CN105717794A - 基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法，该主动悬置控制方法包括基于力反馈的FxLMS自适应控制方法，基于发动机转速的参考信号估计方法，以及力反馈至加速度反馈扩展方法。其中，基于力反馈的FxLMS自适应控制方法包括主动悬置电压到力次级通道估计及LMS自适应滤波器。力反馈至加速度反馈扩展方法，以悬置车身加速度导纳相位角频变特性为参考，将次级通道估计模型从力推广至加速度，使主动悬置被动侧加速度代替传递至车身的力作为控制器的误差信号，实现了控制方法的加速度反馈。该主动悬置控制方法以发动机转速及主动悬置被动侧加速度为输入，经控制系统处理后输出合适的电压控制信号，电压信号经过功率放大后驱动主动悬置内部的作动器作动，抵消来自发动机的振动。

Description

基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法

技术领域

本发明涉及一种基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法，属于汽车动力总成主动悬置领域。

背景技术

如今，人们对汽车乘坐舒适性的要求越来越高，因而NVH（Noise，VibrationandHarshness）特性已经成为衡量汽车品质的一个重要标准。然而考虑到改善燃油经济性的需求，现在汽车正向着轻量化的方向发展。整车质量的降低会给汽车的NVH特性带来不利影响。同样也是出于提高燃油经济性的目的，如奥迪S8等高级轿车采用了发动机闭缸技术，而闭缸技术在增加振动阶次多样性的同时，加剧了发动机受力不均匀的振动问题。此外，近年来混合动力车的发展越来越迅猛，其急加速工况下发动机瞬时介入引起的振动噪声问题严重影响了乘坐舒适性。动力总成悬置系统对于解决上述这些振动问题起着重要的作用。其中主动悬置相比于被动悬置，半主动悬置，能更好地满足悬置低频大刚度、高频小刚度的理想特性。并且可以有效对发动机所有频率下的振动进行有效隔离，在消除瞬态振动上有着明显的优势。

目前，主动悬置的控制方法包括FxLMS自适应控制、鲁邦控制、模糊PID控制、最优控制及滑模控制等等。其中FxLMS自适应控制为最常用的控制方法。该方法结构简单，响应速度快，考虑了车辆系统参数的时变性，通过自动检测系统的参数变化来调节控制策略。但是在现有的对该主动悬置控制方法的研究中，研究人员均以传递至车身的力作为控制的反馈误差信号，根据力信号对控制方法进行调试。但是考虑到成本以及测量方便等原因，比起力传感器，主动悬置更适合装载加速度传感器以测量车身侧的振动情况。因而开发一种基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法具有非常重要的实际意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法。该控制方法以发动机转速及主动悬置被动侧加速度为输入，经控制系统处理后输出合适的电压控制信号，电压信号经过功率放大后驱动主动悬置内部的作动器作动，抵消来自发动机的振动，包括基于力反馈的FxLMS自适应控制方法，基于发动机转速的参考信号估计方法，以及力反馈至加速度反馈扩展方法。

所述的基于力反馈的FxLMS自适应控制方法主要包括主动悬置电压到力次级通道估计和LMS自适应滤波器，参考信号经FIR滤波器形式的主动悬置次级通道估计模型滤波后取共轭与误差信号一起输入LMS自适应滤波器，LMS自适应滤波器由此产生一组权值，将该权值与参考信号相乘取实部之后得到主动悬置控制电压信号。

所述的基于发动机转速的参考信号估计方法，根据转速计算出与发动机某阶次振动同频率的复数谐波信号，即，其中为发动机一阶振动频率，n为希望消除振动的阶次。

所述的力反馈至加速度反馈扩展方法，以悬置车身加速度导纳相位角频变特性为参考，将主动悬置次级通道估计模型从电压到力推广至电压到加速度，使主动悬置被动侧加速度代替传递至车身的力作为控制器的误差信号，实现控制方法的加速度反馈。次级通道估计模型具体变为如下形式：

1）当悬置车身加速度导纳相位角频域特性变化幅度在90°以内时，控制方法中使用的次级通道估计模型无需从力扩展至加速度，即此时采用的次级通道估计模型依然为原有的主动悬置控制电压与传递力之间的传递函数估计模型；

2）当悬置车身加速度导纳相位角频域特性变化幅度大于90°时，那么次级通道估计模型需要在原有的控制电压与传递力之间的传递函数估计模型的基础上由力扩展至加速度。扩展方法为在原有次级通道估计模型以及与其相连的共轭模块后，嵌入悬置车身连接点加速度导纳的幅频特性和相频特性。

