汽车悬架系统的自适应maepping控制设计

汽车悬架系统的自适应maepping控制设计

支撑是主要的驾驶员减压装置。引入支撑系统可以有效提高车辆的坐力。具有控制功能的悬架系统主要有主动悬架和半主动悬架,主动悬架在理论上可以获得最佳减震效果,但需要较高耗能,且存在结构复杂、成本高等缺点。半主动悬架属于无源智能悬架,只需调节悬架的刚度或者阻尼系数,即可实现降低车体震动幅值,以达到改善汽车乘坐舒适性的目的。和主动悬架相比,半主动悬架的性价比更高,因而也具有更加广阔的发展前景。目前半主动悬架研究领域的一类热点问题就是电流变(ER)阻尼器和磁流变(MR)阻尼器在悬架系统中的应用。与电流变阻尼器相比,磁流变阻尼器具有响应频率高、阻尼变化明显、工作电压低、耗能少、调节装置结构简单、成本低等特点,从而倍受汽车生产商的青睐。2003年1月美国通用汽车公司首次亮相的凯迪拉克SRX豪华多功能车率先使用了由Dehpi公司生产的电子控制磁流变实时控制装置,据称这是当时世界上反映最快的悬架控制系统。磁流变半主动悬架在带来优越性能的同时,也由于系统存在的非线性及不确定性而造成控制上的困难。对半主动悬架控制策略的研究中,文献提出了滑模变结构控制,文献提出了鲁棒控制,文献提出了模糊控制,文献提出了LPV(LinearParameterVarying)控制方法,而且多数文献采用的是1/4车2自由度简化模型。文中采用更加接近汽车实际震动模型的1/2车4自由度模型,并且考虑了车辆实际运行时,由于车身质量、转动惯量及车轮刚度变化所引起的参数不确定性,使用自适应Backstepping方法所设计的半主动悬架控制器,即保证了汽车悬架系统的快速稳定性,而且汽车的乘坐舒适性和平顺性也得到了明显改善。1半主动悬架系统数学模型磁流变液(MRF)是将微米尺寸的磁极化颗粒分散溶于绝缘载液中形成的特定非胶性悬浮液体。其动态屈服应力随磁场强度增加而递增,在强磁场作用下甚至会出现固态,当外加磁场去除时,MRF又将恢复其流动状态,表现出了可控的流变性能。以MRF为工作介质的磁流变阻尼器可实现阻尼的连续调节。文献和文献中,工作在混合模式下的磁流变液阻尼器所提供的阻尼力由粘滞阻尼力和库仑阻尼力两部分组成,其中粘滞阻尼力可通过活塞运动速度vrel确定,而库仑阻尼力是励磁电流I的函数,通过改变输入电流I的大小就能达到控制库仑阻尼力的大小,从而实现汽车悬架的半主动控制。该阻尼器所提供的阻尼力可以表示为:粘滞阻尼系数为:库仑阻尼力为:式中:vrel——活塞相对运动速度;sgn()——符号函数;AP——活塞有效面积;N——线圈匝数;R2——活塞外径;I——磁流变阻尼器的输入电流;R1——工作缸内径;η——磁流变液粘度;l——工作缸与活塞之间的间隙长度;K,β——磁流变液的试验常数。1/2车磁流变半主动悬架系统的模型如图1所示。假定车身的俯仰角很小,则该系统的动力学方程可以描述为:式中:Ms——簧载质量;zs——簧载质量垂直位移;Is——簧载质量转动惯量;Mu1,Mu2——非簧载质量;zu1,zu2——非簧载质量垂直位移;K1,K2——悬架刚度系数;Kt1,Kt2——车轮刚度系数;Ce1,Ce2——磁流变液因粘度产生的等效阻尼系数;φ——簧载质量俯仰角(车身俯仰角);lf,lr——前后悬架距车体质心处距离;zr1,zr2——路面激励信号;FMR1,FMR2——磁流变阻尼器的可控阻尼力。为书写方便,定义变量:选取状态变量:x1=zs,x2=φ,x3=zu1,x4=zu2,另外考虑悬架系统中簧载质量Ms、簧载质量转动惯量Is及车轮刚度Kt1和Kt2会随着汽车负载和运行环境的变化而变化,为讨论方便,定义以下不确定参数:则悬架系统的状态方程可以描述为:2半主动悬架系统动力系统的虚拟控制定义误差变量的估计值,i=1,2,3,4。下面采用自适应Backstepping方法逐步进行控制器设计。首先考虑子系统(x1,x2,x3,x4),选取第1个Lyapunov函数:V1沿子系统(x1,x2,x3,x4)的导数为:选取(x5-lfx6-x7)和(x5+lrx6-x8)为子系统(x1,x2,x3,x4)的虚拟控制输入,令:如果选取:k1和k2为选定的正常数(下文的k3和k4及r1,r2,r3和r4也是这样),那么:然后考虑整个系统,选取第2个Lyapunov函数:V2沿整个系统状态方程式(4)的导数为:选取自适应律:选取满足式(6)和式(7)的FMR1和FMR2:由LaSalle不变集原理可知,在可控阻尼力FMR1,FMR2和自适应律式(5)的共同作用下,该半主动悬架系统的状态x=[x1x2…x8]T最终趋向于M(M是集合E所包含的最大不变集),即:由系统的实际物理意义可知,x趋向于M也就意味着悬架系统振荡的结束。只要选择合理的参数k1,k2,k3,k4及r1,r2,r3和r4就能得到满意的控制效果。为求解FMR1,FMR2方便,定义:则方程(6)和(7)可以改写为:求解方程(8)和(9),可得满足方程(6)和(7)的半主动悬架系统可控阻尼力的FMR1和FMR2的表达式:最后由式(3)可以分别求出磁流变阻尼器的控制电流输入I1和I2:3汽车车速特性仿真模型悬架系统各参数选取如下:控制器参数和自适应律参数选取如下:根据GB5902—1986《汽车平顺性脉冲输入行驶试验方法》的规定,采用三角形凸块对路面脉冲激励进行描述,规定试验车速分别为10km/h,20km/h,30km/h,40km/h,50km/h,60km/h。选取等腰三角形凸块高度H=60mm,宽度B=400mm。假设汽车在距离凸块前L0处以速度v匀速直线行驶,则汽车前轮的路面脉冲激励信号的时域描述为:汽车后轮的路面脉冲激励信号是前轮所受激励延时Δt=(lf+lr)/v后的时域信号。汽车驶过单凸块的平顺性,用最大的(绝对值)加速度响应对应车速v的关系曲线,即车速特性来评价,加速度越小,汽车平顺性越好。半主动悬架和被动悬架汽车的车速特性如图2所示。假设汽车负载改变,使得簧载质量及其转动惯量发生变化,另外假设轮胎内温度变化或者气体泄露导致车轮刚度系数也发生了变化,变化后的参数为:Ms=500kg,Is=850kg·m2,Kt1=140000N/m,Kt2=120000N/m。保持控制器各参数不变,此时半主动悬架和被动悬架汽车的车速特性如图3所示。4悬架系统的稳定性使用自适应Backstepping方法