基于混合阻尼控制的車輛半主動懸架可調(diào)性研究＊

郭孔輝 王金珠 郭耀華 薛 冰

（1.吉林大學(xué) 汽車仿真與控制國家重點實驗室；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室）

1 前言

天棚阻尼控制作為經(jīng)典的控制邏輯，由于其算法簡單工程易于實現(xiàn)且魯棒性較強，現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于中高端汽車的半主動控制系統(tǒng)。但天棚控制從原理上只能以降低汽車安全性來改善乘坐舒適性，而混合控制策略則在天棚控制的基礎(chǔ)上結(jié)合地棚控制，能在安全性和乘坐舒適性之間折衷，從而使懸架的整體性能得到提升。

對混合控制策略的研究主要集中在如何使天棚、地棚阻尼系數(shù)Csky、Cgnd及阻尼分配系數(shù)α與整車進行匹配。文獻[1]采用免疫優(yōu)化算法對α及Csky的匹配進行了一些探討和研究。而現(xiàn)代車輛懸架系統(tǒng)通常采用與路面和車速自適應(yīng)的控制策略，這時更關(guān)注懸架的可調(diào)性[2]。為此，本文通過優(yōu)化懸架參數(shù)確定了懸架剛度ks和Csky及Cgnd，使混合控制策略下車輛半主動懸架有一個合適的可調(diào)范圍。通過改變參數(shù)α使車輛的平順性和安全性相對于被動懸架有所改善。

2 懸架模型的建立

2.1 路面輸入

分析懸架性能時首先要用到路面的隨機輸入。當車速為定值時，速度的時域功率譜即為白噪聲信號[3]，本文采用積分濾波白噪聲法產(chǎn)生C級隨機路面作為輸入。

式中，xr為路面垂直方向位移；n0為參考空間頻率，n0=0.1m-1；Gxr（n0）為路面不平度系數(shù)；v0為汽車行駛速度；ω（t）為單位白噪聲；f0為下截止頻率。

在Simulink環(huán)境下采用積分濾波白噪聲法產(chǎn)生如圖1所示C級隨機路面。

2.2 1/4車輛懸架簡化模型

在研究基于天棚、地棚半主動懸架混合控制策略時，采用如圖2所示的1/4車輛懸架簡化模型，即忽略了輪胎阻尼，用定剛度的彈性元件來近似代替輪胎。其中，mb為簧載質(zhì)量，mw為非簧載質(zhì)量，ks為懸架剛度，kt為輪胎剛度，c為懸架阻尼系數(shù)，z0、zw和zb分別為路面輸入、輪胎和車身的垂直位移。

由牛頓第二定律得到2自由度1/4車輛懸架垂向運動微分方程:

實際上理想的天棚、地棚阻尼器不存在，半主動懸架簧載和非簧載質(zhì)量之間通過一個CDC（Continuous Damping Control）減振器來衰減振動。圖3為實際1/4車輛半主動懸架2自由度簡化模型，其中cs為CDC減振器阻尼系數(shù)。

由牛頓第二定律得到其運動微分方程:

3 混合控制策略的實現(xiàn)

混合控制策略綜合天棚控制策略和地棚控制策略，使車輛舒適性和安全性都得到了改善?；旌峡刂撇呗缘幕舅枷胧窃诨奢d質(zhì)量和非簧載質(zhì)量上加一個與慣性系鏈接的阻尼器，產(chǎn)生的阻尼力分別與車身和輪胎的垂直運動速度成正比，能起到同時衰減車身和輪胎振動的目的。

由于理想的慣性系不存在，因此只能以天棚、地棚模型為指導(dǎo)，結(jié)合半主動懸架的CDC減振器可調(diào)范圍來研究一種混合控制算法，通過調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)使減振器產(chǎn)生的阻尼力同時與車身和輪胎絕對速度成正比，從而使車輛的舒適性和安全性都能得到改善。

本文采用一種連續(xù)的混合阻尼控制策略，控制算法如下:

式中，Cs、Cg為實際天棚、地棚阻尼系數(shù)；Csky、Cgnd為理想天棚、地棚阻尼系數(shù)；Cmax、Cmin為CDC減振器可調(diào)的最大、最小阻尼系數(shù)。

通過調(diào)整阻尼分配系數(shù)α，可改變天棚控制力和地棚控制力在混合控制策略中所占的比重，使汽車能夠根據(jù)實際行駛工況和路面變化來改變懸架的阻尼控制規(guī)律，保證了懸架在任何工況下的最優(yōu)性能。

4 懸架參數(shù)匹配

4.1 懸架剛度的匹配

在被動懸架中，彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)固定不變，因此設(shè)計被動懸架時，只需根據(jù)實際要求在車輛舒適性和安全性之間取一個折衷[5]。而基于混合控制策略的半主動懸架，如果懸架參數(shù)選擇不當，則會使車輛的舒適性或安全性可調(diào)范圍很小，甚至?xí)?dǎo)致某一方面的惡化。因此，在半主動懸架的設(shè)計過程中，懸架的參數(shù)選擇非常重要。

根據(jù)1/4車輛的垂向運動微分方程 （2）、方程（3）和混合控制算法公式（4），在 Simulink 環(huán)境下搭建了1/4車輛的被動懸架和半主動懸架模型，并采用上述積分濾波白噪聲法產(chǎn)生的C級隨機路面作為輸入。仿真結(jié)果將車身加速度z¨b、懸架動撓度zw-zb及車輪動載荷Fd輸出到Matlab工作空間做性能分析。懸架的基本參數(shù)如表1所列，其中減振器阻尼為被動懸架阻尼，懸架剛度為待優(yōu)化值。

表1 被動/半主動懸架模型主要參數(shù)

考慮到在各種行駛工況下對汽車平順性的不同要求，首先建立如下目標函數(shù):

式中，q為權(quán)系數(shù)，取值大時趨近于平順性，取值小時趨近于安全性；i起比例調(diào)節(jié)作用，使汽車的安全性和平順性評價指標達到同一數(shù)量級便于比較；N為采樣數(shù)據(jù)長度。

為分析懸架剛度對平順性和安全性可調(diào)范圍的影響，將懸架剛度ks和阻尼分配系數(shù)α視為兩個獨立的變量，ks和 α 分別從5000～30000 N/m和0～1之間分為若干等份，將ks和α進行多次賦值，每賦值一次進行一次仿真。在分析平順性可調(diào)范圍時令q=1，分析安全性時令q=0。半主動懸架和被動懸架的目標函數(shù)值之差H=JS-JP為懸架的改善系數(shù)，當H＜0時懸架相應(yīng)性能得到改善。本文將ks和α都分為50等份，經(jīng)過2500次仿真得到2500個H值并繪制H特性圖。H特性圖顯示了在不同ks值下，懸架在α值從0～1改變時其平順性Hr和安全性Hs的變化特征及范圍。

圖4和圖5為α變化時Hr-ks和Hs-ks特性曲線，圖4自上向下α從1～0逐漸減小，ks取值在22500～29000 N/m之間時平順性可得到比較明顯的改善，且α=0時平順性變化較??；圖5自上向下α從 0～1逐漸增大，當 ks在22500～30000 N/m 變化時安全性改善比較明顯，且α=1時安全性變化較小。

ks的取值要使在α變化時安全性和平順性相對被動懸架都能得到改善，且當平順性最好時安全性變化較小，安全性最好時平順性變化較小。圖5顯示當ks＞22500 N/m時，增大ks可使安全性變好；圖4顯示當ks＞26000 N/m時，平順性隨著ks的增加逐漸變差。本文優(yōu)先考慮平順性，因此ks比較理想的取值為26000 N/m。

