（光学工程专业论文）救护车担架隔振系统的主动控制研究.pdf

iflj 学位论文版权使用授权书 i i l l ll 11 11 11i i ii ii i11 1f y i8 9 4 2 81 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密口。 学位论文作者签名：螽霞伟 2 0 i | 年6 月i 弓日 指导教师签名： _ 禾、乞 ( 祭夕 h | 年g 只l ；日 l 救护车担架隔振系统的主动控制研究 r e s e a r c ho na c t i v ec o n t r o lm e t h o do fa m b u l a n c es t r e t c h e r v i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 担架隔振系统可以降低救护车在行驶过程中由于路面不平度造成 的振动与冲击，对于提高急救运送能力，改善担架上的伤病员的乘卧 舒适性有着重要作用。空气弹簧作为一种重要的新型隔振元件，具有 良好的减振效果。因此，空气弹簧在救护车担架的隔振领域中有着广 阔的应用前景。主动隔振系统能根据振动系统的状态和当前的激励情 况主动作出反应来控制系统的振动，与传统的被动隔振系统相比，主 动隔振系统的最大优点在于其有高度的自适应性。 首先，在查阅大量关于空气弹簧和救护车担架隔振系统研究文献 的基础之上，系统地分析了国内外救护车担架人体系统隔振装置的研 究现状。同时，进行了空气弹簧的减振试验，验证了空气弹簧具有良 好的减振性能。并且分析了空气弹簧充、放气特性，为救护车担架人 体系统隔振装置的主动控制器的设计提供了依据。 其次，建立随机路面输入模型，并建立二自由度1 2 担架人体系 统模型和三自由度担架人体系统模型。将三自由度卧姿人体垂直振动 模型d h ：n - 自由度担架模型上，得到五自由度“担架人体 系统动力 学模型。然后将二自由度1 2 担架人体系统加到四自由度1 2 车体中， 得到六自由度救护车担架人体系统模型。 最后，由于控制方法对担架隔振系统的减振性能有着举足轻重的 影响。所以本文对各种控制方法进行比较，设计了最优控制器。运用 m a t l a b 软件对该控制方法下的系统进行仿真分析。对被动系统与配 有最优控制器的主动系统的仿真结果进行比较。 关键词：空气弹簧，担架人体系统，建模，最优控制，试验 救护车担架隔振系统的主动控制研究 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mc a nr e d u c et h ev i b r a t i o na n di m p a c tt o a m b u l a n c ed u et op a v e m e n tr o u g h n e s sd u r i n gt h es t e e r i n g ，w h i c hp l a y sa n i m p o r t a n tp a r ti ni m p r o v i n gt h ea b i l i t yo fe m e r g e n c yt r a n s p o r t a t i o na n d e n h a n c et h et a k i n gc o m f o r tf o rp a t i e n t s a sa ni m p o r t a n tn e w t y p ev i b r a t i o n i s o l a t i o nc o m p o n e n t ，a i rs p r i n gh a sf a v o r a b l ev i b r a t i o n r e d u c t i o ne f f e c t t h e r e f o r e ，a i rs p r i n gh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c ti nt h ef i e l do fs t r e t c h e r v i b r a t i o ni s o l a t i o n a c t i v ev i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mc a nr e s p o n s ea c t i v e l y a n dc o n t r o ls y s t e mv i b r a t i o na c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc o n d i t i o no fi n c e n t i v e c o m p a r e d w i t h t y p i c a lp