專利名稱：基于雙可控阻尼器的車輛半主動(dòng)懸架及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及車輛工程領(lǐng)域，尤其涉及采用可控阻尼器的智能車輛懸架系統(tǒng)控制裝置，用于具有兩組懸架子系統(tǒng)的半車懸架系統(tǒng)解耦控制。
背景技術(shù)：
車輛懸架是連接車身與底盤的一切傳力裝置的總稱，是確保車輛乘坐舒適性和操控安全性的重要系統(tǒng)，傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架不能同時(shí)滿足舒適性和操控性要求，進(jìn)而產(chǎn)生了可控懸架系統(tǒng)。基于可控阻尼器的半主動(dòng)控制懸架是近十年來國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)課題之一，由于車輛多個(gè)懸架子系統(tǒng)之間存在強(qiáng)耦合特性，使得關(guān)于實(shí)現(xiàn)車輛多懸架性能目標(biāo)的自適應(yīng)控制、各可控懸架子系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)控制極具挑戰(zhàn)性，是目前關(guān)于可控智能車輛懸架半主動(dòng)控制器設(shè)計(jì)研究所面臨的重大難題，對(duì)車輛懸架系統(tǒng)解耦控制是一種新的研究方向，這正是本發(fā)明著力解決的目標(biāo)。
國內(nèi)外學(xué)者近幾年提出了各種針對(duì)可控懸架系統(tǒng)的半主動(dòng)控制策略，少數(shù)學(xué)者也嘗試對(duì)多自由度懸架系統(tǒng)解耦控制，但是提出的解耦方法過于理論化、難以工程實(shí)現(xiàn)，對(duì)多個(gè)可控懸架子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制尚沒有提出可行的解決辦法。臺(tái)灣學(xué)者T. H. S. LI等采用多輸入多輸出非線性系統(tǒng)中的線性反饋與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前饋相結(jié)合的控制方法，實(shí)現(xiàn)了半車主動(dòng)懸架系統(tǒng)的近似解耦控制，為實(shí)現(xiàn)可控阻尼器的協(xié)調(diào)控制奠定了一定基礎(chǔ)，但其控制器設(shè)計(jì)方法過于復(fù)雜、難于實(shí)現(xiàn)，且沒有系統(tǒng)分析車輛懸架多目標(biāo)懸架性能；吳龍等對(duì)六自由度半車懸架系統(tǒng)進(jìn)行解耦，并進(jìn)一步采用分層控制方法，提高了半車懸架系統(tǒng)性能，但是其解耦方法假設(shè)條件多、實(shí)時(shí)性差，因此也只實(shí)現(xiàn)了理論上的近似解耦；董小閔等在提出的可控半主動(dòng)懸架分姿態(tài)協(xié)調(diào)仿人智能控制方法中，將整車車身運(yùn)動(dòng)分為八種姿態(tài)，通過列寫4 個(gè)懸架子系統(tǒng)對(duì)抑制垂直、俯仰和側(cè)傾運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程，然后對(duì)列寫的方程解耦從而得到四組近似獨(dú)立的阻尼器控制力，并進(jìn)一步結(jié)合仿人智能控制，提高了整車懸架系統(tǒng)性能， 但是該方法對(duì)于八種運(yùn)動(dòng)姿態(tài)下存在的一種或多種運(yùn)動(dòng)耦合需要分別計(jì)算，同時(shí)需要預(yù)先定性分析車身姿態(tài)，因此該解耦控制方法的精確度不高，實(shí)時(shí)性不理想，難以在實(shí)際車輛中加以應(yīng)用。
