CN100363194C - 车辆的悬架以及控制该悬架的方法 - Google Patents

Abstract

一种车辆悬架系统设计成其运动公式可去耦。这种悬架系统带有致动器，该致动器被最佳控制以减少该悬架系统的振动。

Description

车辆的悬架以及控制该悬架的方法

技术领域

一般地说，本发明涉及一种车辆。更具体地说，本发明涉及车辆的悬架以及控制该悬架的方法。

背景技术

当车辆在行驶时，该车辆的悬架要应对遇到的各种路面冲击，并在加速/减速和转弯时控制车辆的动态特性。这种悬架的一个重要作用是减少噪音和振动传递到车体上。

在一种典型的车辆悬架中，一组弹簧和阻尼器(也叫冲击吸收器)安装在每个车轮上。在设计悬架过程中，确定了弹簧的弹簧系数(也叫弹簧率或弹簧常数)、阻尼器的阻尼系数以及弹簧和阻尼器的安装位置。这样，已经进行了大量的研究，从而通过有效地确定这些设计因素来提高悬架性能。

然而，只通过改变这些设计因素来对悬架性能可能提高的程度是有限的。因此，近年来进行了新的研究，来通过利用安装到悬架系统上的多个激发致动器有效抑制悬架振动。这种激发致动器可设置到每个车轮的每根弹簧/阻尼器上。

例如，利用叫做直接速度反馈控制的过程，通过提高具有多个自由度的车辆悬架系统中的阻尼效应，可消除振动能量。这种技术呈现的优点是确保了渐近稳定度。

然而，为了通过这种直接速度反馈控制得到渐近稳定度，需要许多传感器和激发致动器。由于在通过运动公式来使车辆悬架模态化时，悬架的运动公式是互相耦合的，这样就出现了问题。

因此，最近进行了大量研究，设计这样的悬架，该悬架的运动公式变成去耦；或者确定什么样的致动力要施加到这样设计的悬架上。

本发明背景部分披露的信息只作为增强对本发明背景的理解，而并不作为一种提示或任何形式的建议，即提示或建议该信息构成本领域技术人员已经知晓的现有技术。

发明内容

因此，本发明目的是更容易地提供一种控制振动的悬架系统和设计该系统的方法以及控制该系统的方法。

根据本发明一个实施例的设计车辆悬架系统的典型方法，包括：通过公式1使车辆悬架系统具有一定的形式，该车辆悬架系统包括多根弹簧、每个均与该多根弹簧中之一对应的多个阻尼器以及多个致动器p，公式1为具有多个自由度n的线性矩阵公式，该线性矩阵公式包括用于粘性阻尼的阻尼矩阵；计算公式1的刚性矩阵K的本征向量；就公式1的质量矩阵M对本征向量进行标准化；计算由标准化的本征向量组成的相似变换矩阵S；以及利用相似变换矩阵S使公式1标准化。

根据这种设计过程，照这样设计的悬架系统具有其适用于模态标准化的运动公式。

公式1为

$M\stackrel{..}{x}\left(t\right)+C\left(\stackrel{.}{x}\left(t\right)-\stackrel{.}{u}\left(t\right)\right)+K(x\left(t\right)-u\left(t\right))=\mathrm{Pf}\left(t\right)$

在这里，n和p分别表示悬架系统的自由度和独立的致动器的数量；

M、C和K分别表示质量矩阵、阻尼矩阵和刚性矩阵，每个矩阵均为对称的n×n矩阵，质量矩阵M为正定矩阵，阻尼矩阵C为半正定矩阵，而刚性矩阵K为正定矩阵；

P表示对应于致动器位置的n×p实矩阵；

x(t)和u(t)分别表示n×1状态和扰动向量；以及

f(t)表示p×1外力(即致动力)向量。

在另一个实施例中，对公式1的标准化在每对第j根弹簧的弹簧系数k_j和对应于该第j根弹簧的第j个阻尼器阻尼系数c_j之间建立了正比关系k_j＝α×c_j。

根据本发明一个实施例的典型车辆悬架系统包括：多根弹簧；每个均与该多根弹簧之一对应的多个阻尼器，以及对悬架系统产生控制力的多个致动器。该悬架系统通过公式1而被形式化；以及公式1分成n个模态公式，其中公式1为具有多个自由度n的线性矩阵公式，而该线性矩阵公式包括用于粘性阻尼的阻尼矩阵。

