車輛磁流變減振器半主動懸架滑模控制研究

付文強　劉章紅　吳玉超

摘 要：為改善車輛的行駛平順性、操縱穩定性和駕乘安全性，提出一種動態輸入滑模變結構控制算法，并研究汽車磁流變半主動懸架系統滑模控制的動態穩定性。建立二自由度1/4汽車磁流變半主動懸架滑模控制動力學模型。研究滑模控制器的性能，進行數值模擬和Matlab/Simulink仿真測試驗證。結果表明：滑模控制器能夠有效衰減懸架振動，對懸架模型參數的不確定性和外界輸入擾動具備自適應魯棒性。

關鍵詞：磁流變減振器（MR）；半主動懸架；滑模控制（SMS）；穩定性

傳統的被動懸架控制[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穩定性指標如行駛平順性、操縱穩定性與行駛安全性，進行了最優折衷處理。但其難以適應各種復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，不需要外部系統的能量供應，只需要信號電平功率（控制律）來調節減振器阻尼元件。大量研究結果表明，半主動懸架的性能要明顯地優于傳統的被動懸架[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出來[4； 5]。由洛德公司開發的磁流變阻尼器具有高屈服強度和穩定的滯回性能等優點，能夠覆蓋較大的溫度范圍。然而，這些阻尼器具有內在非線性特性，并且半主動懸架系統的某些參數是不確定的。針對磁流變阻尼器半主動懸架的結構特點，提出了魯棒控制方案，提出了包括滑模控制、H∞控制、自適應控制在內的各種控制策略。

這里，提出了一種基于跟蹤參考模型的滑模控制策略。該策略實現簡單，易于控制，具有較好地應用前景。數值仿真結果表明，該控制器在保持滑模模型的同時，對理想參考模型進行近乎一致的跟蹤。特別地能夠實現對MR減振器半主動懸架系統不確定性和外部擾動更好地控制效果，以及更高的適應性和魯棒性。

一、磁流變減振器半主動懸架系統

（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，其工作原理結構如圖2所示。

（二）車輛半主動懸架系統模型

建立起汽車1/4半主動懸架系統簡化模型，建立其動力學方程為：

（1）選取系統狀態變量 ，分別作為車輛乘坐舒適性、操縱穩定性和行駛安全性的評價衡量指標和優化控制目標，建立懸架系統狀態空間方程如式（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作為懸架控制系統的輸入矩陣。

（2）

其中：A為狀態矩陣、B為輸入矩陣、C為輸出矩陣。

（三）理想半主動懸架控制系統參考模型

選取理想可調阻尼懸架控制系統作為參考模型，其動力學方程為：

二、半主動懸架滑模變結構控制器設計

（一）誤差動力學模型

根據上述實際被控磁流變懸架模型及其理想參考模型，定義簧載質量速度誤差、簧載質量位移誤差以及位移誤差的積分為廣義誤差矢量E，即

（二）滑模控制器設計

根據極點配置方法規劃滑模面函數為：

（6）

式中：s為滑模切面；C為系數矩陣，E為狀態變量矩陣。滑模態運動微分方程式（6）決定了滑動模態的動態品質。為使滑模運動漸近穩定，應使滑模運動方程的全部特征根位于復平面左半平面上。設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，得到懸架振動系統的動態輸出響應分別為：簧載質量加速度 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）滑模控制器時域仿真分析

假定汽車以72km/h勻速行駛在C級路面，懸架振動系統的動態輸出響應：簧載質量加速度表示為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計中，主要的動態性能指標有：（1）代表乘坐舒適性的車身垂向加速度指標（BA）。（2）表示影響車身姿態及行駛安全性，且與結構設計和布置有關的懸架動行程（SWS）。（3）表征輪胎在隨機路面激勵下的輪胎動位移（DTD），表征車輛操縱穩定性。針對上述控制指標對模型進行仿真模擬計算，并與被動懸架相比較，仿真結果比較見表1。

由表1仿真結果得到，基于理想參考模型與誤差跟蹤的滑模變結構控制比被動懸架控制性能參數有顯著改善，表明變結構滑模控制能夠明顯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。在協調改善汽車乘坐舒適性的同時，提高了汽車的操縱穩定性等駕乘環境。

三、結語

針對1/4車輛磁流變減振器半主動懸架動力學模型，設計基于理想參考模型誤差跟蹤的滑模控制策略，成功實現對1/4車輛磁流變懸架系統動力學模型的滑模控制。結果表明，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，并且滑模控制器對系統懸架參數不確定性干擾、車速以及外載荷擾動不靈敏，具有很好的穩定性和魯棒性。

參考文獻：

[1] 聶佳梅， 張孝良， 胡貝， 等. 車輛被動懸架技術發展新方向[J]. 車輛與動力技術， 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的設計與研究[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：機械振動動力學分析及控制策略方法研究。