汽车悬架系统的半主动追踪控制

将扫描正弦波作为基础激振 +’ 输入到振动系统时， 质量上 加速度与基础激振的加速度之间的传递率的实验结果及模拟计 图 A , B . 为模拟计算结 算结果见图 A 。其中图 A , 8 . 为实验结果， 果。图中点划线是磁流体减振器不加电压时的传递函数的频率 特性；点线是磁流体减振器加 4C 电压时的传递函数的频率特 性： 实线是反向控制时的传递函数的频率特性； 虚实线是追踪控 制时的传递函数的频率特性。
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文章编号： !$$! # 7889 : "$$5 ; !" # $!$$ # $7
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第 !" 期 "$$5 年 !" 月
汽车悬架系统的半主动追踪控制
潘秋华 ! 潘公宇 " : ! 江苏科技大学数理系，镇江 "!"$$7 ; : " 江苏大学汽车与交通工程学院，镇江 "!"$$7 ;
机械设计与制造!"源自# $% ()* # %’’+
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为了控制阻尼力误差 (， 设定了以下评价函数。 31
这里，系数 4 及 5 分别是阻尼力误差和控制变量的权系 数。将状态向量代入式 , $4 . ， 可得： 3#
", " 反向控制方式
要使得振动系统得到最佳性能，应使磁流体减振器产生的 阻尼力和理想阻尼力完全一致。 即使得 1 7 $ 。 从式 0 ! 1 0 " 1 及 0 8 1 可得， 此时加在磁流体减振器的电压应为：
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统的状态方程式为： " ! # $! % &’ ( # )! % *’ " 这里： ! # / + + , +’ 0 $#
参数 粘性系数 !$ % &・ ’・ ( # ! 摩擦阻力 "# % & 摩擦阻力比例系数 "$ % & ・ ) # ! 参数值 *"+, " -$, *!*., .
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由宾厄姆模型计算得到的阻尼力见图 " 的实线。 由图 " 可以 得知： 宾厄姆模型能很好地表示该磁流体减振器的阻尼力特性。
" 半主动控制方式的设计
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【摘要】 在介绍了磁流体减振器阻尼力特性的基础上， 提出了针对磁流体减振器特性的半主动追踪 控制方法。 试验验证了磁流体减振器阻尼力可调的减振性能及追踪控制方法的有效性。 结果表明提出的 半主动追踪控制方法不仅比被动控制方式优越， 而且比天棚式反向控制方式有更佳的减振效果。 关键词：磁流体减振器< 半主动悬架 < 追踪控制< 减振性能 【!"#$%&’$】 !"#$% &’ ()$ *’(+&%,-(*&’ &. -)"+"-($+*#(*- &. /"0’$(&+)$&1&0*-"1 -&’(+&11"21$ %"/3$+4 " .&15 1&6*’0 -&’(+&1 /$()&% .&+ #$/* 7 "-(*8$ #,#3$’#*&’ *#3+&3&#$% .&+ /"0’$(&+)$&1&0*-"1 -&’(+&11"21$ %"/3$+9 :’ $;3$+*/$’("1 )"# 2$$’ */31$/$’($% (& ($#( -&’(+&11"21$ 8*2+"(*&’ *#&1"(*&’ -)"+"-($+*#(*- &. /"0’$(&+)$&1&0*-"1 -&’(+&11"21$ %"/3$+ "’% $..$-(*8$’$## &. .&11&6*’0 -&’(+&1 /$()&%9 <)$ +$#,1( #)&6# ()"( .&11&6*’0 -&’(+&1 /$()&% *# ’&( &’1= #,3$+*&+ (& ()$ 3"##*8$ #,#3$’#*&’4 2,( "1#& #,3$+*&+ (& #>=)&&> *’8$+#$ -&’(+&1 /$()&% &’ ()$ 8*2+"(*&’ *#&1"(*&’9 ()* +,%-#：.&/0)$,%1),2,/3’&24 5&67)%4 8)63 9 &’$3:) #;#7)0#3,04 <,22,+30/ ’,0$%,24 =3"%&> $3,0 3#,2&$3,0 中图分类号：=6>7? 77 文献标识码：@
! 减振器及其阻尼力特性的模型
本研究所用的磁流体减振器的结构原理见图 ! 。
# 来稿日期： "$$5 # $6 # $7
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为了改善汽车的行驶平顺性，主动及半主动悬架的研究和
减振器的缸体内由活塞， 磁流体及气室组成。活塞上有环状 的逢贯通其间。随着活塞的上下运动，磁流体通过环逢在活塞的 上下厂腔流动， 从而产生阻尼力。活塞内部安置有线圈， 当电流通 过该线圈时，就会产生如图所示的垂直于流体运动方向的磁场。 受到磁场作用，环状逢内的磁流体的粘度及流动阻抗发生改变， 使得阻尼力也随之改变。改变流经磁场线圈电流的大小，就能改 变活塞内的磁场强度， 从而达到调节阻尼力人小的目的。 图 " 示出了实验得到的磁流体减振器的阻尼力特性。根据 这一实验结果，本研究将用宾厄姆的力学模型被用来描述磁流 体减振器的阻尼力特性。这个模型由图 7 所示的摩擦阻力及粘 性阻力二要素所组成。
应用开发得到了相当的重视。在主动悬架的情况下，需要外加 油压或气压的促动器来提供所需得控制力，使得控制器的结构 复杂， 可靠性下降， 导致它在实际车辆工程中应用受到限制。而 基于大棚阻尼的半主动悬架，除了可以达到与主动悬架相近的 减振效果外， 具有结构简单， 可靠性高等特点。 这里在分析了磁流体减振器的特性和天棚阻尼的半主动 控制方法的基础上，提出了控制力追踪控制方法：并用理论模 拟及实验验证了控制力追踪控制方法的实用性。
