CN109334379B - 重型车用液电式惯容器非线性惯性力辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种重型车用液电式惯容器非线性惯性力辨识方法，通过实验数据辨识参数，使得辨识出的参数更符合实际情况，并依据不同的非线性力在不同频率下的特性的不同，通过优化算法得出最优辨识参数，使得可以精确建立惯容器的非线性模型，得知惯容器中有效惯质系数的大小，精确辨识出惯容器的实际输出力，为后面的主动控制奠定了基础。

Description

重型车用液电式惯容器非线性惯性力辨识方法

技术领域

本发明涉及减振和车辆悬架技术领域，特别是涉及一种重型车用液电式惯容器非线性惯性力辨识方法。

背景技术

在车辆的重要总成系统中，悬架是不可替代的一部分，起到支撑车身、传递受力和衰减振动的重要作用，与车辆平顺性、操纵稳定性和行驶安全性息息相关。在车辆悬架的发展脉络中，传统悬架的基本结构框架均是“弹簧-阻尼器”二元件并联。为了提高这种二元件并联悬架结构的隔振性能，海内外作了许多研究工作，但都不具备很较好的工程应用价值。可见，目前车辆悬架采用的“弹簧-阻尼器”并联结构已经成为提升悬架综合性能的瓶颈。

同时，随着汽车制造技术不断地发展和完善，人们不但要求客车要拥有较高的乘坐舒适性，同时也希望主要用于运输的重型车也能有较好的减振性能。一方面，随着网络购物行业兴起而兴起的物流行业需要运输大量易碎物品，另一方面国内主要在售重型车的主要减振装置仍然为钢板弹簧。钢板弹簧是一种最为简单的减振装置，虽其结构简单，工作可靠，成本低廉，维修方便，但钢板弹簧只能用于非独立悬架，重量重，刚度大，舒适性差，远远不能满足当前物流运输易碎品或精密品的要求。

2003年，剑桥大学学者SIMTH提出了惯容器的思想。随着惯容器的出现和“惯容器-弹簧-阻尼器”新型机械隔振网络的形成，车辆ISD悬架得以问世。这种新型悬架结构打破了以往悬架框架的束缚，较传统悬架具有更优越的隔振性能和更广阔的提升空间，大大拓宽了车辆悬架研究领域。一时间，ISD悬架成为国内外广大学者的研究热点。

然而，在惯容器实际模型中存在着大量非线性因素，由于测量困难，无特定规律，对惯容器非线性的研究一直难以深入。因为非线性因素的存在，惯容器实验数据与仿真数据之间始终存在着差距。而重型车用惯容器所需惯质系数较大，不可避免的造成了非线性因素的同时增大。若不能够很好的将非线性因素识别出来，所设计的悬架系统的性能可能会有所恶化。若能将惯容器非线性辨识出来，可以大大提升仿真模型的精确度，减小仿真模型与实际模型之间的差距，进一步推进惯容器的发展。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了重型车用惯容器非线性惯性力辨识方法，通过辨识重型车用惯容器的非线性力，达到精确建立惯容器模型，准确控制惯容器输出力的目的。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种重型车用液电式惯容器非线性惯性力辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：建立液电式惯容器的非线性模型T，其数学表达式为：

其中，F为惯性力，b_e为等效惯质系数，k_e为等效刚度，c_e为等效阻尼，x₁为液电式惯容器下端点位移，

为液电式惯容器下端点位移的微分，

为液电式惯容器下端点位移的二阶微分，sgn表示符号函数，f为非线性摩擦力幅值；步骤2：进行液电式惯容器非线性参数辨识，其包括步骤2.1：对液电式惯容器进行性能实验，采集N组不同振动频率下实验得到的位移信号A′和惯性力信号B′，其中N＝23，同一振动频率下的信号记为矩阵Z_x，Z_x＝(A′_x，B′_x)，A′_x＝(A′₁,A′₂,…,A′_i)，B′_x＝(B′₁,B′₂,…,B′_i)，i＝1,2,3,……,n，x＝1,2,……,23；步骤2.2：获取非线性摩擦力的幅值f；步骤2.3：将23组不同振动频率下的信号矩阵Z_x＝(A′，B′)分别输入非线性模型T中，求解得到23组非线性辨识参数，记为W_x＝(c_ex,k_ex,b_ex)，其中W_x表示为第x组振动频率下所求解得到的非线性辨识参数的矩阵，c_ex表示为第x组振动频率下所求解得到的等效阻尼，表示为第x组振动频率下所求解得到的等效刚度，b_ex表示为第x组振动频率下所求解得到的等效惯质系数；步骤3：根据模糊层次分析法对所得的23组非线性辨识参数进行归类优化，选取一组最优非线性辨识参数矩阵

