CN102729760B - 汽车半主动悬架***实时最佳阻尼控制算法 - Google Patents

汽车半主动悬架***实时最佳阻尼控制算法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及连续控制式半主动悬架***最佳阻尼的控制算法，是为更好地满足人们对乘坐舒适性和汽车行驶安全性要求而研发的。利用传感器测得车身振动加速度信号、车速信号和转角信号，根据传感器所测得的信号感知车辆当前行驶路况及悬架***阻尼比；根据测得的车身和车轮振动加速度，得到车身和车轮垂直运动速度及它们之间的相对运动速度；根据车辆参数确定出当前车速和路况下所要求的减振器最佳阻尼系数和阻尼力，并通过控制器输出步进电机转角控制信号，控制调节可控减振器阻尼节流孔的面积，使半主动悬架***达到所要求的最佳阻尼和阻尼力。本发明所提供的半主动悬架最佳阻尼控制算法，简单易于实现，对执行元件的动态性能要求低，有利于半主动悬架的应用和推广。

Description

汽车半主动悬架***实时最佳阻尼控制算法
 技术领域
本发明涉及汽车半主动***，特别是汽车半主动悬架***阻尼控制算法。
背景技术
汽车在实际行驶过程中，车速和行驶路况是不断变化的。随着汽车工业的快速发展和汽车行驶速度的不断提高，人们对汽车行驶安全性和乘坐舒适性提出了更高的要求。汽车半主动悬架***阻尼的控制方法对悬架的性能具有至关重要的作用，它直接影响汽车的操纵稳定性、乘坐舒适性和行驶安全性。对于汽车半主动悬架***而言，必然要求其阻尼随车速和汽车当前行驶路况连续可调，在保证汽车安全行驶的前提下，使乘坐舒适性达到最佳。目前，国、内外很多学者已对半主动悬架阻尼的控制方法进行了大量研究，应用较多的是基于速度的控制方法和基于路面谱输入及车身加速度的控制方法。其中较成功且应用最多的控制方法是基于速度控制的天棚控制方法及其改进的控制方法，采用这两种控制方法的半主动悬架***较之于被动悬架具有较好的减振性能，但是它们都不能保证对操纵稳定性进行改善，并未解决好悬架***乘坐舒适性和操纵稳定性这一矛盾。国内、外车辆工程专家已对半主动悬架阻尼比进行了大量研究，曾单独以车身振动加速度或车轮动载建立目标函数，对悬架***阻尼匹配进行了研究，但是由于悬架阻尼比决定车辆的乘坐舒适性和行驶安全性，且两者是相互矛盾和相互影响的。据所查阅资料可知，目前国内、外尚未能建立在不同行驶工况下安全性和舒适性相统一的实时最佳阻尼比数学模型，半主动悬架设计只能根据被动悬架阻尼比的可行性设计区(0.2～0.5)内，按照车辆类型和行驶路况，凭经验选择有限个(2或3个)阻尼比值，对可控减振器节流阀参数进行设计，在不同行驶工况下很难使车辆达到最佳减振效果。为了更好地改善半主动悬架***的性能，解决悬架***乘坐舒适性和操纵稳定性之间的矛盾，必须开发实时最佳阻尼匹配半主动悬架***阻尼的控制算法。
发明内容
针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种实时最佳阻尼匹配半主动悬架***阻尼的控制算法。
为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种实时最佳阻尼匹配半主动悬架***阻尼的控制方法，其技术方案如下：
(1) 确定车辆当前行驶路况的功率谱密度                                                
Figure 444637DEST_PATH_IMAGE001
：利用加速度传感器测得车身垂直振动加速度
Figure 700037DEST_PATH_IMAGE002
，车速传感器测得车辆行驶速度和阻尼控制量(电压或者步进电机转角等)求得悬架***当前阻尼比
Figure 546957DEST_PATH_IMAGE004
，再根据车辆单轮簧上质量
Figure 796672DEST_PATH_IMAGE005
、单轮簧下质量
Figure 719629DEST_PATH_IMAGE006
、悬架弹簧刚度
Figure 216338DEST_PATH_IMAGE007
、轮胎刚度和车身固有频率
Figure 278152DEST_PATH_IMAGE009
