CN113183711B - 一种振动与冲击融合控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种振动与冲击融合控制方法，是应用于包含有悬架机构的车辆中，包括：1基于振动与冲击end‑stop判定控制方法，建立功率流振动与冲击融合控制方法；2基于天棚阻尼半主动控制方法，引入功率流分析方法，建立功率流振动控制方法；3基于“软着陆”冲击思想，引入功率流分析方法，建立功率流冲击控制方法。本发明能够实现在振动与冲击控制两种控制方法之间切平顺切换，同时精确地计算出悬架系统所需要的振动控制力和冲击控制力，从而极大地减小振动/冲击给设备和人体的伤害。

Description

一种振动与冲击融合控制方法
技术领域
本发明涉及主动/半主动悬架振动与冲击控制领域，具体为一种振动与冲击融合控制方法。
背景技术
对于工程车辆、特种车辆等运行在非结构路面或非路面上的特殊车辆，以及起落架、轮船等机械设备而言，振动和冲击是在作业过程中难以避免的。对于振动激励而言，目前已经有较多的控制方法研究，可以达到较好的振动抑制效果，极大地减小振动给人体带来的伤害，如天棚阻尼控制法。对于冲击激励而言，由于其只有在特定的环境或使用场景中才会遇到，因此相关的研究较少，不过其中也有比较好的冲击控制方法值得借鉴。然而，独立地考虑振动激励或者冲击激励，分别研究其控制方法，过于理想化，在现实的工作过程中，特殊车辆、起落架等遇到的激励不可能只有一种，因此独立的控制方法并不能满足特殊车辆、起落架等的需求。
目前的振动与冲击混合控制方法，虽然可以实现振动与冲击的混合控制。然而，该混合控制方法的切换控制单元，只是根据是否会用完悬架行程进而撞击悬架限位，来判断切换的时机，切换过程较为机械单一，对振动控制方法与冲击控制方法之间的联系考虑较少，容易造成在切换过程中人体加速度的突变，从而对设备和人体造成伤害。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所存在的不足之处，提出一种振动与冲击融合控制方法，以期能够实现在振动与冲击控制两种控制方法之间切平顺切换，同时精确地计算出悬架系统所需要的振动控制力和冲击控制力，从而极大地减小振动/冲击给设备和人体的伤害。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种振动与冲击融合控制方法的特点是应用于包含有悬架系统的车辆中；所述悬架系统包括：车架、位移传感器、减振器、弹簧、车桥，轮胎；所述振动和冲击融合控制方法是按如下步骤进行：
步骤1：获取并定义融合控制方法的参数变量；
利用所述位移传感器获取t时刻非簧载质量的激励位移z0(t)、t时刻非簧载质量的激励速度
Figure BDA0003100913650000011
t时刻簧载质量的响应位移zs(t)、t时刻簧载质量的响应速度
Figure BDA0003100913650000012
减振器剩余行程s(t)；
定义融合控制方法的参数，包括：悬架系统的状态参数state、t时刻悬架系统的振动控制力Fv(t)、t时刻悬架系统的冲击控制力Fs(t)、t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)、t时刻悬架系统的跟踪力Fu(t)；
初始化t＝0、state＝0；
步骤2：根据当前t时刻的状态参数state的值判断悬架系统状态：
当state＝1时，表示悬架系统为冲击状态，并进入冲击控制模式，即t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fs(t)，并执行步骤6-步骤7；
当state＝0时，执行步骤3；
步骤3：根据激励速度
Figure BDA0003100913650000021
与响应速度
Figure BDA0003100913650000022
判断t时刻的悬架系统状态：
当
Figure BDA0003100913650000023
时，表示悬架系统为振动状态，进入振动控制模式，即t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fv(t)，并执行步骤7；
当
Figure BDA0003100913650000024
时，表示悬架系统处于冲击状态或振动状态，并执行步骤4-步骤5；
