天棚阻尼控制的快速原型驗證

王圣坤，李 欣，巨 冶

天棚阻尼控制的快速原型驗證

王圣坤1,2，李 欣1,2，巨 冶1,2

（1.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300； 2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

為提高車輛平順性及駕乘體驗，基于天棚阻尼控制策略，利用MATLAB/Simulink搭建了一套垂向減振器半主動懸架控制模型，并在扭曲路工況進行車輛動力學仿真分析，實現了該策略在軟件層面的有效性驗證；將上述模型進行通道匹配，并移植燒錄至硬件dSPACE MicroAutoBox III中進行實車特征路的驗證工作。主、客觀相關數據表明，天棚阻尼控制下的半主動懸架，能使車輛主駕駛位座椅加速度均方根值明顯減小，車輛的前后軸沖擊、振動收斂、車身姿態等均有明顯改善，驗證了天棚阻尼控制策略在工程中的有效性。

天棚阻尼控制；車輛動力學仿真分析；平順性；實車驗證

汽車懸架的一個主要功能是為駕乘者提供良好的乘坐舒適性體驗，有效地過濾來自于路面的振動[1-2]。懸架連接著車輪和車身，其設計影響到汽車的操縱穩定性及平順性，而這兩者是存在矛盾的，傳統的解決方式是通過折中的形式兼顧二者，電控懸架的出現為該問題的解決提供了新思路[3-4]。

半主動懸架既保留了被動懸架結構簡單、穩定性好的優點，性能又接近于主動懸架；同時，半主動懸架使用可調彈簧或可調阻尼而并非力作動器，能耗相比于主動懸架也很小[5]。與主動懸架相比，半主動懸架能夠以較小的功率消耗實現與主動懸架相似的駕乘體驗[6]。

半主動控制思想的基本原理為利用可調減振元件來取代被動懸架中的線性元件。控制器通過傳感器采集振動信號，決策后對減振元件的參數進行調節，而阻尼器的阻尼系數為主要參數調節對象。半主動懸架實現了制造成本、設備復雜度、能耗以及懸架性能的最佳折中，因而，其具有廣闊的發展空間，成為汽車行業的重點研究對象[7-8]。

KARNOPP等[9-10]最先提出天棚阻尼控制理論。天棚阻尼控制算法較于預瞄控制、線性二次高斯（Linear Quadratic Gaussian, LQG）控制、神經網絡控制（Neural Network Control, NNC）、最優控制等具有算法簡單，可靠性高，研究方案成熟等優點，目前被廣泛運用于現代懸架控制系統方案。

文章以提高車輛乘坐舒適性為重點控制對象，以簧上速度及減振器速度作為懸架阻尼控制的判斷依據，基于天棚控制策略進行了動力學仿真及快速原型的實車驗證。

1 天棚控制策略動力學仿真分析

1.1 天棚控制原理

天棚阻尼控制的思想是在車體和假想的“天棚”之間安裝一個阻尼器，該阻尼器對簧上質量產生與其運動速度相反的作用力，進而抑制簧上質量振動，實現減小振動的效果。二自由度四分之一懸架模型包含了車輛垂向的基本信息，其模型結構如圖1所示。

根據牛頓第二定律，對上述懸架系統進行動力學分析：

式中，b為簧上質量；w為簧下質量；b為簧上質量的垂向位移；w為簧下質量垂向位移；r為懸架剛度；為懸架阻尼系數；為懸架剛度；t為輪胎剛度。

圖1 四分之一懸架模型

天棚阻尼控制力d計算如下：

由于實際車輛無法實施這樣的理想力，應用時一般在系統中通過一個可控執行元件來模擬這個力。通過測量車身和懸架的相對運動速度，應用開關“on-off”半主動控制來實現。基于以上描述，阻尼系數sky計算如下：

