CN105172510A - 一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统及控制方法，通过加速度传感器实时采集虚拟惯容力发生器两端点的加速度信号a_s与a_b并传输到控制单元，虚拟惯容优化模块根据悬架系统性能的优化策略对虚拟惯容的基值b进行求解并输入到控制单元。控制单元依据惯容器的动力学方程F＝b(a_s-a_b)求取虚拟惯性力(目标控制力)F并传输到虚拟惯容力发生器以产生实际的作用力，实现利用虚拟惯容力发生器取代机械式惯容器装置的目的。本发明解决了惯容器装置在工程应用中受非线性因素影响较大的难题，弥补了主动、半主动悬架质量阻抗缺失的不足，容错性较好，性能稳定，且虚拟惯容的基值可根据行驶工况与评价指标的变化进行灵活的匹配与优化，应用前景广阔。

Description

一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及一种车辆悬架控制方法，特指一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统及控制方法。

背景技术

汽车悬架作为承载车身、传递车轮与车身之间一切作用力的装置，其性能的优劣直接影响车辆的行驶平顺性与操纵稳定性。

近年来，为突破传统被动悬架性能提升的瓶颈难题，国内外学者做了诸多尝试。一方面，主动、半主动悬架可通过调节悬架的元件参数对悬架的刚度特性或阻尼特性进行实时控制，其作动效果优良，性能优越；另一方面，围绕着新型机械隔振元件“惯容器”开展的车辆1SD(Inerter-Spring-Damper)悬架系统由于其稳定的工作品质及优越的隔振效果，也引起了广泛的关注。

车辆1SD悬架是由惯容器、弹簧、阻尼器三类机械元件组合而成的新型被动悬架系统。惯容器的提出解决了质量块的单端点难题，将惯容器融合设计于悬架系统中，弥补了现有悬架系统质量阻抗缺失的漏洞，因而其隔振潜能得到了较为广泛的认可。

目前而言，惯容器在设计应用中还存在着诸多亟待解决的问题。比如，受摩擦力、弹性效应及背隙等非线性因素影响较为严重，理论设计与实际模型仍存在一定差距。因此，如何解决惯容器结构未成熟，悬架系统质量阻抗缺失的难题，成为了工程领域关注的焦点。

发明内容

本发明的目的是：为解决惯容器在工程应用中受非线性因素影响较大，无法实际应用的难题及主动、半主动悬架控制系统质量阻抗缺失的不足，提出一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制方法，利用虚拟惯容力发生器取代传统的惯容器机械装置，消除惯容器的非线性因素的影响，同时完善悬架系统的阻抗形式。

为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案是：

提出一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统及控制方法，由上支点加速度传感器、簧载质量、弹簧、阻尼器、车轮质量、轮胎等效弹簧、下支点加速度传感器、虚拟惯容力发生器、控制单元、虚拟惯容优化模块组成。上支点加速度传感器与下支点加速度传感器通过实时采集虚拟惯容力发生器两端点的加速度信号a_s与a_b并传输到控制单元，虚拟惯容优化模块根据悬架系统性能的优化策略对虚拟惯容的基值b进行求解并输入到控制单元。控制单元依据惯容器的动力学方程F＝b(a_s-a_b)求取虚拟惯性力(目标控制力)F并传输到虚拟惯容力发生器以产生实际的作用力，实现利用虚拟惯容力发生器取代机械式惯容器装置的目的。

采用本发明的有益实施效果是：本发明公开的一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统及控制方法，利用虚拟惯容力发生器替代了原有的机械式惯容器元件。

相较于主动、半主动悬架，虚拟惯容力发生器的作用力计算法则融合了质量阻抗的因素，弥补了现有主动、半主动悬架质量阻抗缺失的不足，且其容错性能良好，即使是控制系统失效，虚拟惯容力发生器等效为刚度系统，不会对悬架系统造成性能失稳的后果。

相较于应用机械式惯容器的车辆被动lSD悬架系统，本发明克服了目前惯容器元件结构不成熟，受非线性因素影响较大的难题，仍然将质量阻抗融合设计于悬架的作动过程中，延续了车辆lSD悬架阻抗完善的优点，且其性能优良，具备良好的工程应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制方法示意图。