a s s w e v i b r a t i o ni s o l a t i o n s y s t e m ，t h e b e s t a d v a n t a g eo f t h i ss y s t e ml i e si ni t sw e l la d a p t i v e l y f i r s t l y , t h ep a p e rh a sm a d eas y s t e m a t i ca n a l y s i so ft h es t a t u so ft h e d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho ft h ea m b u l a n c es t r e t c h e rv i b r a t i o ni s o l a t i o n s y s t e mh o m ea n da b r o a d ，b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v er e a d i n go nt h e r e l a t i v el i t e r a t u r e s v i b r a t i o nr e d u c t i o ne x p e r i m e n to fa i rs p r i n gi sc a r r i e d o u t , a n dw e l lp r o p e r t yo fa i rs p r i n gi sd e m o n s t r a t e d m e a n w h i l e ，a i rs p r i n g i n f l a t i o na n dd e f l a t i o nc h a r a c t e r sw e r ea n a l y z e d ，w h i c hm a d et h eb a s ef o r a m b i a n c es t r e t c h e rv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e mb a s e do na c t i v ec o n t r o l s y s t e m s e c o n d l y , ar a n d o mr o a di n p u tm o d e lw a sd e v e l o p e d ，a n dt h em o d e l s o f2d o f1 2a n d3d o f s t r e t c h e r - o c c u p a n ts y s t e ma r ee s t a b l i s h e d t h e n t h em o d e l so f3d o fh u m a nb o d yi nl y i n gp o s t u r ei sj o i n e dt ot h e2d o f s t r e t c h e rm o d e l ，t h em o d e lo f5d o f “s t r e t c h e r - o c c u p a n t s y s t e mi s o b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，t h e2d o f1 2s t r e t c h e r - o c c u p a n ts y s t e mi sj o i n e d t ot h e4d o f1 2v e h i c l em o d e l ，a n dt h em o d e lo f6d o fa m b u l a n c e s t r e t c h e r - o c c u p a n ts y s t e mi se s t a b l i s h e d f i n a l l y , a sc o n t r o lm e t h o d p l a y s ac r u c i a lr o l e t o t h e i n 救护车担架隔振系统的主动控制研究 v i b r a t i o n - r e d u c t i o np r o p e r t yo fv i b r a t i o ni s o l a t i o ns y s t e m ，t h eo p t i m a l c o n t r o l l e ri sd e s i g n e dv i ac o m p a r i s o na m o n gv a r i o u sc o n t r o lm e t h o d s t h e s i m u l a t i o n a n a l y s i s o ft