半主动悬架系统最佳阻尼比控制策略研究

半主动悬架系统最佳阻尼比控制策略研究

半主动悬架最佳阻尼比控制策略的数学模型传统的被动悬浮设备难以满足不同条件下车辆的舒适度要求。为此,设计人员常通过悬架阻尼的控制来改善悬架系统的性能目前,国内外学者已对半主动悬架系统阻尼及控制进行了大量研究,应用较多的是基于车身振动速度和基于车身振动加速度的控制方法。其中,应用最多且较成功的控制方法是基于速度控制的天棚控制及其改进方法。虽然采用这两种控制方法的半主动悬架其减振性能都比被动悬架好,但它们并未很好地解决悬架系统的乘坐舒适性和行驶安全性这一对矛盾本文中通过车辆悬架性能指标的分析,对半主动悬架最佳阻尼比控制策略的数学模型进行探讨;结合实例,对最佳阻尼比控制策略的有效性进行验证。1最佳反粘控制策略的基本思想1.1车辆行驶振动模型虽然可根据车辆物理模型(图1(a))建立复杂的车辆动力学模型,但在半主动控制策略开发前期,常采用1/4车辆行驶振动模型其相应的微分方程为式中:m为使所讨论物理量具有推广价值,引入以下变量:式中:r为对半主动悬架控制策略的有效性进行全面、合理的评价,目前通常选取车身垂直振动加速度z1.2不同车速、不同工况运行悬架系统阻尼比的需求为进一步改善悬架性能,提出最佳阻尼比控制策略,其基本思想为:根据不同车速、不同路况调节悬架系统阻尼比ξ,一是可同时满足当前行驶路况对车身振动加速度、车轮动载荷和悬架动挠度3项性能指标的要求;二是相当于根据不同行驶工况在线匹配最佳减振器。2最佳半开放式支撑方案的抗衰减2.1基于目标函数的阻尼比优化由图1(b)所示车辆模型,可得车身垂直振动加速度、车轮动载荷和悬架动挠度的均方响应解析式式中:n车身加速度、车轮动载荷和悬架动挠度是相互影响和相互制约的。因此,建立无量纲化阻尼比优化目标函数J,并限制悬架撞击限位概率P,则有式中:α为加权因子且α∈[0,1];[f将式(2)~式(4)代入式(7),由约束条件和阻尼比优化方法所求得的悬架系统最佳阻尼比ξ其中2.2最佳阻止-比较控制策略通过分析最佳阻尼比控制策略和图2可知,最佳阻尼比ξ3对常用方法的分析悬架系统各指标的传递特性分析是对悬架特性进行分析的重要方法。根据式(1)和最佳阻尼比控制策略,利用车辆参数m根据半主动悬架最佳阻尼比控制策略可知,最佳阻尼比ξ4最佳抗横截面分析的适用性4.1悬臂滑动限制计划对控制策略的影响车辆的悬架限位行程[f4.2最佳阻尼比确定为适应不同车辆的开发要求,也可对式(7)中约束条件进行适当调整,即可对所要求的悬架撞击限位概率P进行调整,从而调整最佳阻尼比ξ由图5和表2可知,限制悬架撞击限位的概率P值越大,最佳阻尼比ξ5最佳阻尼比控制策略的有效性分析在半主动悬架开发前期,先对所提出的控制策略,以被动悬架系统和经典的天棚阻尼半主动控制策略作为参照进行对比仿真分析,进而对最佳阻尼比控制策略的控制效果进行评价。利用Matlab软件的Simulink工具箱,分别建立被动悬架、天棚阻尼控制半主动悬架和最佳阻尼比半主动悬架的控制模型。仿真所用的轿车参数为:m式中:C5.1最佳阻尼比控制策略性能随机路面激励下的响应分析是综合考察控制算法的重要手段。文献[13]中的研究设定仿真工况为车辆以72km/h分别在A,B,C和D级路面上行驶,分别考察车辆在被动悬架、天棚阻尼半主动控制和最佳阻尼比半主动控制下悬架3项评价指标的均方根值与最大值。