CN115534611B - 用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法及其悬架系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法，其包括以下步骤，步骤1：建立车辆悬架的二自由度等效力学模型；步骤2：利用白噪声信号建立车辆悬架的随机路面激励模型；步骤3：根据悬架系统力学模型建立车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程；步骤4：利用状态空间方程实现车辆悬架系统的运动控制。本发明通过对车辆悬架的二自由度等效力学模型进行分析，建立了车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程，实现车辆悬架系统的运动控制，提高了车辆悬架系统的控制能力，控制稳定性增加；本发明设计的吸振悬架系统能够组合成4类悬架构型，有多种工作模式，实现设计车辆对路况综合性能最优，使车辆对不同类型的复杂路面适应能力得到提升。

Description

用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法及其悬架系统
技术领域
本申请涉及车辆悬架系统设计领域，具体地涉及一种用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法及其悬架系统。
背景技术
应急救援车辆属于特殊车辆其工作环境一般较为恶劣，行驶路况差，因而其对悬架性能的要求较高。主动悬架虽在车辆行驶性能控制方面有较大的优势，但成本高、结构复杂，尤其消耗能量较大，这与车辆发展节能主题相违背，而传统弹簧-阻尼机械悬架系统其结构和主要参数不能随着汽车行驶速度和路面状况自动进行调节，不可能在各种工况下都达到期望的性能要求，“弹簧-阻尼”悬架结构体系自确立至今一直未获得结构上的突破性进展。由于惯容器具有较强的储能优势近几年在汽车悬架设计理论得到广泛研究，但是现有惯容器-弹簧-阻尼悬架对并联模式研究较少，而且现有悬架的承载能力也有待提升。因而设计一种多工作构型的载重能力强的悬架具有重要的现实意义。
现有的弹簧-阻尼悬架承载能力有待提高，悬架类型变换不够丰富，因此本文提出了一种用于应急救援重载车辆的多构型吸振悬架控制方法及其系统技术方案，用以解决当前遇到的难题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明通过对车辆悬架的二自由度等效力学模型进行分析，建立了车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程，实现车辆悬架系统的运动控制，提高了车辆悬架系统的控制能力，控制稳定性增加，满足车辆悬架系统的使用要求；本发明设计的吸振悬架系统具有多种工作模式，实现了车辆对路况综合性能最优，使车辆对不同类型的复杂路面适应能力得到提升，提高了车身的稳定性和乘坐舒适性。
为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：
一种用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法，其包括以下步骤：步骤1：建立车辆悬架的二自由度等效力学模型；
应急救援车辆悬架的半主动控制以二自由度等效力学模型为研究对象，建立的悬架系统力学模型如下所示：
式中：ms表示悬架的簧上质量；表示悬架的簧上质量加速度；b1表示悬架的螺旋管惯容系数；mu表示悬架的簧下质量；表示悬架的簧下质量加速度；c2表示节流阀阻尼系数；表示悬架的簧上质量速度；表示悬架的簧下质量速度；k表示悬架的主弹簧刚度系数；k1和k2分别表示第一和第二气囊式蓄能器的刚度系数；zs表示悬架的簧上质量位移；zu表示悬架的簧下质量位移；U表示控制器输出力；kt表示轮胎刚度系数；z0表示路面对轮胎随机输入激励位移；
步骤2：利用白噪声信号建立车辆悬架的随机路面激励模型；