在与上述相同的方式中，在另一个实施例，每对第j根弹簧的弹簧系数k_j和对应于该第j根弹簧对应的第j个阻尼器的阻尼系数c_j之间满足正比关系k_j＝α×c_j。

当数量n和数量p是相等时，最好是该悬架系统还包括：用于探测状态向量x(t)及其速度至少之一的探测单元；以及根据探测到的状态向量x(t)或其速度

之一用来控制致动器的控制器。

在这里，控制器通过 $f=Q^{-1}\hat{f}$ 的致动力来控制致动器。

其中满足Q＝S^TP， $\widehat{f_i}=-C_{\mathrm{Si}}{\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}}_i,$ 以及x(t)＝Sξ(t)；

C_Si为第i个模态下悬空钩阻尼器的阻尼系数。

S为由刚性矩阵K的本征向量组成的矩阵，并就质量矩阵M进行标准化。

当数量p小于数量n时，最好是悬架系统还包括：用于探测状态向量x(t)及其速度

至少之一的探测单元；以及根据探测到的状态向量x(t)或其速度

之一用来控制致动器的控制器，其中控制器通过f(t)的致动力来控制致动器，其中该f(t)满足

$\widehat{f_i}=-F_{\mathrm{Si}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}}_i\right)=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}{f}_j$

在这里，满足Q＝S^TP以及x(t)＝Sξ(t)；

F_Si为第i个模态下悬空钩库仑摩擦阻尼器的摩擦力；以及

S为由刚性矩阵K的本征向量组成的矩阵，并就质量矩阵M进行标准化。

更详细地说，致动力f(t)最好满足：

其中i＝1，…，n，以及j＝1，…，p，

在这里，F_A为在零(0)到F_P范围的值；

F_B为在零(0)到F_N范围的值；

对于k＝1，…，(2ⁿ-2)的F_k为在F_P和F_N之间的值；以及

F_P和F_N分别表示第j个致动器产生的正的最大力和负的最大力。

更详细地说，致动力f(t)满足

其中i＝1，…，n以及j＝1，…，p。

更好的是，F_A和F_P的值是相等的，而F_B和F_N的值是相等的。

由本发明的典型方法控制的车辆悬架系统包括多个阻尼器和多个致动器，该车辆悬架系统通过上述公式1而被形式化，并变换成去耦的公式7。

用于控制这种车辆悬架系统的典型方法包括：计算上述公式1的状态向量

的速度向量x(t)；计算致动力f(t)，从而致动力f(t)满足

$f\left(t\right)={\left(S^{T}P\right)}^{-1}\left({-C}_{\mathrm{Si}}\right){\left(S^T\mathrm{KS}\right)}^{-1}\left(S^{T}K\right)\stackrel{.}{x}\left(t\right),$

该C_Si为第i个模态下悬空钩阻尼器的阻尼系数；以及通过计算的致动力f(t)来使致动器致动。

在这里，公式7为

$I\stackrel{..}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)+\mathrm{diag}\[2{\mathrm{\ζ}}_i{\mathrm{\ω}}_i\](\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)-\stackrel{.}{\mathrm{\η}}\left(t\right))+{\mathrm{\Λ}}_K(\mathrm{\ξ}\left(t\right)-\mathrm{\η}\left(t\right))=\hat{f}\left(t\right)$

在这里，I为n×n单位矩阵。

S为由刚性矩阵K的本征向量组成的矩阵，并就质量矩阵M进行标准化；以及

利用矩阵S，使

Q＝S^TP， $\hat{f}=\mathrm{Qf}\left(t\right),$ x(t)＝Sξ(t)，u(t)＝Sη(t)，S^TKS＝diag[ω_i ²]＝Λ_K，以及 $S^T\mathrm{CS}=\hat{C}=\mathrm{diag}\[2{\mathrm{\ζ}}_i{\mathrm{\ω}}_i\]$

得到满足。

用于控制这种悬架系统的典型方法包括：计算公式1的状态向量x(t)的速度向量

计算致动力f(t)，从而致动力f(t)满足

其中i＝1，…，n以及j＝1，…，p；以及

通过计算的致动力f(t)来使致动器致动，

在这里，F_A为在零(0)到F_P范围的值；

F_B为在零(0)到F_N范围的值；

对于k＝1，…，(2ⁿ-2)的F_k为在F_P和F_N之间的值；以及

F_P和F_N分别表示第j个致动器产生的正的最大力和负的最大力。

最好是，致动力f(t)满足

其中i＝1，…，n以及j＝1，…，p。

更好的是，F_A和F_P的值是相等的，以及F_B和F_N的值也是相等的。

附图说明

包含在并构成说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，这些附图与描述一起用来解释本发明的原理。