綜上所述，關(guān)于車輛多個(gè)可控懸架子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制等問題尚沒有能夠得到很好的解決，通過對(duì)耦合的車輛多組可控懸架系統(tǒng)進(jìn)行解耦達(dá)到其協(xié)調(diào)控制是一個(gè)很好的思路，但是已提出的上述在多假設(shè)條件下的近似解耦方法與車輛實(shí)際工況差異較大，未能實(shí)現(xiàn)簡化可控懸架系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、提高控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性等研究目標(biāo)，且大多仍處于理論算法研究階段，離投入實(shí)際應(yīng)用尚有很大距離。發(fā)明內(nèi)容
基于2011年國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目磁流變整車懸架系統(tǒng)半主動(dòng)解耦控制研究(51075215)，本發(fā)明提出了一種采用雙可控阻尼器的新型半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)和解耦控制方法，并應(yīng)用在半車懸架系統(tǒng)中，目的在于實(shí)現(xiàn)兩組“四分之一”車輛可控懸架子系統(tǒng)的完得各“四分之一”車輛可控懸架子系統(tǒng)能獨(dú)立工作，以有效地實(shí)現(xiàn)簡化半主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和提高半主動(dòng)控制實(shí)時(shí)性等研究目標(biāo)，為進(jìn)一步開展基于整車4個(gè)“四分之一”車輛可控懸架子系統(tǒng)完全解耦的半主動(dòng)自適應(yīng)控制研究提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
基于雙可控阻尼器的車輛半主動(dòng)懸架，包括螺旋彈簧、簧載可控阻尼器、非簧載可控阻尼器、連桿裝置、控制臂、輪胎、角加速度傳感器、電控單元以及電流驅(qū)動(dòng)模塊，其中，非簧載可控阻尼器安裝在下控制臂與連桿之間，并與輪胎近似平行；簧載可控阻尼器安裝在連桿的上端；角加速度傳感器安裝于車身質(zhì)心處；電控單元的輸入端與所述角加速度傳感器的輸出端相連，其輸出端與驅(qū)動(dòng)模塊相連；所述驅(qū)動(dòng)模塊輸出端口分別與所述簧載可控阻尼器和非簧載可控阻尼器相連。
本發(fā)明的控制方法具體過程為車輛運(yùn)行過程中，角加速度傳感器將采集到的車身俯仰角加速度信號(hào)傳送給電控單元，電控單元根據(jù)控制算法計(jì)算后向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模塊向非簧載可控阻尼器輸出與控制信號(hào)相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最后由非簧載可控阻尼器向車輛提供相應(yīng)的阻尼力，最終實(shí)現(xiàn)半車懸架系統(tǒng)的解耦控制?；奢d可控阻尼器則進(jìn)一步用于提供半主動(dòng)控制力。
本發(fā)明在半車懸架系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中安裝兩個(gè)可控阻尼器，一個(gè)安裝于原先被動(dòng)懸架阻尼器的位置，稱為簧載可控阻尼器，起懸架阻尼控制作用；另一個(gè)安裝于下控制臂與連桿之間，位置上與輪胎近似并行，稱為非簧載可控阻尼器，起系統(tǒng)解耦控制作用?；谠撾p可控阻尼器車輛懸架結(jié)構(gòu)，通過理論推導(dǎo)，采用狀態(tài)反饋控制，可實(shí)現(xiàn)半車懸架系統(tǒng)兩個(gè) “四分之一”車輛可控懸架子系統(tǒng)的完全結(jié)構(gòu)解耦，從而能直接應(yīng)用比較成熟的關(guān)于“四分之一”車輛可控懸架子系統(tǒng)的半主動(dòng)控制策略。
