工程机械半主动控制座椅机械系统设计及PID控制器设计☆

摘    要
本文以提高工程机械座椅悬架隔振性能为目标，针对基于磁流变阻尼器的座椅悬架进行研究，设计了座椅悬架的机械系统和PID控制器。文中选择弹簧作为振动缓冲元件、磁流变控缸作为半主动隔振执行元件，为座椅悬架设计了合理的机械结构；建立了磁流变液在细长孔中的流动模型，分析了阻尼器输出力F、阻尼孔孔径dM与磁场强度B的关系,分析结果表明B值在0～1T时，计算的阻尼孔径dM比较合理，且阻尼器输出力F中的可调部分范围比较大；在此基础上设计了阻尼孔、阻尼控制器磁路和磁流变液流动管道；同时，文中提出了基于磁流变阻尼器的座椅悬架模型，建立了座椅悬架的二自由度数学模型，设计了PID控制器，并用C语言编写了PID控制算法。文中所设计的阻尼控制器将磁路线圈置于油缸之外，与传统的磁流变阻尼器相比，具有结构简单、安装维护方便、成本低等优点。
关键词：磁流变阻尼器；座椅悬架；半主动控制；PID控制

ABSTRACT
Aimed at improving the performance of the seat suspension of construction machine, the semi-active control seat suspension based on MR (magnetorheological) damper is studied in this paper. A semi-active suspension mechanical structure is designed, in which spring is used as buffer component and MR damping is used to restrian vibration. Based on the modeling and analysis on MR fluids flowing in damping slot, how the magnetic field intensity B relatives with the diamiter of damping slot dM and the force F is discussed; and it indicates that the appropriate value of B is 0~1T, because in this case the reasonable value of dM and F can be got; then the damping slot and the magnetic circuit and the piping system are designed. In terms to design the PID controller and control arithmetic, a two DOF (degrees of freedom) mathematical model is built to describe the semi-active control isolation mounting in this paper. The magnetic circuit coil is set out of the hydraulic cylinder in this paper; comparing with traditional MR damping, its simple structure, lower cost, and universality are more excellent.
Keywords: magneto-rheological damping；seat suspension；semi-active control；PID control

本设计以提高工程机械座椅隔振性能为主要目标，对基于磁流变控缸的工程机械驾驶员座椅隔振系统进行了设计。
本设计的主要工作如下：
1.通过文献调查，提出了流动式阻尼器的方案，并证明了其可行性；
2.分析比较了几种常见的座椅隔振系统数学模型，并选择了较为简单的二自由度模型建立了数学模型；
3.对座椅隔振装置设计了合理的机械机构；
4.建立了磁流变液在细长阻尼孔中流动的模型，并对模型中的参数进行了研究分析，在选择了合理的参数的基础上，计算出阻尼孔的尺寸参数；
5.对阻尼器的磁路进行了合理设计,并设计了磁流变也流动管路；
6.讨论了常用PID控制的原理及方法，提出了隔振装置的PID算法的思路，并运用C语言完成了部分程序设计。
设计的结果表明：本设计的座椅隔振机装置械机械结构是合理的；采用流动模式设计阻尼器的设计方案是可行的。
同时，本设计创新点如下：
1.采用流动模式设计阻尼器，将阻尼控制器的磁路设计在油缸外部，并与油缸分离开设计，更换不同型号的阻尼阻尼控制器非常方便，产品维修成本降低；
2.因阻尼控制器安装在油缸外部，并且有通用的螺纹连接与管路相连，阻尼控制器器可做成系列化的产品，提高了其经济性能。
 

目  录 20000字
摘要 1
ABSTRACT 2
第1章  绪论 3
  1.1  设计背景 3
  1.2  研究现状 4
    1.2.1  座椅悬架 4
    1.2.2  磁流变液 5
    1.2.3  磁流变阻尼器 8
  1.3  设计主要内容 10
  1.4  本章小结 10
第2章  座椅悬架系统建模 11
2.1  座椅悬架动力学模型 11
    2.1.1  车体动力学模型的选择 11
    2.1.2  “人体一座椅”系统动力学模型选择 12
  2.2  座椅悬架数学模型 13
  2.3  本章小结 15
第3章  机械系统设计 16
  3.1  总体设计 16
  3.2  油缸选型 17
    3.2.1  油缸类型选择 17
    3.2.2  油缸主要参数计算 18
  3.3  弹簧设计 20
  3.4  导向杆、套筒及端接头设计 22
  3.5  本章小结 23
第4章  磁流变控制器设计 25
  4.1  阻尼孔设计 25
    4.1.1  磁流变液在细长阻尼孔中流动的建模 25
4.1.2  相关参数分析 29
4.1.3  阻尼孔孔径计算 34
  4.2  磁路设计 37
4.3  磁流变液流动管路设计 39
  4.4  本章小结 41
第5章  PID控制器设计 42
  5.1  常规PID控器简介 42
    5.1.1  PID控制的基本原理 42
    5.1.2  数字PID算法 44
    5.1.3  PID参数整定 46
  5.2  座椅悬架PID控制器设计 47
5.2.1  算法类型选择 47
5.2.2  算法设计 47
  5.3  本章小结 49
第6章  结论 50
致谢 51
参考文献 52