CN106515348B - 一种用于车辆悬架***的智能加速度阻尼半主动控制方法 - Google Patents

一种用于车辆悬架***的智能加速度阻尼半主动控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于车辆悬架***的智能加速度阻尼半主动控制方法。测量车身垂直加速度信号
Figure DDA0001189371190000011
和车身与轮胎的相对位移信号Zdef。将加速度信号
Figure DDA0001189371190000012
接入一个控制***W。经过该控制***后的信号为S，将信号S和车身与轮胎相对运动速度信号
Figure DDA0001189371190000013
相乘，当结果大于零时，减振器输出最大阻尼Cmax(方式A)或者
Figure DDA0001189371190000014
(方式B)，当结果小于等于零时，减振器输出最小阻尼Cmin。由此实现减振器阻尼的动态阻尼调节。具有开关型阻尼控制或连续型阻尼控制两种方式，该方法简单，能够在路面全部激励频率范围内有效的抑制车身的垂向振动加速度，使车辆具有较好的乘坐舒适性，显著地提高车辆的悬架性能。

Description

一种用于车辆悬架***的智能加速度阻尼半主动控制方法
技术领域
本发明涉及一种用于车辆悬架***的智能加速度阻尼半主动控制方法，属于车辆振动控制领域。
背景技术
悬架是车辆行驶***不可或缺的组成部分，其性能直接决定车辆的乘坐舒适性、操纵稳定性和行驶安全性，车辆对性能优越的悬架***有着迫切的需求。现阶段，基于主动、半主动控制的可控悬架技术是提高悬架性能公认的有效途径，而简单有效、性能良好的控制方法一直是可控悬架***开发的关键问题。
在减振器种类方面，同时具有开关型软硬阻尼可调减振器和连续型阻尼可调减振器。其中阻尼连续可调减振器包括CDC(连续阻尼控制)减振器和流变液阻尼连续可调减振器，如磁流变液减振器和电流变液减振器。
目前应用于车辆悬架的控制方法主要分为三类：一是经典控制方法；二是现代控制方法；三是智能控制方法。各类控制方法均能不同程度地改善悬架性能，但其中也有些方法由于计算复杂而不适合于工程应用。从工程应用的角度出发，经典控制方法具有计算量小、简单实用等优点，更具有适用性，但是经典的开关型天棚阻尼控制和加速度阻尼控制不能在整个激励频域内都具有优秀的控制效果。
发明内容
本发明的目的在于提出一种用于车辆悬架***的智能加速度阻尼半主动控制方法，包括开关型阻尼动态控制或连续型阻尼动态控制两种方式，以车身垂向振动加速度和车身与轮胎相对位移作为输入，减振器阻尼作为输出的半主动控制方法，在整个激励频域内都能达到较好的控制效果，显著的提高车辆的悬架性能。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方式：
1.一种用于车辆悬架***的智能加速度阻尼半主动控制方法，包括开关型阻尼动态控制或连续型阻尼动态控制两种方式，基于四分之一车辆半主动悬架***实现，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤1：通过安装在待控制的四分之一车辆半主动悬架***中的车轮上方所对应的车身部分上的加速度传感器测得车身垂直加速度信号
Figure BDA0001189371170000021
通过安装在待控制的四分之一车辆半主动悬架***中悬架上的位移传感器测得车身与轮胎相对位移Zdef；
步骤2：将步骤1中测得的加速度信号
Figure BDA0001189371170000022
接入一个控制***W，并将加速度信号
Figure BDA0001189371170000023
通过控制***W后的输出信号定义为信号S，通过对步骤1中测得的车身与轮胎的相对位移Zdef求微分得到车身与轮胎相对运动速度
Figure BDA0001189371170000024
步骤3：将通过步骤2获得的信号S和车身与轮胎相对运动速度信号
Figure BDA0001189371170000025
相乘，然后形成两种控制方式。
方式A:
Figure BDA0001189371170000026
方式B：
Figure BDA0001189371170000027
对于控制***W，具有如下功能：当加速度信号
Figure BDA0001189371170000028