，确定车辆当前行驶路面功率谱，其中，，
Figure 15667DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 872765DEST_PATH_IMAGE013
为参考空间频率，
Figure 754002DEST_PATH_IMAGE014
；
(2) 计算当前行驶路况下悬架***所需要的动限位行程
Figure 405563DEST_PATH_IMAGE015
：根据行驶车速
Figure 388563DEST_PATH_IMAGE003
和路面功率谱密度，利用悬架动挠度概率分布与标准差的关系，确定此时悬架***所需要的动限位行程
Figure 519515DEST_PATH_IMAGE016
；
(3) 确定当前车速和路况下的悬架***实时最佳阻尼比
Figure 545240DEST_PATH_IMAGE017
：根据车辆悬架单轮簧上质量
Figure 999224DEST_PATH_IMAGE005
、簧下质量
Figure 932545DEST_PATH_IMAGE006
、悬架弹簧刚度
Figure 726058DEST_PATH_IMAGE007
、轮胎刚度
Figure 985001DEST_PATH_IMAGE008
、车身固有频率
Figure 411434DEST_PATH_IMAGE009
、路面功率谱密度
Figure 600976DEST_PATH_IMAGE001
、车速和悬架动限位行程
Figure 226309DEST_PATH_IMAGE015
，确定当前车速
Figure 467935DEST_PATH_IMAGE018
和路况
Figure 219026DEST_PATH_IMAGE001
下悬架***实时最佳阻尼比
Figure 596917DEST_PATH_IMAGE019
，且当
Figure 135346DEST_PATH_IMAGE020
时，取
Figure 598688DEST_PATH_IMAGE021
；当
Figure 130033DEST_PATH_IMAGE022
时，取
Figure 565693DEST_PATH_IMAGE023
；
(4) 确定簧上质量和簧下质量的相对运动速度
Figure 71761DEST_PATH_IMAGE024
：利用车身振动加速度传感器测得的车身垂直振动加速度
Figure 474929DEST_PATH_IMAGE002
，求得车身垂直运动速度
Figure 357435DEST_PATH_IMAGE025
；利用车轮振动加速度传感器测得的车轮垂直振动加速度
Figure 647602DEST_PATH_IMAGE026
，求得车轮垂直运动速度
Figure 324571DEST_PATH_IMAGE027
；根据车身垂直运动速度
Figure 949456DEST_PATH_IMAGE025
和车轮垂直运动速度
Figure 635652DEST_PATH_IMAGE027
，计算簧上质量和簧下质量的相对运动速度
Figure 780326DEST_PATH_IMAGE028
；
(5) 确定当前车速
Figure 893775DEST_PATH_IMAGE018
和路况
Figure 5957DEST_PATH_IMAGE001
下的减振器最佳阻尼系数
Figure 230265DEST_PATH_IMAGE029
：根据所确定的悬架***实时最佳阻尼比
Figure 495024DEST_PATH_IMAGE017
、悬架***单轮簧上质量
Figure 966325DEST_PATH_IMAGE005
、悬架刚度
Figure 113273DEST_PATH_IMAGE007
、减振器安装杠杆比
Figure 78955DEST_PATH_IMAGE030
和减振器安装角，确定当前车速和路况
Figure 927197DEST_PATH_IMAGE001
下的减振器最佳阻尼系数
Figure 493308DEST_PATH_IMAGE032
，其中，
Figure 467080DEST_PATH_IMAGE033
为平安比，且
Figure 280184DEST_PATH_IMAGE034
；
