基于天棚控制算法的磁流變半主動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

張 楊，周武能，潘 亮，楊佳樂(lè)（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620）

基于天棚控制算法的磁流變半主動(dòng)控制系統(tǒng)的研究

張 楊，周武能，潘 亮，楊佳樂(lè)
（東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海201620）

以天棚控制方法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合磁流變減振器的工作機(jī)制，建立了磁流變半主動(dòng)懸架硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并通過(guò)在實(shí)車試驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)驗(yàn)分析了被動(dòng)懸架和磁流變半主動(dòng)控制懸架的平順性。結(jié)果表明，相比于被動(dòng)懸架，磁流變半主動(dòng)懸架能夠很好地抑制低頻段車體垂直方向的加速度變化和振動(dòng)幅值，從而提高車輛平穩(wěn)性和舒適性。

半主動(dòng)懸架；二自由度；天棚控制

O 引言

車體與車輪間的動(dòng)力懸架是車輛的重要構(gòu)成部分。懸架性能的好壞將直接影響到車輛在行駛過(guò)程中的行駛安全性、乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性［1］。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架由阻尼系數(shù)和剛度不可變的阻尼元件及彈性元件構(gòu)成，被動(dòng)懸掛系統(tǒng)在構(gòu)建前需要設(shè)定好阻尼系數(shù)和剛度。由于參數(shù)設(shè)定好后不具可調(diào)性，僅僅能夠適應(yīng)一定工況下的振動(dòng)，對(duì)多變的行駛路況適應(yīng)能力很差。半主動(dòng)懸架可以在一定范圍內(nèi)對(duì)執(zhí)行元件的阻尼或剛度進(jìn)行調(diào)節(jié)，具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、容錯(cuò)性好等特點(diǎn)［2］。磁流變減振器是利用新型材料磁流變液在變化磁場(chǎng)作用下快速可逆的流變特性而設(shè)計(jì)的一種新型作動(dòng)器，具有耗能低、可產(chǎn)生連續(xù)阻尼力、方便控制等優(yōu)點(diǎn)，所以把磁流變技術(shù)應(yīng)用于半主動(dòng)懸架中進(jìn)行研究具有重大意義。

本文以提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性為研究重點(diǎn)，將磁流變減振器應(yīng)用于基于天棚控制算法的半主動(dòng)懸架中，搭建硬件設(shè)備平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，最后通過(guò)在車輛震動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析磁流變半主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架對(duì)提高車體行駛平順性和乘坐舒適性的影響。

1 算法設(shè)計(jì)

整車一般由4個(gè)懸掛系統(tǒng)組成，但理論分析時(shí)常采用1 /4車二自由度懸掛系統(tǒng)模型，如圖1所示為二自由度懸掛系統(tǒng)模型。該懸掛系統(tǒng)模型動(dòng)力學(xué)方程式可表示為：

式中，M2、M1分別為車體質(zhì)量和車輪質(zhì)量；ks、kt分別為懸掛彈簧和車輪剛度；Ce為懸掛阻尼系數(shù)；X2、X1分別為車體垂直位移和車輪垂直位移；X0是路面向上激勵(lì)；F為控制力，當(dāng)F不作用時(shí)上述模型可以等效為被動(dòng)懸架。

圖1 二自由度懸掛系統(tǒng)模型

圖2 理想天棚控?制懸架模型

如圖2所示為理想天棚控制懸架。天棚控制算法的基本思想是在車輛車體和假設(shè)的“天棚”之間安裝一個(gè)阻尼器。該阻尼器的阻尼系數(shù)變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同的阻尼力作用于該控制懸架，起到減振的效果。假設(shè)車輛懸架的簧載質(zhì)量與參考地面之間具有阻尼。

理想的天棚阻尼力為：

其中：Cs是天棚阻尼系數(shù)，取決于懸掛系統(tǒng)本身。根據(jù)圖2寫(xiě)出運(yùn)動(dòng)微分方程如下：

根據(jù)與天棚阻尼等效的原則，圖1所示的半主動(dòng)懸架中的力F由磁流變減振器［3 -4］來(lái)提供，即圖1中的F與天棚阻尼力Fs存在某種關(guān)系。由于所以當(dāng)同向時(shí)，F(xiàn)與Fs同向［5］，因此可以通過(guò)改變勵(lì)磁電流的大小使Fs與F相等；當(dāng)與反向時(shí)，F(xiàn)與Fs反向。為了盡可能縮小兩者差異，應(yīng)該讓F最小。考慮到磁流變減振裝置自身存在一定的阻尼，因此F最小值不能取到0值，，因此F的取值可以表述為：

式（4）中的力F由磁流變阻尼器提供。

2 磁流變懸掛系統(tǒng)構(gòu)建

懸掛系統(tǒng)包括硬件結(jié)構(gòu)搭建和軟件算法部分，如圖3、圖4所示。硬件部分主要包括加速度傳感器、PCI數(shù)據(jù)采集器、工控機(jī)、程控電流源和磁流變減振器。軟件需要實(shí)現(xiàn)模擬輸入信號(hào)的采集、濾波、積分和微分，然后通過(guò)上述的天棚算法對(duì)程控電流源輸出一個(gè)控制電流的指令，最后通過(guò)電流信號(hào)改變磁流變阻尼器產(chǎn)生一個(gè)阻尼力Fcs反饋?zhàn)饔糜趹覓煜到y(tǒng)，達(dá)到減緩系統(tǒng)振動(dòng)的效果。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖4 軟件實(shí)現(xiàn)部分