所述车辆悬架的随机路面激励模型如下所示：
式中：表示t时刻路面对轮胎的激励速度；nc表示路面空间截止频率；v表示车辆速度；z0(t)表示t时刻路面对轮胎输入激励位移；n0表示参考空间频率；Gq(n0)表示路面不平度系数；w(t)表示白噪声信号；
步骤3：根据悬架系统力学模型建立车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程；
步骤31：确定车辆吸振悬架控制系统的状态变量如下所示：
x＝[x1 x2 x3 x4]Τ
式中：x表示悬架控制系统的状态变量；x1表示悬架控制系统的状态第一分量；x2表示悬架控制系统的状态第二分量；x3表示悬架控制系统的状态第三分量；x4表示悬架控制系统的状态第四分量；
步骤32：确定车辆吸振悬架控制系统的输出向量如下所示：
y＝[y1 y2 y3]Τ
式中：y表示悬架控制系统的输出向量；y1表示悬架控制系统的输出第一分量；y2表示悬架控制系统的输出第二分量；y3表示悬架控制系统的输出第三分量；
步骤33：确定车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程；
获取步骤31中的悬架控制系统的状态变量和步骤32中的悬架控制系统的输出向量，车辆的吸振悬架控制系统的状态空间方程如下所示：
式中：表示悬架控制系统的状态变量一阶导数；A表示系统状态变量之间的系数矩阵；B1和B2分别表示输入对状态变量的第一和第二控制矩阵；C表示系统输出与系统状态变量之间的输出矩阵；D表示系统输入直接作用在系统输出的直接传递矩阵；
步骤4：利用状态空间方程实现车辆悬架系统的运动控制；
获取步骤3建立的车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程，根据步骤2建立的车辆悬架的随机路面激励模型，利用模糊+PID的控制方法以车辆车身加速度和加速度变化率为输入量，以控制力为输出量对车辆悬架系统进行控制器的设计，从而对车辆悬架的二自由度振动系统进行控制。
可优选的是，所述步骤31中的悬架控制系统的状态变量包括四个分量，具体为：
所述悬架控制系统的状态第一分量、状态第二分量、状态第三分量和状态第四分量的获取方法如下所示：
可优选的是，所述步骤32中的悬架控制系统的输出向量包括三个分量，具体为：
所述悬架控制系统的输出第一分量、输出第二分量和输出第三分量的获取方法如下所示：
可优选的是，所述步骤33中的系统状态变量之间的系数矩阵A、输入对状态变量的第一控制矩阵B1、输入对状态变量的第二控制矩阵B2、系统输出与系统状态变量之间的输出矩阵C和系统输入直接作用在系统输出的直接传递矩阵D，具体为：
所述系统状态变量之间的系数矩阵A的获取方法如下所示：
式中：K和q分别表示系数矩阵的第一和第二中间变量；
所述输入对状态变量的第一控制矩阵B1的获取方法如下所示：
B1＝[0-100]T；
所述输入对状态变量的第二控制矩阵B2的获取方法如下所示：
所述系统输出与系统状态变量之间的输出矩阵C的获取方法如下所示：
所述系统输入直接作用在系统输出的直接传递矩阵D的获取方法如下所示：
可优选的是，所述的系数矩阵的第一和第二中间变量，具体为：
所述系数矩阵的第一中间变量K的获取方法如下所示：
K＝(k+k1+k2)；
所述系数矩阵的第二中间变量q的获取方法如下所示：
q＝mums+mub1+msb1。
本发明的第二个方面提出了用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法的悬架系统，其特征在于，所述悬架系统包括第一部分结构、第二部分结构和第三部分结构；
所述第一部分结构包括第一气囊式蓄能器、第一螺旋管、第一比例节流阀、第一电磁换向阀和第二电磁换向阀；第一气囊式蓄能器通过油管在A点处分别与含第一螺旋管和第一比例节流阀两个支路连通，两支路在接近B点的位置分别安装第一电磁换向阀和第二电磁换向阀，并在B点汇合，该部分在C点处和大液压缸连通；
