裝甲車輛磁流變座椅振動控制方法研究

唐志勇，朱 煒，朱洪濤

(南京理工大學(xué) 發(fā)射動力學(xué)研究所， 南京 210094)

良好的作業(yè)環(huán)境是保障乘員戰(zhàn)斗力的重要因素，而提高座椅懸架的減振性能是改善乘員的作業(yè)環(huán)境最簡單有效的方法。當(dāng)前座椅懸架的形式主要有三種：被動式座椅懸架、主動式座椅懸架和半主動式座椅懸架[1]。傳統(tǒng)的被動式座椅懸架由剛度固定的彈簧和阻尼固定的阻尼器組成，它是根據(jù)特定的行駛狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)的，隔振性能較差，無法適應(yīng)多變的行駛路況[2]。磁流變阻尼器因其阻尼力連續(xù)可調(diào)、響應(yīng)快、耗能少等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于武器緩沖、軍用防護(hù)、軍用飛機(jī)和軍用車輛等地方[3-4]。基于磁流變阻尼器的半主動座椅可以通過對磁流變阻尼器輸入不同電流來調(diào)節(jié)阻尼力，從而達(dá)到更好的減振效果[5-6]。空氣彈簧具有變剛度、吸振降噪性能好、重量輕、使用壽命長等特點(diǎn)，被應(yīng)用于半主動懸架的剛度控制[7]。

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

目前大部分半主動座椅都是通過調(diào)節(jié)阻尼提高減振性能，對剛度和阻尼聯(lián)合調(diào)節(jié)的研究很少。國內(nèi)外學(xué)者對半主動座椅懸架阻尼調(diào)節(jié)的控制策略做了大量研究，孟小杰[8]通過遺傳算法辨識得到磁流變阻尼器的模型參數(shù)，在此基礎(chǔ)上研究了座椅懸架的開關(guān)天棚半主動控制策略；S Gad等[9]基于磁流變阻尼器設(shè)計(jì)了一種新型半主動座椅懸架分?jǐn)?shù)階PID控制器；Rajendiran S等[10]基于磁流變阻尼器設(shè)計(jì)了半主動座椅懸架PID控制器和模糊控制器，研究結(jié)果表明模糊控制器控制效果更好；Nguyen S D等[11]提出了一種新型神經(jīng)模糊控制器，用于汽車駕駛員座椅磁流變減振系統(tǒng)；Devdutt Singh等[12]對磁流變阻尼器進(jìn)行多項(xiàng)式建模，設(shè)計(jì)了具有耦合規(guī)則的模糊-PID混合控制器。

本文通過模糊控制策略實(shí)現(xiàn)了半主動座椅的剛度和阻尼聯(lián)合調(diào)節(jié)，進(jìn)行了隨機(jī)路面下的動力學(xué)仿真，為變剛度變阻尼座椅懸架的工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

1 磁流變阻尼器模型建立

1.1 磁流變阻尼器的力學(xué)模型

磁流變液阻尼器在力學(xué)性能上具有強(qiáng)烈的非線性，而Bouc-Wen模型[13-14]是工程上廣泛使用的一種阻尼器的遲滯非線性力學(xué)模型，它能夠較好的體現(xiàn)磁流變阻尼器的遲滯現(xiàn)象，也能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出阻尼器的力-位移和力-速度曲線。磁流變阻尼器的Bouc-Wen模型如圖1所示。

圖1 阻尼器Bouc-Wen模型示意圖

阻尼力Fd為：

(1)

1.2 磁流變阻尼器的力學(xué)性能試驗(yàn)

本文針對美國Lord公司生產(chǎn)使用的RD-8040-1型磁流變液阻尼器進(jìn)行研究，使用W+B(Walter+Bai)力學(xué)性能試驗(yàn)機(jī)對阻尼器進(jìn)行力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)，獲得了正弦激勵下，不同電流時阻尼器的力-位移曲線。

如圖2所示利用夾具將磁流變阻尼器固定于W+B疲勞試驗(yàn)機(jī)上，直流電流源對阻尼器供電，施加電流分別為0 A、0.2 A、0.4 A、0.6 A、0.8 A、1 A，控制電腦使W+B試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)生正弦激勵，頻率為2 Hz，振幅為10 mm，試驗(yàn)采樣頻率為1 000。

圖2 磁流變阻尼器力學(xué)性能試驗(yàn)現(xiàn)場

通過改變W+B試驗(yàn)機(jī)的激勵和磁流變阻尼器的控制電流，得到多組阻尼力和位移的數(shù)據(jù)，使用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到如圖3所示的10 mm 2 Hz激勵下磁流變阻尼器的力-位移曲線。

圖3 阻尼器力-位移曲線

1.3 Bouc-Wen模型參數(shù)識別

為了使基于Bouc-Wen模型的計(jì)算結(jié)果吻合于實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，本文選用遺傳算法進(jìn)行參數(shù)識別。利用Matlab中自帶的遺傳算法工具箱進(jìn)行遺傳算法的參數(shù)識別，參數(shù)擬合結(jié)果為式(2)。

(2)

