半主动悬架系统是一种介于被动悬架系统和主动悬架系统之间的技术方案。它在被动悬架系统的基础上，通过使用可变阻尼减振器来替代不可变阻尼元件。可变阻尼减振器能够根据控制输入进行调节，以适应不同的路面状况[10]。这意味着半主动悬架系统具有一定程度的自适应性能，能够根据实时的路况变化来调整悬架的阻尼水平。相较于传统的被动悬架系统，半主动悬架系统在性能上有所提升。由于可变阻尼减振器的使用，半主动悬架系统可以更好地适应不同路况下的振动和冲击，提供更好的行驶舒适性和稳定性。然而，与主动悬架系统相比，半主动悬架系统仍然存在一定的限制，无法实现主动感知和主动调节。
2 悬架系统动力学模型
2.1 馈能悬架系统模型
国内外学者们提出的馈能悬架系统能量回收方式主要为机械式以及电磁式这两种形式，机械式馈能悬架系统是在传统被动悬架系统基础上加装了形如液压式的馈能装置来回收能量。但机械式馈能悬架系统有着响应速度慢、馈能效率低下等缺陷。电磁式馈能悬架系统是在被动悬架基础上加装了电磁作动器，其具有响应快速，执行精度高等优点。
电磁馈能悬架有以下几种形式：滚珠丝杠式、齿轮齿条式、直线电机式以及液电馈能式。由于滚珠丝杠式馈能悬架的传动效率较高以及尺寸较小等优点[6]，因此本文选用该种形式的馈能悬架。图2.1为其原理示意图。
2.2 路面输入模型
不平路面是造成车辆行驶振动的主要原因，路面恶化越严重，车身振动也越剧烈，舒适性也就越差。路面大致可划分成随机路面以及干扰路面。
2.2.1 随机路面模型
路面不平度是车辆在行驶途中产生振动的主要原因，路面相较于基准面的垂直高度记为q，沿着路面走向I的变化记作q(I)[47]，如图2.3所示。
3 馈能悬架系统控制策略设计 ------------------------- 25
3.1 基于模糊规则的PID控制 ----------------------------- 25
3.1.1 模糊控制理论 ------------------------ 25
3.1.2 PID控制原理 ------------------ 27
4 仿真分析 ------------------------- 55
4.1 控制策略下的主动悬架模型搭建----------------------- 55
4.2 不同路面输入下模糊PID控制对悬架性能影响 -------------------- 57
5 总结与展望 ---------------------- 70
5.1 全文总结 ---------------------------- 70
5.2本文创新点 --------------------------- 71
4 仿真分析
4.1 控制策略下的主动悬架模型搭建
基于第三章的具体分析，在Simulink平台搭建三种控制策略下电磁馈能悬架的仿真模型图，其结构图分别如图4.1、图4.2以及图4.3所示。
（1）模糊PID控制的主动悬架模型
5 总结与展望
5.1 全文总结
本文在对馈能主动悬架及其控制算法的发展现状分析基础上，分析了不同的馈能悬架方案，选定滚珠丝杠结合直流电机组成的馈能悬架为研究对象展开研究，根据振动原理具体分析推导出在不同等级路面、不同行驶速度下，悬架系统耗散掉的能量，分析了其能量回收潜力，通过对悬架系统设计合理的主动控制策略以提升整体性能，并针对直流电机执行器电路设计了电路控制算法，以达到在改善车辆性能的同时尽可能回收更多振动能量的目的。本文主要完成以下工作：
（1）根据现代控制理论建立了2自由度电磁馈能悬架状态空间表达式同时对悬架系统的路面输入信号进行分析并建立不同的路面激励模型，同时针对某小型电动物流货车的悬架系统参数，在不同等级路面、不同行驶速度下，计算其耗散掉的能量，分析了其能量回收潜力，为后续研究提供了一定的理论基础。
（2）设计了Fuzzy-PID、GA-LQG和Fuzzy-SMC控制器，在Simulink中分别建立了不同控制策略下的仿真控制模型对电磁馈能悬架实行主动控制，运行仿真模型，对各个控制策略下主动悬架的性能改善情况进行分析。
参考文献（略）