4.2 Csky、Cgnd的匹配

在確定Csky、Cgnd時，本文首先由經(jīng)驗公式C=給Cgnd初步取一個值，其中，C為理想天棚（地棚）阻尼系數(shù)，m為簧載（非簧載）質(zhì)量，k為懸架（輪胎）剛度。然后對Csky從500～10000 N·s/m每隔500 N·s/m分段賦值，分析懸架Hr和Hs在α從0～1之間取值時的變化[7]。

由經(jīng)驗公式 Cgnd=并帶入懸架參數(shù)可得到理想地棚阻尼系數(shù)Cgnd的初始值CG=3701.4 N·s/m。

圖6為Csky取不同值時懸架的Hr特性圖，可看出Csky變大時懸架Hr曲線逐漸改善，即α=1時懸架平順性改善較好。從圖6、圖7可以看出，當Csky＞4500 N·s/m時懸架Hr和Hs曲線幾乎不再變化。本文Csky取臨界最大值4500 N·s/m。

分析 Cgnd時，取 Csky=4500 N·s/m， 對 Cgnd從500～10000 N·s/m每隔50 N·s/m分段賦值。圖8和圖9顯示，隨著Cgnd增大懸架Hr和Hs特性都逐漸變好，但當 Cgnd＞6000 N·s/m 時 Hr、Hs曲線幾乎都不再變化。因此Cgnd取臨界最大值6000 N·s/m。

4.3 參數(shù)驗證

根據(jù)以上確定的參數(shù)，在simulink環(huán)境下建立基于混合控制策略的車輛半主動懸架模型，路面輸入采用白噪聲積分法產(chǎn)生的C級隨機路面，車速為40 km/s[8]。圖10為α=1時半主動懸架與被動懸架的車身加速度對比，圖11為α=0時半主動懸架與被動懸架非簧載質(zhì)量加速度對比，圖12顯示了平順性指標Hr隨α的變化曲線，圖13顯示了安全性指標Hs隨α的變化曲線。Hs-α曲線同時也說明使安全性指標Hs最好的α值不一定是0。本文大概在α=0.5時安全性達到最好。

從以上仿真曲線來看，根據(jù)實際路況調(diào)整α可以快速實現(xiàn)使車輛傾向于平順性或傾向于安全性，因此不管車輛行駛在何種路面或工況，都能始終保持車輛駕駛性能最佳。

5 結(jié)束語

討論了基于混合控制的車輛半主動懸架可調(diào)性與懸架剛度、理想天棚地棚阻尼系數(shù)的關(guān)系。把懸架簧載質(zhì)量加速度和懸架動撓度的加權(quán)加速度均方根值作為平順性指標，非簧載質(zhì)量加速度均方根值作為安全性指標，通過simulink仿真得到在α變化時K、Csky和Cgnd取值對懸架可控范圍的影響。經(jīng)分析對比Hr、Hs特性圖，最終確定了與本車參數(shù)相匹配的K、Csky和Cgnd，確保了車輛可根據(jù)實際車速和路況通過改變α來選擇傾向于平順性或安全性。

1 殷智宏，郭孔輝，宋曉琳.基于辨識模型的半主動懸架控制策略研究.湖南大學(xué)學(xué)報，2010，37（12）:1～10.

2 喻凡，郭孔輝.車輛懸架的最優(yōu)自適應(yīng)與自校正控制.汽車工程，1998，20（4）:1～9.

3 ESLAMINASAB N,GOLNARAG HIF.A semi-active control strategy for vibration isolation to improve the ride comfort of vehicle.International Journal of Modelling，Identification and Control,2009,7（3）:281～293.

4 嚴天一，劉大維，師忠秀，等.基于基于地棚控制的半主動懸架車輛道路友好性仿真.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2007，38（1）:12～16.

5 余志生.汽車理論.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

6 趙研，寇發(fā)榮，方宗德.汽車天棚控制半主動懸架模型仿真與性能分析.計算機仿真，2006，23（11）:233～236.

7 顧信忠，張鐵山.減振器阻尼比的確定.農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2010，19（12）:28～31.

8 中國國家標準局.GB/T 4970-2009.汽車平順性試驗方法.北京:中國標準出版社，2009:1～16.