其中

表示为最优非线性辨识参数矩阵，

表示为最优等效阻尼，

表示为最优等效刚度，

表示为最优等效惯质系数，其中归类优化进一步包括步骤3.1：将23组非线性辨识参数中的等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e分别按振动频率从小到大依次排列，c_e＝(c_e1,…c_eq,…,c_ep,…c_e23)，k_e＝(k_e1,…k_eq,…,k_ep,…k_e23)，b_e＝(b_e1,…b_eq,…,b_ep,…b_e23)；

分别将c_e＝(c_e1，…c_eq，…，c_ep，…c_e23)，k_e＝(k_e1,…k_eq,…,k_ep,…k_e23)，b_e＝(b_e1,…b_eq,…,b_ep,…b_e23)的元素两两之间相互比较，用r_qp表示参数c_eq与c_ep或参数k_eq与k_ep或参数b_eq与b_ep之间的重要程度差异，r_qp越大，参数c_eq比c_ep或参数k_eq比k_ep或参数b_eq比b_ep越重要，q＝(1,2,……,23)，p＝(1,2,……,23)；步骤3.2：用0.1～0.9作为重要程度差异r_qp的标度，将参数c_eq与c_ep或参数k_eq与k_ep或参数b_eq与b_ep之间的重要程度差异进行标度；步骤3.3：根据重要程度差异r_qp分别建立用等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e的模糊判断矩阵，分别用R_c、R_k和R_b表示，

得

步骤3.4：将x＝23带入权重判断公式

中，得到

分别求得等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e分别在23组不同振动频率下的权重Q_q，并对模糊判断矩阵R_c、R_k和R_b进行一致性检验，若不通过返回重新进行标度，直到通过一致性；步骤3.5：分别根据式子

求得等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e的最优解，记为

步骤4：将最优非线性辨识参数矩阵

非线性模型T中，仿真得到惯性力信号B″，B″＝(B₁,B₂,…,B_i)，i＝1,2,3,……,n，在同一振动频率下求B″与B′的方差χ，当χ≤δ时，δ为任意小数，承认最优非线性辨识参数矩阵

否则返回步骤3.2重新进行标度。

进一步地，其中步骤2.2具体包括：将三角波作为液电式惯容器实验中的输入信号，采集得到液电式惯容器在0.1Hz振动时的惯性力信号，采用极大似然法对实验数据进行处理，得到非线性摩擦力的幅值f＝0.5KN。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过实验数据辨识参数，使得辨识出的参数更符合实际情况，并依据不同的非线性力在不同频率下的特性的不同，通过优化算法得出最优辨识参数，更具有科学依据，辨识出的结果也更为精准。也使得可以精确建立惯容器的非线性模型，得知惯容器中有效惯质系数的大小，精确辨识出惯容器的实际输出力，为后面的主动控制奠定了基础。

2.由机械学知识可知，非线性摩擦力F_f一般压力不变的情况下，大小不变，方向和相对运动方向相反，由于非线性摩擦力F_f是不连续的，难以通过线性化求解，本方法通过先辨识出非线性摩擦力，使得模型中的非线性摩擦力为一个常数，能够有效避免因非线性摩擦力带来的求解出错的问题，提高计算能力。

3.在低频振动下，由于速度较慢，非线性阻尼力不明显，加速度也较小，惯性力也不明显，此时非线性摩擦力占主要部分。而在高频振动下，非线性阻尼力和非线性惯性力都会显著增大，而非线性摩擦力几乎不变，此时的惯容器两端的力主要成分为惯性力以及非线性阻尼。根据这一特性，分别单独考虑低频和高频振动下的输出力，避免了在低频振动下阻尼力对非线性摩擦力辨识的影响。通过模糊层次分析法对所得的x组非线性辨识参数进行归类优化，选取一组最优非线性辨识参数，即通过在不同频率下，对不同非线性力设置不同的重要度，更具有科学性，可以有效提升参数辨识的准确度。

