CN102582389A - 一种基于虚拟阻尼的车辆悬架控制方法 - Google Patents

一种基于虚拟阻尼的车辆悬架控制方法 Download PDF

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本发明公开一种基于虚拟阻尼的车辆悬架控制方法，控制单元根据簧载质量加速度与车轮质量加速度计算出簧载质量加速度与车轮质量加速度之差值，对该差值求积分得到簧载质量相对于车轮质量的相对运动速度
Figure 788082DEST_PATH_IMAGE001
值；通过控制策略计算获得策略控制力
Figure 2012100522638100004DEST_PATH_IMAGE002
；在控制单元中预设虚拟阻尼力
Figure 705223DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为虚拟阻尼的阻尼值，求出虚拟阻尼力
Figure 422643DEST_PATH_IMAGE003
与策略控制力之和，得到控制单元所要输出的整体控制力F并将整体控制力F输入到悬架控制力发生器产生实际的悬架控制力；将传统基值阻尼虚拟后获得虚拟正阻尼力，消除了由真实基值阻尼耗散的能量；虚拟阻尼可以不受基值阻尼实际存在的限制而根据车辆行驶工况的变化灵活且任意地被匹配或优化。

Description

一种基于虚拟阻尼的车辆悬架控制方法
技术领域
本发明属于车辆悬架控制技术领域，尤其涉及用于车辆主动悬架与半主动悬架的控制方法。
背景技术
悬架作为车辆重要的结构与功能部件，对车辆整体性能影响重大。车用悬架按其工作原理可分为被动悬架、半主动悬架及主动悬架。被动悬架主要由弹簧、减震器等组成，通过减震器的固定粘性阻尼消耗车辆车轴与车身质量之间的振动能量来获得减振效果，被动悬架固定的刚度和阻尼难以满足各种减振要求。半主动悬架是将被动悬架阻尼值不变的减震器改造成为阻尼值实时可调的阻尼元件以改善车辆的平顺性。主动悬架是在被动悬架的基础上增加一个可以产生主动控制力的控制力发生器，因此具有输出带有负阻尼特性主动控制力的能力，可使车辆平顺性达到最优，因此，主动悬架的性能要优于半主动悬架，而半主动悬架的优势在于控制系统简单且无需外部动力源，成本低廉。
现有的主动悬架或半主动悬架为了保证具有较好的使用性能，一般在悬架结构中设有基值阻尼元件，尤其是采用PID控制策略或包含PID的组合控制策略的主动悬架或半主动悬架。由于在结构上设有基值阻尼元件，使用时，必然有一部分能量被基值阻尼元件耗散。此外，对于主动悬架来说，在特定工况下为了取得的较好的悬架性能，可能要求基值阻尼元件与控制力发生器两者产生合力的阻尼特性为负阻尼，与没有基值阻尼元件的主动悬架相比，带有基值阻尼元件的主动悬架的控制力发生器必须输出更多的主动控制功率（即具有负阻尼特性的功率）来平衡基值阻尼元件的正阻尼功率，因此功率消耗大。对于半主动悬架来说，基值阻尼元件的阻尼值是悬架阻尼优化取值范围的下限，因此与没有基值阻尼元件半主动悬架相比，带有基值阻尼元件的半主动悬架的阻尼优化取值范围偏小，导致悬架性能改善有限。
发明内容
针对现有主动悬架在结构中设置基值阻尼元件导致能量消耗多，及现有半主动悬架由于在结构中设置基值阻尼元件导致性能改善有限的缺陷，本发明提供一种基于虚拟阻尼的车辆悬架控制方法，在传统主动悬架或半主动悬架控制力之外另增加一项由虚拟阻尼提供的虚拟正阻尼力来取消实际存在的基值阻尼元件，减小主动悬架功耗及提高半主动悬架的控制效果。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：在铅垂方向上，车轮质量与轮胎等效弹簧组成车轮，车轮位于簧载质量的下方，悬架的簧载质量上固定设有簧载质量加速度传感器，车轮质量上固定设有车轮质量加速度传感器，簧载质量加速度传感器、车轮质量加速度传感器及悬架控制力发生器各自通过信号线连接控制单元，悬架弹簧与悬架控制力发生器并联于车轮与簧载质量之间；将簧载质量加速度传感器与车轮质量加速度传感器分别测得的簧载质量加速度与车轮质量加速度输入控制单元，计算出簧载质量加速度与车轮质量加速度之差值，对该差值求积分得到簧载质量相对于车轮质量的相对运动速度                                                
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE001
值；控制单元根据所述簧载质量加速度与车轮质量加速度通过控制策略计算获得策略控制力；在控制单元中预设虚拟阻尼力
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE004
为虚拟阻尼的阻尼值，求出虚拟阻尼力
Figure 8933DEST_PATH_IMAGE003
与策略控制力
Figure 2297DEST_PATH_IMAGE002
之和，得到控制单元所要输出的整体控制力F；控制单元将整体控制力F输入到悬架控制力发生器产生实际的悬架控制力。
本发明采用上述技术方案后，具有的有益效果是：
1、本发明增加一项将传统的基值阻尼虚拟后而获得虚拟正阻尼力，使得悬架结构中再没有真实的基值阻尼元件，纳入虚拟阻尼力成为整体控制力后，虽然有少数负阻尼特性的时刻存在，但整体控制力的全局（或整体）阻尼特性呈现为明显的正阻尼，消除了由真实基值阻尼耗散的能量。
2、消除具有负阻尼特性的整体控制力，从而能将制造成本与使用成本较高的主动悬架改造为制造成本与使用成本较低的半主动悬架，改造后的半主动悬架的使用性能与主动悬架相当。 