3 道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

設(shè)某越野車在特定路面上以9 m/s勻速直線行駛。本次試驗(yàn)采用某公司的752A13加速度傳感器采集垂直方向上車體質(zhì)心加速度和駕駛員座椅處的加速度信號(hào)，通過(guò)對(duì)懸掛系統(tǒng)上的磁流變阻尼器輸出控制指令和終止對(duì)磁流變阻尼器輸出電流指令兩種情況下的數(shù)據(jù)采集，顯示車體質(zhì)心和駕駛員座位處加速度的變化情況。磁流變阻尼器沒(méi)有工作的情況下該懸掛系統(tǒng)等效于被動(dòng)懸架。

圖5為某時(shí)刻路面輸入情況。圖6和圖7所示的是加速度變化情況，由于磁流變半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)中的阻尼器產(chǎn)生的阻尼力F對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)起到了一定的調(diào)節(jié)作用，所以在相同的路面條件下裝有磁流變阻尼器的車輛在行駛過(guò)程中垂直方向的加速度變化明顯低于磁流變阻尼器沒(méi)有起到任何作用時(shí)的情況。從圖中可以看出，駕駛員位置和車體質(zhì)心處裝有磁流變阻尼裝置的半主動(dòng)懸掛系

圖5 路面激勵(lì)

圖6 車體質(zhì)心處加速度變化情況

圖7 駛員座位處加速度變化情況

統(tǒng)比被動(dòng)懸掛控制系統(tǒng)的垂直方向的振動(dòng)加速度下降了70%～80%，特別是在低頻段尤為明顯，明顯會(huì)提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性。由此可見(jiàn)磁流變阻尼器應(yīng)用于半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)中有利于降低低頻共振的幅值，具有推廣意義。

4 結(jié)論

本文以提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性為研究重點(diǎn)，將磁流變減振器應(yīng)用于基于天棚控制算法的半主動(dòng)懸架中，搭建硬件設(shè)備平臺(tái)和實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，最后通過(guò)對(duì)在車輛震動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析磁流變半主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架對(duì)提高車體行駛平順性和乘坐舒適性的影響。分析可知裝有磁流變阻尼裝置的半主動(dòng)懸掛系統(tǒng)有利于降低車輛行駛過(guò)程中垂直方向的震動(dòng)幅值，低頻段的抑制作用尤為明顯，可明顯提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性，具有較大的推廣意義。

［1］周長(zhǎng)城.車輛懸架設(shè)計(jì)及理論［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2011.

［2］彭志召，張進(jìn)秋，張雨，等.車輛半主動(dòng)懸掛的頻域控制算法［J］.裝甲兵工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，27（4）：36-42.

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［4］HROVATD.Surveyofadvanced susPension deve1oPmentsand re1ated oPtima1contro1aPP1ications［J］.Automatica，1997，33 （10）：1781-1817.

［5］趙石堂，陳思忠，馮占宗，等.磁流變半主動(dòng)懸架的天棚控制方法研究［J］.汽車工程學(xué)報(bào)，2011，1（2）：127-133.

Research of magneto-rheo1ogica1semi-active susPension system based on the sky-hook contro1method

Zhang Yang，Zhou Wuneng，Pan Liang，Yang Jia1e
（Co11ege of Information Science&Techno1ogy，Donghua University，Shanghai 201620，China）

Based on the sky-hook contro1method，this PaPer estab1ished the magneto-rheo1ogica1 semi-active susPension hardware structure combining with the working mechanisms of the magneto-rheo1ogica1 shock damPer.The ride com fort of Passive susPension and semi-active sus-Pension was ana1yzed on rea1vehic1e exPeriment P1atform.The resu1ts show that comPared with the Passive susPension，sem i-active susPension can restrain change of the acce1eration in the vertica1direction and vibration amP1itude in the 1ow frequency of vehic1e body.Thus semi-active susPension can imProve vehic1e stabi1ity and com fort.

semi-active susPension；two degrees of freedom；sky-hook contro1

TP23

A

10.19358 /j.issn.1674-7720.2016.09.002

張楊，周武能，潘亮，等.基于天棚控制算法的磁流變半主動(dòng)控制系統(tǒng)的研究［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35（9）：6-7，14.

2016-01-14）

張楊（1992 -），男，碩士研究生，主要研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)融合與系統(tǒng)集成，半主動(dòng)懸掛控制系統(tǒng)。

周武能（1959 -），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與同步，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與同步，傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)同與控制，魯棒控制，工業(yè)過(guò)程控制。

潘亮（1990 -），男，碩士研究生，主要研究方向：智能控制，模糊PID的多電機(jī)同步控制。