車輛磁流變減振器半主動懸架滑?？刂蒲芯?/h1>
2018-08-11 11:04付文強劉章紅吳玉超
科學(xué)與財富 2018年17期
付文強 劉章紅 吳玉超
摘 要：為改善車輛的行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和駕乘安全性，提出一種動態(tài)輸入滑模變結(jié)構(gòu)控制算法，并研究汽車磁流變半主動懸架系統(tǒng)滑?？刂频膭討B(tài)穩(wěn)定性。建立二自由度1/4汽車磁流變半主動懸架滑?？刂苿恿W(xué)模型。研究滑?？刂破鞯男阅埽M(jìn)行數(shù)值模擬和Matlab/Simulink仿真測試驗證。結(jié)果表明：滑模控制器能夠有效衰減懸架振動，對懸架模型參數(shù)的不確定性和外界輸入擾動具備自適應(yīng)魯棒性。
關(guān)鍵詞：磁流變減振器（MR）；半主動懸架；滑?？刂疲⊿MS）；穩(wěn)定性
傳統(tǒng)的被動懸架控制[1]（PS），在汽車車身和車輪總成之間使用彈簧和阻尼（減振）器，對存在著相互沖突的車輛動態(tài)穩(wěn)定性指標(biāo)如行駛平順性、操縱穩(wěn)定性與行駛安全性，進(jìn)行了最優(yōu)折衷處理。但其難以適應(yīng)各種復(fù)雜外部工況和車輛高速行駛，且減振效果也較差，被動懸架主要應(yīng)用于中、低檔轎車上。半主動懸架的概念最早由克羅斯比和卡羅普[2]于1974年被提出，不需要外部系統(tǒng)的能量供應(yīng)，只需要信號電平功率（控制律）來調(diào)節(jié)減振器阻尼元件。大量研究結(jié)果表明，半主動懸架的性能要明顯地優(yōu)于傳統(tǒng)的被動懸架[3]。最近，各種具有粘性/粘彈塑性流體的可控阻尼器，如電流變（ER）流體和磁流變 （MR）流體阻尼減振器裝置已被研發(fā)出來[4； 5]。由洛德公司開發(fā)的磁流變阻尼器具有高屈服強度和穩(wěn)定的滯回性能等優(yōu)點，能夠覆蓋較大的溫度范圍。然而，這些阻尼器具有內(nèi)在非線性特性，并且半主動懸架系統(tǒng)的某些參數(shù)是不確定的。針對磁流變阻尼器半主動懸架的結(jié)構(gòu)特點，提出了魯棒控制方案，提出了包括滑?？刂啤∞控制、自適應(yīng)控制在內(nèi)的各種控制策略。
這里，提出了一種基于跟蹤參考模型的滑?？刂撇呗浴Ｔ摬呗詫崿F(xiàn)簡單，易于控制，具有較好地應(yīng)用前景。數(shù)值仿真結(jié)果表明，該控制器在保持滑模模型的同時，對理想?yún)⒖寄Ｐ瓦M(jìn)行近乎一致的跟蹤。特別地能夠?qū)崿F(xiàn)對MR減振器半主動懸架系統(tǒng)不確定性和外部擾動更好地控制效果，以及更高的適應(yīng)性和魯棒性。
一、磁流變減振器半主動懸架系統(tǒng)
（一）磁流變減振器工作樣機與工作原理
磁流變減振器工作樣機外觀如圖1所示，其工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。
（二）車輛半主動懸架系統(tǒng)模型
建立起汽車1/4半主動懸架系統(tǒng)簡化模型，建立其動力學(xué)方程為：
（1）選取系統(tǒng)狀態(tài)變量 ，分別作為車輛乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性的評價衡量指標(biāo)和優(yōu)化控制目標(biāo)，建立懸架系統(tǒng)狀態(tài)空間方程如式（2），選取高斯分布的濾波白噪聲w=zr作為路面不平度隨機輸入矩陣，u作為懸架控制系統(tǒng)的輸入矩陣。
（2）
其中：A為狀態(tài)矩陣、B為輸入矩陣、C為輸出矩陣。
（三）理想半主動懸架控制系統(tǒng)參考模型
選取理想可調(diào)阻尼懸架控制系統(tǒng)作為參考模型，其動力學(xué)方程為：
二、半主動懸架滑模變結(jié)構(gòu)控制器設(shè)計
（一）誤差動力學(xué)模型
根據(jù)上述實際被控磁流變懸架模型及其理想?yún)⒖寄Ｐ?，定義簧載質(zhì)量速度誤差、簧載質(zhì)量位移誤差以及位移誤差的積分為廣義誤差矢量E，即