h ec o n t r o l s y s t e m b a s e do nm a t l a bi s i m p l e m e n t e d t h e nc o m p a r i n ga n da n a l y z i n gt h ec o n c l u s i o no fs i m u l a t i o n b e t w e e n p a s s w ea n da c t i v es y s t e me q u i p p e dw i t ht h eo p t i m a lc o n t r o l l e r k e yw o r d s ：a i rs p r i n g ，s t r e t c h e r - o c c u p a n t ，m o d e l i n g ，l q rc o n t r o l ， e x p e r i m e n t i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 弓l 言1 1 2 救护车担架人体系统隔振装置的国内外研究现状1 1 2 1 救护车担架人体系统隔振装置的国外研究现状1 1 2 2 救护车担架人体系统隔振装置的国内研究现状2 1 3 控制方法概述3 1 3 1 控制理论发展概述。3 1 3 2 控制方法的比较。5 1 4 本文的研究思路与主要研究内容7 1 4 1 本文的研究思路。7 1 4 2 本文的主要研究内容7 第二章空气弹簧特性研究与试验验证 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 第三章 3 1 3 2 3 3 8 空气弹簧简介8 空气弹簧理论特性分析9 空气弹簧的工作原理1 0 空气弹簧高度1 1 空气弹簧的有效面积1 1 空气弹簧的有效容积。1 2 空气弹簧的刚度计算1 3 空气弹簧减振试验。1 4 2 8 1 试验台工作原理。1 5 2 8 2 试验设备及试验设备连接1 6 2 8 3 试验结果与分析1 7 本章小结1 8 1 2 担架人体系统模型的建立与仿真1 9 弓i 言】1 9 随机路面输入模型2 0 1 2 担架人体系统模型的建立。2 3 3 3 1 二自由度1 2 担架人体系统模型的建立2 3 v 救护车担架隔振系统的主动控制研究 3 4 3 5 第四章 4 1 4 2 4 3 第五章 3 3 2 五自由度“担架人体”系统模型的建立2 7 最优控制器设计与仿真分析3 1 3 4 1最优控制问题概述3 1 3 4 2 最优控制器设计3 2 3 4 3 仿真结果分析3 6 本章小结4 1 三自由度担架人体系统模型的建立与仿真：4 2 三自由度担架人体系统模型的建立4 2 最优控制器设计与仿真分析4 7 4 2 1 最优控制器设计4 7 4 2 2 仿真结果分析4 8 本章小结5 1 六自由度救护车担架人体系统模型的建立与仿真。5 2 5 1 六自由度救护车担架人体系统模型的建立5 2 5 2 最优控制器设计与仿真分析5 6 5 2 1 最优控制器设计5 6 5 2 2 仿真结果分析。5 8 5 3 本章小结。6 3 第六章结论与展望。“ 6 1 结论6 4 6 2j i 垦望6 z i 参考文献。6 5 j 变谢。6 7 研究生期间发表的论文6 8 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 救护车的作用在于运送病人或严重伤残人，在救护车的各项性能指标中，平 顺性最为重要。为了避免在运送过程中病人的病情或伤势的恶化，一般要求运动 平稳且速度较高。它要求救护车在行驶时能尽量地减少路面不平度所造成的振动 和冲击，使驾驶员、医务人员及伤病员在舒适、平稳的环境下工作和乘坐，同时 保证有效地监测伤病员的生理信号。目前，坐位乘员乘坐舒适性的研究已趋于完 善，因此救护车平顺性研究主要是针对卧位伤病员的受振舒适性、振动对人体生 理指标测量的影响及担架人体系统振动控制的问题。据资料表明，目前有1 0 左 右的病人运送途中不可避免的病情有些恶化，其主要原因是因为大多数救护车担 架都是直接与车体相连，车辆在行进过程中的上下颠簸和汽车启动、刹车、加速、 减速产生的冲击直接作用于病人，给病人特别是心脑血管病人、骨折病人或外伤 病人造成痛苦，并带来种种不安全因素，直接危害着病人的健康和生命。为此， 人们已作了各种各样的尝试，试图将上述由于车辆的振动或冲击给病人带来的不 利影响减至最小，以求最大限度地减轻病人的痛苦，挽救危重病人的宝贵生命【1 1 。 现阶段，我国生产的救护车都是在轻型货车或越野车底盘基础上改装而成的。 为此，研制担架隔振装置就成为改进救护车平顺性的主要途径【2 】。目前，救护车担 架系统普遍采用的是由刚度固定的弹性元件和减振器组成的隔振装置，从控制力 学的角度可将这种隔振系统称为被动隔振系统【3 1 。