步骤4：利用式(1)计算t时刻悬架系统的净功率Pnet(t)：
Figure BDA0003100913650000025
利用式(2)计算t时刻悬架系统的振动功率流最大值Pmax(t)：
Figure BDA0003100913650000026
式(1)和式(2)中，k为悬架系统弹簧刚度，Fmax为减振器所提供的最大振动控制力；
步骤5：利用振动功率流最大值Pmax(t)与悬架系统的净功率Pnet(t)继续判断悬架系统状态：
当Pmax(t)≥Pnet(t)时，表示悬架系统为振动状态，并进入振动控制模式，即k时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fv(t)，并执行步骤7；
当Pmax(t)＜Pnet(t)时，表示悬架系统为冲击状态，并进入冲击控制模式，即k时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fs(t)，令状态参数state＝1，并执行步骤6-步骤7；
步骤6：根据激励位移z0(t)、激励速度
Figure BDA0003100913650000027
激励加速度
Figure BDA0003100913650000028
判断冲击状态是否结束：
当z0(t)、
Figure BDA0003100913650000031
均为0时，表示悬架系统已完成冲击过程的缓冲控制，则退出冲击控制模式，令状态值state＝0；
当z0(t)、
Figure BDA0003100913650000032
不全为0时，表示悬架系统依然为冲击控制模式；
步骤7：将t+1赋值给t，返回执行步骤2。
本发明所述的振动与冲击融合控制方法的特点也在于，所述t时刻悬架系统的振动控制力Fv(t)是按如下步骤计算：
步骤a：利用式(3)得到t时刻悬架系统耗散或储存簧载质量能量的功率Psds(t)：
Figure BDA0003100913650000033
利用式(4)得到t时刻悬架系统耗散或储存激励能量的功率P0ds(t)：
Figure BDA0003100913650000034
式(3)和式(4)中，c(t)为t时刻减振器的阻尼系数；
步骤b：根据式(3)、式(4)，利用式(5)得到t时刻悬架系统总的耗散或储存能量的功率Pe(t)：
Figure BDA0003100913650000035
式(5)中，t时刻悬架系统跟踪力
Figure BDA0003100913650000036
则有：Pe(t)＝Pnet(t)；
步骤c：根据
Figure BDA0003100913650000037
的值判断悬架系统减振器阻尼大小；
当
Figure BDA0003100913650000038
时，表示悬架系统减振器在消耗能量，并将减振器的阻尼调至最大，使悬架系统减振器耗能最大；
当
Figure BDA0003100913650000039
时，表示悬架系统减振器在向外释放能量，并将减振器的阻尼调至最小，使悬架系统向外释放的能量最小；
步骤d：利用式(6)得到t时刻悬架系统的振动控制力Fv(t)：
Figure BDA00031009136500000310
式(6)中，cmax为减振器最大阻尼系数。
所述t时刻悬架系统的冲击控制力Fs(t)是按如下步骤进行：
步骤A：将悬架系统受到冲击后的运动过程分为三个部分：非簧载质量相对簧载质量向上运动压缩悬架的第一个过程、非簧载质量相对簧载质量向下运动拉伸悬架的第二个过程、以及非簧载质量接触最低点后，簧载质量相对簧载质量向下运动压缩悬架的第三个过程；
步骤B：利用式(7)计算第一个过程中簧载质量恒定加速度a1：
Figure BDA0003100913650000041
式(7)中，g为重力加速度，
Figure BDA0003100913650000042
表示簧载质量和非簧载质量运动一致时的共同速度，并有：
Figure BDA0003100913650000043
利用式(9)计算第一个过程运动时间t1：
Figure BDA0003100913650000044
步骤C：利用式(10)计算第二个过程中簧载质量加速度a2：
Figure BDA0003100913650000045
利用式(11)计算第二个过程运动时间t2：
Figure BDA0003100913650000046
