CN113199916A - 磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法 - Google Patents

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CN113199916A CN202110069854.5A CN202110069854A CN113199916A CN 113199916 A CN113199916 A CN 113199916A CN 202110069854 A CN202110069854 A CN 202110069854A CN 113199916 A CN113199916 A CN 113199916A
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于振环
张娜
赵宇
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Changchun Automobile Industry Institute
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Changchun Automobile Industry Institute
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60G—VEHICLE SUSPENSION ARRANGEMENTS
    • B60G17/00—Resilient suspensions having means for adjusting the spring or vibration-damper characteristics, for regulating the distance between a supporting surface and a sprung part of vehicle or for locking suspension during use to meet varying vehicular or surface conditions, e.g. due to speed or load
    • B60G17/06—Characteristics of dampers, e.g. mechanical dampers
    • B60G17/08—Characteristics of fluid dampers

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Abstract

磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，属于磁流变半主动悬架技术领域。它给出了一种考虑磁流变阻尼器能量耗散特性的半主动悬架线性分段控制方法。包括以下步骤：S1：测试磁流变阻尼器的非线性特性，得到阻尼力可调节范围的外包络线；S2：得到线性分段的阻尼力约束；S3：构建具有线性分段阻尼力约束的磁流变半主动悬架模型；S4：计算得到阻尼力的控制规律；S5：根据阻尼力控制规律，利用传感器获取的实时振动信号计算得到减振所需的阻尼力；S6：利用磁流变阻尼器逆模型，将计算得到的阻尼力转化为实际的驱动电流。

