CN113255062B - 基于振动利用控制车体升降的车高求解方法 - Google Patents

基于振动利用控制车体升降的车高求解方法 Download PDF

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Abstract

一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，属于汽车车高计算领域，具体涉及一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于采用阻尼可调型减振器作为汽车车高控制的作动器，通过对减振器的不对称阻尼控制实现车体升降，将这种分段线性非线性阻尼悬架***线性化，利用线性***的输入输出关系进行车体升降高度的求解，并利用这种求解方法确定在不同行驶工况下车体升降高度与不对称阻尼、车速及路面输入的对应关系，得到在不同行驶工况下车体升降高度表达式。本发明专利可以有效求解不对称阻尼控制下的车体升降高度，并能较为快速、精确地确定车体升降高度和不对称阻尼、车速、路面输入的对应关系，便于有效地高度控制。

Description

基于振动利用控制车体升降的车高求解方法
技术领域
本发明属于汽车车高计算领域，具体涉及一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法。
背景技术
当阻尼可调型减振器阻尼呈现出非对称特性时，即当压缩行程阻尼力大于伸张行程阻尼力，或伸张行程阻尼力大于压缩行程阻尼力时，悬架振动的平衡位置会发生改变。通过控制这种不对称阻尼，可以实现阻尼可调型减振器的高度控制。专利ZL201710427874.9，基于大阻尼力磁流变半主动悬架的汽车主动倾摆控制方法，公布了一种汽车主动倾摆控制方法，实际上对于车辆左右两侧来说，这种倾摆控制方法就是对车体左右两侧进行升降控制。
这种不对称阻尼悬架***呈现强非线性，目前一些利用动力学方程或车高控制机理进行高度测算的方法并不能很好地求解出悬架振动的平衡位置，而采用悬架高度传感器并不能预先测得车体升降高度，从而用于实施车体升降的控制。
发明内容
为有效求解不对称阻尼控制下的车体升降高度，并以此确定车体升降高度和不对称阻尼、车速、路面输入的对应关系进行有效控制，本发明提出了一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法。
本发明所采取的技术方案如下：
一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于采用阻尼可调型减振器作为汽车车高控制的作动器，通过对减振器的不对称阻尼控制实现车体升降，将这种分段线性非线性阻尼悬架***线性化，利用线性***的输入输出关系进行车体升降高度的求解，并利用这种求解方法确定在不同行驶工况下车体升降高度与不对称阻尼、车速及路面输入的对应关系，因此可以得到在不同行驶工况下车体升降高度表达式。车高求解的步骤为：(1)将阻尼可调分段线性非线性***线性化。
1)建立1/4车辆阻尼可调悬架***模型。此***即为阻尼可调分段线性非线性***，可以表达为：
式中，m2是簧载质量，m1是非簧载质量，k2是悬架刚度，k1是轮胎刚度，c2是悬架固有阻尼，z2是簧载质量位移，z1是非簧载质量位移，z0是路面输入，fd是可调阻尼力，悬架伸张和压缩时采用不对称的阻尼力，即伸张时为fd1，压缩时为fd2。
2)用扫频法获得***(1)中簧载质量位移的传递率Az2(ω)，这种传递率采用输出均方根值和输入均方根值的比值来表达。
3)拟合传递率Az2(ω)随频率变化的曲线，得到簧载质量位移传递率表达式。
4)设计一个线性***，使得此线性***以簧载质量位移为输出，且具有与***(1)中簧载质量位移相同的传递率，即Az2lin(ω)＝Az2(ω)。
(2)根据线性***输入输出关系求解车体升降高度。
簧载质量位移的功率谱密度可通过传递率和路面输入功率谱密度求出，如下式：