所述第二部分结构包括第二气囊式蓄能器、第二螺旋管、第二比例节流阀、第三电磁换向阀和第四电磁换向阀；第二气囊式蓄能器通过油管在D点处分别与含第二螺旋管和第二比例节流阀两个支路连通，两支路在接近E点的位置分别安装第三电磁换向阀和第四电磁换向阀，并在E点汇合，该部分在F点处和小液压缸连通；
所述第三部分结构包括大液压缸、气囊、活塞、大氮气腔、缸体、小液压缸和小氮气腔；大液压缸在C点和G点处分别与第一部分结构和气囊连通，大液压缸被活塞分隔为大液压腔和大氮气腔，其缸体和活塞在缸体顶部固结，小液压缸在F点处与第二部分结构连通且被活塞分隔为小氮气腔和小液压腔，其缸体和活塞在缸体顶部固结，两个缸体和对应活塞密封配合使用；在悬架系统工作时，为消除两个气腔压力变化对两液压缸运动性能的影响，在小氮气腔的缸体顶部靠近活塞位置两侧开有第一通风孔和第二通风孔，使小氮气腔和大氮气腔连通，同时在缸体底部G点连接气囊，当液压缸工作时，气囊提供和收集来自两个氮气腔内的氮气，从而保证了小氮气腔和大氮气腔内气体压强恒定。
可优选的是，所述第一螺旋管和第二螺旋管横截面积相同但长度不同，使两螺旋管工作时产生不同的惯性系数，为系统提供两种参数不同的惯容器工作模式，丰富悬架构型；第一二部分结构均提供惯容器-弹簧-阻尼和弹簧-阻尼两种工作模式，并由此组合成4类悬架构型。
可优选的是，所述大液压缸和小液压缸配合使用时，大液压腔和小液压腔作为吸振腔同时工作，增大油液的有效工作面积。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明通过对车辆悬架的二自由度等效力学模型进行分析，建立了车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程，实现车辆悬架系统的运动控制，提高了车辆悬架系统的控制能力，控制稳定性增加，满足车辆悬架系统的使用要求；
(2)本发明设计的吸振悬架系统能够组合成4类悬架构型，提供多种工作模式，实现了设计车辆对路况综合性能最优，使车辆对不同类型的复杂路面适应能力得到提升，提高车身的稳定性和乘坐舒适性。
(3)本发明设计的吸振悬架系统的第一部分结构和第二部分结构分别包括第一比例节流阀和第二比例节流阀，使含节流阀支路形成能改变调阻尼的弹簧-阻尼半主动控制的工作模式，以第一部分结构中含螺旋管支路和第二部分结构中含节流阀支路构成的悬架构型为例对能改变调阻尼悬架系统工作性能进行研究，选用模糊+PID控制方法以车身加速度和加速度变化率为输入量以控制力为输出量设计半主动控制器，并对工况进行仿真，与传统弹簧-阻尼悬架仿真结果进行对比发现：本设计能控半主动悬架在车辆工作时能较大地降低车身的振动位移和加速度，提高车身稳定性和乘坐舒适性。
附图说明
图1为本发明实施例用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法的控制框图；
图2为本发明实施例惯容器-弹簧-阻尼悬架力学模型图；
图3为本发明实施例弹簧-阻尼悬架力学模型图；
图4为本发明实施例C级路面输入激励位移；
图5为本发明实施例模糊控制器输入E的隶属度函数图；
图6为本发明实施例模糊控制器输入EC的隶属度函数图；
图7为本发明实施例模糊控制器输入U的隶属度函数图；
图8为本发明实施例传统弹簧-阻尼被动悬架和惯容器-弹簧-阻尼半主动控制悬架系统MATLAB/Simulink仿真模型图；
图9为本发明实施例弹簧-阻尼弹簧-阻尼和弹簧-阻尼悬架下车辆运动时车身振动位移对比图；
图10为本发明实施例惯容器-弹簧-阻尼和弹簧-阻尼悬架下车辆运动时车身振动加速度对比图；
图11为本发明实施例悬架系统的结构示意图；
图12为本发明实施例悬架在车体安装位置简图。