Description

磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法
技术领域
本发明属于磁流变半主动悬架技术领域，特别是涉及一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法。
背景技术
磁流变半主动悬架通过调节磁流变阻尼器的驱动电流，改变作用在车身和车架上的阻尼力，实现抑制车辆振动的功能。磁流变半主动悬架***在受到来自路面的振动激励后开始启动控制，可抑制车身的垂向振动加速度以及车轮的跳跃，提高人员的舒适性和车辆的操控性。
目前，磁流变半主动悬架控制采用阻尼力控制策略和阻尼器逆模型相结合的方法。在设计阻尼力时，现有方法将***方程等效于主动悬架***，而阻尼器逆模型则主要负责根据减振器的动力学特性将设计的阻尼力转化为真实的驱动电流。这种控制方法在设计阻尼力时忽略了磁流变阻尼器自身的能量耗散特性，难以实现所设计的减振性能。
本发明基于这一技术背景下提出，为设计满足磁流变阻尼器能量耗散特性的半主动悬架阻尼力控制算法提供有效的方法。
发明内容
本发明给出了一种考虑磁流变阻尼器能量耗散特性的半主动悬架线性分段控制方法。
本发明所采取的技术方案是：一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，包括以下步骤：
S1：测试磁流变阻尼器的非线性特性，在振动速度和阻尼力坐标系下得到阻尼力可调节范围的外包络线；
S2：按照振动速度对磁流变阻尼器的振动区间进行划分，并在每个子区间上用常数对外包络线进行近似，得到线性分段的阻尼力约束；
S3：结合车身质量、悬架弹簧、车架质量、轮胎特性以及阻尼力约束，构建具有线性分段阻尼力约束的磁流变半主动悬架模型；
S4：建立考虑车身垂向振动加速度、悬架伸缩量和车轮动态载荷的加权性能指标，通过线性矩阵不等式的优化方法，计算得到阻尼力的控制规律；
S5：根据阻尼力控制规律，利用传感器获取的实时振动信号计算得到减振所需的阻尼力；
S6：利用磁流变阻尼器逆模型，将计算得到的阻尼力转化为实际的驱动电流
本发明的有益效果在于：
如图3所示，图中展示了不同正弦振动频率下的悬架***响应结果，包括舒适性响应指标和操纵性响应指标，指标数值越小，代表悬架***的减振效果越佳。从图中可以看出，不论是舒适性指标还是操作性指标，本专利给出的控制方法能够在低频下逼近硬阻尼的效果，而在高频下则自动切换为逼近软阻尼效果，达到全振动频率以内的最佳减振效果。
附图说明
图1是磁流变阻尼器特性及阻尼力的外包络线；
图2是阻尼力运行区间的划分和近似；
图3是本发明试验效果图；
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图1，对本发明做进一步详细的描述。
一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，包括以下步骤：
S1：测试磁流变阻尼器的非线性特性，在振动速度和阻尼力坐标系下得到阻尼力可调节范围的外包络线；
如图1所示的坐标系，横坐标是振动速度即悬架伸缩速度，纵坐标是阻尼力
S2：按照振动速度对磁流变阻尼器的振动区间进行划分(振动速度就是悬架伸缩速度)，并在每个子区间上用常数对外包络线进行近似，得到线性分段的阻尼力约束；
S3：结合车身质量、悬架弹簧、车架质量、轮胎特性以及阻尼力约束，构建具有线性分段阻尼力约束的磁流变半主动悬架模型；
S4：建立考虑车身垂向振动加速度、悬架伸缩量和车轮动态载荷的加权性能指标，通过线性矩阵不等式的优化方法，计算得到阻尼力的控制规律；
S5：根据阻尼力控制规律，利用传感器获取的实时振动信号计算得到减振所需的阻尼力；(传感器测量的振动信号是车身振动速度、车架振动速度和悬架伸缩位移)
S6：利用磁流变阻尼器逆模型，将计算得到的阻尼力转化为实际的驱动电流。
具体为：
1)在测试前先建立包含阻尼力的悬架***振动模型
Figure BDA0002905604950000031
其中：ms--车身质量，mu--车架质量，ks--弹簧刚度，kt--轮胎等效刚度，zs--车身垂直位移，zu--车架垂直位移，zr--路面垂向激励，F--阻尼力。
2)根据磁流变阻尼器测试结果，如图1所示，得到阻尼力的外包络线表达式
Figure BDA0002905604950000041
Figure BDA0002905604950000042
其中：
Figure BDA0002905604950000043
--悬架伸缩速度，
Figure BDA0002905604950000044
i＝{1,...,6}--边界
直线，gu--上包络线，gl--下包络线。
3)根据悬架伸缩速度，将阻尼力区间分成N个子区间，如图2所示。通过定义每个子区间的速度边界为pLi和pUi，结合(2)和(3)，得到阻尼力在每个子区间的定常约束值如下
qLi＝gl(pLi),qUi＝gu(pUi) (4)
其中：qLi--子分区阻尼力下边界，qUi--子分区阻尼力上边界。
4)根据表达式(1)和(4)，建立状态空间描述下带有线性分段约束的磁流变半主动悬架模型如下
Figure BDA0002905604950000045
其中：
Figure BDA0002905604950000046
--***状态，u＝F--控制量，
Figure BDA0002905604950000047
--外部扰动，Ai，Bi和Bwi--***矩阵，
Figure BDA0002905604950000048
分区定义域，
Figure BDA0002905604950000049
--分区阻尼力约束。
5)根据抑制簧上质量加速度、减小悬架伸缩量和抑制轮胎动态载荷的性能需求，建立状态空间下的性能输出方程如下
z(t)＝Cix(t)+Diu(t) (6)
其中：
Figure BDA0002905604950000051
--性能状态，Ci和Di--性能输出矩阵。
6)定义具有仿射项的分段控制规律如下
u＝Kix+di (7)
其中：di＝(qLi+qUi)/2--仿射项，Ki--控制增益矩阵。
7)利用数值优化求解算法求解如下线性矩阵不等式
Figure BDA0002905604950000052