式中，为路面输入的功率谱密度。则簧载质量位移输出的RMS值可以近似表达为：
式中，ωmin＝2πfmin，ωmax＝2πfmax是路面不平度引起的车辆振动的实际最小和最大频率。簧载质量位移的RMS值可以代表簧载质量振动的平衡位置即车体升降高度。
(3)改变悬架伸张和压缩时的不对称阻尼力，重复步骤(1)和(2)，求解在各种不对称阻尼力、车速及路面输入工况下车体的升降高度，进而通过优化拟合方法求解出在不同行驶工况下车体升降高度与不对称阻尼力、车速及路面输入的函数关系。
进一步的，所述步骤(1)中2)，采用正弦输入信号p(t)＝A sin(ωit)，取 i＝1～17，以三分之一倍频程进行扫频。
进一步的，所述步骤(1)中3)采用如下函数表达式进行传递率拟合：
式中，是簧载质量位移传递率，Pi、Qj是拟合参数，其中i＝0，1，2，j＝0，1，2，3。
进一步的，所述步骤(1)中4)
设计一种线性***微分方程：
使其频率响应函数的模
进一步的，所述线性***微分方程(14)，进一步将p(t)作为输入，u1(t)＝z2(t)-C0p(t)作为第一分量及输出，将微分方程(14)改写成一阶线性微分***：
式中：u1(t)＝y(t)，p(t)＝x(t)，C0＝0。将式(16)带入式(14)，使得输入信号的各阶导数项系数为0，求出Ci，i＝2，3，4。最终确定具有与原分段线性***相同输入输出、相同传递率的线性***，其状态方程如下：
其中：
进一步的，所述步骤(3)中是将车体升降高度拟合成不对称阻尼力、车速及路面输入的3元3阶多项式函数。
本发明的有益效果是：本发明通过提出一种分段线性非线性***线性化方法，将不对称阻尼悬架***线性化，利用线性***理论输入输出关系进行车体升降高度的求解，能够较为准确且高效地求解出不对称阻尼控制下的车体升降高度。通过该方法求解出不同工况下的车体升降高度，进行优化拟合后得到的车高表达式，揭示了车体升降高度和不对称阻尼、车速、路面输入的对应关系。既可快速地计算出当前车高，也可适用于车高的控制。所提出的方案也可用于类似的其他领域。
附图说明
图1是1/4车辆阻尼可调悬架***模型。
图2是不对称阻尼力为500N对应悬架***的簧载质量位移传递率扫频图。
图3是不对称阻尼力为500N对应悬架***的传递率扫频结果拟合图。
图4是B级路面下，车体升降高度与不对称阻尼、车速对应关系模型图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于采用阻尼可调型减振器作为汽车车高控制的作动器，通过对减振器的不对称阻尼控制实现车体升降，将这种分段线性非线性阻尼悬架***线性化，利用线性***的输入输出关系进行车体升降高度的求解，并利用这种求解方法确定在不同行驶工况下车体升降高度与不对称阻尼、车速及路面输入的对应关系，因此可以得到在不同行驶工况下车体升降高度表达式。车高求解的步骤为：(1)将阻尼可调分段线性非线性***线性化。
1)建立1/4车辆阻尼可调悬架***模型，如图1所示，可以得到：
式中，m2是簧载质量，m1是非簧载质量，k2是悬架刚度，k1是轮胎刚度，c2是悬架固有阻尼，z2是簧载质量位移，z1是非簧载质量位移，z0是路面输入，fd是可调阻尼力，悬架伸张和压缩时采用不对称的阻尼力，即伸张时为fd1，压缩时为fd2。当进行上升控制时，伸张行程取fd1＝0，压缩行程fd2取大阻尼力，可以保证悬架有足够的上升高度。即：
因此，车辆阻尼可调悬架***模型表现为分段线性非线性***，fd2取不同的值，则相应产生不同的分段线性***。而对于下降控制，与上升控制的控制方式相反。
2)用扫频法获得***中簧载质量位移的传递率Az2(ω)，这种传递率采用输出均方根值和输入均方根值的比值来表达。其中，采用正弦输入信号p(t)＝A sin(ωit)，取 i＝1～17，以三分之一倍频程进行扫频。不同分段线性***的扫频结果不同，图2为不对称阻尼力fd2＝500N对应悬架***的簧载质量位移传递率扫频图。