由于被动隔振系统的固有限制， 即使采用优化方法来设计也只能将其性能改善到一定的程度。对此本文提出了性 能更加优越的担架主动隔振系统。主动隔振系统能根据振动系统的状态和当前的 激励情况主动作出反应来控制系统的振动，与传统的被动隔振系统相比，主动隔 振系统的最大优点在于其有高度的自适应性。 1 2 救护车担架一人体系统隔振装置的国内外研究现状 1 2 1救护车担架一人体系统隔振装置的国外研究现状 为了将车辆的振动给病人带来的不利影响降低，最初，人们是把病人用两条 带子紧紧捆住，但这样又给病人带来另外一种痛苦，有时是根本不可能的。 救护车担架隔振系统的主动控制研究 二三十年代，在运送病人尤其是骨折病人时，曾使用一个充气的气囊将病人 紧紧包裹起来，但由于是在急救现场充气，不仅加大了救护人员的劳动强度，而 且延缓了救治时间。 一九七二年，英国的s n o o k 曾经提出了一种方案：为救护车安装悬浮装置， 以期达到整车减振的效果，但是这类研究一般需要较长的研制开发期，而且整车 改造成本相当昂贵。因此，近三十年来，社会的发展，人类的文明又促使人们重 新审视这一问题，进而受到医学界和工程界学者的关注。由于种种原因，普遍采 用这一方案是不现实的。于是人们又把目光转向于担架自身的减振系统。根据力 学原理，将救护车的担架和病人可以简化为一个构件，即担架一人体系统，该系统 在空间具有六个自由度，而理想的救护车悬浮担架应该在六个自由度上把病人从 车体传来的振动完全消除：三个旋转方向，三个线性方向。但是真正完全实现显 然是非常困难的，于是，最初人们把路面上的振动简单看成是铅垂方向的振动， 典型的模型以c a n t e r b u r y 大学研制的单自由度减震装置为代表，它是以一个简单 的电子控制电路和气动部分组成；后来也有人采用简单的机械装置来实现悬浮隔 振；但它们有一个共同的缺点：只能减少路面上下颠簸带来的振动。近来，人们 又设计出四自由度减振装置，每个自由度均采用独立的机械装置提供，即一个装 置消除一个方向的振动，但这一方案的造价非常昂贵，并不现实1 1 1 。 c w s t a m m e 璐博士提出了一种杠杆支承结构的担架隔振装置。基于同样考虑， 德国m i e s e n 公司研制了一种支承刚度可调整的担架隔振装置。德国b i n z 公司开发 了担架液压空气隔振系统。日本自1 9 9 1 年后生产的高性能救护车普遍采用了由空 气弹簧和阻尼器组成的担架隔振装置。这些都是被动隔振装置。日本t a r os h i m o g o 教授采用随机最优控制理论和成型滤波技术，研究了担架人体系统振动的主动控 制问题【4 】。 1 2 2 救护车担架一人体系统隔振装置的国内研究现状 目前，国内救护车担架普遍采用的是由弹性元件和减振器组成的隔振装置。 这种担架隔振装置具有严重缺陷。9 0 年代末，我国卫生装备研究所采用“惯性阻 尼 原理及输出向量反馈的最优控制理论，研究了担架人体系统振动的惯性阻尼 主动控制问题，并根据卧位人体振动的响应特点，采用性能指标频域计权的最优 控制技术，进行了担架人体系统振动的最优控制设计f 4 j 。近几年，我国军事医学 2 江苏大学硕士学位论文 科学院卫生装备研究所将空气弹簧作为新型减振隔振元件，其工程师段德光等对 空气弹簧的力学性能进行了试验研究与分析，为采用空气弹簧作为减振装置的救 护车担架隔振系统的研制与开发提供了理论基础【5 1 【6 】。 1 3 控制方法概述 1 3 1 控制理论发展概述 在科学技术的发展过程中，自动控制起着重要的作用，它已成为机械制造业 和其它工业生产过程中非常重要和不可缺少的组成部分。应用控制理论不但可使 工程设计人员获得动态系统的最优性能，还可提高产品质量，降低生产成本，提 高劳动生产率，并能使人们从繁重的体力劳动和重复的手工劳动中解放出来，特 别是近年来控制理论在汽车工程中的应用已逐渐增多，它将成为研究汽车和改进 其使用性能的重要工具和方法。 自动控制理论是随着生产技术的发展而不断发展壮大起来的，和所有的科学 技术一样，同样也经历了由简单到复杂，由低级到高级的多个阶段。纵观控制理 论的发展，可分作三个阶段 7 - 1 3 1 。 第一阶段控制理论称为经典控制理论。 随着科学技术与工业生产的发展，到十八世纪，自动控制技术就已应用到现 代工业中。其中最卓越的代表就是由瓦特( j w a t t ) 发明的蒸汽机离心调速器，加速 了第一次产业革命的步伐。 到了第二次世界大战的前后，对自动控制系统的全程控制或伺服控制的要求， 对控制系统的准确跟踪与补偿能力的要求，对系统的静态准确度的要求越来越高 了，这就促进了控制理论的迅速发展。1 9 3 2 年奈奎斯特( h n y q u i s t ) 提出了在频率 域内研究系统的频率响应法，提供了一个具有高质量的动态品质和静态准确度的 军用控制系统所需要的分析工具；1 9 4 8 年伊万斯删r e w a n s ) 提出了在复数域内研 究系统的根轨迹法；这两项重大的贡献，使控制理论发展的第一个阶段基本上完 成了。