半主動懸架系統(tǒng)最佳阻尼比控制策略研究

半主動懸架系統(tǒng)最佳阻尼比控制策略研究

半主動懸架最佳阻尼比控制策略的數(shù)學(xué)模型傳統(tǒng)的被動懸浮設(shè)備難以滿足不同條件下車輛的舒適度要求。為此,設(shè)計人員常通過懸架阻尼的控制來改善懸架系統(tǒng)的性能目前,國內(nèi)外學(xué)者已對半主動懸架系統(tǒng)阻尼及控制進(jìn)行了大量研究,應(yīng)用較多的是基于車身振動速度和基于車身振動加速度的控制方法。其中,應(yīng)用最多且較成功的控制方法是基于速度控制的天棚控制及其改進(jìn)方法。雖然采用這兩種控制方法的半主動懸架其減振性能都比被動懸架好,但它們并未很好地解決懸架系統(tǒng)的乘坐舒適性和行駛安全性這一對矛盾本文中通過車輛懸架性能指標(biāo)的分析,對半主動懸架最佳阻尼比控制策略的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行探討;結(jié)合實例,對最佳阻尼比控制策略的有效性進(jìn)行驗證。1最佳反粘控制策略的基本思想1.1車輛行駛振動模型雖然可根據(jù)車輛物理模型(圖1(a))建立復(fù)雜的車輛動力學(xué)模型,但在半主動控制策略開發(fā)前期,常采用1/4車輛行駛振動模型其相應(yīng)的微分方程為式中:m為使所討論物理量具有推廣價值,引入以下變量:式中:r為對半主動懸架控制策略的有效性進(jìn)行全面、合理的評價,目前通常選取車身垂直振動加速度z1.2不同車速、不同工況運行懸架系統(tǒng)阻尼比的需求為進(jìn)一步改善懸架性能,提出最佳阻尼比控制策略,其基本思想為:根據(jù)不同車速、不同路況調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)阻尼比ξ,一是可同時滿足當(dāng)前行駛路況對車身振動加速度、車輪動載荷和懸架動撓度3項性能指標(biāo)的要求;二是相當(dāng)于根據(jù)不同行駛工況在線匹配最佳減振器。2最佳半開放式支撐方案的抗衰減2.1基于目標(biāo)函數(shù)的阻尼比優(yōu)化由圖1(b)所示車輛模型,可得車身垂直振動加速度、車輪動載荷和懸架動撓度的均方響應(yīng)解析式式中:n車身加速度、車輪動載荷和懸架動撓度是相互影響和相互制約的。因此,建立無量綱化阻尼比優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)J,并限制懸架撞擊限位概率P,則有式中:α為加權(quán)因子且α∈[0,1];[f將式(2)~式(4)代入式(7),由約束條件和阻尼比優(yōu)化方法所求得的懸架系統(tǒng)最佳阻尼比ξ其中2.2最佳阻止-比較控制策略通過分析最佳阻尼比控制策略和圖2可知,最佳阻尼比ξ3對常用方法的分析懸架系統(tǒng)各指標(biāo)的傳遞特性分析是對懸架特性進(jìn)行分析的重要方法。根據(jù)式(1)和最佳阻尼比控制策略,利用車輛參數(shù)m根據(jù)半主動懸架最佳阻尼比控制策略可知,最佳阻尼比ξ4最佳抗橫截面分析的適用性4.1懸臂滑動限制計劃對控制策略的影響車輛的懸架限位行程[f4.2最佳阻尼比確定為適應(yīng)不同車輛的開發(fā)要求,也可對式(7)中約束條件進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,即可對所要求的懸架撞擊限位概率P進(jìn)行調(diào)整,從而調(diào)整最佳阻尼比ξ由圖5和表2可知,限制懸架撞擊限位的概率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動懸架開發(fā)前期,先對所提出的控制策略,以被動懸架系統(tǒng)和經(jīng)典的天棚阻尼半主動控制策略作為參照進(jìn)行對比仿真分析,進(jìn)而對最佳阻尼比控制策略的控制效果進(jìn)行評價。利用Matlab軟件的Simulink工具箱,分別建立被動懸架、天棚阻尼控制半主動懸架和最佳阻尼比半主動懸架的控制模型。