3)采用如下函数表达进行传递率拟合：
式中，是簧载质量位移传递率，Pi、Qj是拟合参数，其中i＝0，1，2，j＝0，1，2，3。图3即表示采用上述公式对不对称阻尼力fd2＝500N的悬架***的簧载质量位移传递率扫频的拟合结果。
4)设计一个线性***，使得此线性***以簧载质量位移为输出，且具有与阻尼可调分段线性非线性***中簧载质量位移相同的传递率，即Az2lin(ω)＝Az2(ω)。首先根据：
确定线性***微分方程：
式中，H(jω)是上述线性微分方程的频率响应函数。进一步将p(t)作为输入，u1(t)＝z2(t)-C0p(t)作为第一分量及输出，将线性微分方程改写成一阶线性微分***：
式中：u1(t)＝y(t)，p(t)＝x(t)，C0＝0。将一阶线性微分***方程带入线性微分方程，使得输入信号的各阶导数项系数为0，求出Ci，最终确定具有与原分段线性***相同输入输出且传递率相同的线性***：
y＝[1 0 0 0]u
其中
u＝[u1(t) u2(t) u3(t) u4(t)]T
C＝[0 C2 C3 C4]T
(2)根据线性***功率谱密度输入输出关系，求解车体升降高度。
簧载质量位移的功率谱密度可通过传递率和路面输入功率谱密度求出，如下式：
式中，为路面输入的功率谱密度。则簧载质量位移输出的RMS值可以近似表达为：
式中，ωmin＝2πfmin，ωmax＝2πfmax是路面不平度引起的车辆振动的实际最小和最大频率。簧载质量位移的RMS值可以代表簧载质量振动的平衡位置即车体升降高度。
(3)改变fd，重复步骤(1)和(2)，求解在各种不对称阻尼力、车速及路面输入工况下车体的升降高度，进而通过优化拟合方法求解出在不同行驶工况下车体升降高度与不对称阻尼力、车速及路面输入的函数关系。其中B级路面下的车高函数表达式如下：
H＝p00+p10fd+p01v+p20fd 2+p11fdv+p02v2+p30fd 3+p21fd 2v+p12fdv2+p03v3
式中，H是车体升降高度(m)，fd是不对称阻尼力(N)，v是车速(m/s)，pij为拟合参数，i＝0，1，2，3，j＝0，1，2，3。模型如图4所示。当改变路面等级时，可以得到其他路面等级下的车高函数。
现举例说明此方法的可行性(此方案仅为所提出的车高求解方法的具体方案之一)：
建立1/4车辆阻尼可调悬架***模型，如图1所示，可以得到公式(1)的***方程。在悬架振动过程中，将伸张行程的阻尼力设置为fd1＝0N，将压缩行程阻尼力设置为fd2＝500N，产生对应悬架***。采用正弦输入信号p(t)＝A sin(ωit)，取 i＝1～17，以三分之一倍频程对该***进行扫频，将***簧载质量位移的均方根值比上对应输入的均方根值，产生***簧载质量位移传递率的散点，如图2所示，即表示传递率扫频结果。采用函数表达式(4)对扫频结果进行曲线拟合，拟合结果如图3所示。根据公式(5)设计出线性微分方程，并将簧载质量位移作为状态变量和输出，写出线性***的状态空间方程，最终将原悬架***线性化，得到与原悬架***簧载质量位移相同传递率的线性***。根据公式(2)、(3)，将路面设置为B级路面，改变速度参数，可以利用得到的传递率直接计算出B级路面，不对称阻尼力fd2＝500N、不同速度下车体的升降高度。改变不对称阻尼力fd2，重复上述操作，即可得到不同不对称阻尼力对应的线性化***及传递率，则可以计算出B级路面下，不同不对称阻尼力、不同车速的车体升降高度，画出图像并拟合，便可以得到三者之间的函数关系。当改变路面等级时，便可以获取其他路面等级下的车高函数。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的普通技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明的保护范围，凡采用等同替换等方式所获得的技术方案，均落于本发明的保护范围内。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于采用阻尼可调型减振器作为汽车车高控制的作动器，通过对减振器的不对称阻尼控制实现车体升降，将这种分段线性非线性阻尼悬架***线性化，利用线性***的输入输出关系进行车体升降高度的求解，并利用这种求解方法确定在不同行驶工况下车体升降高度与不对称阻尼、车速及路面输入的对应关系，因此可以得到在不同行驶工况下车体升降高度表达式，车高求解的步骤为：