(6) 确定当前车速和路况
Figure 709208DEST_PATH_IMAGE001
下的最佳阻尼力
Figure 865383DEST_PATH_IMAGE035
：根据步骤(4)确定的相对运动速度
Figure 849388DEST_PATH_IMAGE024
及步骤(5)确定的减振器最佳阻尼系数
Figure 458224DEST_PATH_IMAGE029
，确定当前车速
Figure 303821DEST_PATH_IMAGE018
和路况
Figure 314502DEST_PATH_IMAGE001
下的最佳阻尼力，并通过控制***控制调节可控减振器达到所要求的阻尼力。
本发明比现有技术具有的优点：
本发明提供的汽车半主动悬架***最佳阻尼的控制算法，是以半主动悬架***最佳阻尼匹配作为控制目标，通过控制可控减振器最佳阻尼，使悬架***达到最佳阻尼匹配。该控制算法简单易实施，且利用该控制算法可明显改善悬架的性能，很好地解决悬架***乘坐舒适性和汽车行驶安全性之间的矛盾。
附图说明
为了更好地理解本发明下面结合附图作进一步说明。
图1是实时汽车主动悬架***最佳阻尼的控制算法原理图。
图2是实施例在车速60km/h时步进电机转角随路况的控制曲线。
图3是实施例在车速100km/h时步进电机转角随路况的控制曲线。
图4是实施例的车身垂直加速度的幅频特性曲线。
图5是实施例的悬架动挠度的幅频特性曲线。
图6是实施例的车轮相对动载的幅频特性曲线。
具体实施方式
下面通过一实施例对本发明作进一步详细说明。
某轿车悬架***单轮簧上质量
Figure 214828DEST_PATH_IMAGE037
=240kg、簧下质量
Figure 345595DEST_PATH_IMAGE038
=24kg；悬架弹簧刚度
Figure 671403DEST_PATH_IMAGE007
=9475N/m和轮胎刚度
Figure 926935DEST_PATH_IMAGE039
=85270N/m；车身固有频率
Figure 442230DEST_PATH_IMAGE040
=1.0Hz；可控筒式液压减振器安装杠杆比=0.8、安装角
Figure 924213DEST_PATH_IMAGE031
=10°。
本发明实施例所提供的实时最佳阻尼匹配半主动悬架***阻尼的控制方法，控制流程如图1所示，具体步骤如下：
(1) 确定车辆行驶路况的功率谱密度：利用车身振动加速度传感器测得车身振动加速度
Figure 907398DEST_PATH_IMAGE002
，车速传感器测得车辆行驶速度
Figure 684861DEST_PATH_IMAGE003
及步进电机转角
Figure 165521DEST_PATH_IMAGE041
反求得当前阻尼比，确定路面功率谱
Figure 439693DEST_PATH_IMAGE001
；
(2) 计算当前行驶路况
Figure 399559DEST_PATH_IMAGE001
下的悬架动挠度限位行程
Figure 238071DEST_PATH_IMAGE015
：根据行驶车速和路面功率谱密度
Figure 350701DEST_PATH_IMAGE001
，利用悬架动挠度概率分布与标准差的关系，确定悬架动挠度限位行程
Figure 352024DEST_PATH_IMAGE015
；
(3) 确定当前车速
Figure 174486DEST_PATH_IMAGE018
和路况
Figure 379202DEST_PATH_IMAGE001
下所需要的最佳阻尼比
Figure 578103DEST_PATH_IMAGE017
：根据轿车悬架***单轮簧上质量
Figure 433932DEST_PATH_IMAGE037
=240kg、簧下质量
Figure 364979DEST_PATH_IMAGE038
=24kg、悬架弹簧刚度=9475N/m、轮胎刚度
Figure 246533DEST_PATH_IMAGE039
=85270N/m、车身固有频率
Figure 769918DEST_PATH_IMAGE040
=1.0Hz、路面功率谱密度、车速及悬架动限位行程
Figure 121134DEST_PATH_IMAGE015