建立在奈奎斯特的频率响应法及伊万斯的根轨迹法基础上的理论目前通称 为经典控制理论。 控制理论的奠基人韦纳( n w e i n e r ) 在1 9 4 7 年把控制理论引起的自动化同“第 二次产业革命”联系起来。我国著名科学家钱学森将控制理论应用于工程实践， 3 救护车担架隔振系统的主动控制研究 于1 9 5 4 年出版工程控制论，为控制理论的发展与应用做出了卓越的贡献。 第二阶段控制理论称为现代控制理论。 随着科学技术的飞速发展，在二十世纪五十年代末至六十年代初出现了核能 技术、电子数字计算机以及空间技术等现代技术革命。生产与科学实验的发展对 控制系统提出了高速度、高精度的要求，并出现了许多大型复杂的控制问题，例 如多输入一多输出系统、高速度高精度系统、非线性系统及参数时变系统等的分 析与设计问题。这时，经典控制理论的局限性就明显地暴露出来，在控制理论的 发展上孕育着一场新的变革。 科学技术的大发展不仅需要迅速地发展控制理论，而且也给现代控制理论的 发展准备了两个重要的条件现代数学和数字计算机。现代数学，如泛函分析、 现代代数等，为现代控制理论提供了多种多样的分析工具；而数字计算机的发展 更具有决定性的作用，可以说控制理论与控制技术是和数字计算机平行发展起来 的。在这种情况下，于1 9 6 0 年前后开始形成现代控制理论，它的主要标志是贝尔 曼等人提出的状态空间法、庞特里亚金极大值原理、贝尔曼动态规划法、卡尔曼 的可控性可观测性理论及最佳滤波理论。它主要通过状态空间方法，在时域范围 内研究系统状态的运动规律，并实现最优化设计。现代控制理论克服了经典控制 理论的许多局限性，显示了强大的生命力。现代控制理论主要用来解决具有多输 入、多输出的多变量系统问题。系统可以线性或非线性的、定常或时变的、集中 参数或分布参数的，它适于解决大型复杂系统的控制问题，而且不限于单纯的闭 环控制，可扩展为适应环、学习环控制。它的分析和综合的目标，是要揭示系统 内在的规律，并通过结构辨识与参数估计，针对一定的综合性能指标，实现系统 的最佳估计和最佳控制。 第三阶段控制理论现在有人称为大系统理论和智能控制理论。 该阶段的控制理论是二十世纪七十年代以来控制理论的新发展。在这段时期 生产技术的发展速度是惊人的，特别是电子器件与电子计算机的迅速发展，使控 制理论受到很大的冲击，以至不得不引入“大系统 这个新概念。所谓大系统， 就是规模十分庞大的信息与控制系统，如大型交通运输系统、大型电力网、大型 通信网、大型空间控测系统等，它们大都包括若干子系统，并与有控制能力的电 子计算机相结合，采用多级递阶控制，以实现多指标综合最优化。智能控制系统 4 江苏大学硕士学位论文 则是与人工智能相结合的信息与控制系统，例如模糊控制，人工神经网络等。另 外，二十世纪九十年代末以来，不少研究者提出充分利用现在的一切技术，同时 从时间域和频域两种方法来设计控制系统，即择优控制。 随着科学技术的发展，控制系统的复杂性及对其性能的要求也越来越高，经 典控制理论的局限性也越来越突出。以状态空间法为基础的现代控制理论克服了 经典控制理论的局限性，使控制理论的发展达到了一个新阶段。 现代控制理论的优越性主要表现在： ( 1 ) 现代控制理论适用于多输入一多输出等复杂系统的研究。由于现代控制 理论采用了状态空间法，因此所研究的系统可以是单输入一单输出的，也可以是 多输入一多输出的；可以使线性的，也可以是非线性的；可以是定常的，也可以 是时变的；可以是集中参数的，也可以是分布参数的；可以是连续型的，也可以 是离散型的。状态空间法的实质就是将系统的运动方程写成一阶微分方程组的形 式，进而将一阶微分方程组写成矩阵方程，因而简化了数字符号，方便了运算。 ( 2 ) 现代控制理论具有实现实时控制的能力。现代控制理论的研究是在时间 域内进行的，这就允许对整个过程在时间域内进行实时控制。电子计算机的微型 化与高速化在客观上提供了这种可能性。 ( 3 ) 现代控制理论具有实现最优控制的能力。由于采用了状态空间法，现代 控制理论有利于设计人员根据给定的性能指标设计出最优控制系统。 现代控制理论作为一种具有普遍意义的理论，它不局限于使用在某一个工业 技术领域中，它有自己的体系。同时，它又是为各专业服务，为各专业所用的， 控制理论基础与专业技术结合起来，使专业得到更新的理论工具，推动专业技术 工作的更加深入，从而使各专业技术的潜力充分发挥出来。 1 3 2 控制方法的比较 随着控制理论、控制方法以及计算机技术的迅速发展，控制理论和控制方法 成为研究的重点。早在1 9 8 4 年，gj s t e i n 发表了利用前馈与反馈相结合的“天棚 控制理论( s k yh o o d ) ，采用比例压力控制阀控制空气弹簧，并用计算机模拟和假 人试验相结合的方法对座椅上假人的垂直振动响应进行研究。 