1、第一气囊式蓄能器；2、油液；3、第一螺旋管；4、油管；5、第一比例节流阀；6、第二电磁换向阀；7、第一电磁换向阀；8、第一活塞；9、第一缸体；10、大液压缸；11、大液压腔；12、第二活塞；13、第一通风口；14、第二通风口；15、大氮气腔；16、大氮气腔；17、第二缸体；18、小液压腔；19、小液压缸；20、第四电磁换向阀；21、第三电磁换向阀；22、第二比例节流阀；23、第二螺旋管；24、第二气囊式蓄能器；25、氮气；26、气囊；27、车身；28、左吸振悬架；29、右吸振悬架；30、固定杆；31、左摆臂；32、右摆臂；33、横梁。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明实施例通过对车辆悬架的二自由度等效力学模型进行分析，建立了车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程，实现车辆悬架系统的运动控制，通过实施例中对控制系统提高了车辆悬架系统的控制能力，控制稳定性增加，满足车辆悬架系统的使用要求，如图1所示为本发明实施例用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法的控制框图。本发明实施例设计的吸振悬架能够组合成4类悬架构型，提供多种工作模式，实现了设计车辆对路况综合性能最优，通过对车辆悬架系统的分析和模拟，完成了车辆对不同类型的复杂路面适应能力应用，提高了车身的稳定性和乘坐舒适性，如图2所示为本发明实施例惯容器-弹簧-阻尼悬架力学模型图，主弹簧和两个气囊式蓄能器的刚度系数是确定的，螺旋管产生的惯容系数也是确定的，比例节流阀产生的阻尼是能够调整和控制的；如图3所示为本发明实施例弹簧-阻尼悬架力学模型图，其为传统的被动悬架系统，与本发明悬架性能进行对比。
本发明实施例提供了一种用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法，为了证明本发明的适用性，将其应用于实例，具体包括如下步骤：
S1：建立车辆悬架的二自由度等效力学模型；
应急救援车辆悬架的半主动控制以二自由度等效力学模型为研究对象，建立的悬架系统力学模型如下所示：
式中：ms表示悬架的簧上质量；表示悬架的簧上质量加速度；b1表示悬架的螺旋管惯容系数；mu表示悬架的簧下质量；表示悬架的簧下质量加速度；c2表示节流阀阻尼系数；表示悬架的簧上质量速度；表示悬架的簧下质量速度；k表示悬架的主弹簧刚度系数；k1和k2分别表示第一和第二气囊式蓄能器的刚度系数；zs表示悬架的簧上质量位移；zu表示悬架的簧下质量位移；U表示控制器输出力；kt表示轮胎刚度系数；z0表示路面对轮胎随机输入激励位移。
S2：利用白噪声信号建立车辆悬架的随机路面激励模型；
如图4所示为本发明实施例C级路面输入激励位移，范围在±0.2m之间；应急救援车辆悬架的随机路面激励模型如下所示：
式中：表示t时刻路面对轮胎的激励速度；nc表示路面空间截止频率；v表示车辆速度；z0(t)表示t时刻路面对轮胎输入激励位移；n0表示参考空间频率；Gq(n0)表示路面不平度系数；w(t)表示白噪声信号。
S3：根据悬架系统力学模型建立车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程；
S31：确定车辆吸振悬架控制系统的状态变量如下所示：
x＝[x1 x2 x3 x4]Τ；
式中：x表示悬架控制系统的状态变量；x1表示悬架控制系统的状态第一分量；x2表示悬架控制系统的状态第二分量；x3表示悬架控制系统的状态第三分量；x4表示悬架控制系统的状态第四分量。
悬架控制系统状态第一分量、第二分量、第三分量和第四分量的获取方法如下所示：
S32：确定车辆吸振悬架控制系统的输出向量如下所示：
y＝[y1 y2 y3]Τ；
式中：y表示悬架控制系统的输出向量；y1表示悬架控制系统的输出第一分量；y2表示悬架控制系统的输出第二分量；y3表示悬架控制系统的输出第三分量。
悬架控制系统的输出第一分量、第二分量和第三分量的获取方法如下所示：
S33：确定车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程；
获取S31中的悬架控制系统的状态变量和S32中的悬架控制系统的输出向量，车辆的吸振悬架控制系统的状态空间方程如下所示：