式(10)和式(11)中，smax为悬架拉伸行程最大值，
Figure BDA0003100913650000047
为非簧载质量最低处时最大速度；
步骤D：非簧载质量接触最低点后，利用式(12)计算第三个过程中簧载质量加速度a3：
Figure BDA0003100913650000048
利用式(13)计算第三个过程运动时间t3：
Figure BDA0003100913650000049
步骤E：利用式(14)计算t时刻悬架系统的冲击控制力Fs(t)：
Figure BDA0003100913650000051
式(14)中，ms为簧载质量的质量；当所述单次冲击控制完成后，重置时间t＝0。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、本发明提出的振动与冲击融合控制方法，通过判断振动和冲击激励输入到悬架系统的功率流强度差异，不仅可以及时识别激励形式的变化，准确采取相应的振动控制或冲击控制，还能够提高振动与冲击控制方法切换之间的平顺性，减少了切换引发的阶跃，提高了系统稳定性。
2、本发明提出功率流振动控制方法，通过引入功率流分析方法，响应加速度相比天棚阻尼控制更低，且其变化幅度更为平滑连续，明显改善了簧载质量加速度的变化情况，有利于提高驾乘舒适性；
3、本发明提出的功率流振动控制方法，通过引入悬架系统的跟踪力，使得该控制方法能够在宽频范围内实现更好的控制效果，同时在共振频率附近的隔振效果明显优于其他控制效果；
4、本发明提出的功率流冲击控制方法，通过引入功率流分析方法，使悬架系统在受到冲击激励时，每个运动过程的能量被最大化地吸收，相较于其他控制方法更加有效地实现了缓和障碍物对悬架系统的冲击，使悬架以较为平稳的恒定加速度运动，并在悬架压缩至最低位置前吸收完冲击能量。
附图说明
图1为本发明的振动与冲击融合控制方法流程图；
图2为本发明的主动/半主动悬架的结构示意图；
图中标号，1车架，2位移传感器，3减振器，4弹簧，5车桥，6轮胎。
具体实施方式
本实施例中，一种振动与冲击融合控制方法，是应用于包含有悬架系统的车辆中；如图2所示，悬架机构包括：车架1、位移传感器2、减振器3、弹簧4、车桥5，轮胎6；位移传感器分别安装在车架1的两侧和车桥5处，分别用于收集减振器剩余行程、非簧载质量和簧载质量的位移和速度信号；本实施例中，振动与冲击融合控制方法，如图1所示，当外部激励传递至悬架系统，通过位移传感器2收集位移和速度信号，振动控制模式和冲击控制模式分别计算出当前悬架系统状态所需要的期望振动控制力和冲击控制力，振动与冲击融合控制模式采集到振动控制力和冲击控制力后，同时判断当前悬架系统激励采用振动控制还是冲击控制，随后将该期望力输入至悬架系统，完成对悬架系统的控制过程。具体的说，是按如下步骤进行：
步骤1：获取并定义融合控制方法的参数变量；
利用位移传感器2获取t时刻非簧载质量的激励位移z0(t)、t时刻非簧载质量的激励速度
Figure BDA0003100913650000061
t时刻簧载质量的响应位移zs(t)、t时刻簧载质量的响应速度
Figure BDA0003100913650000062
减振器剩余行程s(t)；
定义融合控制方法的参数，包括：悬架系统的状态参数state、t时刻悬架系统的振动控制力Fv(t)、t时刻悬架系统的冲击控制力Fs(t)、t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)、t时刻悬架系统的跟踪力Fu(t)；
初始化t＝0、state＝0；
步骤2：根据当前t时刻的状态参数state的值判断悬架系统状态：
当state＝1时，表示悬架系统为冲击状态，并进入冲击控制模式，即k时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fs(t)，执行步骤6-7；
当state＝0时，执行步骤3；
步骤3：根据激励速度
Figure BDA0003100913650000063
与响应速度
Figure BDA0003100913650000064
判断t时刻的悬架系统状态：
当
Figure BDA0003100913650000065
时，表示悬架系统为振动状态，进入振动控制模式，即t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fv(t)，执行步骤7；