图1为根据本发明一个实施例的车辆悬架系统的方框图；

图2示出了用于去耦模态公式的一个典型动态模态；

图3示出了用于车辆悬架系统的一个典型动态模态，其中车辆悬架系统包括满足根据本发明实施例的非耦合模态公式的悬空钩模态阻尼器；

图4为示出了根据本发明一个实施例的控制车辆悬架系统的方法流程图，当悬架系统运动公式的自由度数n等于致动器数量p时，通过控制器来实现该方法；

图5示出了用于车辆悬架系统的一个典型动态模态，其中车辆悬架系统包括满足根据本发明实施例的非耦合模态公式的悬空钩库仑模态摩擦阻尼器；以及

图6为示出了根据本发明一个实施例的控制车辆悬架系统的方法流程图，当悬架系统运动公式的自由度数n大于致动器数量p时，通过控制器来实现该方法。

具体实施方式

下面参照附图来详细描述本发明的优选实施例。

图1为本发明一个实施例的车辆悬架的方框图。

本发明可以用在车辆上，而不管该车辆车轮数量(相应地弹簧和减震器数量)是多少。然而，为了示意目的，图1示出了这样的车辆悬架系统，其中包括有四个车轮120，同时对应数量的弹簧140和减震器130安装在车体100上。

传感器单元110安装在车体100上，从而可测量车体100的运动参数。

运动参数包括在状态向量x(t)(最好为其时间导数

)中的每一项，借此，建立了车体运动公式。根据刚体运动分析方法，状态向量x(t)的各项可以各种方式预置。如在优选的实例中，状态向量x(t)的各项包括车体100移动和转动的六个参数。由传感器单元110测量的状态向量的级数涉及车辆悬架系统的模拟运动公式中的自由度。

本发明实施例的车辆悬架系统包括前左(FL)、前右(FR)、后左(RL)和后右(RR)悬架。

致动器160安装在每个FL、FR、FL和RR悬架上，从而产生致动力并把该力施加到对应的悬架上。图1示出了四个致动器140，然而，致动器的数量不需要与车轮120的数量相同。

下面更详细地描述设计本实施例的车辆悬架系统的方法和本实施例的悬架。为了更好地理解对本发明精神的可能应用的较宽范围，在悬架系统运动公式中自由度数量表示为n，而独立的致动器数量表示为p。

根据呈现粘性阻尼的线性悬架系统的车体100运动公式可写成下面公式1。

(公式1)

$M\stackrel{..}{x}\left(t\right)+C(\stackrel{.}{x}\left(t\right)-\stackrel{.}{u}\left(t\right))+K(x\left(t\right)-u\left(t\right))=\mathrm{Pf}\left(t\right)$

在这里，M、C和K分别表示质量矩阵、阻尼矩阵和刚性矩阵，每个矩阵为对称的n×n矩阵。质量矩阵M为正定矩阵，阻尼矩阵C为半正定矩阵以及刚性矩阵K为正定矩阵。

P表示对应于致动器位置的n×p实矩阵，而f(t)表示p×1外力(即由致动器160产生的致动力)向量。

x(t)和u(t)分别表示状态和扰动向量。u(t)是指当车轮120沿着路面移动时产生的扰动。

得到上述公式1形式的给定悬架系统的运动公式对于本领域普通技术人员是显而易见的。另外，给定公式1的矩阵M、C、K和P的具体值并求出对应于公式1的悬架系统的物理特征对于本领域普通技术人员来说也是显而易见的。

下面首先描述公式1的去耦(decouple)方法。

通过得到刚性矩阵K的本征向量，可得到满足下面公式2的矩阵S，并因此使本征向量关于质量矩阵M而标准化。

(公式2)

S^TMS＝I以及S^TKS＝diag[ω_i ²]