为低频信号时，经过该控制***W后输出信号为加速度信号的积分，即速度信号
Figure BDA0001189371170000029
当加速度信号
Figure BDA00011893711700000210
为高频信号时，经过该***W后输出信号为原加速度信号输出，即所述的控制***W在低频信号通过时相当于积分器，当高频信号通过时相当于系数为1的比例器。
推荐该控制***的传递函数形式如
Figure BDA00011893711700000211
其中
Figure BDA00011893711700000212
s为拉普拉斯变换的复变量，ω0为截止频率，即下式：
Figure BDA00011893711700000213
当然该控制***不仅仅限于上述的形式。所述的控制***W不仅具有对悬架***高频和低频动态选择功能，同时具有对信号进行相位变换处理的功能。
步骤3中所述阻尼系数Cmax是阻尼可调减振器的预定硬阻尼系数，阻尼系数Cmin是阻尼可调减振器的预定软阻尼系数，对于提出的智能加速度半主动控制方法来说，其实际实现方法是由适当的控制器按照上述控制方法施加一个能够改变减振器阻尼系数的控制信号，如控制器的输出变占空比的PWM信号控制阻尼可调减振器中引出导线的电流，实现对减振器阻尼系数的调节。
本发明的优点和技术效果是：
本发明的控制方法是一种智能加速度阻尼半主动控制方法，具有开关型阻尼动态控制或连续型阻尼动态控制两种方式，基于四分之一车辆半主动悬架***的二自由度车辆模型实现，如图1所示，具体如下特点。
1、本发明提出的控制方法综合了经典开关型控制方法中的天棚阻尼控制和加速度阻尼控制。开关型天棚阻尼控制在低频时效果较好，在高频时效果不好。高低频分界点在
Figure BDA0001189371170000031
附近，连续型改进天棚控制在整个激励频域内控制效果较好，但是在
Figure BDA0001189371170000032
附近控制效果较差。开关型和连续型加速度阻尼控制在低频时效果不好，在高频时效果好。高低频分界点在
Figure BDA0001189371170000033
附近，而本发明提出的控制方法在整个激励频域范围内均达到较好的控制性能，显著地提高车辆的乘坐舒适性。
2、在本发明的控制方法是在车身加速度信号中接入一个控制***W的方式，对加速度信号进行低频、高频信号的相位变换，当加速度信号
Figure BDA0001189371170000034
为低频信号时，经过该控制***W后输出信号为加速度信号的积分，即速度信号
Figure BDA0001189371170000035
当加速度信号
Figure BDA0001189371170000036
为高频信号时，经过该***W后输出信号为原加速度信号输出，在路面激励为低频输入时，该智能加速度阻尼控制近似于天棚阻尼控制方法，在路面激励为高频输入时，该智能加速度阻尼控制近似于加速度阻尼控制，这样结合了天棚阻尼控制和加速度阻尼控制的各自优点，从而使得该控制方法在整个频域内都有显著地提高车辆的悬架性能。并且在低频、高频的控制方法的切换上是连续的。
3、本发明的控制方法简单易行，降低了在线计算的难度、简单易行、实时性好、稳定性高、适宜广泛推广应用。
附图说明
图1是四分之一车辆半主动悬架***的示意图。
图2本发明方法的实施流程图
图3是单自由度车辆振动模型。
图4是在最佳被动阻尼系数、天棚阻尼控制、加速度阻尼控制和智能加速度控制下的车身振动加速度传递率的频域响应图。
具体实施方式
本发明方法是通过总结现有的经典半主动控制方法在二自由度半主动悬架***模型的应用存在不足而设计出的，具体说明如下：
如图1所示：典型的四分之一车辆的半主动悬架***模型，包括车轮3和该车轮3对应的车身5。该车轮3指车辆中的一个车轮。车身5是指车轮3所对应的整个车辆的相应车身部分。车身5与车轮3之间的连接等效于悬架弹簧6，其刚度为ks，车轮3与地面1之间垂直接触等效为车轮弹簧2，刚度为kt。在此忽略了轮胎的阻尼。在车身5与车轮3之间安装有减振器4，阻尼为c(t)，为可变阻尼减振器。
针对上面的四分之一车辆半主动悬架***，主要有如下经典控制方法：
经典的天棚阻尼控制方法为：
Figure BDA0001189371170000041
其中，
Figure BDA0001189371170000042
为车身垂向运动速度，是通过安装在车身的加速度传感器测得的加速度信号
Figure BDA0001189371170000043