当
Figure BDA0003100913650000066
时，表示悬架系统可能处于冲击状态，并执行步骤4-步骤5；
步骤4：利用式(1)计算t时刻悬架系统的净功率Pnet(t)：
Figure BDA0003100913650000067
利用式(2)计算t时刻悬架系统的振动功率流最大值Pmax(t)：
Figure BDA0003100913650000068
式(1)和式(2)中，k为悬架系统弹簧刚度，Fmax为减振器所提供的最大振动控制力；
步骤5：利用振动功率流最大值Pmax(t)与悬架系统的净功率Pnet(t)继续判断悬架系统状态：
当Pmax(t)≥Pnet(t)时，表示悬架系统为振动状态，进入振动控制模式，即k时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fv(t)，执行步骤7；
当Pmax(t)＜Pnet(t)时，表示悬架系统为冲击状态，进入冲击控制模式，即k时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fs(t)，令状态参数state＝1，执行步骤6-7；
步骤6：根据激励位移z0(t)、激励速度
Figure BDA0003100913650000071
激励加速度
Figure BDA0003100913650000072
判断冲击状态是否结束：
当z0(t)、
Figure BDA0003100913650000073
均为0时，表示悬架系统已完成冲击过程的缓冲控制，则退出冲击控制模式，令状态值state＝0；
当z0(t)、
Figure BDA0003100913650000074
不全为0时，表示悬架系统依然为冲击控制模式；
步骤7：将t+1赋值给t，返回执行步骤2；
具体实施中，冲击控制模式是采用功率流振动控制方法，对悬架系统进行振动控制，具体的说，是按如下步骤进行：
步骤a：利用式(3)得到t时刻悬架系统耗散或储存簧载质量能量的功率Psds(t)：
Figure BDA0003100913650000075
利用式(4)得到t时刻悬架系统耗散或储存激励能量的功率P0ds(t)：
Figure BDA0003100913650000076
式(3)、式(4)中，c(t)为t时刻减振器的阻尼系数，可以根据悬架系统状态实时调节；
步骤b：根据式(3)、式(4)，利用式(5)得到t时刻悬架系统总的耗散或储存能量的功率Pe(t)：
Figure BDA0003100913650000077
式(5)中，t时刻悬架系统跟踪力
Figure BDA0003100913650000078
则有：Pe(t)＝Pnet(t)；为了消耗传递至悬架系统的能量，应使净功率Pt(t)的第一项
Figure BDA0003100913650000079
最大；
步骤c：根据
Figure BDA00031009136500000710
值判断悬架系统减振器阻尼大小；
当
Figure BDA00031009136500000711
时，表示悬架系统减振器在消耗能量，并将减振器的阻尼调至最大，使悬架系统减振器耗能最大；
当
Figure BDA0003100913650000081
时，表示悬架系统减振器在向外释放能量，并将减振器的阻尼调至最小，使悬架系统向外释放的能量最小；
步骤d：利用式(6)得到t时刻悬架系统的振动控制力Fv(t)：
Figure BDA0003100913650000082
式(6)中，cmax为减振器最大阻尼系数；
具体实施中，冲击控制模式是采用功率流冲击控制方法，对悬架系统进行冲击控制，具体的说，是按如下步骤进行：
步骤A：将悬架系统受到冲击后的运动过程分为三个部分：非簧载质量相对簧载质量向上运动压缩悬架的第一个过程、非簧载质量相对簧载质量向下运动拉伸悬架的第二个过程、以及非簧载质量接触最低点后，簧载质量相对簧载质量向下运动压缩悬架的第三个过程；
步骤B：利用式(7)计算第一个过程中簧载质量恒定加速度a1：
Figure BDA0003100913650000083
式(7)中，g为重力加速度，
Figure BDA0003100913650000084
表示簧载质量和非簧载质量运动一致时的共同速度，并有：
Figure BDA0003100913650000085
利用式(9)计算第一个过程运动时间t1：