本發(fā)明的關(guān)鍵在于在下控制臂與連桿之間安裝一個(gè)非簧載可控阻尼器，通過改進(jìn)傳統(tǒng)懸架結(jié)構(gòu)，無需繁多的條件假設(shè)，而是基于實(shí)際物理結(jié)構(gòu)和反饋控制方法來實(shí)現(xiàn)半車懸架系統(tǒng)的完全解耦，并且采用該雙可控阻尼器車輛懸架結(jié)構(gòu)和解耦方法的懸架系統(tǒng)能保證傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)所固有的動(dòng)力學(xué)特性，滿足懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求，同時(shí)，提出的該雙可控阻尼器車輛懸架結(jié)構(gòu)易于工程實(shí)現(xiàn)、控制方法簡單、所需傳感器少、計(jì)算量小、實(shí)時(shí)性高， 能夠有效地簡化車輛半主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、提高控制實(shí)時(shí)性，該發(fā)明易于投入實(shí)際應(yīng)用。
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明方法做詳細(xì)說明
圖I是本發(fā)明雙可控阻尼器車輛懸架結(jié)構(gòu)的硬件組成示意圖。
圖2是基于雙可控阻尼器車輛懸架結(jié)構(gòu)的半車懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。
圖3是本發(fā)明解耦的半車懸架系統(tǒng)與傳統(tǒng)的半車被動(dòng)懸架系統(tǒng)在單頻諧波激勵(lì)下的性能比較(a)是質(zhì)心加速度比較；(b)是俯仰角加速度比較；(C)是前輪簧載加速度比較；(d)是后輪簧載加速度比較；(e)是前輪非簧載加速度比較；(f)是后輪非簧載加速度比較；(g)是前輪輪胎動(dòng)態(tài)力比較；(h)是后輪輪胎動(dòng)態(tài)力比較。
圖4是本發(fā)明解耦的半車懸架系統(tǒng)與傳統(tǒng)的半車被動(dòng)懸架系統(tǒng)在平滑脈沖激勵(lì)下的性能比較(a)是質(zhì)心加速度比較；(b)是俯仰角加速度比較；(C)是前輪簧載加速度比較；(d)是后輪簧載加速度比較；(e)是前輪非簧載加速度比較；(f)是后輪非簧載加速度比較；(g)是前輪輪胎動(dòng)態(tài)力比較；(h)是后輪輪胎動(dòng)態(tài)力比較。
具體實(shí)施方式
如

圖1所示，為本發(fā)明提出的一種基于雙可控阻尼器的新型半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)，主要由螺旋彈簧、簧載可控阻尼器、非簧載可控阻尼器、連桿裝置、控制臂、輪胎、傳感器、ECU 以及驅(qū)動(dòng)模塊組成。其結(jié)構(gòu)連接為在下控制臂4與連桿2之間安裝一個(gè)非簧載可控阻尼器 3，在結(jié)構(gòu)上與輪胎5為近似并聯(lián)關(guān)系；同時(shí)在連桿2上安裝一個(gè)簧載可控阻尼器I來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的被動(dòng)阻尼器，與懸架彈簧裝置并聯(lián)；角加速度傳感器安裝于車身質(zhì)心處；電控單元 (ECU)的輸入端與角加速度傳感器的輸出相連、輸出端與驅(qū)動(dòng)模塊相連；驅(qū)動(dòng)模塊輸出端口與簧載可控阻尼器I、非簧載可控阻尼器3相連。
該雙可控阻尼器懸架結(jié)構(gòu)功能為一是通過反饋車輛運(yùn)動(dòng)俯仰角加速度狀態(tài)變量，調(diào)節(jié)控制非簧載可控阻尼器輸出的非簧載阻尼力，實(shí)現(xiàn)半車懸架系統(tǒng)互相耦合的兩個(gè) “四分之一”車輛可控懸架子系統(tǒng)的完全結(jié)構(gòu)解耦，并改善車輛俯仰運(yùn)動(dòng)懸架性能；二是能夠進(jìn)一步對(duì)簧載可控阻尼器應(yīng)用各種成熟的“四分之一”車輛半主動(dòng)懸架控制策略，以重點(diǎn)改善車輛垂直運(yùn)動(dòng)共振抑制等懸架性能。
下面介紹提出的基于雙可控阻尼器懸架結(jié)構(gòu)的解耦控制方法
