CN109677305B - 一种半主动可控座椅悬架的振动和冲击混合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半主动可控座椅悬架的振动和冲击混合控制方法，其步骤包括：1、获取系统状态；2、比较激励速度和响应速度的大小；3、计算座椅和人体作为一个整体时的等效质量；4、比较使

所需的座椅悬架行程S^*和座椅悬架剩余行程S^tr；5、选择座椅悬架的控制模式；6、计算期望阻尼力；7、判断冲击控制是否结束。本发明能在不同的激励作用下，选择座椅悬架的控制模式，从而最大限度地降低座椅底部激励作用到人体的加速度峰值。

Description

一种半主动可控座椅悬架的振动和冲击混合控制方法

技术领域

本发明涉及座椅悬架乃至汽车悬架半主动控制领域，更具体地说是一种基于可控能量吸收器的兼顾振动减振和冲击缓冲混合控制的座椅悬架控制方法。

背景技术

地雷和简易爆炸装置产生的爆炸冲击严重威胁特种车辆驾乘人员的生命安全，在很长一段时间内，研究人员和特种车辆使用者的注意力主要集中于特种车辆本身的防护，即确保车辆不被击穿。随着特种车辆防护水平的提升，特种车辆驾乘人员的伤亡人数虽然大幅度下降，但是“撞击效应”引起脊柱损伤的人数却大幅增加。“撞击效应”的定义是特种车辆被炸起到空中之后重重地摔回地面，该过程将产生巨大冲击加速度并作用于驾乘人员人体(脊柱)，与此同时，特种车辆所行驶路面的坑洼、起伏引起的车辆振动的频率大多小于10Hz，恰好处在人体的垂向敏感振动频率范围内。乘坐舒适性的提高一般通过改进车辆底盘悬架的隔振性能来实现，但是面向行驶平顺性的车辆悬架很难兼顾到操纵稳定性，而操纵稳定性却是特种车辆更加侧重的性能。

座椅悬架是车厢地板与乘员之间的减振系统，若不对座椅悬架系统的振动减振和冲击缓冲性能进行改进，则会降低驾乘人员舒适性且提高脊柱断裂和损伤的概率。实际上，以振动减振为目标的座椅悬架系统的结构设计与控制方法并不适用于冲击缓冲控制目标，因为在振动控制系统应用中，座椅悬架系统结构设计方面不考虑发生撞击悬架限位的可能性，控制方法中也不把座椅悬架行程考虑在内，无法利用座椅悬架行程吸收更多的冲击能量，也不能最大限度地降低座椅底部激励作用到人体的加速度峰值。此外，对于冲击缓冲控制系统应用环境，相比较于半主动座椅悬架系统，主动座椅悬架系统在控制系统全部失效的情况下不能作为被动执行器，无法提供阻尼耗能性能。

发明内容

本发明为解决上述现有技术所存在的不足，提出一种半主动可控座椅悬架的振动和冲击混合控制方法，以期能在不同的激励作用下，选择座椅悬架的控制模式，从而最大限度地降低座椅底部激励作用到人体的加速度峰值。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种半主动可控座椅悬架的振动和冲击混合控制方法的特点是按如下步骤进行：

步骤1：获取对座椅的激励位移z₀和激励速度

座椅的响应位移z_s和响应速度和当前座椅悬架剩余行程S^tr；

设置静态变量为flag，当flag＝0时，表示座椅悬架处于振动控制模式，当flag＝1时，表示座椅悬架处于冲击控制模式；

初始化flag＝0；

步骤2：利用式(1)计算将人体和座椅作为一个整体考虑时的等效质量M：

式(1)中，M是整体的等效质量，k₀是座椅与基座之间的弹簧刚度，c₀是可控能量吸收器在零磁场时的阻尼系数，

是座椅的响应加速度，F_control是天棚阻尼控制输出的可控阻尼力；

利用式(2)得到等效质量M的响应位移Z和响应速度

步骤3：若激励速度

小于等于响应速度则使座椅悬架继续处于振动控制模式，并执行步骤10；反之，执行步骤4；

步骤4：定义循环变量为i，并初始化i＝1；

步骤5：利用式(3)-式(8)进行计算，分别得到第i次循环时的等效质量加速度aⁱ、激励速度

激励位移

响应速度响应位移Zⁱ：

式(3)-式(8)中，g为自由落体加速度，h为循环的步长，n为循环结束时所经历的总循环次数；当i＝1时，Z⁰的取值分别为

z₀、

Z；

步骤6：判断第i次循环时的激励速度

小于等于响应速度

是否成立，若成立，则获得使得激励速度小于等于响应速度

时所需的座椅悬架行程S^*，并执行步骤7；否则，将赋值i+1给i，并返回步骤5；

步骤7：若所需的座椅悬架行程S^*大于当前悬架剩余行程S^tr，则表示继续采用振动控制会使座椅悬架发生撞击悬架限位现象，故应令flag＝1，使座椅悬架从振动控制模式切换到冲击控制模式，并执行步骤8；反之，使座椅悬架继续处于振动控制模式，并执行步骤10；