Figure BDA0003100913650000086
步骤C：利用式(10)计算第二个过程中簧载质量加速度a2：
Figure BDA0003100913650000087
利用式(11)计算第二个过程运动时间t2：
Figure BDA0003100913650000088
式(10)和式(11)中，smax为悬架拉伸行程最大值，
Figure BDA0003100913650000089
为非簧载质量最低处时最大速度；
步骤D：非簧载质量接触最低点后，利用式(12)计算第三个过程中簧载质量加速度a3：
Figure BDA0003100913650000091
利用式(13)计算第三个过程运动时间t3：
Figure BDA0003100913650000092
步骤E：利用式(14)计算t时刻悬架系统的冲击控制力Fs(t)：
Figure BDA0003100913650000093
式(14)中，ms为簧载质量的质量；由此悬架系统在受到冲击激励时，每个运动过程的能量能被悬架减振器最大化地吸收；当单次冲击控制完成后，重置时间t＝0。
综上所述，本方案提出的功率流振动与冲击融合控制方法、功率流振动控制方法和功率流冲击控制方法，在统一的功率流系统分析基础上，将振动控制与冲击控制以及振动与冲击的融合控制综合考虑，使得功率流控制方法可以用于车辆运行全过程的减振控制，有效实现了冲击能量的吸收，同时实现了在振动与冲击控制两种控制方法之间切平顺切换。

Claims (3)

1.一种振动与冲击融合控制方法，其特征是应用于包含有悬架系统的车辆中；所述悬架系统包括：车架(1)、位移传感器(2)、减振器(3)、弹簧(4)、车桥(5)，轮胎(6)；所述振动与冲击融合控制方法是按如下步骤进行：
步骤1：获取并定义融合控制方法的参数变量；
利用所述位移传感器(2)获取t时刻非簧载质量的激励位移z0(t)、t时刻非簧载质量的激励速度
Figure FDA0003457347660000011
t时刻簧载质量的响应位移zs(t)、t时刻簧载质量的响应速度
Figure FDA0003457347660000012
减振器剩余行程s(t)；
定义融合控制方法的参数，包括：悬架系统的状态参数state、t时刻悬架系统的振动控制力Fv(t)、t时刻悬架系统的冲击控制力Fs(t)、t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)、t时刻悬架系统的跟踪力Fu(t)；
初始化t＝0、state＝0；
步骤2：根据当前t时刻的状态参数state的值判断悬架系统状态：
当state＝1时，表示悬架系统为冲击状态，并进入冲击控制模式，即t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fs(t)，并执行步骤6-步骤7；
当state＝0时，执行步骤3；
步骤3：根据激励速度
Figure FDA0003457347660000013
与响应速度
Figure FDA0003457347660000014
判断t时刻的悬架系统状态：
当
Figure FDA0003457347660000015
时，表示悬架系统为振动状态，进入振动控制模式，即t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fv(t)，并执行步骤7；
当
Figure FDA0003457347660000016
时，表示悬架系统处于冲击状态或振动状态，并执行步骤4-步骤5；
步骤4：利用式(1)计算t时刻悬架系统的净功率Pnet(t)：
Figure FDA0003457347660000017
利用式(2)计算t时刻悬架系统的振动功率流最大值Pmax(t)：
Figure FDA0003457347660000018
式(1)和式(2)中，k为悬架系统弹簧刚度，Fmax为减振器所提供的最大振动控制力；
步骤5：利用振动功率流最大值Pmax(t)与悬架系统的净功率Pnet(t)继续判断悬架系统状态：
当Pmax(t)≥Pnet(t)时，表示悬架系统为振动状态，并进入振动控制模式，即t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fv(t)，并执行步骤7；