（二）滑?？刂破髟O(shè)計
根據(jù)極點配置方法規(guī)劃滑模面函數(shù)為：
（6）
式中：s為滑模切面；C為系數(shù)矩陣，E為狀態(tài)變量矩陣。滑模態(tài)運動微分方程式（6）決定了滑動模態(tài)的動態(tài)品質(zhì)。為使滑模運動漸近穩(wěn)定，應(yīng)使滑模運動方程的全部特征根位于復(fù)平面左半平面上。設(shè)滑模運動微分方程的特征根為-5±2.5i，一般令c1=1，則可確定c2=10，c3=31.25，即 。對其采用指數(shù)趨近律，有：
三、仿真計算及分析
（一）仿真模型建立
在Matlab/Simulink建立起基于參考模型的1/4車輛半主動懸架滑模控制模型仿真模型。采取一階線性濾波白噪聲路面不平度隨機激勵作為該模型的路面輸入，得到懸架振動系統(tǒng)的動態(tài)輸出響應(yīng)分別為：簧載質(zhì)量加速度 表示為az，懸架動撓度zs─zu表示為fd，輪胎動位移zu─zr表示為tl。
（二）滑?？刂破鲿r域仿真分析
假定汽車以72km/h勻速行駛在C級路面，懸架振動系統(tǒng)的動態(tài)輸出響應(yīng)：簧載質(zhì)量加速度表示為az，懸架動撓度表示為fd，輪胎動位移為tl。
車輛懸架控制策略設(shè)計中，主要的動態(tài)性能指標(biāo)有：（1）代表乘坐舒適性的車身垂向加速度指標(biāo)（BA）。（2）表示影響車身姿態(tài)及行駛安全性，且與結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置有關(guān)的懸架動行程（SWS）。（3）表征輪胎在隨機路面激勵下的輪胎動位移（DTD），表征車輛操縱穩(wěn)定性。針對上述控制指標(biāo)對模型進(jìn)行仿真模擬計算，并與被動懸架相比較，仿真結(jié)果比較見表1。
由表1仿真結(jié)果得到，基于理想?yún)⒖寄Ｐ团c誤差跟蹤的滑模變結(jié)構(gòu)控制比被動懸架控制性能參數(shù)有顯著改善，表明變結(jié)構(gòu)滑?？刂颇軌蛎黠@改善了車輛行駛過程中的平順性，大大減小懸架動行程的變動范圍、減小輪胎與路面間的動位移。在協(xié)調(diào)改善汽車乘坐舒適性的同時，提高了汽車的操縱穩(wěn)定性等駕乘環(huán)境。
三、結(jié)語
針對1/4車輛磁流變減振器半主動懸架動力學(xué)模型，設(shè)計基于理想?yún)⒖寄Ｐ驼`差跟蹤的滑?？刂撇呗?，成功實現(xiàn)對1/4車輛磁流變懸架系統(tǒng)動力學(xué)模型的滑?？刂啤＝Y(jié)果表明，滑模控制器顯示出良好的控制效果，能夠顯著地改善了車輛行駛的平順性和舒適性，并且滑?？刂破鲗ο到y(tǒng)懸架參數(shù)不確定性干擾、車速以及外載荷擾動不靈敏，具有很好的穩(wěn)定性和魯棒性。
參考文獻(xiàn)：
[1] 聶佳梅， 張孝良， 胡貝， 等. 車輛被動懸架技術(shù)發(fā)展新方向[J]. 車輛與動力技術(shù)， 2012， （02）： 59-64.
[2] Karnopp D， Crosby M J， Harwood R A. Vibration Control Using Semi-Active Force Generators[J]. Journal of Engineering for Industry， 1974， 96（2）： 619-626.
[3] 崔曉利， 楊岳， 陳龍， 等. 半主動懸架及其控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 中國機械工程， 2007， 18（8）： 998-1000.
[4] Carlson D J. Surfactant-based electrorheological materials. US， 1991.
[5] Kim K S， Choi S B， Cheong C C. ER Suspension System with Energy Generation[M]. 1999： 796-803.