在这里，diag[ω_i ²]表示对角矩阵，该矩阵的(i，i)元素为ω_i ²。在后面，Λ_K定义为S^TKS(即，A_K≡S^TKS)。

I表示n×n单位矩阵。

ω_i ²为固有频率的平方，ω_i为刚性矩阵K的第i个本征值。

公式2限定了矩阵S的标准化。

公式2意味着，根据相似变换矩阵S进行的相似变换，质量矩阵M可变换成单位矩阵，以及刚性矩阵K变换成对角矩阵。

根据由相似变换矩阵S进行的相似变换，可得到作为公式3的阻尼矩阵C的相似矩阵

(后面称为模态(modal)阻尼矩阵)。

(公式3) $S^T\mathrm{CS}=\hat{C}$

该模态阻尼矩阵为n×n对称半正定矩阵，而不必要是对角矩阵。

通过把相似变换矩阵S乘以公式1的左边，并用x(t)＝Sξ(t)和u(t)＝Sη(t)进行替代，公式1就变成下面公式4。

(公式4)

$\left(S^T\mathrm{MS}\right)\stackrel{..}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)+\left(S^T\mathrm{CS}\right)(\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)-\stackrel{.}{\mathrm{\η}}\left(t\right))+\left(S^T\mathrm{KS}\right)(\mathrm{\ξ}\left(t\right)-\mathrm{\η}\left(t\right))=S^T\mathrm{Pf}\left(t\right)$

这样，如果模态阻尼矩阵 $S^T\mathrm{CS}=\hat{C}$ 能对角化，则利用相似变换，公式4的左侧变成对角矩阵公式，即模态公式。

这种模态阻尼矩阵

能以各种方式被对角化。例如，下面公式5的条件可适用在悬架系统上。

(公式5)k_j＝α×c_j(j＝1，…，弹簧数量)

在这里，α为常数，而k_j和c_j分别表示第j根弹簧系数(或者等同地为弹簧率)和第j个阻尼系数。

对于车辆悬架系统，控制车体运动的弹簧和对弹簧振动进行阻挠的阻尼器通常安装在相同位置上。这样，刚性矩阵K和阻尼矩阵C呈现出相同的与位置相关的值，尽管其弹簧系数和阻尼系数不同。

因此，公式5表明，车辆悬架系统设计成对于每根弹簧数j＝1，…，均满足k_j＝α×c_j。也就是说，无论诸如FL、FR、RL和RR的悬架位置如何，弹簧和阻尼器的弹性系数和阻尼系数的比值相同。

根据公式5的条件，可用与刚性矩阵K的相似矩阵Λ_K≡S^TKS相同方式对模态阻尼矩阵

进行对角化。这样进行对角化的模态阻尼矩阵可写成下面的公式6。

(公式6) $S^T\mathrm{CS}=\hat{C}=\mathrm{diag}\[2{\mathrm{\ζ}}_i{\mathrm{\ω}}_i\]$

在这里，ζ_i表示第i个模态阻尼比。

在公式5的条件下改写公式1(或者公式4)，可推导出公式7。

(公式7)

$I\stackrel{..}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)+\mathrm{diag}\[2{\mathrm{\ζ}}_i{\mathrm{\ω}}_i\](\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)-\stackrel{.}{\mathrm{\η}}\left(t\right))+{\mathrm{\Λ}}_K(\mathrm{\ξ}\left(t\right)-\mathrm{\η}\left(t\right))=\hat{f}\left(t\right)$

在这里， $\hat{f}=\mathrm{Qf}\left(t\right),$ 而Q＝S^TP。至于x(t)和u(t)，x(t)＝Sξ(t)，而u(t)＝Sη(t)。

从公式7中清楚地看出，车辆悬架系统的运动公式的左侧被完全对角化了。

这样，从上述公式7中可推导出下面公式8形式的n(i＝1，…，n)模态公式。

(公式8)

${\stackrel{..}{\mathrm{\ξ}}}_i\left(t\right)+2{\mathrm{\ζ}}_i{\mathrm{\ω}}_i({\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}}_j\left(t\right)-{\stackrel{.}{\mathrm{\η}}}_j\left(t\right))+{\mathrm{\ω}}_i^2({\mathrm{\ξ}}_i\left(t\right)-{\mathrm{\η}}_i\left(t\right))={\hat{f}}_i\left(t\right)\text{=}\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}{f}_j\left(t\right)$

为了参考，图2中示出了去耦(decoupled)的模态公式的示例性的动态模型。

从公式8中可以看出，除了强制致动的右侧外，悬架系统的运动公式完全去耦。此时，对于设计振动控制的致动器160的致动力以及/或者把该设计的致动力施加到悬架系统上，悬架系统是方便的。