，确定当前车速和路况下所需要的最佳阻尼比
Figure 300443DEST_PATH_IMAGE042
，且当
Figure 841146DEST_PATH_IMAGE043
时，取
Figure 405988DEST_PATH_IMAGE044
；当
Figure 6734DEST_PATH_IMAGE045
时，取
Figure 407759DEST_PATH_IMAGE046
，其中
Figure 752153DEST_PATH_IMAGE047
，
Figure 171502DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 943148DEST_PATH_IMAGE013
为参考空间频率，
Figure 831470DEST_PATH_IMAGE014
；
(4) 确定当前车速
Figure 713975DEST_PATH_IMAGE018
和路况下所需要的最佳阻尼系数
Figure 133641DEST_PATH_IMAGE029
：根据悬架***单轮簧上质量
Figure 571576DEST_PATH_IMAGE037
=240kg、悬架刚度
Figure 444723DEST_PATH_IMAGE007
=9475N/m、减振器安装杠杆比
Figure 589396DEST_PATH_IMAGE030
=0.8、减振器安装角=10°及当前车速和路况下的最佳阻尼比
Figure 815027DEST_PATH_IMAGE017
，确定当前车速
Figure 39335DEST_PATH_IMAGE018
和路况
Figure 304094DEST_PATH_IMAGE001
下所需要的最佳阻尼系数
Figure 509817DEST_PATH_IMAGE049
；
(5) 确定簧上质量和簧下质量的相对运动速度
Figure 922344DEST_PATH_IMAGE024
：利用车身振动加速度传感器测得的车身振动加速度
Figure 888026DEST_PATH_IMAGE002
，估算簧上质量和簧下质量的相对运动速度
Figure 69608DEST_PATH_IMAGE024
；
(6) 确定当前车速
Figure 711811DEST_PATH_IMAGE018
和路况
Figure 283738DEST_PATH_IMAGE001
下所需要的最佳阻尼
Figure 36799DEST_PATH_IMAGE029
及阻尼力
Figure 276150DEST_PATH_IMAGE035
：根据步骤(4)确定的最佳阻尼系数及步骤(5)确定的相对运动速度
Figure 148477DEST_PATH_IMAGE024
，确定当前车速
Figure 518279DEST_PATH_IMAGE018
和路况
Figure 861404DEST_PATH_IMAGE001
下所需要的最佳阻尼力
Figure 658459DEST_PATH_IMAGE036
，通过控制可控减振器达到所要求的最佳阻尼力
Figure 204978DEST_PATH_IMAGE035
。
图2是实施例在车速60km/h时步进电机转角随路况的控制曲线，图3是实施例在车速100km/h时步进电机转角随路况的控制曲线。通过分析图2和图3可知，同一车速下，行驶在良好路面上时，可控减振器在舒适性最佳阻尼比下工作，步进电机转动较小的度数；行驶在差路面上时，可控减振器在安全性最佳阻尼比下工作，步进电机转动较大的度数；随着路面状况变差，步进电机转角逐渐增大。在低车速下行驶，步进电机调节的路面等级带宽大；在高车速下行驶，步进电机调节的路面等级带宽小。
图4是实施例的车身垂直加速度的幅频特性曲线，图5是实施例的悬架动挠度的幅频特性曲线，图6是实施例的车轮相对动载的幅频特性曲线。由图4~图6可知，与被动悬架相比，由于该轿车采用了半主动悬架***最佳阻尼的控制算法，车身振动加速度在低频共振区的峰值明显降低，车轮动载荷和悬架弹簧动挠度在低频和高频共振区的峰值也得到明显改善。
由此可知，采用半主动悬架***最佳阻尼的控制算法，可明显地改善悬架的性能，使车辆悬架达到最佳阻尼匹配，很好地解决悬架***乘坐舒适性和汽车行驶安全性之间的矛盾。

Claims (1)