式中，I為磁流變阻尼器的輸入電流。

對10 mm 2 Hz激勵下阻尼器數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，電流分別為0 A、0.2 A、0.4 A、0.6 A、0.8 A、1 A，圖4是磁流變阻尼器實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)曲線。從圖中可看出，遺傳算法識別參數(shù)擬合出的紅色虛線與實(shí)驗(yàn)得到黑色實(shí)線基本吻合，所以該Bouc-Wen模型可以真實(shí)的反映磁流變阻尼器實(shí)際出力情況。

圖4 磁流變阻尼器力-位移擬合數(shù)據(jù)曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線

2 座椅懸架系統(tǒng)分析

2.1 座椅懸架模型

裝甲車輛行駛時，路面激勵經(jīng)過履帶輪、車體最終傳遞給座椅和人體，假設(shè)車體是前一個振動環(huán)節(jié)，“座椅—人體”系統(tǒng)是后一個振動環(huán)節(jié)，這里“座椅—人體”系統(tǒng)的質(zhì)量遠(yuǎn)小于裝甲車輛車體的質(zhì)量，汽車?yán)碚撜J(rèn)為這兩個環(huán)節(jié)之間沒有反饋，車身底板的垂直振動就是“座椅—人體”系統(tǒng)的輸入。利用發(fā)射動力學(xué)研究所開發(fā)的坦克動態(tài)系統(tǒng)仿真軟件MSTMMSim(如圖5所示)得到了C級路面激勵下，車速10 m/s時某型裝甲車車體的位移響應(yīng)，如圖6所示，以此作為座椅的激勵。

圖5 MSTMMSim軟件坦克車輛動力學(xué)計(jì)算結(jié)果動畫截圖

圖6 C級路面下車身響應(yīng)曲線

某型號座椅懸架總成如圖7(a)所示，把人體簡化為一個剛性質(zhì)量m3，它與空氣彈簧k和磁流變阻尼器Fd構(gòu)成了如圖7(b)所示的一自由度非線性系統(tǒng)。

圖7 座椅懸架

該模型運(yùn)動方程如下：

(3)

式中：m3為座椅懸架簧載質(zhì)量，為80 kg；k為座椅懸架等效剛度，其值如式(4)所示；x3為座椅懸架上底板位移；x2為座椅懸架下底板位移；Fdy為磁流變阻尼器等效阻尼力；Fd為磁流變阻尼器阻尼力；D為阻尼器安裝端點(diǎn)橫向距離，為0.16 m；d0為座椅懸架上底板與下底板之間初始距離，為0.095 m。

當(dāng)負(fù)載為80 kg時，對座椅懸架等效剛度和座椅上底板高度關(guān)系曲線進(jìn)行擬合得到

k=1.534×108h3-2.967×107h2+

2.121×106h-4.237×104

(4)

2.2 座椅懸架振動特性

為了了解座椅懸架參數(shù)對座椅減振性能的影響，這里通過分析求解得到的“座椅—人體”加速度對激勵x2的幅頻特性曲線。

由式(3)可知座椅系統(tǒng)的幅頻特性為

(5)

“座椅—人體”加速度對激勵的幅頻特性為

(6)

根據(jù)式(6)得到了圖8所示的剛度和阻尼對幅頻特性的影響曲線，當(dāng)阻尼不變時，座椅的加速度幅頻特性曲線如圖8(a)所示，從圖8(a)中可以看出同一激勵頻率下，隨著剛度k的減小，加速度與位移激勵的比值在減小，即加速度響應(yīng)在減小，適當(dāng)降低剛度可以提高座椅減振性能；當(dāng)剛度不變時，座椅的加速度幅頻特性曲線如圖8(b)所示，從圖中可以看出隨著阻尼c的增大，加速度與位移激勵比值的峰值急劇減小，增大阻尼可以有效減小共振，在低頻時增大阻尼，高頻時減小阻尼可以提高座椅減振性能。

圖8 剛度和阻尼對幅頻特性的影響曲線

3 模糊控制及仿真

本文采用模糊控制算法來對座椅懸架進(jìn)行控制，通過空氣彈簧實(shí)現(xiàn)剛度調(diào)節(jié)，通過磁流變阻尼器實(shí)現(xiàn)阻尼調(diào)節(jié)，座椅懸架控制系統(tǒng)如圖9所示。

圖9 半主動座椅控制系統(tǒng)框圖

模糊控制器1的輸入信號為座椅懸架上底板的速度和座椅懸架上下底板的相對速度。速度和相對速度的模糊論域?yàn)閇-6，6]，量化因子kv=20，kvr=24，語言變量為“負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)”。選取磁流變阻尼器的控制電流為模糊控制器的輸出，輸出的范圍為[0，1]，定義5個語言變量，為{S，MS，M，MB，B}，分別表示電流的小、中小、中、中大和大，輸入輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)。

模糊控制器1的控制經(jīng)驗(yàn)如下：① 當(dāng)座椅上底板速度v3和上下底板相對速度v3-v2同向時，磁流變阻尼器阻尼力應(yīng)該與v3成正比，v3越大，控制電流越大；② 當(dāng)座椅上底板速度v3和上下底板相對速度v3-v2反向時，磁流變阻尼器阻尼力應(yīng)該為零，此時控制電流為零。根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)建立的模糊控制規(guī)則如表1。