式中：表示悬架控制系统的状态变量一阶导数；A表示系统状态变量之间的系数矩阵；B1和B2分别表示输入对状态变量的第一和第二控制矩阵；C表示系统输出与系统状态变量之间的输出矩阵；D表示系统输入直接作用在系统输出的直接传递矩阵。
系统状态变量之间的系数矩阵A的获取方法如下所示：
式中：K和q分别表示系数矩阵的第一和第二中间变量。
系数矩阵的第一中间变量K的获取方法如下所示：
K＝(k+k1+k2)；
系数矩阵的第二中间变量q的获取方法如下所示：
q＝mums+mub1+msb1。
输入对状态变量的第一控制矩阵B1的获取方法如下所示：
B1＝[0-100]T；
输入对状态变量的第二控制矩阵B2的获取方法如下所示：
系统输出与系统状态变量之间的输出矩阵C的获取方法如下所示：
系统输入直接作用在系统输出的直接传递矩阵D的获取方法如下所示：
S4：利用状态空间方程实现车辆悬架系统的运动控制；
获取S3建立的车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程，根据S2车辆悬架系统受到的路面激励模型，利用模糊+PID的控制方法以车辆车身加速度和加速度变化率为输入量，以控制力为输出量对车辆悬架系统进行控制器的设计，从而对车辆悬架的二自由度振动系统进行控制，达到优化车辆性能的目的。
模糊+PID控制具有较强的鲁棒性和容错能力，模糊控制器为两输入单输出设计，选取簧上质量加速度e和加速度变化率ec作为输入信号，输出信号为能改变阻尼减振器的阻尼力U，其后再经过PID控制器进行调节并最终得到控制输出阻尼力。为提高控制精度模糊控制器的输入e、ec和输出U的语言变量的语言集都选择7个模糊集合：{“正大(PB)”、“正中(PM)”、“正小(PS)”、“零(ZO)”、“负小(NS)”、“负中(NM)”、“负大(NB)”}.根据未加控制下惯容器-弹簧-阻尼悬架车身加速度、加速度变化率的最值得到e、ec和U的论域分别为[-3030]、[-20002000]和[-44]；量化因子：ke＝3，kec＝0.06，比例因子ku＝0.25，车速v＝30km/h。量化等级共13个分别为：[-6-5-4-3-2-10123456]。
每个模糊子集NB和PB选用gaussmf隶属函数，其它模糊子集选用trimf隶属函数，则模糊控制器的两个输入量质量加速度e和加速度变化率ec和输出量减振器的阻尼力U的隶属度函数分别如图5所示为本发明实施例模糊控制器输入E的隶属度函数图，如图6所示为本发明实施例模糊控制器输入EC的隶属度函数图，如图7所示为本发明实施例模糊控制器输入U的隶属度函数图。模糊控制规则表1所示。
表1模糊控制规则表
仿真中选用的参数：ms＝5300kg，mu＝700kg，kt＝1960kN/m，k＝22kN/m，k1＝k2＝25kN/m，c2＝5kN/m，b1＝150kg，C级路面输入的激励位移如图4所示。仿真采用MATLAB/Simulink方法，如图8所示为本发明实施例传统弹簧-阻尼被动悬架和惯容器-弹簧-阻尼半主动控制悬架系统MATLAB/Simulink仿真模型图。通过对弹簧-阻尼悬架和惯容器-弹簧-阻尼悬架下车辆性能的仿真能够分别得到车身振动位移和加速度输出结果对比如图9和图10所示，其中图9为本发明实施例弹簧-阻尼和惯容器-弹簧-阻尼悬架下车辆运动时车身振动位移对比图，能够看出后者悬架下车身振动位移减小且从t＝5s车身波动性减小，增加舒适性；图10为本发明实施例惯容器-弹簧-阻尼和弹簧-阻尼悬架下车辆运动时车身振动加速度对比图，能够看出后者悬架下车身的振动加速度值明显减小且从t＝5s后该值稳定在零附近较小范围进行波动，提高车身的稳定性。由图能够明显看出惯容器-弹簧-阻尼悬架构型在模糊+PID控制下的车辆性能明显优于传统弹簧-阻尼被动悬架，其中惯容器-弹簧-阻尼悬架车身振动位移和加速度的均方根值相对于传统弹簧-阻尼被动悬架分别减少27.45％和70.91％，仿真结果很好地证明本设计悬架下车辆运行时悬架能较大地降低车身的振动位移和加速度，很好地提高了车身的稳定性和乘坐舒适性。