如圖2所示，為基于上述雙可控阻尼器半主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)的半車系統(tǒng)模型。這里，假設(shè)車身簧載質(zhì)量為Mg，前、后非簧載質(zhì)量分別為Ml^Mur, Ie表示車身的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，a，b表示車身質(zhì)心至前后軸的軸距。xg，Θ分別表示車輛質(zhì)心垂直運(yùn)動(dòng)位移、俯仰運(yùn)動(dòng)的俯仰角，6分別表示車輛質(zhì)心垂直運(yùn)動(dòng)加速度、俯仰運(yùn)動(dòng)的俯仰角加速度，ksf, ksr分別表示前、后懸架子系統(tǒng)的剛度系數(shù)，ktf, ktr分別表示前后輪胎的剛度系數(shù)，F(xiàn)df，F(xiàn)dr分別表示前后簧載可控阻尼力，F(xiàn)uf, Fur分別表示前后非簧載可控阻尼力，分別表示前后兩個(gè)懸架子系統(tǒng)的簧載質(zhì)量垂直運(yùn)動(dòng)加速度、非簧載質(zhì)量垂直運(yùn)動(dòng)加速度、簧載質(zhì)量垂直運(yùn)動(dòng)位移、非簧載質(zhì)量垂直運(yùn)動(dòng)位移和兩個(gè)輪胎所承受的路面激勵(lì)信號(hào)，K11K2為反饋系數(shù)。
下面以質(zhì)心為參考坐標(biāo)，列寫該半車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程
質(zhì)心運(yùn)動(dòng)
權(quán)利要求
1.基于雙可控阻尼器的車輛半主動(dòng)懸架，包括螺旋彈簧、簧載可控阻尼器、非簧載可控阻尼器、連桿裝置、控制臂、輪胎、角加速度傳感器、電控單元以及電流驅(qū)動(dòng)模塊，其特征在于，非簧載可控阻尼器安裝于下控制臂與連桿之間，并與輪胎近似平行；簧載可控阻尼器安裝在連桿的上端；角加速度傳感器安裝于車身質(zhì)心處；電控單元的輸入端與所述角加速度傳感器的輸出端相連，其輸出端與驅(qū)動(dòng)模塊相連；所述驅(qū)動(dòng)模塊輸出端口分別與所述簧載可控阻尼器和非簧載可控阻尼器相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于雙可控阻尼器的車輛半主動(dòng)懸架的控制方法，其特征在于，具體過程為車輛運(yùn)行過程中，角加速度傳感器將采集到的車身俯仰角加速度信號(hào)傳送給電控單元，電控單元根據(jù)控制算法計(jì)算后向驅(qū)動(dòng)模塊發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)模塊向非簧載可控阻尼器輸出與控制信號(hào)相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，最后由非簧載可控阻尼器向車輛提供相應(yīng)的阻尼力，最終實(shí)現(xiàn)半車懸架系統(tǒng)的解耦控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述角加速度傳感器將俯仰角加速度作為狀態(tài)反饋量
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于雙可控阻尼器的車輛半主動(dòng)懸架，用于具有兩組懸架子系統(tǒng)的半車懸架系統(tǒng)的解耦控制一是將非簧載可控阻尼器安裝于下控制臂與連桿之間，通過車身俯仰角加速度狀態(tài)變量的反饋控制來調(diào)節(jié)非簧載可控阻尼器輸出的阻尼力，可實(shí)現(xiàn)半車懸架系統(tǒng)兩個(gè)“四分之一”車輛懸架子系統(tǒng)的完全結(jié)構(gòu)解耦并改善了車輛俯仰運(yùn)動(dòng)懸架性能；二是將簧載可控阻尼器安裝于傳統(tǒng)被動(dòng)懸架阻尼器的位置，懸架系統(tǒng)經(jīng)解耦后可直接應(yīng)用比較成熟的關(guān)于“四分之一”車輛懸架子系統(tǒng)的半主動(dòng)控制策略，可以理想地實(shí)現(xiàn)車輛垂直運(yùn)動(dòng)懸架性能的改善。
文檔編號(hào)B60G17/015GK102975587SQ20121050896
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月3日
發(fā)明者王恩榮, 張海龍, 閔富紅, 顏偉, 黃苗玉 申請人:南京師范大學(xué)