步骤8：利用式(9)得到期望阻尼力F_desired：

F_desired＝F_shock＝F_tracking+Δ (9)

式(9)中，F_tracking为阻尼器跟踪力，F_shock为冲击控制模式下的阻尼器阻尼力，Δ是输出期望加速度a与响应加速度所需合外力的差，并有：

式(10)中，m_sa是达到期望加速度a所需要的合外力，期望加速度a是通过“软着陆”控制策略计算而得，

是座椅的合外力；

步骤9：判断

且S^tr＜σ是否成立，若成立，则结束冲击控制，令flag＝0，其中，σ是阈值；否则，返回步骤1；

步骤10：利用式(11)得到混合控制器的期望阻尼力F_desired：

F_desired＝F_vibration＝F_control+F_passive (11)

式(11)中，F_vibration是振动控制模式下的阻尼器阻尼力，F_passive是可控能量吸收器在零场时的被动阻尼力；并有：

式(12)中，C_sky是天棚阻尼系数。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明的座椅悬架控制方法考虑了冲击缓冲控制，通过对比座椅受到的激励与座椅和人体构成的整体所产生的响应，调整悬架处于振动或冲击控制模式，防止了发生撞击悬架限位或传递至人体的加速度过大的情况，从而最大限度地解决了“撞击效应”和路面起伏给人体带来的损伤和“不舒适”问题。

2、本发明方法把座椅悬架行程考虑在内，在座椅受到冲击作用时，充分利用了座椅悬架行程吸收更多的冲击能量，最大限度地减小了座椅底部激励作用到人体的加速度峰值，从而降低了驾乘人员脊柱断裂和损伤的概率。

3、本发明相比较于主动座椅悬架系统，在冲击缓冲控制的应用环境中，半主动座椅悬架系统执行器在控制系统全部失效的情况下，还能作为被动执行器提供阻尼耗能性能，从而提高了驾乘人员的安全性。

附图说明

图1为本发明基于可控能量吸收器的半主动座椅悬架系统；

图2为本发明混合控制器原理图；

图3为本发明振动与冲击控制的切换判定流程图；

图中标号：1滑块，2可控能量吸收器，3螺旋弹簧，4支撑板，5导轨，6座板，7销，8失效安全吸能杆，9底板。

具体实施方式

本实施例中，一种半主动可控座椅悬架的振动和冲击混合控制方法是应用于如图1所示的半主动座椅悬架系统中，底板9固定在车架上，螺旋弹簧3为座椅支撑件、可控能量吸收器2为主要吸能执行器、失效安全吸能杆8为失效安全机构，当座椅受到振动或冲击作用时，人体和座板6通过滑块1沿着导轨5产生相对位移，可控能量吸收器吸收振动和冲击能量，在其未完全吸收冲击能量的情况下，失效安全吸能杆溃缩吸收剩余能量。该控制方法如图3所示，是按如下步骤进行：

步骤1：获取对座椅的激励位移z₀和激励速度

座椅的响应位移z_s和响应速度

和当前座椅悬架剩余行程S^tr；

设置静态变量为flag，当flag＝0时，表示座椅悬架处于振动控制模式，当flag＝1时，表示座椅悬架处于冲击控制模式；

初始化flag＝0；

步骤2：由于实际应用中无法便利获取人体各个部分的实时状态，故将人体和座椅近似等效为一个整体。根据当前状态，利用式(1)计算将人体和座椅作为一个整体考虑时的等效质量M：

式(1)中，M是整体的等效质量，k₀是座椅与基座之间的弹簧刚度，c₀是可控能量吸收器在零磁场时的阻尼系数，

是座椅的响应加速度，F_control是天棚阻尼控制输出的可控阻尼力；

因为只考虑激励速度大于响应速度的状态是否进入冲击控制，所以等效质量只在该工况下计算。利用式(2)得到等效质量M的响应位移Z和响应速度

因为是用座椅的加速度计算等效质量，所以等效质量的位移和速度在当前时刻等于座椅的位移和速度。

步骤3：因为冲击的触发只考虑激励速度大于响应速度的情况，故发生撞击悬架限位现象的原因是在座椅悬架行程范围内激励速度始终大于响应速度。若激励速度

小于等于响应速度则使座椅悬架继续处于振动控制模式，并执行步骤10；反之，执行步骤4；

步骤4：定义循环变量为i，并初始化i＝1；

步骤5：利用式(3)-式(8)进行计算，分别得到第i次循环时的等效质量加速度aⁱ、激励速度

激励位移

响应速度

响应位移Zⁱ：

式(3)-式(8)中，g为自由落体加速度，h为循环的步长，本实施例中，h取0.0001，n为循环结束时所经历的总循环次数；当i＝1时，

Z⁰的取值分别为

z₀、

Z；

步骤6：判断第i次循环时的激励速度小于等于响应速度

是否成立，若成立，则获得使得激励速度

小于等于响应速度

时所需的座椅悬架行程S^*，并执行步骤7；否则，将赋值i+1给i，并返回步骤5；

步骤7：若所需的座椅悬架行程S^*大于当前悬架剩余行程S^tr，则表示继续采用振动控制会使座椅悬架发生撞击悬架限位现象，故应令flag＝1，使座椅悬架从振动控制模式切换到冲击控制模式，并执行步骤8；反之，使座椅悬架继续处于振动控制模式，并执行步骤10；