本发明的第二个方面提出了用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法的悬架系统，悬架系统包括第一部分结构、第二部分结构和第三部分结构；如图11所示为本发明实施例悬架系统的结构示意图，能够看出其纵向占用空间少便于其在车辆上的安装；如图12所示为本发明实施例悬架在车体安装位置简图，能看出设计悬架作为独立悬架安装更好调整整车性能。
第一部分结构包括：第一气囊式蓄能器1、第一螺旋管3、第一比例节流阀5、第一电磁换向阀7和第二电磁换向阀6；第一气囊式蓄能器1通过油管4在A点处分别与含第一螺旋管3和第一比例节流阀5两个支路连通，两支路在接近B点的位置分别安装第一电磁换向阀7和第二电磁换向阀6，并在B点汇合，该部分在C点处和大液压缸10连通。
第二部分结构包括：第二气囊式蓄能器24、第二螺旋管23、第二比例节流阀22、第三电磁换向阀21和第四电磁换向阀20；第二气囊式蓄能器24通过油管在D点处分别与含第二螺旋管23和第二比例节流阀22两个支路连通，两支路在接近E点的位置分别安装第三电磁换向阀21和第四电磁换向阀20，并在E点汇合，该部分在F点处和小液压缸19连通。
第三部分结构包括：大液压缸10、气囊26、第一活塞8、第二活塞12、大氮气腔16、第一缸体9、第二缸体17、小液压缸19、小氮气腔15、第一通风口13和第二通风口14；大液压缸10在C点和G点处分别与第一部分结构和气囊26连通，大液压缸10被第二活塞12分隔为大液压腔11和大氮气腔16，其第一缸体9和第一活塞8在第一缸体9顶部固结，小液压缸19在F点处与第二部分结构连通且被第一活塞8分隔为小氮气腔15和小液压腔18，其第二缸体17和第二活塞12在第二缸体17顶部固结，两个缸体和对应活塞密封配合使用；在悬架系统工作时，为消除两个气腔压力变化对两液压缸运动性能的影响，在小氮气腔15的第二缸体17顶部靠近第二活塞12位置两侧开有第一通风孔13和第二通风孔14，使小氮气腔15和大氮气腔16连通，同时在缸体底部G点连接规格适当的气囊26，当液压缸工作时气囊26提供和收集来自两个氮气腔内的氮气25，从而保证了小氮气腔15和大氮气腔16内气体压强不发生变化；保证两个液压缸的封闭性和整洁性，提高了液压缸工作寿命。
第一螺旋管3和第二螺旋管23横截面积相同但长度不同，使两螺旋管工作时产生不同的惯性系数，为系统提供两种参数不同的惯容器工作模式，丰富悬架构型；第一二部分结构均提供惯容器-弹簧-阻尼和弹簧-阻尼两种工作模式，并由此组合成4类悬架构型，增加悬架工作类型，使车辆对不同的路面和工况适应能力得到提升，具体工作构型如下：
第一电磁换向阀7和第三电磁换向阀21通，第二电磁换向阀6和第四电磁换向阀20断，此时悬架为两个惯容器-弹簧-阻尼被动系统并联，系统的惯性系数最大，吸振功能最强，所以该悬架模式下车辆适合重载和一般路面条件的工况。
第一电磁换向阀7和第四电磁换向阀20通，第二电磁换向阀6和第三电磁换向阀21断(第二电磁换向阀6和第三电磁换向阀21通，第一电磁换向阀7和第四电磁换向阀20断)，此时悬架类型为惯容器-弹簧和弹簧-阻尼工作模式的并联，由于弹簧-阻尼系统进行半主动控制，所以该类悬架下车辆对路面适应能力提高，车辆在非重载和较差路况时具有较好的吸振效果。
第二电磁换向阀6和第四电磁换向阀20通，第一电磁换向阀7和第三电磁换向阀21断，此时悬架构型由两个弹簧-阻尼工作模式并联组成，缺少惯性元件，系统吸振能力较差，但是悬架自适应能力较强，所以该悬架构型下车辆适合轻载和路面条件差的路况。
大液压缸10和小液压缸19配合使用时，大液压腔11和小液压腔18作为吸振腔同时工作，该设计增大了油液2的有效工作面积，提高了悬架承载能力和对非结构路面吸振能力。
第一部分结构和第二部分结构分别包括第一比例节流阀5和第二比例节流阀22，使含节流阀支路形成能改变调阻尼的弹簧-阻尼半主动控制的工作模式，以第一部分结构中含螺旋管支路和第二部分结构中含节流阀支路构成的悬架构型为例对能改变调阻尼悬架系统工作性能进行研究，选用模糊+PID控制方法以车身加速度和加速度变化率为输入量以控制力为输出量设计半主动控制器，并对工况进行仿真，与传统弹簧-阻尼悬架仿真结果进行对比发现：本设计能控半主动悬架在车辆工作时能较大地降低车身的振动位移和加速度，提高车身稳定性和乘坐舒适性，结果如上对该悬架下车辆动力学控制的证明。