本发明的有益效果是，基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法，在以力信号为误差信号的主动悬置FxLMS自适应控制方法的基础上，将误差信号由传递至车身的力扩展至悬置被动侧的加速度信号。考虑到成本以及测量方便等原因，比起力传感器，主动悬置更适合装载加速度传感器以测量车身侧的振动情况。因而以加速度信号为误差信号的该主动悬置FxLMS自适应控制，相比于以力信号为误差信号的传统主动悬置FxLMS自适应控制更具有实用价值。

附图说明

图1主动悬置工作框图；

图2FxLMS控制方法基本原理图；

图3加速度与传递力间传递函数辨识拟合原理图；

图4悬置车身连接点加速度导纳图1；

图5控制前后车身侧加速度对比图1；

图6控制前后悬置隔振率对比图1；

图7悬置车身连接点加速度导纳图2；

图8扩展后的FxLMS控制方法原理图；

图9嵌入加速度导纳幅频、相频特性原理图；

图10控制前后车身侧加速度对比图2；

图11控制前后悬置隔振率对比图2。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的实施例。

基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法包括基于力反馈的FxLMS(Filter-xLeastMeanSquare，滤波x最小均方误差)自适应控制方法，基于发动机转速的参考信号估计方法，以及力反馈至加速度反馈扩展方法。如图1所示，该主动悬置控制方法以发动机转速及主动悬置被动侧加速度为输入，经控制系统处理后输出合适的电压控制信号，电压信号经过功率放大后驱动主动悬置内部的作动器作动，抵消来自发动机的振动。其具体实施步骤如下：

步骤一：搭建主动悬置模型，模型中的输入量是发动机振动位移和控制电压信号，输出量是传递至车身的力。为了对该主动悬置控制的宽频隔振效果和瞬态隔振效果进行研究，在本实施例中用扫频信号模拟发动机振动位移信号。

步骤二：根据如图2所示的FxLMS控制方法基本原理搭建基于力反馈的FxLMS自适应方法控制器。控制方法的输入参考信号是与发动机某阶次振动同频率的复数谐波信号，即，其中为发动机一阶振动频率，可根据发动机转速求得，n为希望消除振动的阶次。在本实施例中研究的是四缸发动机的振动问题，其2阶振动最为激烈，因而此处取n=2。使用LMS方法对主动悬置电压到力的次级通道进行辨识，辨识所得次级通道估计模型为FIR滤波器形式。参考信号经次级通道估计模型滤波后取共轭与误差信号一起输入LMS自适应滤波器，由此产生一组权值，该权值与参考信号相乘取实部后得到主动悬置控制电压信号，将控制电压信号接入主动悬置模型。由于在先前搭建的主动悬置模型中，最终输出的信号为力信号，所以在此步骤中先不将误差信号接入控制器。而为了获取加速度信号作为误差信号，下面需要将原有主动悬置模型中的传递力扩展至车身加速度。

步骤三：为了获取主动悬置被动侧加速度与传递至车身的力之间的传递函数，以进行主动悬置模型力至加速度的扩展，需要进行力锤试验，敲悬置车身加速度导纳，所得试验数据共三列，第一列是频率，第二列是频率所对应的导纳的相位角，第三列为导纳幅值。

步骤四：对测得的悬置车身加速度导纳进行辨识拟合，使其可以运用于搭建的主动悬置模型中，完成力至加速度的扩展，其原理如图3所示。由于传递函数的实质是对原有信号进行幅值和相位的变化，因而将传递力扩展至加速度主要分为两部分，首先根据所测得的加速度导纳相位角数据改变原有力信号的相位，然后再改变其幅值。改变相位是通过可变延时环节来实现的。具体的延时时间获取方式如下：将加速度导纳相位角数据除以360°，再乘以对应的振动周期T，即频率f的倒数，就可以得到某一相位改变所对应的延时时间。可变延时环节再根据此延时时间对传递过来的力信号进行延时运算，从而改变其相位。力信号在经过相位变化后再乘以对应的加速度导纳幅值数据就可以获得最终的加速度信号，从而完成主动悬置模型从力至加速度的扩展。此时可将主动悬置模型中最终输出的加速度信号接入FxLMS自适应控制方法的误差信号接口。

步骤五：在完成对原有主动悬置模型的扩展之后，需要对控制方法进行从力反馈至加速度反馈的扩展。通过分析先前敲得的悬置车身加速度导纳，来判断是否需要对主动悬置次级通道估计模型进行扩展，主要分为两种情况：