步骤8：如图2所示的“冲击控制”部分，利用式(9)得到期望阻尼力F_desired：

F_desired＝F_shock＝F_tracking+Δ (9)

式(9)中，F_tracking为阻尼器跟踪力，F_shock为冲击控制模式下的阻尼器阻尼力，Δ是输出期望加速度a与响应加速度所需合外力的差，并有：

式(10)中，m_sa是达到期望加速度a所需要的合外力，期望加速度a是通过“软着陆”控制策略计算而得，具体地说，运用“软着陆”控制策略计算系统期望阻尼力，保证座椅充分利用悬架行程并以恒定减速度减速，最大程度地降低加速度对人体的损伤；

是座椅的合外力；

步骤9：判断且S^tr＜σ是否成立，若成立，则结束冲击控制，令flag＝0，其中，σ是阈值，本实施例中，σ取0.001；否则，返回步骤1；

步骤10：采用天棚阻尼控制策略进行座椅的振动控制，如图2所示的“振动控制”部分，根据激励和座椅的响应，天棚阻尼控制策略输出的可控力阻尼力和可控能量吸收器的被动阻尼力叠加即为振动控制的期望阻尼力。利用式(11)得到混合控制器的期望阻尼力F_desired：

F_desired＝F_vibration＝F_control+F_passive (11)

式(11)中，F_vibration是振动控制模式下的阻尼器阻尼力，F_passive是可控能量吸收器在零场时的被动阻尼力；因为实际工程系统中，坐姿人体的响应难以获得，所以将座椅底部运动状态作为控制目标，并有：

式(12)中，C_sky是天棚阻尼系数。

Claims (1)

1.一种半主动可控座椅悬架的振动和冲击混合控制方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤1：获取对座椅的激励位移z₀和激励速度

座椅的响应位移z_s和响应速度和当前座椅悬架剩余行程S^tr；

设置静态变量为flag，当flag＝0时，表示座椅悬架处于振动控制模式，当flag＝1时，表示座椅悬架处于冲击控制模式；

初始化flag＝0；

步骤2：利用式(1)计算将人体和座椅作为一个整体考虑时的等效质量M：

式(1)中，M是整体的等效质量，k₀是座椅与基座之间的弹簧刚度，c₀是可控能量吸收器在零磁场时的阻尼系数，

是座椅的响应加速度，F_control是天棚阻尼控制输出的可控阻尼力；

利用式(2)得到等效质量M的响应位移Z和响应速度

步骤3：若激励速度小于等于响应速度

则使座椅悬架继续处于振动控制模式，并执行步骤10；反之，执行步骤4；

步骤4：定义循环变量为i，并初始化i＝1；

步骤5：利用式(3)-式(8)进行计算，分别得到第i次循环时的等效质量加速度aⁱ、激励速度

激励位移响应速度

响应位移Zⁱ：

式(3)-式(8)中，g为自由落体加速度，h为循环的步长，n为循环结束时所经历的总循环次数；当i＝1时，

的取值分别为

步骤6：判断第i次循环时的激励速度

小于等于响应速度

是否成立，若成立，则获得使得激励速度

小于等于响应速度

时所需的座椅悬架行程S^*，并执行步骤7；否则，将赋值i+1给i，并返回步骤5；

步骤7：若所需的座椅悬架行程S^*大于当前悬架剩余行程S^tr，则表示继续采用振动控制会使座椅悬架发生撞击悬架限位现象，故应令flag＝1，使座椅悬架从振动控制模式切换到冲击控制模式，并执行步骤8；反之，使座椅悬架继续处于振动控制模式，并执行步骤10；

步骤8：利用式(9)得到期望阻尼力F_desired：

F_desired＝F_shock＝F_tracking+Δ (9)

式(9)中，F_tracking为阻尼器跟踪力，F_shock为冲击控制模式下的阻尼器阻尼力，Δ是输出期望加速度a与响应加速度

所需合外力的差，并有：

式(10)中，m_sa是达到期望加速度a所需要的合外力，

是座椅的合外力；

步骤9：判断且S^tr<σ是否成立，若成立，则结束冲击控制，令flag＝0，其中，σ是阈值；否则，返回步骤1；

步骤10：利用式(11)得到混合控制器的期望阻尼力F_desired：

F_desired＝F_vibration＝F_control+F_passive (11)

式(11)中，F_vibration是振动控制模式下的阻尼器阻尼力，F_passive是可控能量吸收器在零场时的被动阻尼力；并有：

式(12)中，C_sky是天棚阻尼系数。

Images