3、虚拟阻尼可以不受基值阻尼实际存在的限制而根据车辆行驶工况的变化灵活且任意地被匹配或优化。
附图说明
图1是车辆悬架控制原理示意图；
图2是主动悬架PID控制器设计的原理图；
图3是PID控制主动悬架的整体控制力的输出功率图，图中横坐标表示时间t（单位为秒s），纵坐标表示功率P（单位为瓦W）；
图4是PID控制主动悬架、PID控制半主动悬架及被动悬架的性能比较图，图中横坐标表示时间t（单位为秒s），纵坐标表示悬架二次型性能指标J（无单位）；
图中：1.悬架弹簧；2.簧载质量；3.簧载质量加速度传感器；4.悬架控制力发生器；5.控制单元；6.车轮质量加速度传感器；7.车轮质量；8.轮胎等效弹簧。
具体实施方式
如图1所示，本发明所运用于的主动悬架系统为；在铅垂方向上（与悬架系统运动相关的所有物理量的方向都是在铅垂方向上），车轮质量7与轮胎等效弹簧8组成车轮，车轮位于簧载质量2的下方，车轮与簧载质量2之间并联有悬架弹簧1与悬架控制力发生器4，车轮直接与地面相互作用而使悬架产生振动；在簧载质量2上固定设有簧载质量加速度传感器3，在车轮质量7上固定设有车轮质量加速度传感器6，簧载质量加速度传感器3与车轮质量加速度传感器6各自通过信号线连接于控制单元5，悬架控制力发生器4也通过信号线连接于控制单元5，控制单元5可采用PID控制策略或者采用LQG、神经网络、模糊等控制策略，上述控制策略可单独使用或组合使用。
对主动悬架控制时，先为控制单元5预设一个虚拟阻尼力
Figure 694309DEST_PATH_IMAGE003
，其中
Figure 431321DEST_PATH_IMAGE004
为虚拟阻尼的阻尼值，
Figure 892389DEST_PATH_IMAGE004
值的预设可参照传统主动悬架与半主动悬架基值阻尼的预设，
Figure 322234DEST_PATH_IMAGE001
为簧载质量2相对于车轮质量7的相对运动速度。在预设虚拟阻尼力之前，控制单元5先通过簧载质量加速度传感器3与车轮质量加速度传感器6分别测得簧载质量加速度与车轮质量加速度，将簧载质量加速度与车轮质量加速度输入控制单元5，经控制单元5算出簧载质量加速度与车轮质量加速度的差值，对该差值求积分即得到簧载质量2相对于车轮质量7的相对运动速度值。通过预设的虚拟阻尼力，可使得该虚拟阻尼具有与传统主动悬架与半主动悬架中基值阻尼相同功能，从而实现了取消基值阻尼，进而实现消除由真实基值阻尼耗散的能量。
控制单元5根据输入的簧载质量加速度与车轮质量加速度，使用PID等控制策略获得策略控制力
Figure 776666DEST_PATH_IMAGE002
。控制单元5对虚拟阻尼力
Figure 420137DEST_PATH_IMAGE003
与策略控制力
Figure 627740DEST_PATH_IMAGE002
求和，得到控制单元5所要输出的整体控制力F，然后将F输入到悬架控制力发生器4进而产生实际的悬架控制力。 
由于基值阻尼是虚拟的，因此它的取值不受实体基值阻尼一经制造就不再调整的限制，
Figure 356661DEST_PATH_IMAGE004
的取值可根据减振的需要任意变化取值。
将具有负阻尼特性的整体控制力F取0时，相当于将图1所示的主动悬架改造为半主动悬架。
为了使主动悬架取得最好的性能，可根据车辆的常用工况对虚拟阻尼及具体控制策略的相关控制参数进行优化，以下仅以控制单元5采用PID控制策略为例说明，当控制单元5采用其它策略控制时，对虚拟阻尼
Figure 871136DEST_PATH_IMAGE004
及PID控制参数的优化方法与之雷同。
针对图1，根据牛顿第二定律进行动力学分析有：
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE005
                (1)
式中：m 1为车身质量；m 2为车轮质量；k 1为轮胎等效刚度；k 2为悬架等效刚度；F是悬架系统的整体控制力；F 0是使用PID控制策略获得的策略控制力；c v 为虚拟阻尼；q为悬架系统的路面位移输入，
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE006
，式中：参考空间频率n 0 =0.1m -1，w为路面白噪声函数，G q (n 0)为参考空间频率n 0下的路面谱值，u为车辆的行驶速度，下截止频率f 0=0.011·u；x 1为车轮垂直位移；x 2为车身垂直位移。
选取悬架系统状态空间为： X =(q, x 1 , x 2 , x 3 , x 4)T , x 3 =
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE007
, x 4 =
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE008
。
则悬架系统运动的状态方程为：
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE009
                          (2)
其中：
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE010
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE011
       