式中，max和min分別為可調減振器可提供的最大和最小阻尼系數。

阻尼力：

=satg0gggggg （4）

式中，sat{·}是飽和函數，將阻尼特性限制在減振器的物理特性之內，即輸出的力在減振器最小阻尼力和最大阻尼力之間。

1.2 動力學仿真分析

文章采用7自由度整車模型進行相關狀態量的計算，如圖2所示。假定車身為一剛體，四個車輪為質量點，懸架形式簡化為4個獨立懸架。7個自由度分別指的是車身的垂向位移、側傾角、俯仰角和四個車輪的垂向位移。

圖2 7自由度整車模型

簧上質量的垂向運動方程：

同時，

為分析天棚阻尼半主動控制算法的有效性，本文將傳統減振器作為對比對象，以簧上加速度值的加速度均方根值為指標進行對比分析。加速度（均方根值）越小，表明車輛的乘坐舒適性越好。在動力學仿真中，以配備可變阻尼減振器（Continuous Damping Control, CDC）的某量產車模型（CarSim模型）作為被控對象，在MATLAB/ Simulink中搭建天棚控制策略對該車輛模型進行控制，仿真過程中車輛參數設置如表1所示。

表1 車輛參數

參數名稱符號數值 簧上質量/kgMs2 100 側傾轉動慣量/(kg·m2)Ix700 俯仰轉動慣量/(kg·m2)Iy3 200 質心至前軸距離/mL11.303 質心至后軸距離/mL21.442 質心高度/mh0.65 仿真頻率/Hzfreq1 000

基于以上設置，進行動力學的聯合仿真，搭建相關驗證模型如圖3所示。通過參數的輸入，根據天棚控制策略計算出所需要的理想阻尼力，作為CarSim車輛模型的輸入，將車輛的響應作為天棚策略的實時輸入，形成閉環控制。

在仿真過程中，車速為定速18 km/h，制動關閉，設置仿真工況為扭曲路，高76 mm，縱向特征長2 m，其示意如圖4所示。

對比被動減振器與天棚策略控制下的質心垂向加速度，仿真結果如圖5所示。結果表明，相較于被動減振器，半主動懸架的控制策略對于車輛質心加速度有明顯的降低，一定程度上提高了車輛行駛過程中的平順性。

圖5 質心垂向加速度對比

2 快速原型系統搭建

2.1 可控減振器快速原型系統搭建

在開發初期階段，快速地建立控制器模型，并對整個控制系統進行多次的、離線的以及在線的試驗來驗證控制系統軟硬件方案的可行性，該過程稱之為快速控制原型（Rapid Control Proto- type, RCP）。簡而言之，RCP就是將控制系統設計軟件（如MATLAB/Simulink）開發的控制算法在一個實時的硬件上實現。

MicroAutoBox III是一款可用于快速實現車載功能原型開發的實時系統。為驗證天棚阻尼控制系統的有效性，基于MicroAutoBox III在實車環境下搭建了可控減振器硬件的驗證系統。通過標定將車輛減振器相對位移的電壓信號轉換為物理值，車輛的狀態信息通過慣性測量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）以控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）總線的形式進行數據傳輸，脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation, PWM）信號作為可控減振器的控制信號。在Simulink模型中進行模擬通道、CAN通道及數字通道的分配，并與ConfigurationDesk建立映射關系；利用ConfigurationDesk將程序進行編譯，利用ControlDesk完成程序下載燒錄、觀測及采集工作。此外，在車輛系統中增加了加速度傳感器、電流傳感器等作為觀測信號來源，便于程序的調試及迭代工作。

傳感器的實際信號作為控制器的實時輸入，電磁閥的占空比為控制信號的輸出。CDC減振器的電磁閥開度由電流的大小決定，因此需要將MicroAutoBox III輸出的PWM信號輸出轉換為電流。這里采用的RapidPro（M-Stack）設備將MicroAutoBox的占空比轉換為電流，驅動負載，實現阻尼控制。基于以上工作，完成了可控減振器快速原型系統搭建，如圖6所示。