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图 A 加速度传递函数的频率特性
这里， ; 是 67**897 方程式的解。 ;$$ - % $$ ; , ;&$ ; % 7$ 1 ’ $$ 1 $ , &9
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从图中可以发现： , $: . , $ . 半主动追踪控制方式具有最佳的减振效果。即不论在 共振点附近， 还是在高频率区， 传递率都较小。 , % . 反向控制方式表现出较优的减振特性： 即在共振点附近 的传递率与较大的等效粘性阻尼的传递率相近，而在高频率区 的传递率介与较小的等效粘性阻尼的传递率相近。 , - . 不加电压时的磁流体减振器表现出较小的等效粘性阻尼； , $A . 即在共振点附近的传递率较大， 而在高频率区的传递率较小。减振 器加 4C 电压时的磁流体减振器表现出较大的等效粘性阻尼D 即在 共振点附近的传递率较小， 而在高频率区的传递率较大。 , 4 . 实验结果及模拟计算结果较为接近， 说明所提出的半主动 追踪控制方式能应用于实际控制。该结果也显示了该磁流体减振 器具有较好的实时可控， 阻尼实时可调的特点。在不进行半主动控 制时， 只要改变流经减振器的电流， 可方便地改善减振性能。
参考文献
$ 潘公宇 # 磁流体阻尼可调减振器 # 机械工程学报， C"E-A , : . ， $4A F $+%# 图 5 试验装置 % 陈大跃 # 汽车半主动悬架的多目标优化设计 # 机械工程学报， %’’’ ,5.， G$ F G4# - HI)?*)J KL# (MN) H O， H87? PQ# )9 8$# RS)?"T)?"E">7*8ET"3)E "U 8 VHWX O"YJ?8E "U X?>7?))J7?> P)*S8?7*=， T8>?)9"E">7*8E 38TI)J， $GG: ， $%- ： %-’ F %-A# 4 R8? Z [# P89=YS7H8 \# \"?38 [ \# W"?9J"EE8BE) C7BJ897"? 38TI)J Y=7?> T8>?)9"JS)"E">7*8E UEY73# ]? ： % ?3VH7" & R8*7U7* W"?U)J)?*) "? HM=9)T ]? 9)>J79M 8?3 P87?9)?8?*) ^ X_S7B797"? ， !8?‘7?> ， R# 6# WS7?8# %’’’# + a)?[ Q# P)9S"3 "U J8?3"T b7BJ897"? "U SMH9)J)97* =M=9)T， VHWX O"YJ?8E "U X?>7?))J7?> P)*S8?7*=， $G:5# $’% ： %4G F %5-#
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图 ! 磁流体减振器的结构原理图
图 " 磁流体减振器的力学特性
第 !" 期
潘秋华等： 汽车悬架系统的半主动追踪控制
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图 / 减振器的阻尼力特性的宾厄姆模型图
减振器的阻尼力由式 0 ! 1 所示。 ) ) ) ) %& ’ "$ ’23 0 ( * ($ 1 4 !$ 0 ( * ($ 1 式中 5 !$ —粘性系数 6 "$ —摩擦阻力。
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使得评价函数最小时的最佳控制变量 . 如下式。 " + ’ # , / 1$ 1% 0 1 :! # , 9 & $ , &- ; % 8 . ! !+
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&$ 1 &9 & $ &;$ 1 7 , 8- 9 & < 8 由最优调节理论得到的最佳控制变量 ’ 可转变成加在磁 流体减振器的电压。 " " = # < ’=>? , + , +’ . & >? @ / >@ 上式同样受式 , : . 的限制。
- 减振特性及控制方式的有效性
为验证磁流体减振器作为可调阻尼的减振器的减振特性及 控制方式有效性，用以下一自由度振动系统的试验装置 , 图 5 . 进行了模拟分析和实验验证。
", ! 目标控制力
天棚式半主动控制方法的示意图见图 8 0 9 1 。其理想的阻尼 ) 0/1 力见式 0 / 1 5 "./0 ’ !./0 ( ! 式中 5 !./0 为天棚式阻尼系数； "./0 为天棚式半主动控制方法的理 想阻尼力。
图 8 半主动控制示意图
当用磁流体减振器来实现半主动控制时 0 图 8 0 : 1 1 ， 磁流体 减振器产生的阻尼力与天棚式半主动控制方法的理想阻尼力的 差可用式 0 8 1 来表示 5 1 ’ %& * "./0 081 图 8 0 : 1 所示一自由度振动系统的运动方程式为式 0 ; 1 所 3 0;1 示5 2 ( + / 0 ( * ($ 1 4 %& 7 $
4 结论
, $ . 所提出半主动追踪控制方式具有良好的减振效果。它 不仅比被动控制方式优越，而且比天棚式反向控制方式具有好 的减振性能。即不论在共振点附近， 还是在高频率区， 传递率都 较小。 , % . 磁流体减振器具有较好的实时可控， 阻尼实时可调的特 点， 能实现连续控制。在不进行半主动控制时， 只要改变流经减 振器的电流， 可方便地改善减振性能。
0!1
由实验可知： 磁场愈强， 磁流体中的锁状链就愈强， 因而产 生的阻尼力就愈大。由于该减振器的阻尼力与所施电压成线性 的正比例关系，而阻尼系数几乎不随电压的变化而变化，故式 （" ） （! ） 中磨擦阻力与电压的关系可用式 来表示： "$ 7 " # + " $ , 式中： "#—没有电压时的粘性系数和摩擦力 "$—随着电压变化部分的比例系数。 （表 ! ） 用最小二乘法可求得与试验数据相拟合的系数 。 表 ! 宾厄姆模型的拟合系数