Figure DEST_PATH_IMAGE013
 
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE014
J为悬架二次型性能指标，J越小悬架性能越优。
Figure DEST_PATH_IMAGE015
               (3)
其中车身加速度a 2 = ；车轮动变形x 1 -q；悬架动挠度f d =x 2 -x 1；
Figure DEST_PATH_IMAGE017
及
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE018
分别为车轮动变形与悬架动挠度的加权系数。
参见图2的主动悬架PID控制器设计的原理图，其中：F 0为PID控制器输出的策略控制力；
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为PID控制器的比例系数；y为悬架的输出，一般取簧载质量加速度，即
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE020
；r为参考信号，一般取0；e为PID控制器的输入信号，等于r-y；
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为控制PID器的积分系数，
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE022
为PID控制器的微分系数。
使用PID控制算法有：
                     (4)
则整体控制力F的输出功率为：
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE024
    (5)
为了获得较好的悬架性能，可对PID控制器的三个控制参数k p 、k i 、k d 及c v 进行优化来获得。在车辆的常用工况下以悬架二次型性能指标为目标函数，可使用遗传算法利用数值仿真来完成上述优化。
悬架结构参数为：m 1 =25 kg, m 2 =330 kg, k 1 =170,000 N/m, k 2 =13,000 N/m；该车的常用工况是以20 m/s的车速在C级路面上行驶，即G q (n 0 )=256×10-6m2 /m-1；u=20m/s；δ 1＝36274，δ 2＝675.51。仿真时长为40 s，算法为ODE3。PID控制主动悬架经遗传算法优化后有：k p =87.5588，k i =3308.8.9，k d =0.0978，c v =706.9537 N·s/m，J=2.0669。
由图3可以看出该PID控制主动悬架的整体控制力的输出功率虽然在少部分时刻为正，即具有负阻尼特性，但在绝大部分时候具有正阻尼特性，且全局（或整体）阻尼特性明显为正。
使用式（5）可将上述PID控制主动悬架改造PID控制半主动悬架。
Figure 2012100522638100002DEST_PATH_IMAGE025
                    (5)
式中：F s 为改造后的半主动悬架的整体控制力。
使用本发明所提供控制方法的PID控制半主动悬架的控制参数与虚拟阻尼的优化与上述PID控制主动悬架的优化方法相同，优化结果为：k p =108.809，k i =2691.6，k d =0.0667，c v =750.8976 N·s/m，J=2.1041。
图4显示使用本发明所提供控制方法的PID控制主动悬架与PID控制半主动悬架的性能较被动悬架有明显地改善，但PID控制主动悬架与PID控制半主动悬架的性能基本相当，考虑到主动悬架的制造与使用成本均较高，从改善车辆平顺性的角度考虑，对PID控制策略来说半主动悬架完全可以取代主动悬架。

Claims (1)

1.一种基于虚拟阻尼的车辆悬架控制方法，在铅垂方向上，车轮质量（7）与轮胎等效弹簧（8）组成车轮，车轮位于簧载质量（2）的下方，悬架的簧载质量（2）上固定设有簧载质量加速度传感器（3），车轮质量（7）上固定设有车轮质量加速度传感器（6），簧载质量加速度传感器（3）、车轮质量加速度传感器（6）及悬架控制力发生器（4）各自通过信号线连接控制单元（5），悬架弹簧（1）与悬架控制力发生器（4）并联于车轮与簧载质量（2）之间，其特征是采用如下步骤：
1）将簧载质量加速度传感器（3）与车轮质量加速度传感器（6）分别测得的簧载质量加速度与车轮质量加速度输入控制单元（5），计算出簧载质量加速度与车轮质量加速度之差值，对该差值求积分得到簧载质量（2）相对于车轮质量（7）的相对运动速度                                                
Figure 2012100522638100001DEST_PATH_IMAGE001
值；
2）控制单元（5）根据所述簧载质量加速度与车轮质量加速度通过控制策略计算获得策略控制力；
3）在控制单元（5）中预设虚拟阻尼力
Figure 2012100522638100001DEST_PATH_IMAGE003
，
Figure 833105DEST_PATH_IMAGE004
为虚拟阻尼的阻尼值，求出虚拟阻尼力
Figure 37821DEST_PATH_IMAGE003
与策略控制力
Figure 236722DEST_PATH_IMAGE002
之和，得到控制单元（5）所要输出的整体控制力F；
4）控制单元（5）将所述整体控制力F输入到悬架控制力发生器（4）产生实际的悬架控制力。
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