圖6 快速原型系統

2.2 快速原型算法移植

在實際工程應用過程中，CDC減振器控制系統的實現過程如圖7所示。在路面的激勵下，車輛模型的系統狀態變量將發生相應的改變，將狀態變量及相關的傳感器信號作為天棚控制策略的輸入；控制策略根據系統狀態變量計算得到當前時刻減振器所需要的理想阻尼力，并經過阻尼力的邊界約束計算得出CDC減振器硬件的實際可輸出控制力；利用實際可輸出控制力及CDC 逆向模型計算得出當前時刻所需要的電流，進而驅動減振器電磁閥，實現變阻尼控制。

圖7 CDC 減振器控制工程實現

調整模型并進行控制器物理通道匹配，更新后的模型如圖8所示。

編譯完成后，通過ControlDesk將該策略燒錄下載至MicroAutoBox III中，在ControlDesk進行算法標定及數據采集相關工作。

3 結果分析

本次實車測試工況包括：1）勻速40 km/h通過瀝青凍脹變形路；2）勻速90 km/h通過正弦波路。評價形式包括：以主駕駛位座椅滑軌處加速度均方根值作為客觀的評價依據；以主觀評價人員的評分作為車輛的主觀評價依據。

3.1 客觀評價

通過加速度傳感器及數據采集設備，分別采集車輛處于被動減振器以及天棚策略控制的CDC減振器狀態下主駕駛位座椅處的加速度值，其對比結果如圖9、圖10所示。

圖9 正弦波路

圖10 瀝青凍脹變形路

計算出的加速度均方根值如表2所示。

表2 加速度均方根值

特征路CDC減振器（天棚控制）被動減振器 正弦波路（90 km/h）0.142 70.152 1 瀝青凍脹變形路（40 km/h）0.094 90.101 9

客觀數據表明，天棚控制對于舒適性有所提升，降低了在瀝青凍脹變形路和正弦波路上簧上質量的振動。

3.2 主觀評價

主觀評價采用十分制的形式進行評定，駕乘后主觀評價分值如表3所示。

表3 主觀評價分值表

瀝青凍脹變形正弦波路 前軸沖擊前軸收斂后軸沖擊后軸收斂車身姿態車身控制貼地感 天棚控制7.007.006.006.006.006.507.00 被動減振器5.506.506.006.004.505.505.00

為直觀體現，建立上述數據雷達圖，如圖11所示。

圖11 雷達圖

主觀評價表明，天棚控制策略下的半主動懸架在正弦波路及瀝青凍脹變形路上的車輛表現均有所改善。

4 結束語

本文針對天棚控制提出快速原型的實施方案，驗證了天棚控制策略的半主動懸架控制效果。

1）實現快速原型的實車驗證；2）較被動減振器，座椅加速度均方根值顯著減小，一定程度上提高了車輛的駕乘舒適性；3）主觀角度車輛性能較于被動減振器有一定的提升；4）實現了天棚阻尼控制策略在車輛上的工程化應用。

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Rapid Prototype Verification of Skyhook Damping Control

WANG Shengkun1,2, LI Xin1,2, JU Ye1,2

( 1.China Automotive Technology & Research Center Company Limited, Tianjin 300300, China; 2.CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Company Limited, Tianjin 300300, China )

In order to improve the ride and driving experience of the vehicle, based on the skyhook damping control strategy, a set of semi-active suspension control model of vertical damper is built using MATLAB/Simulink, and the vehicle dynamics simulation analysis is carried out under the twisted road conditions, and the effectiveness of the strategy is verified at the software level.The above model is matched with the channel, and transplanted and burned to the hardware dSPACE MicroAutoBox III for the verification of the real vehicle characteristic path. The subjective and objective data show that the root mean square value of the acceleration of the seat in the driver's seat of the vehicle under the control of the canopy damping is significantly reduced, and the front and rear axle impact, vibration convergence, body attitude, etc. of the vehicle are significantly improved, which verifies the effectiveness of the skyhook damping control strategy in the project.

Skyhook damping control; Vehicle dynamics simulation analysis; Ride; Real vehicle verification

U462

A

1671-7988(2023)19-81-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.016

王圣坤（1996－），男，碩士，研究方向為半主動懸架控制，E-mail:wangshengkun@catarc.ac.cn。