图2是车身加速度时域响应对比图。

图3是悬架动行程时域响应对比图。

图4是轮胎动载荷时域响应对比图。

附图标记说明：1.上支点加速度传感器，2.簧载质量，3.弹簧，4.阻尼器，5.车轮质量，6.轮胎等效弹簧，7.虚拟惯容力发生器，8.下支点加速度传感器，9.控制单元，10.虚拟惯容优化模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制方法，由上支点加速度传感器1、簧载质量2、弹簧3、阻尼器4、车轮质量5、轮胎等效弹簧6、虚拟惯容力发生器7、下支点加速度传感器8、控制单元9、虚拟惯容优化模块10组成。

以附图1所示的车辆四分之一悬架系统模型为例，上支点加速度传感器1与下支点加速度传感器8分别布置在虚拟惯容力发生器7的上支点与下支点。弹簧3的上支点连接簧载质量2，弹簧3的下支点连接车轮质量5起到承载簧载质量2的作用。虚拟惯容力发生器7的上支点连接簧载质量2，虚拟惯容力发生器7的下支点连接阻尼器4的上支点，阻尼器4的下支点连接车轮质量5。轮胎等效弹簧6的上支点连接车轮质量5，轮胎等效弹簧6的下支点与地面相连。

其中，上支点加速度传感器1与下支点加速度传感器8均通过信号线与控制单元9相连用于传输加速度信号a_s与a_b。

虚拟惯容力发生器7是一种力发生器装置，可由机械式液压缸或电磁式作动器实现，其通过信号线与控制单元9相连用于接收虚拟惯性力(目标控制力)信号F。

虚拟惯容优化模块10是一种对虚拟惯容的基值信号b进行优化求解的子系统，可由电脑编程实现，其通过信号线与控制单元9相连，用于传输虚拟惯容的基值信号b。

所述控制单元9为电子控制单元ECU。

其控制方法包括以下步骤：

①上支点加速度传感器1与下支点加速度传感器8通过实时采集虚拟惯容力发生器7两个端点的加速度信号a_s与a_b输入到控制单元9。

②虚拟惯容优化模块10通过建立悬架系统的动力学方程，经悬架系统性能的优化策略获取虚拟惯容的基值信号b，同时输入到控制单元9。

③控制单元9根据输入的信号并依据惯性力的动力学方程F＝b(a_s-a_u)计算得到虚拟惯性力(目标控制力)F输出到虚拟惯容力发生器7，虚拟惯容力发生器7根据输入的力信号产生实际的作用力。

以下仅以利用遗传算法为例对虚拟惯容基值b的求解方法进行介绍，虚拟惯容基值b的优化求解步骤如下：

1、以附图1所示悬架系统为例，建立悬架系统的动力学方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_s{\stackrel{\·\·}{z}}_s+k(z_s-z_u)+F=0\\ m_u{\stackrel{\·\·}{z}}_u+k_t(z_u-z_r)-k_s(z_s-z_u)-F=0\\ F=b({\stackrel{\·\·}{z}}_s-{\stackrel{\·\·}{z}}_b)=c({\stackrel{\·}{z}}_b-{\stackrel{\·}{z}}_u)\end{array}\right.$

式中，m_s为簧载质量取320kg；m_u为非簧载质量取45kg；k为悬架弹簧刚度取22000N.m^-1；c为阻尼系数取1500N.s.m^-1；b为虚拟惯容的基值，为待优化求解的变量；k_t为轮胎刚度取192000N.m^-1；F为惯容器与阻尼之间的作用力；Z_s、Z_b、Z_u、Z_r分别为车身、惯容器、轮胎、路面的垂直位移。

2、利用遗传算法对虚拟惯容器的基值b进行优化求解。选取车辆平顺性评价指标车身加速度均方根值BA、悬架动行程均方根值SWS、轮胎动载荷均方根值DTL与某成熟轿车悬架的车身加速度均方根值BA_pass、悬架动行程均方根值SWS_pass、轮胎动载荷均方根值DTL_pass的线性组合作为遗传算法的目标函数：

$J=-(w_1\frac{\mathrm{BA}}{{\mathrm{BA}}_{\mathrm{pass}}}+w_2\frac{\mathrm{SWS}}{{\mathrm{SWS}}_{\mathrm{pass}}}+w_3\frac{\mathrm{DTL}}{{\mathrm{DTL}}_{\mathrm{pass}}})$

式中，w₁、w₂、w₃为权重系数。

3、采用滤波白噪声作为随机路面输入模型，假定汽车以车速30km/h行驶在C级路面，此处权重系数均设为1，经遗传算法优化后得到的虚拟惯容基值b为：501kg。

需要指出的是，虚拟惯容基值的求解可根据优化算法、行驶工况、评价指标、权重系数的不同而灵活的匹配，所述实施例仅为举例说明，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