积分获得；
Figure BDA0001189371170000044
为车身与轮胎相对运动速度，是通过车身与轮胎相对位移(Zdef＝Zt-Zr)求导获得。
经典的开关型天棚阻尼控制在低频激励时能够显著降低车辆的垂向振动。但是在高频激励时不能显著降低车辆的垂向振动。
经典的加速度阻尼控制方法如下式
Figure BDA0001189371170000051
其中，
Figure BDA0001189371170000052
为车身垂向运动加速度，是通过安装在车身的加速度传感器测得；
Figure BDA0001189371170000053
为车身与轮胎相对运动速度，是通过车身与轮胎相对位移(Zdef＝Zt-Zr)求导获得。
经典的加速度控制在高频激励时能够显著降低车辆的垂向振动。但是在低频激励时不能显著降低车辆的垂向振动。
在本专利中提出的开关型和连续型两种阻尼动态控制方法能够在整个激励频域内具有良好的控制效果，具体实施方式如图2所示，具体如下：
步骤1：根据图1中的四分之一车辆的半主动悬架***，分别在待控制的车辆车轮上方所对应的车身部分上安装加速度传感器，测得车身垂直加速度信号
Figure BDA0001189371170000054
同时在对应车轮的悬架上安装位移传感器，测得车身与轮胎相对位移Zdef；
步骤2：将测得的加速度信号
Figure BDA0001189371170000055
接入一个控制***W，该控制***能够实现当加速度信号
Figure BDA0001189371170000056
为低频信号时，经过该控制***W后输出信号为加速度信号的积分，即速度信号
Figure BDA0001189371170000057
当加速度信号
Figure BDA0001189371170000058
为高频信号时，经过该***W后输出信号为原加速度信号输出，即所述的控制***W在低频信号通过时相当于积分器，当高频信号通过时相当于系数为1的比例器。
推荐该控制***的传递函数形式如
Figure BDA0001189371170000059
其中
Figure BDA00011893711700000510
s为拉普拉斯变换的复变量，ω0为截止频率，即下式：
Figure BDA00011893711700000511
当然该控制***不仅仅限于上述的形式。所述的控制***W不仅具有对悬架***高频和低频动态选择功能，同时具有对信号进行相位变换处理的功能。上式中截止频率ω0，即高频和低频的分界点取自单自由度车辆垂向动力学模型的不动点，推到如下：
首先给出悬架不动点的定义
不动点：对于一个传递函数H(jω,c)，其中
Figure BDA0001189371170000061
c∈R+为传递函数中的系数，如果满足下式则称传递函数H(jω,c)关于系数c存在不动点。
Figure BDA0001189371170000062
其中η为常数。
如图3所示，建立该***的动力学方程为
Figure BDA0001189371170000063
其中，M为车身质量，k为弹簧刚度，c为减振器阻尼系数。z为车身垂向位移，zr为路面的不平度函数。
对上式进行拉式变换可以得到
Figure BDA0001189371170000064
由上式得到
Figure BDA0001189371170000065
对上式取模有下式
Figure BDA0001189371170000066
为了使c的取值对上式没有影响可以得到下式
Figure BDA0001189371170000067
由上式可以得到下式
Figure BDA0001189371170000068
由上式可以得到单自由度的振动不动点为
Figure BDA0001189371170000071
针对汽车而言。这里低频和高频的分界点频率一般在1.5与2.5Hz之间。优选是1.8Hz。
将加速度信号
Figure BDA0001189371170000072
通过控制***W后的输出信号定义为信号S，通过对前面测得的车身与轮胎的相对位移Zdef求微分得到车身与轮胎相对运动速度
Figure BDA0001189371170000073
步骤3：将通过上面获得的信号S和车身与轮胎相对运动速度信号
Figure BDA0001189371170000074
相乘，然后形成两种控制方式。
开关型智能加速度阻尼控制方式为：
Figure BDA0001189371170000075