综上，本案例用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法及其系统的应用效果证明了具有很好的效果。
(1)本发明实施例通过对车辆悬架的二自由度等效力学模型进行分析，建立了车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程，实现车辆悬架系统的运动控制，通过实施例中对控制系统提高了车辆悬架系统的控制能力，控制稳定性增加，满足车辆悬架系统的使用要求。
(2)本发明实施例设计的吸振悬架能够组合成4类悬架构型，提供多种工作模式，实现了设计车辆对路况综合性能最优，通过对车辆悬架系统的分析和模拟，完成了车辆对不同类型的复杂路面适应能力应用，提高了车身的稳定性和乘坐舒适性。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤1：建立车辆悬架的二自由度等效力学模型；
应急救援车辆悬架的半主动控制以二自由度等效力学模型为研究对象，建立的悬架系统力学模型如下所示：
式中：ms表示悬架的簧上质量；表示悬架的簧上质量加速度；b1表示悬架的螺旋管惯容系数；mu表示悬架的簧下质量；表示悬架的簧下质量加速度；c2表示节流阀阻尼系数；表示悬架的簧上质量速度；表示悬架的簧下质量速度；k表示悬架的主弹簧刚度系数；k1和k2分别表示第一和第二气囊式蓄能器的刚度系数；zs表示悬架的簧上质量位移；zu表示悬架的簧下质量位移；U表示控制器输出力；kt表示轮胎刚度系数；z0表示路面对轮胎随机输入激励位移；
步骤2：利用白噪声信号建立车辆悬架的随机路面激励模型；
所述车辆悬架的随机路面激励模型如下所示：
式中：表示t时刻路面对轮胎的激励速度；nc表示路面空间截止频率；v表示车辆速度；z0(t)表示t时刻路面对轮胎输入激励位移；n0表示参考空间频率；Gq(n0)表示路面不平度系数；w(t)表示白噪声信号；
步骤3：根据悬架系统力学模型建立车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程；
步骤31：确定车辆吸振悬架控制系统的状态变量如下所示：
x＝[x1x2x3x4]Τ
式中：x表示悬架控制系统的状态变量；x1表示悬架控制系统的状态第一分量；x2表示悬架控制系统的状态第二分量；x3表示悬架控制系统的状态第三分量；x4表示悬架控制系统的状态第四分量；
步骤32：确定车辆吸振悬架控制系统的输出向量如下所示：
y＝[y1y2y3]Τ
式中：y表示悬架控制系统的输出向量；y1表示悬架控制系统的输出第一分量；y2表示悬架控制系统的输出第二分量；y3表示悬架控制系统的输出第三分量；
步骤33：确定车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程；
获取步骤31中的悬架控制系统的状态变量和步骤32中的悬架控制系统的输出向量，车辆的吸振悬架控制系统的状态空间方程如下所示：
式中：表示悬架控制系统的状态变量一阶导数；A表示系统状态变量之间的系数矩阵；B1和B2分别表示输入对状态变量的第一和第二控制矩阵；C表示系统输出与系统状态变量之间的输出矩阵；D表示系统输入直接作用在系统输出的直接传递矩阵；
所述步骤33中的系统状态变量之间的系数矩阵A、输入对状态变量的第一控制矩阵B1、输入对状态变量的第二控制矩阵B2、系统输出与系统状态变量之间的输出矩阵C和系统输入直接作用在系统输出的直接传递矩阵D，具体为：
所述系统状态变量之间的系数矩阵A的获取方法如下所示：
式中：K和q分别表示系数矩阵的第一和第二中间变量；
所述输入对状态变量的第一控制矩阵B1的获取方法如下所示：
B1＝[0-100]T；
所述输入对状态变量的第二控制矩阵B2的获取方法如下所示：