设计悬架系统的上述方法可归纳为：通过公式1使车辆悬架系统形式化(formalizing)；计算公式1的刚性矩阵K的本征向量；关于公式1的质量矩阵M对本征向量进行标准化；计算由标准化的本征向量构成的相似变换矩阵S；以及利用相似变换矩阵S来使公式1标准化。

根据设计车辆悬架系统的这种方法，在设计阶段，悬架系统的运动公式被模态标准化。这样，这种悬架系统的动态行为特征可通过良好的控制逻辑而容易得到加强，其中良好控制逻辑通过对车辆动力学的分析研究而获得。

下面就不同数量致动器的情况来详细描述确定悬架运动实施例的有效阻尼，这种确定是针对致动器160什么时候产生致动力以及产生多大致动力而进行的。

为了发生悬架运动的有效阻尼，如图1所示，本实施例的悬架系统还包括接收来自传感器单元110的信号并在此基础上控制致动器160的控制器150。

控制器150可通过由预定软件驱动的一个或多个处理器来实现，同时该预定软件可设计成执行根据本发明优选实施例的方法的每个步骤。

在后面，针对致动器160以与模态公式相同数量n(即模数)进行设置的情况来描述第一实施例，同时针对致动器160的数量p小于模数n的情况来描述第二实施例。

首先，来详细描述前一种情况，致动器160的数量p等于模数n。此时，悬空钩模态阻尼器最好作为致动阻尼的阻尼器。车辆悬架系统的典型动态模态包括悬空钩模态阻尼器，该阻尼器满足图3所示的非耦合模态公式。

然而，传统粘性阻尼器形成与振动质量(即车体)和支撑面(即路面)之间相对速度成正比的阻尼力，悬空钩阻尼器形成了与质量的绝对速度(即不考虑路面的波动)成正比的阻尼力。

这样，为这种悬空钩阻尼器设计的有效阻尼力(即模态控制力)

由下面公式9来表示。

(公式9) ${\hat{f}}_i=-C_{\mathrm{Si}}{\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}}_i$

在这里，C_Si为第i个模数悬空钩的阻尼系数，而

为第i模数的绝对速度。

当致动器160数量p等于模数n(n＝p)时，则矩阵Q为可逆的正则矩阵(或者非降秩矩阵)，因此，致动力f可写成下面公式10。

(公式10) $f=Q^{-1}\hat{f}$

利用上述公式10，悬架系统的运动公式可变成下面公式11。

(公式11)

${\stackrel{..}{\mathrm{\ξ}}}_i\left(t\right)+(2{\mathrm{\ζ}}_i{\mathrm{\ω}}_i+C_{\mathrm{Si}}){\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}}_i\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_i^2{\mathrm{\ξ}}_i\left(t\right)={\hat{C}}_{\mathrm{ii}}{\stackrel{.}{\mathrm{\η}}}_i\left(t\right)+{\mathrm{\ω}}_i^2{\mathrm{\η}}_i\left(t\right)$

从公式11中可以看出，悬架系统的运动公式被完全去耦。这样，当公式10的致动力施加到致动器160上时，就很容易减少悬架系统运动公式中每个模式中模态振动。

控制器150可把公式10的致动力加到后面描述过程中的致动器160上。

如图4所示，首先在步骤S410，在传感器单元110来的信号基础上，控制器150计算状态向量x(t)的时间导数(即速度)

接着在步骤S420，根据状态向量x(t)的速度

控制器150计算模态状态向量ξ(t)的速度

通过利用相似变换矩阵S和刚性矩阵K用x(t)＝Sξ(t)，计算模态状态向量ξ(t)的速度

其中x(t)＝Sξ(t)在设计悬架系统阶段确定。更具体地说，模态状态向量ξ(t)的速度

根据 $\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)\text{=}{\left(S^T\mathrm{KS}\right)}^{-1}\left(S^{T}K\right)\stackrel{.}{x}\left(t\right)$ 计算出数值。

接着，在步骤S430，利用模态状态向量ξ(t)的速度

控制器150计算致动器160的致动力向量f(t)。

更详细地说，利用对应于致动器160位置的相似变换矩阵S和矩阵P，通过等同于公式10的公式 $f\left(t\right)={\left(S^{T}P\right)}^{-1}(-C_{\mathrm{Si}})\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right),$ 计算致动力向量f(t)，其中该公式在设计悬架系统阶段确定。由此计算的致动力向量f(t)根据