附图说明

图1为本发明所述的重型车用惯容器非线性惯性力辨识方法流程图。

图2为本发明所述的惯容器动力学模型。

图3为本发明所述的惯容器性能实验图。

图4为本发明所述的非线性模型T。

图5为本发明所述的惯容器在0.1Hz振动时的惯性力信号。

图6为本发明所述的非线性模型T′。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，本文中所使用的装置为专利申请号为CN201510054640.5的专利，以该专利中的装置结构作为本文中的车辆液电耦合式ISD悬架的结构。

如图1所示，示出了一种重型车用液电式惯容器非线性惯性力辨识方法的流程图，具体包括如下步骤：

步骤1：建立如图2所示的惯容器动力学模型，

其中，F表示为惯性力，b为惯质系数，x₁为惯容器下端点位移。惯容器本应为两端点元件，由于在进行惯容器性能实验时，惯容器一端与实验设备固定连接，只有一端发生位移，即可将惯容器等效为如图1所示的动力学模型。

步骤2：设置理论惯质系数b′＝100，输入信号为位移信号y，y＝10·cos(ωt)，振动频率ω的取值范围为[0.1,10]，并获取惯容器在不同振动频率下的理论惯性力信号B。

步骤3：利用图3中的实验设备进行惯容器性能实验，实验中的输入信号与惯容器的惯质系数与步骤2中的设置相同，当振动频率在[0.1，1]之间时，每隔0.1Hz选取一个振动频率，当振动频率在(1,5]之间时，每隔0.5Hz选取一个振动频率，当振动频率在(5,10]之间时，每隔1Hz选取一个振动频率，共有23组，采集23组不同振动频率下实验的位移信号A′和惯性力信号B′，同一振动频率下的信号记为矩阵Z_x，Z_x＝(A′_x，B′_x)，A′_x＝(A₁,A₂,…,A_i)，B′_x＝(B₁,B₂,…,B_i)，i＝1,2,3,……,n，x＝1,2,……,23；

步骤4：按照力学特性将惯性力信号B′分为非线性摩擦力F_f，非线性阻尼力F_c，非线性弹性力F_k和非线性惯容力F_b，并并将惯容器动力学模型深化建模，得到如图4所示的惯容器的非线性模型T，其用数学表达方式可表示为：

由机械学知识可知，非线性摩擦力F_f一般压力不变的情况下，大小不变，方向和相对运动方向相反；非线性阻尼力F_c一般和相对速度成正比，即

非线性弹性力F_k一般和相对位移成正比，即F_k＝k_e·x₁；惯性力一般和相对加速度成正比，即

其中，c_e为等效阻尼，k_e为等效刚度，b_e为等效惯质系数。

根据以上规律可知，在低频振动下，由于速度较慢，非线性阻尼力不明显，加速度也较小，惯性力也不明显，此时非线性摩擦力占主要部分。而在高频振动下，非线性阻尼力和非线性惯性力都会显著增大，而非线性摩擦力几乎不变，此时的惯容器两端的力主要成分就是惯性力以及非线性阻尼力了。根据这一特性，在不同频率下，对不同非线性力设置不同的重要度，可以提升参数辨识的准确度。

步骤5：在低频振动阶段，非线性因素主要为非线性摩擦力F_f，

其中f为非线性摩擦力幅值，sgn表示符号函数。由于符号函数的存在，非线性摩擦力F_f难以线性化求解不利于其他非线性参数进行辨识，遂利用低频振动率先求出非线性摩擦力的幅值，即非线性摩擦力F_f的大小。