当Pmax(t)＜Pnet(t)时，表示悬架系统为冲击状态，并进入冲击控制模式，即t时刻悬架系统的期望控制力Fd(t)＝Fs(t)，令状态参数state＝1，并执行步骤6-步骤7；
步骤6：根据激励位移z0(t)、激励速度
Figure FDA0003457347660000021
激励加速度
Figure FDA0003457347660000022
判断冲击状态是否结束：
当z0(t)、
Figure FDA0003457347660000023
均为0时，表示悬架系统已完成冲击过程的缓冲控制，则退出冲击控制模式，令状态值state＝0；
当z0(t)、
Figure FDA0003457347660000024
不全为0时，表示悬架系统依然为冲击控制模式；
步骤7：将t+1赋值给t，返回执行步骤2。
2.根据权利要求1所述的振动与冲击融合控制方法，其特征是，所述t时刻悬架系统的振动控制力Fv(t)是按如下步骤计算：
步骤a：利用式(3)得到t时刻悬架系统耗散或储存簧载质量能量的功率Psds(t)：
Figure FDA0003457347660000025
利用式(4)得到t时刻悬架系统耗散或储存激励能量的功率P0ds(t)：
Figure FDA0003457347660000026
式(3)和式(4)中，c(t)为t时刻减振器的阻尼系数；
步骤b：根据式(3)、式(4)，利用式(5)得到t时刻悬架系统总的耗散或储存能量的功率Pe(t)：
Figure FDA0003457347660000027
式(5)中，t时刻悬架系统跟踪力
Figure FDA0003457347660000028
则有：Pe(t)＝Pnet(t)；
步骤c：根据
Figure FDA0003457347660000029
的值判断悬架系统减振器阻尼大小；
当
Figure FDA00034573476600000210
时，表示悬架系统减振器在消耗能量，并将减振器的阻尼调至最大，使悬架系统减振器耗能最大；
当
Figure FDA0003457347660000031
时，表示悬架系统减振器在向外释放能量，并将减振器的阻尼调至最小，使悬架系统向外释放的能量最小；
步骤d：利用式(6)得到t时刻悬架系统的振动控制力Fv(t)：
Figure FDA0003457347660000032
式(6)中，cmax为减振器最大阻尼系数。
3.根据权利要求1所述的振动与冲击融合控制方法，其特征是，所述t时刻悬架系统的冲击控制力Fs(t)是按如下步骤进行：
步骤A：将悬架系统受到冲击后的运动过程分为三个部分：非簧载质量相对簧载质量向上运动压缩悬架的第一个过程、非簧载质量相对簧载质量向下运动拉伸悬架的第二个过程、以及非簧载质量接触最低点后，簧载质量相对簧载质量向下运动压缩悬架的第三个过程；
步骤B：利用式(7)计算第一个过程中簧载质量恒定加速度a1：
Figure FDA0003457347660000033
式(7)中，g为重力加速度，
Figure FDA0003457347660000034
表示簧载质量和非簧载质量运动一致时的共同速度，并有：
Figure FDA0003457347660000035
利用式(9)计算第一个过程运动时间t1：
Figure FDA0003457347660000036
步骤C：利用式(10)计算第二个过程中簧载质量加速度a2：
Figure FDA0003457347660000037
利用式(11)计算第二个过程运动时间t2：
Figure FDA0003457347660000038
式(10)和式(11)中，smax为悬架拉伸行程最大值，
Figure FDA0003457347660000041
为非簧载质量最低处时最大速度；
步骤D：非簧载质量接触最低点后，利用式(12)计算第三个过程中簧载质量加速度a3：
Figure FDA0003457347660000042
利用式(13)计算第三个过程运动时间t3：
Figure FDA0003457347660000043
步骤E：利用式(14)计算t时刻悬架系统的冲击控制力Fs(t)：
Figure FDA0003457347660000044
式(14)中，ms为簧载质量的质量；当单次冲击控制完成后，重置时间t＝0。
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