$f\left(t\right)={\left(S^{T}P\right)}^{-1}\left({-C}_{\mathrm{Si}}\right){\left(S^T\mathrm{KS}\right)}^{-1}\left(S^{T}K\right)\stackrel{.}{x}\left(t\right)$

计算出数值。

接着，在步骤S440，控制器150把上述计算出的致动力向量施加到致动器160上。

就上述描述，注意下面注释。

首先，不一定需要的是，传感器单元110探测状态向量x(t)和控制器150计算出其速度

作为改型的实施例，传感器单元110可直接探测状态向量x(t)的速度

从而控制器150可只接收探测到的速度

这样，在本发明实施例的详细描述中以及在附加的权利要求书中，对状态向量x(t)的速度的计算可理解为覆盖了用于获得状态向量x(t)的速度

数值的任何步骤。

另外，参照上述描述中的多个步骤对计算致动力力向量f(t)的过程进行了描述，然而，需要知道的是，最终计算 $f\left(t\right)={\left(S^{T}P\right)}^{-1}\left({-C}_{\mathrm{Si}}\right){\left(S^T\mathrm{KS}\right)}^{-1}\left(S^{T}K\right)\stackrel{.}{x}\left(t\right)$ 的数值是示例性的过程。作为简单变化，在控制器150中存储(S^TP)^-1(-C_Si)(S^TKS)^-1(S^TK)的值后，通过在步骤S410后，控制器150只把存储的矩阵(S^TP)^-1(-C_Si)(S^TKS)^-1(S^TK)乘以速度向量

而得到致动力向量f(t)。

下面详细描述本发明第二实施例的悬架系统。

根据第二实施例，致动器160的数量p小于模数n(或者等同地为模态公式的数量)。

此时，悬空钩库仑模态摩擦阻尼器最好作为有效阻尼的阻尼器。图5示出了车辆悬架系统的典型动态模态，其中该系统包括满足去耦模态公式的悬空钩库仑模态摩擦阻尼器。

当致动器160的数量p小于模态数n时，包括其右侧(即致动力侧)的悬架系统的运动公式不能完全去耦。

此时，当与模态速度成正比的致动力加在致动器160上以增加模态阻尼矩阵

的对角元素的值，其非对角元素的值也增加。也就是说，阻尼效应不能就特定模态单独增加，特定模态的阻尼增加可对不同模态中阻尼产生负作用(即振动能量增加)。

因此，在致动器160的数量p小于模态数n时，悬空钩库仑模态摩擦阻尼器作为有效阻尼的阻尼器，从而当特定模态的阻尼被控制增加时，在对不同模态产生的副作用减少。

在采用悬空钩库仑摩擦阻尼器的情况下，模态控制力

满足下面公式12。

(公式12) ${\hat{f}}_i=-F_{\mathrm{Si}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}}_i\right)=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_{\mathrm{ij}}{f}_j$

在这里，F_Si表示与第i个模态有关的悬空钩库仑摩擦阻尼器的摩擦力。如前面所述，p表示致动器的数量，同时矩阵Q定义为Q＝S^TP。

是指第i模态的绝对速度，而

表示其正负号。

为满足上面公式12，计算第j个致动力f_j(＝1，…，p)作为下面公式13 。

(公式13)

在这里，F_P和F_N分别表示第j个致动器能产生的正最大力和负最大力。对于k＝1，…，(2ⁿ-2)的F_k为在F_P和F_N之间的值。

根据上述公式13，当对于k＝1，…，(2_n-2)的F_K不是零(0)时，车体100的运动减少几个模态，而增加另外几个模态。例如，为了减少第一模态的运动，F₁应该具有正值，但此时，在第n个模态，运动增加。这样，根据第二实施例，对于所有的k＝1，…，(2ⁿ-2)的F_K设定在零(0)，从而在每个模态下运动可单独减少。

也就是说，控制器150计算第j个致动力f_j(j＝1，…，p)作为下面公式14。

(公式14)

根据上述公式14，致动器160仅在下面情况下致动，即振动能量在每个模态下消散时。

例如，当只有两个致动器安装到具有超过两个自由度的车辆悬架系统时，如果在第个模态中第一致动器使振动能量消失，而第二致动器不能使振动能量消失，则只有第一致动器被致动力来致动。换句话说，第j个致动器仅当操作确保振动能量在每个模态下消失时来进行操作。