路面时域信号采用滤波白噪声法生成。为充分体现路面的随机特性,仿真时间设为100s,仿真步长设为0.01s,悬架性能评价指标的仿真结果如表3所示。由于篇幅限制,该研究仅给出了B级路况下的时域响应对比,如图6所示。其中,为更清晰地展现各性能指标的变化,图中的时间显示范围为10~14s。由表3可知:在较好的路面(A,B,C级)上,最佳阻尼比控制半主动悬架和天棚控制半主动悬架系统的舒适性均优于被动悬架,且两种控制策略对车身垂直振动加速度的抑制效果相当,加速度均方根降低9.0%以上,但在某些时刻,天棚控制策略车身垂直振动加速度出现了明显恶化;与被动悬架相比,两种控制策略均增大了车轮相对动载荷,但在最佳阻尼比控制下,车轮相对动载荷增幅更小;在最佳阻尼比控制下,悬架动挠度均方根值和最大值均略大于被动悬架和天棚半主动悬架,其数值在可接受范围内,且未超出悬架限位行程,这说明最佳阻尼比控制策略更能充分利用悬架设计空间。本文中提出的控制策略在良好路况下主要是以提高车辆的乘坐舒适性为目标,即以降低车身振动加速度为主要目的,故认为达到了预期目的。由表3还可知:在恶劣路面(D级路面)上,与被动悬架相比,在最佳阻尼比控制策略下,虽然车身垂直振动加速度均方根值增加了8.60%,最大值略有增加,但加速度时域信号变化较平缓,最大值也没有严重恶化,在天棚控制策略下,车身垂直振动加速度降低了9.51%,但最大值依然出现严重恶化现象;与被动悬架相比,天棚控制策略下车轮相对动载荷最大值增大了23.85%,即严重恶化了车轮动载荷,而最佳阻尼比控制策略下车轮相对动载荷最大值降低了7.46%,有效抑制了车轮动载荷,因此,与天棚控制策略相比,最佳阻尼比控制策略能增加车轮的附着能力,提供更好的汽车操纵稳定性和行驶安全性;此外,在天棚控制策略下,悬架动挠度均方根值与被动悬架的相当,但最大值68.8mm超出了悬架限位行程[f5.2天棚阻尼控制策略减少了悬架动挠度的低频和高频共振区为进一步说明恶劣路况下最佳阻尼比控制策略的有效性,对D级路况下悬架各性能指标在0~30Hz进行功率谱密度分析,结果如图7所示。由图7(a)可知:与被动悬架相比,天棚阻尼控制策略在低频区明显改善了车辆乘坐舒适性,但在中高频区减振效果不明显,甚至使舒适性恶化;而最佳阻尼比控制策略能在低频共振区有效抑制车身振动,在中频区舒适性略有降低,高频区与被动悬架相当。由图7(b)可知,与被动悬架相比,天棚阻尼控制策略仅在低频共振区有效抑制车轮动载荷,而最佳阻尼比控制策略在低频和高频共振区都能有效抑制车轮动载荷。由图7(c)可知,与被动悬架相比,天棚阻尼控制策略在低频段增大了悬架动挠度,在中高频段对悬架动挠度的改善不明显,而最佳阻尼比控制策略有效抑制了悬架动挠度的低频和高频共振峰值。综合图7(a)~图7(c)可知,最佳阻尼比控制策略降低了车身垂直振动加速度在低频共振区的峰值,车轮动载荷和悬架弹簧动挠度在低频及高频共振区的峰值也得到了明显改善。该控制策略在恶劣路况下主要是以提高车辆的越野性能为目标,即以降低车轮相对动载荷并减小限位块撞击概率为主要目的,故认为达到了预期目的。6半主动悬架系统最佳阻尼比控制策略的数值式提出了一种半主动悬架系统的最佳阻尼比控制策