1.基于车速和行驶路况的汽车半主动悬架最佳阻尼比控制方法，其具体步骤如下：
(1)确定路况的功率谱密度Gq(n0)：利用加速度传感器测得车身垂直振动加速度
Figure FDA00004983877900000118
车速传感器测得车辆行驶速度v和阻尼控制量即电压或者步进电机转角，求得悬架***当前阻尼比ξ，再根据车辆单轮簧上质量m2、单轮簧下质量m1、悬架弹簧刚度K、轮胎刚度Kt和车身固有频率f0，确定车辆当前行驶路面功率谱其中，n0为参考空间频率，n0＝0.1m-1；
(2)计算当前行驶路况下悬架***所需要的动限位行程[fd]：根据行驶车速v和路面功率谱密度Gq(n0)，利用悬架动挠度概率分布与标准差的关系，确定此时悬架***所需要的动限位行程 [ f d ] = 0.03 0 &le; G q ( n 0 ) &le; 32 &times; 10 - 6 0.07 32 &times; 10 - 6 < G q ( n 0 ) &le; 512 &times; 10 - 6 0.09 512 &times; 10 - 6 < G q ( n 0 ) &le; 2048 &times; 10 - 6 0.135 G q ( n 0 ) > 2048 &times; 10 - 6
(3)确定当前车速和路况下的悬架***实时最佳阻尼比ξo：根据车辆悬架单轮簧上质量m2、簧下质量m1、悬架弹簧刚度K、轮胎刚度Kt、车身固有频率f0、路面功率谱密度Gq(n0)、车速v和悬架动限位行程[fd]，确定当前车速v和路况Gq(n0)下悬架***实时最佳阻尼比 &xi; o = 9 &pi; G q ( n 0 ) n 0 2 v 1 + r m 4 f 0 r m [ f d ] 2 , 且当 &xi; o &le; 1 2 1 + r m r m r k 时，取 &xi; o = 1 2 1 + r m r m r k ; 当 &xi; o &GreaterEqual; 1 2 1 + r m r m r k + r m r k - 2 - 2 r m ( 1 + r m ) 2 时，取 &xi; o &GreaterEqual; 1 2 1 + r m r m r k + r m r k - 2 - 2 r m ( 1 + r m ) 2
(4)确定簧上质量和簧下质量的相对运动速度
Figure FDA0000498387790000019
利用车身振动加速度传感器测得的车身垂直振动加速度
Figure FDA00004983877900000110
求得车身垂直运动速度
Figure FDA00004983877900000111
利用车轮振动加速度传感器测得的车轮垂直振动加速度
Figure FDA00004983877900000112
求得车轮垂直运动速度
Figure FDA00004983877900000113
根据车身垂直运动速度和车轮垂直运动速度计算簧上质量和簧下质量的相对运动速度
Figure FDA00004983877900000116
(5)确定当前车速v和路况Gq(n0)下的减振器最佳阻尼系数Co：根据所确定的悬架***实时最佳阻尼比ξo、悬架***单轮簧上质量m2、悬架刚度K、减振器安装杠杆比i和减振器安装角θ，确定当前车速v和路况Gq(n0)下的减振器最佳阻尼系数 C o = 2 &xi; o Km 2 i 2 cos 2 &theta; | z &CenterDot; | &le; 0.3 2 &xi; o Km 2 &eta;i 2 cos 2 &theta; | z &CenterDot; | > 0.3 , 其中，η为平安比，且η>1；
(6)确定当前车速v和路况Gq(n0)下的最佳阻尼力Fo：根据步骤(4)确定的相对运动速度
Figure FDA0000498387790000021
及步骤(5)确定的减振器最佳阻尼系数Co，确定当前车速v和路况Gq(n0)下的最佳阻尼力 F o = C o z &CenterDot; ;
(7)通过控制步进电机转动一定角度α，调节可控减振器阻尼孔面积达到所要求的最佳阻尼力Fo。
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