公式14的第一行(或者公式13的第一行)意味着，当第j个致动器可使振动能量在每个模态下消散时，该第j个致动器操作成具有正的最大力。也就是说，此时，正致动力施加到第j个致动器可阻挠振动。于是，通过把正的最大致动力施加到第j个致动器，可把这种振动阻尼效应控制成最大值。

另外，公式14的第二行(或者公式13的最后一行)是指第j个致动器的致动力正值使振动能量在每个模态增加。这样，此时，把第j个致动器控制成具有负的最大致动力。也就是说，由于正的致动力施加到j个致动器可使振动增加，因此，这种振动可通过施加负致动力而得到阻挠。这样，在这种情况下，通过把负的最大致动力施加到第j个致动器上，可把振动阻尼效应控制成最大值。

在公式第一和最后一行之间的行涉及这样的情况，即第j个致动器的操作可使几个模态下的振动增加，而另外几个模态下的振动减少。本领域的普通技术人员可选择F_k的适当值，以在规定范围内满足特定悬架系统的需要特性。

根据第二实施例，F_k的值预设为零(0)，从而不会产生任何负作用(在任何模态振动能量增加)。

在后面描述的过程中，控制器150可把公式14的致动力施加到致动器160上。

如图4所示，首先在步骤S610，根据来自传感器单元110的信号，控制器150计算状态向量x(t)的时间导数(即速度)

接着，在步骤S620，根据状态向量x(t)的时间导数(即速度)

控制器150计算模态状态向量ξ(t)的速度

通过利用相似变换矩阵S和刚性矩阵K的x(t)＝Sξ(t)来计算模态状态向量ξ(t)的速度

其中在设计悬架系统阶段确定x(t)＝Sξ(t)。更详细地说，根据 $\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}\left(t\right)={\left(S^T\mathrm{KS}\right)}^{-1}\left(S^{T}K\right)\stackrel{.}{x}\left(t\right),$ 计算模态状态向量ξ(t)的速度

接着，在步骤S630-640，利用模态状态向量ξ(t)的速度控制器150计算对于每个j(j＝1，…p)的致动力向量f(t)的第j个分量f_j(第j个致动器的致动力)。

为了计算第j个致动器的致动力f_j，在步骤S630，控制器150首先确定对于每个第i个模态(i＝1，…，n)是否 $Q_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}}_i\right)\≥0.$

当对于每个第i个模态(i＝1，…，n)， $Q_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{.}{\mathrm{\ξ}}}_i\right)\≥0$ 得到满足时(步骤630中选是)，则在步骤S635，控制器150设定第j个致动器的致动力f_j为-F_P。

另外，在步骤S640，控制器150还确定对于每个第i个模态(i＝1，…，n)， $Q_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{.}{\mathrm{\&xi;}}}_i\right)<0$ 是否得到满足。

当对于每个第i个模态(i＝1，…，n)， $Q_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{.}{\mathrm{\&xi;}}}_i\right)<0$ 得到满足(步骤640中选是)时，则在步骤S645，控制器150设定第j个致动器的致动力f_j为-F_N。

当对于每个第i个模态(i＝1，…，n)， $Q_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{.}{\mathrm{\&xi;}}}_i\right)\&GreaterEqual;0$ 0和 $Q_{\mathrm{ij}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{.}{\mathrm{\&xi;}}}_i\right)<0$ 均不能满足(S620-否和S640-否)时，则在步骤S650，控制器150把致动力f_j设定为零。

通过根据步骤S660来递推执行步骤S630-S650，控制器150计算第j个致动器的致动力f_j(j＝1，…p)。

当对于每个j＝1，…p计算致动力f_j时，完成了对致动力向量f(t)的计算。

接着在步骤S670，控制器150通过计算的致动力向量f(t)使致动器160致动。

就上述描述，注意下面注释。

首先，不一定需要传感器单元110探测状态向量x(t)和控制器150计算出其速度

作为改型的实施例，传感器单元110可直接探测状态向量x(t)的速度

从而控制器150可只接收探测到的速度

这样，在本发明实施例的详细描述中以及在附加的权利要求书中，对状态向量x(t)的速度

的计算可理解为覆盖了用于获得状态向量x(t)的速度

数值的任何步骤。

根据本发明的一个实施例，对于实际控制，能更容易地设计有效控制的悬架系统。

当设置象悬架系统自由度那样多的致动器时，每个振动模态可有效和单独地得到控制。

另外，即使致动器数量比悬架系统自由度数量少时，也能控制振动模态，同时对其他振动模态不产生副作用。

虽然结合目前认为是最实际和优选的实施例对本发明进行了描述，然而可以理解的是，本发明不限于披露的实施例，相反，本发明意在覆盖包括在附加权利要求书精神和范围内的各种改型和等同设计。