表1 模糊控制器1模糊規(guī)則

模糊控制器2的輸入信號為座椅懸架上下底板的相對位移，模糊論域?yàn)閇-6，6]，量化因子為200，語言變量為“負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)”。輸出信號為座椅懸架的高度，模糊論域?yàn)閇0，1]，比例因子為0.1，語言變量為“大(B)，中(M)，小(S)，零(ZO)”，輸入輸出變量均采用三角形隸屬度函數(shù)。

模糊控制器2的控制經(jīng)驗(yàn)如下：當(dāng)座椅懸架上下底板相對位移較小時，在限位行程內(nèi)盡可能降低座椅高度，即對空氣彈簧放氣來減小座椅剛度；當(dāng)座椅懸架上下底板相對位移較大時，盡可能提高座椅高度使其不撞擊限位塊，即對空氣彈簧充氣來增大座椅剛度，座椅懸架等效剛度與座椅高度的關(guān)系如式(4)所示，經(jīng)過計(jì)算可得到座椅懸架剛度。根據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)建立的模糊控制規(guī)則如表2。

表2 模糊控制器2模糊規(guī)則

使用Simulink搭建模糊控制的半主動座椅單自由度仿真模型，仿真時間為10 s，仿真步長為0.001 s，“人—椅”質(zhì)量為80 kg，仿真結(jié)果如圖10和圖11。

圖10 座椅懸架加速度響應(yīng)曲線

圖11 座椅懸架動行程響應(yīng)曲線

圖10所示為座椅懸架模糊控制下加速度響應(yīng)曲線，被動座椅懸架加速度均方根為1.739 0 m/s2，模糊控制策略下變阻尼座椅懸架加速度均方根為1.177 9 m/s2，加速度均方根減少了32.27%，模糊控制策略下變剛度變阻尼座椅懸架加速度均方根為1.025 8 m/s2，加速度均方根減少了41.01%，從圖11可知模糊控制策略下變剛度變阻尼座椅懸架動行程相比被動座椅懸架明顯減小，該變剛度變阻尼座椅懸架比被動座椅和單獨(dú)變阻尼控制的座椅擁有更好的減振性能。

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)平臺整體方案

為了驗(yàn)證半主動座椅懸架的減振性能和模糊控制策略的控制效果，設(shè)計(jì)了如圖12所示的半主動座椅控制系統(tǒng)，基于此系統(tǒng)搭建了如圖13所示的磁流變座椅振動控制試驗(yàn)平臺。

圖12 磁流變座椅懸架控制系統(tǒng)框圖

圖13 磁流變座椅懸架控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺

在振動試驗(yàn)控制儀的ShakerController控制軟件里設(shè)定好所需激勵信號，該系統(tǒng)會控制一自由度振動臺產(chǎn)生相應(yīng)的振動激勵。在座椅懸架上下底板處各安裝有一個8711-01-005型量程5g的加速度傳感器，上底板傳感器靈敏度為927.32 mv/g，下底板傳感器靈敏度為928.46 mv/g。在磁流變阻尼器處安裝有一個位移傳感器，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集座椅的振動響應(yīng)信號，信號經(jīng)過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，在speedgoat仿真平臺下獲得磁流變阻尼器的控制電流，并向電流源輸送電流控制信號，同時獲得空氣彈簧的充放氣信號，并控制開關(guān)電磁閥充放氣。此時通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備反饋回的座椅上底板加速度響應(yīng)和磁流變阻尼器處位移傳感器信號來時刻修正電流控制信號和電磁閥充放氣信號。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

因?yàn)樵撜駝优_無法產(chǎn)生隨機(jī)激勵信號，這里通過正弦激勵來驗(yàn)證半主動座椅減振效果，座椅懸架固有頻率在 2 Hz 左右。

當(dāng)座椅懸架共振時，被動座椅懸架與模糊控制下的座椅懸架加速度響應(yīng)如圖14所示，被動座椅懸架加速度均方根為3.572 3 m/s2，僅對磁流變阻尼器進(jìn)行控制時座椅上底板加速度均方根值為2.185 7 m/s2，加速度均方根值減少了38.81%，對空氣彈簧和磁流變阻尼器進(jìn)行聯(lián)合控制時座椅上底板加速度均方根值為1.945 7 m/s2，加速度均方根值減少了45.53%，該變剛度變阻尼座椅懸架比被動座椅懸架和變阻尼座椅懸架擁有更好的隔振性能。

圖14 2 Hz 16 mm正弦激勵下加速度響應(yīng)曲線

5 結(jié)論

本文制定了基于空氣彈簧和磁流變阻尼器的半主動座椅模糊控制策略，并進(jìn)行驗(yàn)證。通過仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制方法實(shí)現(xiàn)了座椅懸架的剛度和阻尼調(diào)節(jié)，相比被動座椅和單獨(dú)變阻尼控制的座椅，該半主動座椅擁有更好的減振性能。