(1)将阻尼可调分段线性非线性***线性化
1)建立1/4车辆阻尼可调悬架***模型，此***即为阻尼可调分段线性非线性***，可以表达为：
式中，m2是簧载质量，m1是非簧载质量，k2是悬架刚度，k1是轮胎刚度，c2是悬架固有阻尼，z2是簧载质量位移，z1是非簧载质量位移，z0是路面输入，fd是可调阻尼力，悬架伸张和压缩时采用不对称的阻尼力，即伸张时为fd1，压缩时为fd2；
2)用扫频法获得***(1)中簧载质量位移的传递率Az2(ω)，这种传递率采用输出均方根值和输入均方根值的比值来表达；
3)拟合传递率Az2(ω)随频率变化的曲线，得到簧载质量位移传递率表达式；
4)设计一个线性***，使得此线性***以簧载质量位移为输出，且具有与***(1)中簧载质量位移相同的传递率，即Az2lin(ω)＝Az2(ω)；
(2)根据线性***输入输出关系求解车体升降高度
簧载质量位移的功率谱密度可通过传递率和路面输入功率谱密度求出，如下式：
式中，为路面输入的功率谱密度，则簧载质量位移输出的RMS值可以近似表达为：
式中，ωmin＝2πfmin，ωmax＝2πfmax是路面不平度引起的车辆振动的实际最小和最大频率，簧载质量位移的RMS值可以代表簧载质量振动的平衡位置即车体升降高度；
(3)改变悬架伸张和压缩时的不对称阻尼力，重复步骤(1)和(2)，求解在各种不对称阻尼力、车速及路面输入工况下车体的升降高度，进而通过优化拟合方法求解出在不同行驶工况下车体升降高度与不对称阻尼力、车速及路面输入的函数关系。
2.根据权利要求1所述的一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于所述步骤(1)中2)，采用正弦输入信号p(t)＝A sin(ωit)，取i＝1～17，以三分之一倍频程进行扫频。
3.根据权利要求1所述的一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于所述步骤(1)中3)采用如下函数表达式进行传递率拟合：
式中，是簧载质量位移传递率，Pi、Qj是拟合参数，其中i＝0，1，2，j＝0，1，2，3。
4.根据权利要求1所述的一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于所述步骤(1)中4)设计一种线性***微分方程：
使其频率响应函数的模
5.根据权利要求4所述的一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于所述步骤(1)中4)设计一种形如式(5)的线性***微分方程，由此微分方程求解状态方程的步骤为：进一步将p(t)作为输入，u1(t)＝z2(t)-C0p(t)作为第一分量及输出，将微分方程(5)改写成一阶线性微分***：
式中：u1(t)＝y(t)，p(t)＝x(t)，C0＝0，将式(7)带入式(5)，使得输入信号的各阶导数项系数为0，求出Ci，i＝2，3，4，最终确定具有与原分段线性***相同输入输出、相同传递率的线性***，其状态方程如下：
其中：
u＝[u1(t) u2(t) u3(t) u4(t)]T
C＝[0 C2 C3 C4]T
6.根据权利要求1所述的一种基于振动利用控制车体升降的车高求解方法，其特征在于所述步骤(3)中是将车体升降高度拟合成不对称阻尼力、车速及路面输入的3元3阶多项式函数。
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