图2-图4分别为虚拟惯容悬架系统与传统被动悬架的车身加速度、悬架动行程、轮胎动载荷时域响应图，可以看出，本发明所提出的一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制方法相较于传统被动悬架，其性能优良，因此具备良好的应用前景。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统，其特征在于，包括上支点加速度传感器(1)、簧载质量(2)、弹簧(3)、阻尼器(4)、车轮质量(5)、轮胎等效弹簧(6)、虚拟惯容力发生器(7)、下支点加速度传感器(8)、控制单元(9)、虚拟惯容优化模块(10)；

所述上支点加速度传感器(1)与下支点加速度传感器(8)分别布置在虚拟惯容力发生器(7)的上支点与下支点，弹簧(3)的上支点连接簧载质量(2)，弹簧(3)的下支点连接车轮质量(5)；虚拟惯容力发生器(7)的上支点连接簧载质量(2)，虚拟惯容力发生器(7)的下支点连接阻尼器(4)的上支点，阻尼器(4)的下支点连接车轮质量(5)，轮胎等效弹簧(6)的上支点连接车轮质量(5)，轮胎等效弹簧(6)的下支点与地面相连；

所述上支点加速度传感器(1)与下支点加速度传感器(8)均通过信号线与控制单元(9)相连；虚拟惯容力发生器(7)与虚拟惯容优化模块(10)均通过信号线与控制单元(9)相连，所述虚拟惯容优化模块(10)用于传输虚拟惯容的基值信号b。

2.根据权利要求1所述的一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统，其特征在于，所述虚拟惯容力发生器(7)是一种力发生器装置，可由机械式液压缸或电磁式作动器实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统，其特征在于，所述控制单元(9)为电子控制单元ECU。

4.一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，上支点加速度传感器(1)与下支点加速度传感器(8)通过实时采集虚拟惯容力发生器(7)两个端点的加速度信号a_s与a_b输入到控制单元(9)；

步骤2，虚拟惯容优化模块(10)通过建立悬架系统的动力学方程，经悬架性能指标的评价体系优化后获取虚拟惯容的基值b，同时输入到控制单元(9)；

步骤3，控制单元(9)根据输入的信号并依据惯容器的动力学方程F＝b(a_s-a_b)计算得到虚拟惯性力F，并将虚拟惯性力F输出到虚拟惯容力发生器(7)，虚拟惯容力发生器(7)根据输入的力信号产生实际的作用力。

5.根据权利要求4所述的一种基于虚拟惯容的车辆悬架控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，获取虚拟惯容的基值b的具体步骤为：

步骤2.1，建立悬架系统的动力学方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{m}_s{\stackrel{\·\·}{z}}_s+k(z_s-z_u)+F=0\\ m_u{\stackrel{\·\·}{z}}_u+k_t(z_u-z_r)-k_s(z_s-z_u)-F=0\\ F=b({\stackrel{\·\·}{z}}_s-{\stackrel{\·\·}{z}}_b)=c({\stackrel{\·}{z}}_b-{\stackrel{\·}{z}}_u)\end{array}\right.$

式中，m_s为簧载质量；m_u为非簧载质量；k为悬架弹簧刚度；c为阻尼系数；b为虚拟惯容的基值，为待优化求解的变量；k_t为轮胎刚度；F为惯容器与阻尼之间的作用力；z_s、z_b、z_u、z_r分别为车身、惯容器、轮胎、路面的垂直位移；

步骤2.2，利用遗传算法对虚拟惯容器的基值b进行优化求解：选取车辆平顺性评价指标车身加速度均方根值BA、悬架动行程均方根值SWS、轮胎动载荷均方根值DTL与某成熟轿车悬架的车身加速度均方根值BA_pass、悬架动行程均方根值SWS_pass、轮胎动载荷均方根值DTL_pass的线性组合作为遗传算法的目标函数：

$J=-(w_1\frac{BA}{{\mathrm{BA}}_{pass}}+w_2\frac{SWS}{{\mathrm{SWS}}_{pass}}+w_3\frac{DTL}{{\mathrm{DTL}}_{pass}})$

式中，w₁、w₂、w₃为权重系数；

步骤2.3，采用滤波白噪声作为随机路面输入模型，假定汽车以一定的车速行驶在C级路面，通过设置权重系数经遗传算法优化后得到的虚拟惯容基值b。