对救护车担架隔振系统进行控制的目标就是要寻求一个能够为系统提供良好 性能的控制规律。本节将对一些比较实用的现代控制方法进行介绍，如表1 1 ，从 5 救护车担架隔振系统的主动控制研究 中选取适合于救护车担架隔振系统的控制策略。 目前的控制方法主要集中在p i d 控制、天棚阻尼控制、最优控制、预测控制、 自适应控制、模糊控制、神经网络控制以及复合控制等方面【捧1 9 1 。 表1 1 各种控制方法的对比 t a b l e l 1t h ec o m p a r i s o no fv a r i o u sc o n t r o lm e t h o d s 控制理论与控制方法优点缺点 经典控制过程需要具 结构简单，稳定性好 控制p i d 控制体的数学模型 工作可靠，调整方便 理论 且模型不能改变或漂移 线性控制结构简单、直观方便 难解决多输入一多输出 非线性控制 稳定性好、可自持振荡 需要外加特殊条件 现代 有畸变现象 控制 具有比较满意的计算量人 最优控制( 如h 0 0 控制、 理论增益储备、相角储备要求精确数学模型 天棚控制、预测控制) 以及非线性容限 对系统硬件要求高 自适应控制效果较好，实时性强计算量大，稳定性差 神经网络控制灵活性好，容错性大自我学习速度慢，稳定性差 智能 模糊控制结构简单，节省资源自适应著能力，精确性低 控制 理论 集成控制精度高 控制过程复杂 ( 如模糊p i d 控制) 灵活性好 其中，最优控制以其强大的分支得到了较广泛的应用，然而由于救护车担架 隔振系统的非线性、不确定性与构造最优控制器需要对系统准确建模相矛盾，最 优控制实际难以达到理想的控制要求。同样，单纯的自适应控制或神经网络控制 为达到目标往往导致运算量大、实时性差。模糊控制由于无需精确的数学模型， 因此成为迅速发展的一种新型控制方法。但模糊控制器参数一经确定就不能改变， 这对于时变的、非线性救护车担架隔振系统，会造成模糊控制规则粗糙，控制效 果也难以达到最优。因此，本文在建立了救护车担架人体系统数学模型的基础上， 为全面对比主动系统和被动系统，设计了最优控制器。 6 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文的研究思路与主要研究内容 1 4 1 本文的研究思路 在阅读大量文献和广泛调研的基础上，简要叙述了救护车平顺性的改进途径， 对空气弹簧的减振性能进行了试验分析，提出了以空气弹簧作为弹性元件的性能 优越的担架主动隔振系统。了解各种控制方法，对控制策略进行研究，分析各种 控制方法的优缺点及适用场合。建立了二自由度1 2 担架人体系统模型，在此基 础上建立了三自由度担架人体系统模型，然后把1 2 担架人体系统模型加到1 2 车体模型中，得到六自由度1 2 救护车一担架人体系统模型。分别设计了最优控制 器。通过仿真分析得出与被动系统相比，主动系统在改善救护车行驶平顺性和提 高救护车操纵稳定性方面有明显优越性。 1 4 2 本文的主要研究内容 本文共分六章，主要内容如下： 第一章：分析国内外救护车担架一人体系统隔振装置的研究现状及存在的问 题，提出本选题背景，分析课题研究的必要性和意义，确立研究思路及主要内容。 第二章：进行空气弹簧的理论特性分析，介绍空气弹簧的工作原理。并且通 过试验来分析空气弹簧的减振性能。为后面运用空气弹簧作为减振元件的救护车 担架隔振系统提供依据。 第三章：建立路面输入模型，并介绍最优控制基本理论。建立二自由度1 2 担 架一人体系统模型，然后将g b 厂i 1 6 4 4 0 推荐的的三自由度卧姿人体垂直振动模型加 到二自由度1 2 担架模型中，得到五自由度的“担架人体 系统动力学模型。然 后分别设计最优控制器，并在m a t l a b 中进行仿真分析，得出仿真结果。 第四章：二自由度模型只能分析系统的质心加速度与俯仰角加速度，并不能 反映其侧倾角加速度。因此，在上一章所建模型的基础上建立三自由度担架人体 系统模型，结合第三章的理论，设计最优控制器，并在m 栅a b 中进行仿真分析。 第五章：把第三章所建的二自由度模型加到四自由度1 2 车体模型中，得到六 自由度救护车担架- 人体系统模型。并设计最优控制器，在m a t l a b 中进行仿真 分析，比较被动系统与配有最优控制器的主动系统的减振效果。 第六章：对全文进行总结并展望下一步的研究工作。 7 救护车担架隔振系统的主动控制研究 第二章空气弹簧特性研究与试验验证 2 1 空气弹簧简介 空气弹簧主要由气囊、底座、上盖板等部件组成。气囊是由帘布和橡胶硫化 而成的复合结构体；底座的形状使空气弹簧具有较好的非线性特性，利用空气弹 簧的这种特性，可以很好的提高减振效果。空气弹簧诞生于1 9 世纪中叶，有专利 记载在1 8 4 7 年j o h nl e w i s 申请了空气弹簧的发明专利【2 0 1 。