Figure BDA0002905604950000053
其中：
Figure BDA0002905604950000054
Ui＝(qUi-qLi)2/4，Q和Yi--待定矩阵变量，λi＜0和η＞0--待定标量，Ei和fi--描述
Figure BDA0002905604950000055
的定常矩阵，wmax--定常参数。
8)选择ρ1＝0.1，ρ2＝0.1，wmax＝0.001，根据7)和如下表达式得到控制增益矩阵
Ki＝YiQ-1 (10)
9)根据(7)和(10)计算阻尼力F＝Kix+di，根据如下表达式计算电流
Figure BDA0002905604950000056
其中：I--驱动电流，c0，k0，c1，k1和ymr--磁流变阻尼器模型参数。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：测试磁流变阻尼器的非线性特性，在振动速度和阻尼力坐标系下得到阻尼力可调节范围的外包络线；
S2：按照振动速度对磁流变阻尼器的振动区间进行划分，并在每个子区间上用常数对外包络线进行近似，得到线性分段的阻尼力约束；
S3：结合车身质量、悬架弹簧、车架质量、轮胎特性以及阻尼力约束，构建具有线性分段阻尼力约束的磁流变半主动悬架模型；
S4：建立考虑车身垂向振动加速度、悬架伸缩量和车轮动态载荷的加权性能指标，通过线性矩阵不等式的优化方法，计算得到阻尼力的控制规律；
S5：根据阻尼力控制规律，利用传感器获取的实时振动信号计算得到减振所需的阻尼力；
S6：利用磁流变阻尼器逆模型，将计算得到的阻尼力转化为实际的驱动电流。
2.根据权利要求1所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S1中，在测试前先建立包含阻尼力的悬架***振动模型
Figure FDA0002905604940000011
其中：ms--车身质量，mu--车架质量，ks--弹簧刚度，kt--轮胎等效刚度，zs--车身垂直位移，zu--车架垂直位移，zr--路面垂向激励，F--阻尼力。
3.根据权利要求2所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S1中，根据磁流变阻尼器测试结果，得到阻尼力的外包络线表达式
Figure FDA0002905604940000021
Figure FDA0002905604940000022
其中：
Figure FDA0002905604940000023
--悬架伸缩速度，
Figure FDA0002905604940000024
i＝{1,...,6}--边界直线，gu--上包络线，gl--下包络线。
4.根据权利要求3所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S2中，根据悬架伸缩速度，将阻尼力区间分成N个子区间，通过定义每个子区间的速度边界为pLi和pUi，结合(2)和(3)，得到阻尼力在每个子区间的定常约束值如下
qLi＝gl(pLi),qUi＝gu(pUi) (4)
其中：qLi--子分区阻尼力下边界，qUi--子分区阻尼力上边界。
5.根据权利要求4所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S3中，根据表达式(1)和(4)，建立状态空间描述下带有线性分段约束的磁流变半主动悬架模型如下
Figure FDA0002905604940000025
其中：
Figure FDA0002905604940000026
--***状态，u＝F--控制量，
Figure FDA0002905604940000027
--外部扰动，Ai，Bi和Bwi--***矩阵，
Figure FDA0002905604940000028
--分区定义域，
Figure FDA0002905604940000029
--分区阻尼力约束。
6.根据权利要求5所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S4中，根据抑制簧上质量加速度、减小悬架伸缩量和抑制轮胎动态载荷的性能需求，建立状态空间下的性能输出方程如下
z(t)＝Cix(t)+Diu(t) (6)
其中：
Figure FDA0002905604940000031
--性能状态，Ci和Di--性能输出矩阵。
7.根据权利要求6所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S4中，定义具有仿射项的分段控制规律如下
u＝Kix+di (7)
其中：di＝(qLi+qUi)/2--仿射项，Ki--控制增益矩阵。
8.根据权利要求7所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S4中，利用数值优化求解算法求解如下线性矩阵不等式
Figure RE-FDA0003129502460000032
Figure RE-FDA0003129502460000033
其中：
Figure RE-FDA0003129502460000034
Ui＝(qUi-qLi)2/4，Q和Yi--待定矩阵变量，λi＜0和η＞0--待定标量，Ei和fi--描述
Figure RE-FDA0003129502460000035
的定常矩阵，wmax--定常参数。
9.根据权利要求8所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S4中，选择ρ1＝0.1，ρ2＝0.1，wmax＝0.001，根据利用数值优化求解算法求解如下线性矩阵不等式的步骤和如下表达式得到控制增益矩阵
Ki＝YiQ-1 (10)
10.根据权利要求9所述的一种磁流变半主动悬架阻尼力约束线性分段控制方法，其特征在于：所述S6中：根据(7)和(10)计算阻尼力F＝Kix+di，根据如下表达式计算电流
Figure FDA0002905604940000041
其中：I--驱动电流，c0，k0，c1，k1和ymr--磁流变阻尼器模型参数。
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