其中S为车身加速度信号
Figure BDA0001189371170000076
作为输入后经过控制***W后的输出信号。该控制方法适用于开关型软硬阻尼可调减振器。
连续型智能加速度阻尼控制方式为：
Figure BDA0001189371170000077
其中S为车身加速度信号
Figure BDA0001189371170000078
作为输入后经过控制***W后的输出信号，该控制方法适用于连续型阻尼可调减振器。
其中cin是用于控制阻尼可调减振器的控制信号，以此实现阻尼的动态调节。对于提出的智能加速度半主动控制方法来说，其实际实现方法是由适当的控制器按照上述控制方法施加一个能够改变减振器阻尼系数的控制信号，如控制器的输出变占空比的PWM信号控制阻尼可调减振器中引出导线的电流，实现对减振器阻尼系数的调节。
当然，本领域技术人员也可以对上述控制***W进行若干改变和调整，以便满足特定和附带的需求，然而所有这些改变和调整全部落入后续权利要求定义的保护范围以内。
从实际实施中得出，车身的垂直加速度可以反应车辆的平顺性，是衡量乘坐舒适性的重要指标，如图4所示，在采用开关型阻尼动态控制方式下作为示例说明，以正弦波扫频信号的激励下，激励频率为横轴，车身加速度的传递率为纵轴，得到***的频域响应图，可以发现天棚阻尼控制在低频控制效果较好，高频控制效果不好；加速度阻尼控制在低频控制效果不好，在高频控制效果较好；而智能加速度阻尼控制能够结合两种控制效果的优点，在整个激励频域内都具有较好的控制效果，能够显著降低车辆垂直振动加速度，提高乘坐舒适性。

Claims (1)

1.一种用于车辆悬架***的智能加速度阻尼半主动控制方法，该方法基于四分之一车辆半主动悬架***实现，其特征在于：包括开关型阻尼动态控制和连续型阻尼动态控制两种控制方式，该方法包括如下步骤：
步骤1：通过安装在待控制的四分之一车辆半主动悬架***中的车轮上方所对应的车身部分上的加速度传感器测得车身垂直加速度信号
Figure FDA0002358868820000011
通过安装在待控制的四分之一车辆半主动悬架***中悬架上的位移传感器测得车身与轮胎相对位移Zdef；
步骤2：将步骤1中测得的加速度信号
Figure FDA0002358868820000012
接入一个控制***W，并将加速度信号
Figure FDA0002358868820000013
通过控制***W后的输出信号定义为信号S，通过对步骤1中测得的车身与轮胎的相对位移Zdef求微分得到车身与轮胎相对运动速度
Figure FDA0002358868820000014
所述控制***W具有如下功能：当加速度信号
Figure FDA0002358868820000015
为低频信号时，经过该控制***W后输出信号为加速度信号的积分，即速度信号
Figure FDA0002358868820000016
当加速度信号
Figure FDA0002358868820000017
为高频信号时，经过该控制***W后输出信号为原加速度信号输出，即所述的控制***W在低频信号通过时相当于积分器，当高频信号通过时相当于系数为1的比例器；
该控制***W的传递函数形式
Figure FDA0002358868820000018
其中
Figure FDA0002358868820000019
s为拉普拉斯变换的复变量，ω0为截止频率，即下式：
Figure FDA00023588688200000110
所述的控制***W不仅具有对悬架***高频和低频动态选择功能，同时具有对信号进行相位变换处理的功能；
步骤3：将通过步骤2获得的信号S和车身与轮胎相对运动速度信号
Figure FDA00023588688200000111
相乘，然后形成两种控制方式；
加速度信号
Figure FDA00023588688200000112
为低频信号时采用方式A:
Figure FDA00023588688200000113
当加速度信号
Figure FDA00023588688200000114
为高频信号时采用方式B：
Figure FDA0002358868820000021
其中，sat为饱和函数，Cin为减振器的阻尼系数，Cmax是阻尼可调减振器的预定硬阻尼系数，Cmin是阻尼可调减振器的预定软阻尼系数。
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