早期的空气弹簧主要用 于机械设备隔振。 根据橡胶气囊制作方式不同，空气弹簧主要分为囊式空气弹簧、膜式空气弹 簧，其结构分别如图2 1 和2 2 。 固 国 图2 1 囊式空气弹簧图2 2 膜式空气弹簧解剖图 f i 9 2 1c a p s u a la i rs p i n gf i 9 2 2s l e e v ea i rs p r i n g 囊式空气弹簧根据橡胶气囊曲数的多少分为单曲、双曲( 图2 1 ) 和多曲囊式。 气囊各段之间镶有金属轮缘，用来承受内压张力。工作过程中囊式空气弹簧有效 面积变化率较大，弹簧刚度变化大，振动频率偏高。可采用辅助气室减小囊式空 气弹簧的刚度。汽车上常用的囊式空气弹簧为双曲式。 膜式空气弹簧( 图2 2 ) 的结构是在盖板和底座之间放置一个圆柱形橡胶气囊， 通过气囊挠曲变形实现整体伸缩。膜式空气弹簧在其正常的工作范围内，弹簧刚 度变化要比囊式空气弹簧的小，有效面积的变化率也比囊式的小。因此，膜式空 气弹簧在辅助气室较小的情况下，也可得到较低的自振频率。根据橡胶气囊止口 与接口的连接方式的不同，膜式空气弹簧可分为约束膜式和自由膜式两种。 8 江苏大学硕士学位论文 膜式空气弹簧由于其刚度较大、寿命较长、制造方便，可得到比囊式空气弹 簧更为理想的弹性特性曲线【2 1 】，故在客车和火车上得到了广泛的应用。 本文采用单曲囊式空气弹簧。 2 2 空气弹簧理论特性分析 空气弹簧作为救护车担架隔振系统的主要弹性元件，它的特性与救护车担架 隔振系统的性能息息相关，现将空气弹簧特性总结如下： ( 1 ) 空气弹簧刚度和高度可调。空气弹簧通过对气囊的充放气来控制空气弹 簧的内部压力，从而实现对救护车担架隔振系统的刚度和高度的调节，因此可以 根据需要将空气弹簧设计成具有理想刚度特性的形式。 椽 铸 瓤 薹 空勺 挠月：范围 满戴 | 钢板j 摊 一多汐 设 计 高 度 l 申张 一空载蛔扳弹簧静挠度一 压缩 一空唆 弹簧当量静挠度 ： 图2 4 空气弹簧和钢板弹簧的载荷一位移关系曲线图 f i 9 7 , 4l e a fs p r i n g sa n da i rs p r i n gc h a r a c t e r i s t i c s ( 3 ) 空气弹簧隔振性能好。空气弹簧以压缩空气为工作介质，空气与橡胶的 内摩擦都很小，其固有频率较低，很难传递高频振动。所以对于一般的振源，采 用空气弹簧作为隔振元件的隔振系统能将大多数振动干扰隔离掉。 ( 4 ) 空气弹簧结构复杂、成本高；只能承受垂直载荷，需另外设装置导向机 构以承受横向力、纵向力和力矩；空气弹簧尺寸大，机构布置困难。 2 3 空气弹簧的工作原理 空气弹簧工作时，气囊内充入压缩空气，形成一个压缩空气柱。当振动载荷 增加时，空气弹簧的高度降低，有效容积减小，气囊内空气柱的有效面积变大， 刚度变大，因此空气弹簧的承载能力上升。当振动载荷减小时，空气弹簧的高度 升高，有效容积增大，气囊内空气柱的有效面积减小，刚度减小，因此空气弹簧 的承载能力下降。这样，空气弹簧在有效的行程内，空气弹簧的高度、有效容积、 承载能力随着振动载荷的增减发生了平稳的柔性传递。 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 4 空气弹簧高度 空气弹簧高度阎有设计高度和标准高度之分，空气弹簧标准高度是一个设定 高度，以此高度为计算其变形量的起始点，压缩为正向，伸张为负向。标准高度 就是初始位置高度。如图2 5 所示，1 表示的高度就是空气弹簧的标准高度，2 表示 其许用最大压缩量，3 表示许用最大拉伸量，4 区域表示空气弹簧设计高度区域。 臂 龆 赫 p 一3 叫卜一2 叫 交气弹簧高度 图2 5 空气弹簧标准高度 f i 9 2 5s t a n d a r dh e i g h to fa i rs p r i n g 需要注意的是标准高度和空气弹簧设计高度并不是一个概念，每种型号的空 气弹簧产品都会在其参数表中给出空气弹簧的设计高度区域，如图2 5 中位置4 。标 准高度处于该区域时，空气弹簧能够最大限度地发挥其优越性能，并保证其使用 寿命。在空气弹簧标准高度下，内部气体压力为标准内压时( 一般选取在0 4 0 6 m p a 范围内) ，空气弹簧处于标准状态。空气弹簧长期工作在标准状态下，才能 最大限度的发挥其优越性并延长其使用寿命。本文在研究的过程中，假定标准设 计高度为变形量的起始点，即初始高度位置。 2 5 空气弹簧的有效面积 为分析空气弹簧在最终状态气体相对压力下的受力情况，采用空气弹簧有效 面积如( 假设存在的名义上的面积) 来表述。 1 1 救护车担架隔振系统的主动控制研究 图2 6 膜式空气弹簧系统模型 f i 9 2 6m o d e lo fd i a p h r a g mt y p ea i rs p r i n g 图2 6 所示空气弹簧有效面积可以表示为 如= f a ( 2 1 ) 式中，空气弹簧受力( n ) ； a 弹簧内部气体有效压力( p o ) 。 