作者簡介：
付文強（1988.11-），男，助教，碩士主要研究方向：機械振動動力學(xué)分析及控制策略方法研究。
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這里，提出了一種基于跟蹤參考模型的滑?？刂撇呗浴Ｔ摬呗詫崿F(xiàn)簡單，易于控制，具有較好地應(yīng)用前景。數(shù)值仿真結(jié)果表明，該控制器在保持滑模模型的同時，對理想?yún)⒖寄Ｐ瓦M(jìn)行近乎一致的跟蹤。特別地能夠?qū)崿F(xiàn)對MR減振器半主動懸架系統(tǒng)不確定性和外部擾動更好地控制效果，以及更高的適應(yīng)性和魯棒性。
一、磁流變減振器半主動懸架系統(tǒng)
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磁流變減振器工作樣機外觀如圖1所示，其工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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建立起汽車1/4半主動懸架系統(tǒng)簡化模型，建立其動力學(xué)方程為：
（1）選取系統(tǒng)狀態(tài)變量 ，分別作為車輛乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性和行駛安全性的評價衡量指標(biāo)和優(yōu)化控制目標(biāo)，建立懸架系統(tǒng)狀態(tài)空間方程如式（2），選取高斯分布的濾波白噪聲w=zr作為路面不平度隨機輸入矩陣，u作為懸架控制系統(tǒng)的輸入矩陣。
（2）
其中：A為狀態(tài)矩陣、B為輸入矩陣、C為輸出矩陣。
（三）理想半主動懸架控制系統(tǒng)參考模型
選取理想可調(diào)阻尼懸架控制系統(tǒng)作為參考模型，其動力學(xué)方程為：
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（一）誤差動力學(xué)模型
根據(jù)上述實際被控磁流變懸架模型及其理想?yún)⒖寄Ｐ?，定義簧載質(zhì)量速度誤差、簧載質(zhì)量位移誤差以及位移誤差的積分為廣義誤差矢量E，即
（二）滑?？刂破髟O(shè)計
根據(jù)極點配置方法規(guī)劃滑模面函數(shù)為：
（6）
式中：s為滑模切面；C為系數(shù)矩陣，E為狀態(tài)變量矩陣。滑模態(tài)運動微分方程式（6）決定了滑動模態(tài)的動態(tài)品質(zhì)。為使滑模運動漸近穩(wěn)定，應(yīng)使滑模運動方程的全部特征根位于復(fù)平面左半平面上。設(shè)滑模運動微分方程的特征根為-5±2.5i，一般令c1=1，則可確定c2=10，c3=31.25，即 。對其采用指數(shù)趨近律，有：
三、仿真計算及分析
（一）仿真模型建立
在Matlab/Simulink建立起基于參考模型的1/4車輛半主動懸架滑模控制模型仿真模型。采取一階線性濾波白噪聲路面不平度隨機激勵作為該模型的路面輸入，得到懸架振動系統(tǒng)的動態(tài)輸出響應(yīng)分別為：簧載質(zhì)量加速度 表示為az，懸架動撓度zs─zu表示為fd，輪胎動位移zu─zr表示為tl。
（二）滑?？刂破鲿r域仿真分析
假定汽車以72km/h勻速行駛在C級路面，懸架振動系統(tǒng)的動態(tài)輸出響應(yīng)：簧載質(zhì)量加速度表示為az，懸架動撓度表示為fd，輪胎動位移為tl。
車輛懸架控制策略設(shè)計中，主要的動態(tài)性能指標(biāo)有：（1）代表乘坐舒適性的車身垂向加速度指標(biāo)（BA）。（2）表示影響車身姿態(tài)及行駛安全性，且與結(jié)構(gòu)設(shè)計和布置有關(guān)的懸架動行程（SWS）。（3）表征輪胎在隨機路面激勵下的輪胎動位移（DTD），表征車輛操縱穩(wěn)定性。針對上述控制指標(biāo)對模型進(jìn)行仿真模擬計算，并與被動懸架相比較，仿真結(jié)果比較見表1。
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參考文獻(xiàn)：
[1] 聶佳梅， 張孝良， 胡貝， 等. 車輛被動懸架技術(shù)發(fā)展新方向[J]. 車輛與動力技術(shù)， 2012， （02）： 59-64.
[2] Karnopp D， Crosby M J， Harwood R A. Vibration Control Using Semi-Active Force Generators[J]. Journal of Engineering for Industry， 1974， 96（2）： 619-626.
[3] 崔曉利， 楊岳， 陳龍， 等. 半主動懸架及其控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究[J]. 中國機械工程， 2007， 18（8）： 998-1000.
[4] Carlson D J. Surfactant-based electrorheological materials. US， 1991.
[5] Kim K S， Choi S B， Cheong C C. ER Suspension System with Energy Generation[M]. 1999： 796-803.
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