所述系统输出与系统状态变量之间的输出矩阵C的获取方法如下所示：
所述系统输入直接作用在系统输出的直接传递矩阵D的获取方法如下所示：
步骤4：利用状态空间方程实现车辆悬架系统的运动控制；
获取步骤3建立的车辆吸振悬架控制系统的状态空间方程，根据步骤2建立的车辆悬架的随机路面激励模型，利用模糊+PID的控制方法以车辆车身加速度和加速度变化率为输入量，以控制力为输出量对车辆悬架系统进行控制器的设计，从而对车辆悬架的二自由度振动系统进行控制。
2.根据权利要求1所述的用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法，其特征在于，所述步骤31中的悬架控制系统的状态变量包括四个分量，具体为：
所述悬架控制系统的状态第一分量、状态第二分量、状态第三分量和状态第四分量的获取方法如下所示：
3.根据权利要求1所述的用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法，其特征在于，所述步骤32中的悬架控制系统的输出向量包括三个分量，具体为：
所述悬架控制系统的输出第一分量、输出第二分量和输出第三分量的获取方法如下所示：
4.根据权利要求1所述的用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法，其特征在于，所述的系数矩阵的第一和第二中间变量，具体为：
所述系数矩阵的第一中间变量K的获取方法如下所示：
K＝(k+k1+k2)；
所述系数矩阵的第二中间变量q的获取方法如下所示：
q＝mums+mub1+msb1。
5.一种用于实现根据权利要求1至4之一所述的用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法的悬架系统，其特征在于，所述悬架系统包括第一部分结构、第二部分结构和第三部分结构；
所述第一部分结构包括第一气囊式蓄能器、第一螺旋管、第一比例节流阀、第一电磁换向阀和第二电磁换向阀；第一气囊式蓄能器通过油管在A点处分别与含第一螺旋管和第一比例节流阀两个支路连通，两支路在接近B点的位置分别安装第一电磁换向阀和第二电磁换向阀，并在B点汇合，该部分在C点处和大液压缸连通；
所述第二部分结构包括第二气囊式蓄能器、第二螺旋管、第二比例节流阀、第三电磁换向阀和第四电磁换向阀；第二气囊式蓄能器通过油管在D点处分别与含第二螺旋管和第二比例节流阀两个支路连通，两支路在接近E点的位置分别安装第三电磁换向阀和第四电磁换向阀，并在E点汇合，该部分在F点处和小液压缸连通；
所述第三部分结构包括大液压缸、气囊、活塞、大氮气腔、缸体、小液压缸和小氮气腔；大液压缸在C点和G点处分别与第一部分结构和气囊连通，大液压缸被活塞分隔为大液压腔和大氮气腔，其缸体和活塞在缸体顶部固结，小液压缸在F点处与第二部分结构连通且被活塞分隔为小氮气腔和小液压腔，其缸体和活塞在缸体顶部固结，两个缸体和对应活塞密封配合使用；在悬架系统工作时，为消除两个气腔压力变化对两液压缸运动性能的影响，在小氮气腔的缸体顶部靠近活塞位置两侧开有第一通风孔和第二通风孔，使小氮气腔和大氮气腔连通，同时在缸体底部G点连接气囊，当液压缸工作时，气囊提供和收集来自两个氮气腔内的氮气，从而保证了小氮气腔和大氮气腔内气体压强恒定。
6.根据权利要求5所述的用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法的悬架系统，其特征在于，所述第一螺旋管和第二螺旋管横截面积相同但长度不同，使两螺旋管工作时产生不同的惯性系数，为系统提供两种参数不同的惯容器工作模式，丰富悬架构型；第一二部分结构均提供惯容器-弹簧-阻尼和弹簧-阻尼两种工作模式，并由此组合成4类悬架构型。
7.根据权利要求5所述的用于应急救援重载车辆的吸振悬架控制方法的悬架系统，其特征在于，所述大液压缸和小液压缸配合使用时，大液压腔和小液压腔作为吸振腔同时工作，增大油液的有效工作面积。
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