仿真所用的轎車參數(shù)為:m式中:C5.1最佳阻尼比控制策略性能隨機(jī)路面激勵下的響應(yīng)分析是綜合考察控制算法的重要手段。文獻(xiàn)[13]中的研究設(shè)定仿真工況為車輛以72km/h分別在A,B,C和D級路面上行駛,分別考察車輛在被動懸架、天棚阻尼半主動控制和最佳阻尼比半主動控制下懸架3項評價指標(biāo)的均方根值與最大值。路面時域信號采用濾波白噪聲法生成。為充分體現(xiàn)路面的隨機(jī)特性,仿真時間設(shè)為100s,仿真步長設(shè)為0.01s,懸架性能評價指標(biāo)的仿真結(jié)果如表3所示。由于篇幅限制,該研究僅給出了B級路況下的時域響應(yīng)對比,如圖6所示。其中,為更清晰地展現(xiàn)各性能指標(biāo)的變化,圖中的時間顯示范圍為10~14s。由表3可知:在較好的路面(A,B,C級)上,最佳阻尼比控制半主動懸架和天棚控制半主動懸架系統(tǒng)的舒適性均優(yōu)于被動懸架,且兩種控制策略對車身垂直振動加速度的抑制效果相當(dāng),加速度均方根降低9.0%以上,但在某些時刻,天棚控制策略車身垂直振動加速度出現(xiàn)了明顯惡化;與被動懸架相比,兩種控制策略均增大了車輪相對動載荷,但在最佳阻尼比控制下,車輪相對動載荷增幅更小;在最佳阻尼比控制下,懸架動撓度均方根值和最大值均略大于被動懸架和天棚半主動懸架,其數(shù)值在可接受范圍內(nèi),且未超出懸架限位行程,這說明最佳阻尼比控制策略更能充分利用懸架設(shè)計空間。本文中提出的控制策略在良好路況下主要是以提高車輛的乘坐舒適性為目標(biāo),即以降低車身振動加速度為主要目的,故認(rèn)為達(dá)到了預(yù)期目的。由表3還可知:在惡劣路面(D級路面)上,與被動懸架相比,在最佳阻尼比控制策略下,雖然車身垂直振動加速度均方根值增加了8.60%,最大值略有增加,但加速度時域信號變化較平緩,最大值也沒有嚴(yán)重惡化,在天棚控制策略下,車身垂直振動加速度降低了9.51%,但最大值依然出現(xiàn)嚴(yán)重惡化現(xiàn)象;與被動懸架相比,天棚控制策略下車輪相對動載荷最大值增大了23.85%,即嚴(yán)重惡化了車輪動載荷,而最佳阻尼比控制策略下車輪相對動載荷最大值降低了7.46%,有效抑制了車輪動載荷,因此,與天棚控制策略相比,最佳阻尼比控制策略能增加車輪的附著能力,提供更好的汽車操縱穩(wěn)定性和行駛安全性;此外,在天棚控制策略下,懸架動撓度均方根值與被動懸架的相當(dāng),但最大值68.8mm超出了懸架限位行程[f5.2天棚阻尼控制策略減少了懸架動撓度的低頻和高頻共振區(qū)為進(jìn)一步說明惡劣路況下最佳阻尼比控制策略的有效性,對D級路況下懸架各性能指標(biāo)在0~30Hz進(jìn)行功率譜密度分析,結(jié)果如圖7所示。由圖7(a)可知:與被動懸架相比,天棚阻尼控制策略在低頻區(qū)明顯改善了車輛乘坐舒適性,但在中高頻區(qū)減振效果不明顯,甚至使舒適性惡化;而最佳阻尼比控制策略能在低頻共振區(qū)有效抑制車身振動,在中頻區(qū)舒適性略有降低,高頻區(qū)與被動懸架相當(dāng)。由圖7(b)可知,與被動懸架相比,天棚阻尼控制策略僅在低頻共振區(qū)有效抑制車輪動載荷,而最佳阻尼比控制策略在低頻和高頻共振區(qū)都能有效抑制車輪動載荷。由圖7(c)可知,與被動懸架相比,天棚阻尼控制策略在低頻段增大了懸架動撓度,在中高頻段對懸架動撓度的改善不明顯,而最佳阻尼比控制策略有效抑制了懸架動撓度的低頻和高頻共振峰值。綜合圖7(a)~圖7(c)可知,最佳阻尼比控制策略降低了車身垂直振動加速度在低頻共振區(qū)的峰值,車輪動載荷和懸架彈簧動撓度在低頻及高頻共振區(qū)的峰值也得到了明顯改善。該控制策略在惡劣路況下主要是以提高車輛的越野性能為目標(biāo),即以降低車輪相對動載荷并減小限位塊撞擊概率為主要目的,故認(rèn)為達(dá)到了預(yù)期目的。6半主動懸架系統(tǒng)最佳阻尼比控制策略的數(shù)值式提出了一種半主動懸架系統(tǒng)的最佳阻尼比控制策