Claims (7)

1.一种车辆悬架系统，包括：

多根弹簧；

每个均与该多根弹簧之一对应的多个阻尼器，以及

对悬架系统产生控制力的多个致动器，

其中：

该悬架系统通过公式1被形式化；以及

公式1分成n个模态公式，

其中公式1为具有多个自由度n的线性矩阵公式，而该线性矩阵公式包括用于粘性阻尼的阻尼矩阵，

其中公式1为：

$M\stackrel{\&CenterDot;\&CenterDot;}{x}\left(t\right)+C(\stackrel{\&CenterDot;}{x}\left(t\right)-\stackrel{\&CenterDot;}{u}\left(t\right))+K(x\left(t\right)-u\left(t\right))=\mathrm{Pf}\left(t\right)$

其中：

n和p分别表示悬架系统的自由度和独立的致动器的数量；

M、C和K分别表示质量矩阵、阻尼矩阵和刚性矩阵，每个矩阵均为对称的n×n矩阵，质量矩阵M为正定矩阵，阻尼矩阵C为半正定矩阵，而刚性矩阵K为正定矩阵；

P表示对应于致动器位置的n×p实矩阵；

x(t)和u(t)分别表示n×1状态和扰动向量；以及

f(t)表示p×1外力向量。

2.如权利要求1所述的车辆悬架系统，其中每对第j根弹簧的弹簧系数k_j和对应于该第j根弹簧的第j个阻尼器的阻尼系数c_j之间满足正比关系k_j＝α×c_j，其中α为常数。

3.如权利要求2所述的车辆悬架系统，其中数量n和数量p是相等的，

该悬架系统还包括：

用于探测状态向量x(t)及其速度

至少之一的探测单元；以及

根据探测到的状态向量x(t)或其速度之一用来控制致动器的控制器，

其中控制器通过 $f=Q^{-1}\hat{f}$ 的致动力来控制致动器，

其中满足Q＝S^TP， ${\hat{f}}_i=-C_{\mathrm{Si}}{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&xi;}}}_i,$ 以及x(t)＝Sξ(t)；

C_si为第i个模态下悬空钩阻尼器的阻尼系数；以及

S为由刚性矩阵K的本征向量组成的矩阵，并就质量矩阵M进行标准化。

4.如权利要求2所述的车辆悬架系统，其中数量p小于数量n，

该悬架系统进一步包括：

用于探测状态向量x(t)及其速度

至少之一的探测单元；以及

根据探测到的状态向量x(t)或其速度

之一用来控制致动器的控制器，

其中控制器通过f(t)的致动力来控制致动器，其中该f(t)满足

${\hat{f}}_i=-F_{\mathrm{Si}}\mathrm{sign}\left({\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&xi;}}}_i\right)=\underset{j=1}{\overset{p}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_{\mathrm{ij}}{f}_j$

其中：

满足Q＝S^TP以及x(t)＝Sξ(t)；

F_si为第i个模态下悬空钩库仑摩擦阻尼器的摩擦力；以及

S为由刚性矩阵K的本征向量组成的矩阵，并就质量矩阵M进行标准化。

5.根据权利要求4所述的车辆悬架系统，其中致动力f(t)满足：

其中

i＝1，…，n，以及j＝1，…，p，

其中F_A为在零到F_P范围的值；

F_B为在零到F_N范围的值；

对于k＝1，…，(2ⁿ-2)的F_k为在F_P和F_N之间的值；以及

F_P和F_N分别表示第j个致动器产生的正的最大力和负的最大力。

6.如权利要求5所述的车辆悬架系统，其中致动力f(t)满足

其中i＝1，…，n以及j＝1，…，p。

7.如权利要求6所述的车辆悬架系统，其中F_A和F_P的值是相等的，而F_B和F_N的值是相等的。

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