基于天棚控制算法的磁流變半主動控制系統的研究

張 楊，周武能，潘 亮，楊佳樂（東華大學信息科學與技術學院，上海201620）

基于天棚控制算法的磁流變半主動控制系統的研究

張 楊，周武能，潘 亮，楊佳樂
（東華大學信息科學與技術學院，上海201620）

以天棚控制方法為理論基礎，結合磁流變減振器的工作機制，建立了磁流變半主動懸架硬件結構系統，并通過在實車試驗平臺上實驗分析了被動懸架和磁流變半主動控制懸架的平順性。結果表明，相比于被動懸架，磁流變半主動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幅值，從而提高車輛平穩性和舒適性。

半主動懸架；二自由度；天棚控制

O 引言

車體與車輪間的動力懸架是車輛的重要構成部分。懸架性能的好壞將直接影響到車輛在行駛過程中的行駛安全性、乘坐舒適性和操縱穩定性［1］。傳統的被動懸架由阻尼系數和剛度不可變的阻尼元件及彈性元件構成，被動懸掛系統在構建前需要設定好阻尼系數和剛度。由于參數設定好后不具可調性，僅僅能夠適應一定工況下的振動，對多變的行駛路況適應能力很差。半主動懸架可以在一定范圍內對執行元件的阻尼或剛度進行調節，具有功耗低、結構簡單、成本低、容錯性好等特點［2］。磁流變減振器是利用新型材料磁流變液在變化磁場作用下快速可逆的流變特性而設計的一種新型作動器，具有耗能低、可產生連續阻尼力、方便控制等優點，所以把磁流變技術應用于半主動懸架中進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，將磁流變減振器應用于基于天棚控制算法的半主動懸架中，搭建硬件設備平臺，實現軟件設計，最后通過在車輛震動實驗平臺上獲取的實驗數據進行對比分析磁流變半主動懸架和被動懸架對提高車體行駛平順性和乘坐舒適性的影響。

1 算法設計

整車一般由4個懸掛系統組成，但理論分析時常采用1 /4車二自由度懸掛系統模型，如圖1所示為二自由度懸掛系統模型。該懸掛系統模型動力學方程式可表示為：

式中，M2、M1分別為車體質量和車輪質量；ks、kt分別為懸掛彈簧和車輪剛度；Ce為懸掛阻尼系數；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；F為控制力，當F不作用時上述模型可以等效為被動懸架。

圖1 二自由度懸掛系統模型

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的“天棚”之間安裝一個阻尼器。該阻尼器的阻尼系數變化時會產生不同的阻尼力作用于該控制懸架，起到減振的效果。假設車輛懸架的簧載質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，取決于懸掛系統本身。根據圖2寫出運動微分方程如下：

根據與天棚阻尼等效的原則，圖1所示的半主動懸架中的力F由磁流變減振器［3 -4］來提供，即圖1中的F與天棚阻尼力Fs存在某種關系。由于所以當同向時，F與Fs同向［5］，因此可以通過改變勵磁電流的大小使Fs與F相等；當與反向時，F與Fs反向。為了盡可能縮小兩者差異，應該讓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 磁流變懸掛系統構建

懸掛系統包括硬件結構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數據采集器、工控機、程控電流源和磁流變減振器。軟件需要實現模擬輸入信號的采集、濾波、積分和微分，然后通過上述的天棚算法對程控電流源輸出一個控制電流的指令，最后通過電流信號改變磁流變阻尼器產生一個阻尼力Fcs反饋作用于懸掛系統，達到減緩系統振動的效果。

圖3 系統結構圖

圖4 軟件實現部分

3 道路實驗結果分析

設某越野車在特定路面上以9 m/s勻速直線行駛。本次試驗采用某公司的752A13加速度傳感器采集垂直方向上車體質心加速度和駕駛員座椅處的加速度信號，通過對懸掛系統上的磁流變阻尼器輸出控制指令和終止對磁流變阻尼器輸出電流指令兩種情況下的數據采集，顯示車體質心和駕駛員座位處加速度的變化情況。磁流變阻尼器沒有工作的情況下該懸掛系統等效于被動懸架。

圖5為某時刻路面輸入情況。圖6和圖7所示的是加速度變化情況，由于磁流變半主動懸掛系統中的阻尼器產生的阻尼力F對整個控制系統起到了一定的調節作用，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程中垂直方向的加速度變化明顯低于磁流變阻尼器沒有起到任何作用時的情況。從圖中可以看出，駕駛員位置和車體質心處裝有磁流變阻尼裝置的半主動懸掛系

圖5 路面激勵

圖6 車體質心處加速度變化情況

圖7 駛員座位處加速度變化情況

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

4 結論

本文以提高車輛行駛平順性和乘坐舒適性為研究重點，將磁流變減振器應用于基于天棚控制算法的半主動懸架中，搭建硬件設備平臺和實現軟件設計，最后通過對在車輛震動實驗平臺上獲取的實驗數據進行對比，分析磁流變半主動懸架和被動懸架對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懸掛系統有利于降低車輛行駛過程中垂直方向的震動幅值，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］周長城.車輛懸架設計及理論［M］.北京：北京大學出版社，2011.

［2］彭志召，張進秋，張雨，等.車輛半主動懸掛的頻域控制算法［J］.裝甲兵工程學院學報，2013，27（4）：36-42.

［3］JORDANTC，SHAW M T.E1ectro-rheo1ogy［J］.IEEETransaction on E1ectrica1Insu1ation，1989，24（5）：849-879.

［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.磁流變半主動懸架的天棚控制方法研究［J］.汽車工程學報，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控制系統的研究［J］.微型機與應用，2016，35（9）：6-7，14.

2016-01-14）

張楊（1992 -），男，碩士研究生，主要研究方向：計算機網絡融合與系統集成，半主動懸掛控制系統。

周武能（1959 -），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向：神經網絡穩定性與同步，復雜網絡穩定性與同步，傳感器網絡協同與控制，魯棒控制，工業過程控制。

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