将三角波作为输入信号，采集得到如图5中所示的惯容器在0.1Hz振动时的惯性力信号B′，采用极大似然法对实验数据进行处理，得到非线性摩擦力F_f＝0.5kN；

随后将非线性阻尼力F_c、非线性弹性力F_k、非线性惯性力F_b线性化，分别用等效阻尼c_e、等效刚度k_e、等效惯质系数b_e表示，即

F_k＝k_e·x₁，

用等效阻尼c_e、等效刚度k_e、等效惯质系数b_e和幅值为0.5KN的非线性摩擦力F_f表示如图6所示的非线性模型T′，其用数学表达方式可表示为：

步骤6：建立非线性参数辨识模型，设置参数截止误差和函数截止误差均为0.01，将23组不同振动频率下的信号矩阵Z_x＝(A′，B′)分别输入非线性参数辨识模型中，求解得到23组非线性辨识参数，记为W_x＝(c_ex,k_ex,b_ex)，其中W_x表示为第x组振动频率下所求解得到的非线性辨识参数的矩阵，c_ex表示为第x组振动频率下所求解得到的等效阻尼，表示为第x组振动频率下所求解得到的等效刚度，b_ex表示为第x组振动频率下所求解得到的等效惯质系数；

步骤7：根据模糊层次分析法对所得的x组非线性辨识参数进行归类优化，选取一组最优非线性辨识参数，

其中

表示为最优非线性辨识参数矩阵，

表示为最优等效阻尼，

表示为最优等效刚度，

表示为最优等效惯质系数；

步骤7.1：将x组非线性辨识参数中的等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e分别按振动频率从小到大依次排列，c_e＝(c_e1,…c_eq,…,c_ep,…c_e23)，k_e＝(k_e1,…k_eq,…,k_ep,…k_e23)，b_e＝(b_e1,…b_eq,…,b_ep,…b_e23)；

步骤7.2：分别将c_e＝(c_e1，…c_eq，…，c_ep，…c_e23)，k_e＝(k_e1,…k_eq,…,k_ep,…k_e23)，b_e＝(b_e1,…b_eq,…,b_ep,…b_e23)的元素两两之间相互比较，用r_qp表示参数c_eq与c_ep或参数k_eq与k_ep或参数b_eq与b_ep之间的重要程度差异，r_qp越大，参数c_eq比c_ep或参数k_eq比k_ep或参数b_eq比b_ep越重要，q＝(1,2,……,23)，p＝(1,2,……,23)；

步骤7.3：用0.1～0.9作为重要程度差异的标度，将参数c_eq与c_ep或参数k_eq与k_ep或参数b_eq与b_ep之间的重要程度差异进行标度；

若r_qp＝0.5，则参数c_eq与c_ep或参数k_eq与k_ep或参数b_eq与b_ep同等重要；若r_qp＝0.6，则参数c_eq比c_ep或参数k_eq比k_ep或参数b_eq比b_ep稍微重要；若r_qp＝0.7，则参数c_eq比c_ep或参数k_eq比k_ep或参数b_eq比b_ep明显重要；若r_qp＝0.8，则参数c_eq比c_ep或参数k_eq比k_ep或参数b_eq比b_ep重要的多；若r_qp＝0.9，则参数c_eq比c_ep或参数k_eq比k_ep或参数b_eq比b_ep极端重要；

反之，则r_pq＝1-r_qp，r_pq表示参数c_ep与c_eq或参数k_ep与k_eq或参数b_eq与b_ep之间的重要程度差异进行标度；

步骤7.4：根据重要程度差异r_qp分别建立用等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e的模糊判断矩阵，分别用R_c、R_k和R_b表示，

得

步骤7.5：将x＝23带入权重判断公式

中，得到

分别求得等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e分别在23组不同振动频率下的权重Q_q，并对模糊判断矩阵R_c、R_k和R_b进行一致性检验，若不通过返回步骤7.3重新进行标度，直到通过一致性；

步骤7.6：分别根据式子

求得等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e的最优解，记为

步骤8：将最优非线性辨识参数，

以及F_f代入非线性模型T中，设定非线性模型T中惯质系数为94kg且输入信号与步骤3中相同，仿真得到惯性力信号B″，B″＝(B₁,B₂,…,B_i)，i＝1,2,3,……,n，在同一振动频率下求B″与B′的方差χ，当χ≤δ时，δ为任意小数，承认最优非线性辨识参数，

否则返回步骤7.3重新进行标度。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，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。