情况一：悬置车身加速度导纳相位角频域特性变化幅度在90°以内

如果测得的悬置车身加速度导纳如图4所示，相位角的频域特性变化幅度在90°以内，那么控制方法中使用的次级通道估计模型无需从力扩展至加速度，即此时采用的次级通道估计模型依然为原有的主动悬置控制电压与传递力之间的传递函数估计模型。此时，调节LMS自适应滤波器内的收敛因子步长和滤波器长度这两个参数，以获取合适的主动悬置控制电压，达到良好的减振效果。图5、图6分别为扫频激励下，采取主动控制前后车身侧加速度对比，悬置隔振率对比。可以看到，控制车身加速度明显大幅衰减，并且悬置隔振率整体提升了15~25dB。这说明在悬置车身加速度导纳相位角频域特性变化不大的情况下，即使控制模块以加速度作为误差信号，次级通道估计模型依然无需从力扩展至加速度，此时控制方法可以自适应误差信号由力转变为加速度所带来的变化。

情况二：悬置车身加速度导纳相角频域特性变化幅度大于90°

如果测得的悬置车身加速度导纳如图7所示，相角频域特性变化大于90°,那么次级通道估计模型需要在原有的控制电压与传递力之间的传递函数估计模型的基础上由力扩展至加速度。

对次级通道估计模型做扩展的方式是在原有的控制电压与传递力之间的传递函数估计模型以及与其相连的共轭模块后，嵌入悬置车身连接点加速度导纳的幅频特性和相频特性，此时FxLMS控制方法变为如图8所示的形式。嵌入加速度导纳幅频特性的方法原理如图9所示，具体方法如下：由于输入给次级通道估计模型的参考信号为，因而嵌入的加速度导纳幅频特性也需为类似的复数形式即，其中A为导纳幅值，为导纳相位角。根据当前时刻的振动频率，在试验得到的加速度导纳相位数据中查找同频率下对应的相位数据，进行角度制及弧度制转换后，代入模块。然后根据当前时刻的振动频率，在试验得到的加速度导纳幅值数据中查找同频率下对应的幅值数据A。最后将幅值A与相角特性模块相乘就可得到复数形式的加速度导纳幅频特性和相频特性，并嵌入控制模块中。调节LMS自适应滤波器内的收敛因子步长和滤波器长度这两个参数，以获取合适的主动悬置控制电压，达到良好的减振效果。图10、图11分别为扫频激励下，采取主动控制前后车身侧加速度对比，悬置隔振率对比。可以看到，控制车身加速度明显大幅衰减，并且悬置隔振率也得到提升，这证明扩展后的控制方法具有良好的性能表现。

Claims (4)

1.一种基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法，其特征在于：该控制方法以发动机转速及主动悬置被动侧加速度为输入，经控制系统处理后输出合适的电压控制信号，电压信号经过功率放大后驱动主动悬置内部的作动器作动，抵消来自发动机的振动，包括基于力反馈的FxLMS自适应控制方法，基于发动机转速的参考信号估计方法，以及力反馈至加速度反馈扩展方法。

2.根据权利要求1所述的基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法，其特征在于：所述的基于力反馈的FxLMS自适应控制方法主要包括主动悬置电压到力次级通道估计和LMS自适应滤波器，参考信号经FIR滤波器形式的主动悬置次级通道估计模型滤波后取共轭与误差信号一起输入LMS自适应滤波器，LMS自适应滤波器由此产生一组权值，将该权值与参考信号相乘取实部之后得到主动悬置控制电压信号。

3.根据权利要求1所述的基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法，其特征在于：所述的基于发动机转速的参考信号估计方法，根据转速计算出与发动机某阶次振动同频率的复数谐波信号，即，其中为发动机一阶振动频率，n为希望消除振动的阶次。

4.根据权利要求1所述的基于加速度信号反馈的主动悬置FxLMS自适应控制方法，其特征在于：所述的力反馈至加速度反馈扩展方法，以悬置车身加速度导纳相位角频变特性为参考，将主动悬置次级通道估计模型从电压到力推广至电压到加速度，使主动悬置被动侧加速度代替传递至车身的力作为控制器的误差信号，实现控制方法的加速度反馈。次级通道估计模型具体变为如下形式：

1）当悬置车身加速度导纳相位角频域特性变化幅度在90°以内时，控制方法中使用的次级通道估计模型无需从力扩展至加速度，即此时采用的次级通道估计模型依然为原有的主动悬置控制电压与传递力之间的传递函数估计模型；

2）当悬置车身加速度导纳相位角频域特性变化幅度大于90°时，那么次级通道估计模型需要在原有的控制电压与传递力之间的传递函数估计模型的基础上由力扩展至加速度。扩展方法为在原有次级通道估计模型以及与其相连的共轭模块后，嵌入悬置车身连接点加速度导纳的幅频特性和相频特性。