張 楊，周武能，潘 亮，楊佳樂（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控制系統(tǒng)的研究

張 楊，周武能，潘 亮，楊佳樂
（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懸架硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并通過在實(shí)車試驗(yàn)平臺上實(shí)驗(yàn)分析了被動懸架和磁流變半主動控制懸架的平順性。結(jié)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(wěn)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(gòu)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(wěn)定性［1］。傳統(tǒng)的被動懸架由阻尼系數(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，對多變的行駛路況適應(yīng)能力很差。半主動懸架可以在一定范圍內(nèi)對執(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)簡單、成本低、容錯性好等特點(diǎn)［2］。磁流變減振器是利用新型材料磁流變液在變化磁場作用下快速可逆的流變特性而設(shè)計(jì)的一種新型作動器，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懸架中，搭建硬件設(shè)備平臺，實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，最后通過在車輛震動實(shí)驗(yàn)平臺上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shè)計(jì)

整車一般由4個懸掛系統(tǒng)組成，但理論分析時常采用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；F為控制力，當(dāng)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(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”之間安裝一個阻尼器。該阻尼器的阻尼系數(shù)變化時會產(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寫出運(yùn)動微分方程如下：

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(guān)系。由于所以當(dāng)同向時，F(xiàn)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(dāng)與反向時，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(chǎn)生一個阻尼力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，通過對懸掛系統(tǒng)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(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。磁流變阻尼器沒有工作的情況下該懸掛系統(tǒng)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(tǒng)中的阻尼器產(chǎn)生的阻尼力F對整個控制系統(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(zhì)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(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)比被動懸掛控制系統(tǒng)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(yīng)用于半主動懸掛系統(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懸架中，搭建硬件設(shè)備平臺和實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，最后通過對在車輛震動實(shí)驗(yàn)平臺上獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(tǒng)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(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。