Claims (1)

1.一种重型车用液电式惯容器非线性惯性力辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立液电式惯容器的非线性模型T，其数学表达式为：

其中，F为惯性力，b_e为等效惯质系数，k_e为等效刚度，c_e为等效阻尼，x₁为液电式惯容器下端点位移，

为液电式惯容器下端点位移的微分，

为液电式惯容器下端点位移的二阶微分，sgn表示符号函数，f为非线性摩擦力幅值；

步骤2：进行液电式惯容器非线性参数辨识，其包括步骤2.1：对液电式惯容器进行性能实验，采集N组不同振动频率下实验得到的位移信号A′和惯性力信号B′，其中N＝23，同一振动频率下的信号记为矩阵Z_x，Z_x＝(A′_x，B′_x)，A′_x＝(A′₁,A′₂,…,A′_i)，B′_x＝(B′₁,B′₂,…,B′_i)，i＝1,2,3,……,n，x＝1,2,……,23；步骤2.2：获取非线性摩擦力的幅值f；步骤2.3：将23组不同振动频率下的信号矩阵Z_x＝(A′，B′)分别输入非线性模型T中，求解得到23组非线性辨识参数，记为W_x＝(c_ex,k_ex,b_ex)，其中W_x表示为第x组振动频率下所求解得到的非线性辨识参数的矩阵，c_ex表示为第x组振动频率下所求解得到的等效阻尼，表示为第x组振动频率下所求解得到的等效刚度，b_ex表示为第x组振动频率下所求解得到的等效惯质系数；

步骤3：根据模糊层次分析法对所得的23组非线性辨识参数进行归类优化，选取一组最优非线性辨识参数矩阵

其中

表示为最优非线性辨识参数矩阵，

表示为最优等效阻尼，

表示为最优等效刚度，

表示为最优等效惯质系数，其中归类优化进一步包括步骤3.1：将23组非线性辨识参数中的等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e分别按振动频率从小到大依次排列，c_e＝(c_e1,…c_eq,…,c_ep,…c_e23)，k_e＝(k_e1,…k_eq,…,k_ep,…k_e23)，b_e＝(b_e1,…b_eq,…,b_ep,…b_e23)；

分别将c_e＝(c_e1，…c_eq，…，c_ep，…c_e23)，k_e＝(k_e1,…k_eq,…,k_ep,…k_e23)，b_e＝(b_e1,…b_eq,…,b_ep,…b_e23)的元素两两之间相互比较，用r_qp表示参数c_eq与c_ep或参数k_eq与k_ep或参数b_eq与b_ep之间的重要程度差异，r_qp越大，参数c_eq比c_ep或参数k_eq比k_ep或参数b_eq比b_ep越重要，q＝(1,2,……,23)，p＝(1,2,……,23)；步骤3.2：用0.1～0.9作为重要程度差异r_qp的标度，将参数c_eq与c_ep或参数k_eq与k_ep或参数b_eq与b_ep之间的重要程度差异进行标度；步骤3.3：根据重要程度差异r_qp分别建立用等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e的模糊判断矩阵，分别用R_c、R_k和R_b表示，

得

步骤3.4：将x＝23带入权重判断公式

中，得到

分别求得等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e分别在23组不同振动频率下的权重Q_q，并对模糊判断矩阵R_c、R_k和R_b进行一致性检验，若不通过返回重新进行标度，直到通过一致性；步骤3.5：分别根据式子

求得等效阻尼c_e、等效刚度k_e和等效惯质系数b_e的最优解，记为

步骤4：将最优非线性辨识参数矩阵

非线性模型T中，仿真得到惯性力信号B″，B″＝(B₁,B₂,…,B_i)，i＝1,2,3,……,n，在同一振动频率下求B″与B′的方差χ，当χ≤δ时，δ为任意小数，承认最优非线性辨识参数矩阵

否则返回步骤3.2重新进行标度；

其中步骤2.2具体包括：将三角波作为液电式惯容器实验中的输入信号，采集得到液电式惯容器在0.1Hz振动时的惯性力信号，采用极大似然法对实验数据进行处理，得到非线性摩擦力的幅值f＝0.5KN。

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