在许多的研究文献中将空气弹簧橡胶气囊与上盖板的接触面积作为其有效面 积刚，但只有当上盖板的直径大于橡胶气囊的最大直径时这种假设才是有效的。 以上的假设是以空气弹簧有效面积不变为前提的，但是由于空气弹簧的胶囊 是一个弹性体，其伸缩过程势必导致橡胶气囊直径变化，从而影响有效面积变化。 而导致这种变化的因素一方面是由于橡胶气囊中帘线的性能和布置位置，另一方 面是空气弹簧活塞底座的具体形状幽。 通常将空气弹簧假定为一种活塞缸式的模型，即在空气弹簧工作的过程中假 定其有效面积为一个常数，只考虑空气弹簧内部气体压力与有效容积的变化，从 而避免了研究空气弹簧有效面积的复杂性。 2 6 空气弹簧的有效容积 空气弹簧有效容积随垂直位移发生改变阁，最终状态有效容积可以通过试验 的方法，用初始状态有效容积和有效容积变化率来表示。空气弹簧最终状态彳r 效 容积可用下式表示 y = 一砌 ( 2 2 ) 式中，v o 最终状态有效容积( m 3 ) ； 口有效容积随垂直位移的变化率( 胁z ) 江苏大学硕士学位论文 2 7 空气弹簧的刚度计算 救护车担架隔振系统中空气弹簧具有非线性刚度特性。理论计算时f 2 6 1 ，空气 弹簧刚度可以直接由载荷f 对位移h 求导得到，考虑到f = a 如，所以 拈d 砌f = p j 象+ 丸鲁 ( 2 3 ) 砌砌。砌 r 吖 式中：h 弹簧垂向位移( 肌) ，压缩为正，拉伸为负： p f 一空气弹簧内部气体有效压力( 见) ； 如一空气弹簧的有效面积( m ：) 。 空气弹簧变形时其内部气体变化满足气体状态方程：p v l = c o l i 6 t ( 常数) ，其 中p 为空气弹簧内气体绝对压力，p = 见+ b ，p a 为大气压力；y 为气体容积，刀 是热力学指数( 常数) ，将其两边对位移h 求导，得到 鲁= 一歹n p 面d v = 一等 ( 2 4 ) 砒y 砌y r “， 其中负号表示压力的变化趋势和容积的变化趋势相反，即容积减小时压力增加， 在计算刚度值时取其绝对值，且其中面d v = a ，将式( 2 4 ) 代入式( 2 3 ) 得 以厅 、7、 七= 筹= a 鲁州见+ 砧i v , 等 ( 2 5 ) 膨= 2n o + 疗ip + 卜o ，2s 、 砌砌 “4 7y _ ， 这是计算空气弹簧刚度的一般表达式【2 7 】f 凋。 空气弹簧刚度常用的是空气弹簧的静刚度，和动刚度。所谓静刚度是 指空气弹簧低频振动时的刚度( 一般认为频率， 0 2 ) ，由于空气弹簧振动比较快，假定空气弹簧内部和外界没有热交换， 其内部气体的热力学变化过程为绝热过程，取刀= 1 4 。 在实际工程中是用试验的方法来测定空气弹簧刚度的。通过测定在不同压力 下空气弹簧载荷f 和位移h 的关系，得出一组空气弹簧刚度特性曲线，该曲线纵坐 标为载荷，横坐标为空气弹簧高度变化，曲线的斜率就是空气弹簧刚度。 救护车担架隔振系统的主动控制研究 以。 在式( 2 5 ) 中，p i - 2 k 。表示有效面积a 变化率对空气弹簧刚度的影响。由于空 气弹簧气囊是一个弹性体，一般情况下在空气弹簧变形时有效面积岛不是固定不 变的，而且不同结构形式的空气弹簧，有效面积如的变化是不同的【2 9 l 。 图2 7 分别表示了双曲囊式、活塞座为圆柱形和活塞座具有特定轮廓曲面的囊 式空气弹簧的有效面积a 的变化曲线，每一种空气弹簧给出了3 个不同的位置。 可以看出，对于活塞座轮廓为圆柱形的膜式空气弹簧，等等于零，此时可以将空 气弹簧刚度计算公式( 2 5 ) 简化为： 七竺d h 叫见等 ( 2 6 ) ”4 “7y - 7 a 囊式空气弹簧b 膜式空气弹簧( 圆柱形活塞) c 膜式空气弹簧( 曲面活塞) 图2 7 不同结构形式的空气弹簧有效面积岛随位移的变化曲线示意图 f i 9 2 7as c h e m a t i cd i a g r a mo fc h a n g e 仅l r v eo fa c t i v ea l e aa sd i s p l a c e m e n t c h a n g eo fa i rs p r i n gw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e 2 8 空气弹簧减振试验 为了验证空气弹簧的减振作用，结合下文建立的三自由度担架一人体系统的台 架，对系统垂直方向振动问题，横向振动问题以及侧向振动问题进行实验分析。 建立了如下的试验台。试验台由系统质量、空气弹簧以及相应的连接支撑组成。 试验台主体设计如图2 8 ： 1 4 江苏大学硕士学位论文 2 8 三自由度担架一人体系统被动控制试验台 f i 9 2 8b e n c ho ft h ep a s s i v e