野草入侵模糊算法的半主動(dòng)空氣懸架研究*

胡紅生,肖 平,江 民,歐陽(yáng)青

(1.嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,浙江 嘉興 314001;2.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院,安徽 蕪湖 230031)

項(xiàng)目來(lái)源:浙江省公益性技術(shù)項(xiàng)目(2016C31051);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51575001);安徽省高校自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(KJ2016A799);嘉興市科技計(jì)劃重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目(2016AY13003)

2017-04-02修改日期2017-06-22

野草入侵模糊算法的半主動(dòng)空氣懸架研究*

胡紅生1*,肖 平2,江 民2,歐陽(yáng)青1

(1.嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,浙江 嘉興 314001;2.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院,安徽 蕪湖 230031)

為了抑制由路面不平引起的車輛振動(dòng),結(jié)合磁流變阻尼器和空氣彈簧的變阻尼/剛度特性,設(shè)計(jì)了含內(nèi)置永磁體式磁流變阻尼器的半主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)。基于電磁學(xué)原理,對(duì)內(nèi)置永磁體式磁流變阻尼器的力學(xué)特性建模。建立了1/4車輛二自由度動(dòng)力學(xué)模型,并利用野草入侵算法對(duì)常規(guī)模糊算法規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化,開發(fā)了野草入侵-模糊混合控制策略對(duì)內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器的空氣懸架進(jìn)行半主動(dòng)控制。為驗(yàn)證該控制策略在磁流變空氣懸架的半主動(dòng)控制效果,進(jìn)行了C級(jí)路面隨機(jī)輸入及凸塊脈沖輸入仿真分析,仿真結(jié)果可知,野草入侵-模糊控制策略能有效地提高半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的綜合性能。并且通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)一步表明,利用該控制策略能夠使車身振動(dòng)加速度及懸架動(dòng)撓度分別減小25.87%、35.13%。

磁流變阻尼器;內(nèi)置式永磁體;空氣懸架;野草入侵算法;模糊控制

空氣懸架因其空氣彈簧的剛度、阻尼器的阻尼系數(shù)均可調(diào),從而可以極大地提高汽車的平順性,在中高檔車輛中得到青睞,其在國(guó)外客車、重型商用車上使用率超過(guò)了80%[1],成為汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)空氣懸架進(jìn)行了研究,主要集中于汽車懸架系統(tǒng)的建模分析[2-3]、控制算法研究[4-5]以及空氣彈簧及阻尼器特性研究[6-8]。近年來(lái),隨著可控阻尼的磁流變減振器在汽車半主動(dòng)懸架中的最新應(yīng)用,結(jié)合變阻尼磁流變減振器及變剛度空氣彈簧的新型懸架系統(tǒng)也逐漸興起,可根據(jù)不同行駛工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的減振參數(shù),實(shí)現(xiàn)最佳的減振效果。

葉光湖等[9]對(duì)空氣彈簧進(jìn)行剛度試驗(yàn)并設(shè)計(jì)了磁流變減振器半主動(dòng)空氣懸架的綜合控制策略,仿真結(jié)果表明采用綜合控制策略的磁流變減振器半主動(dòng)空氣懸架能夠提高汽車平順性,且能保證汽車操縱穩(wěn)定性。江洪等[10]考慮空氣彈簧剛度和磁流變減振器阻尼非線性,通過(guò)混合天地棚控制策略分析懸架減振性能。Zheng等[11]對(duì)由空氣彈簧和磁流變減振器組成的農(nóng)用拖拉機(jī)座椅減振系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模分析。Renno等[12]分別討論了3種不同結(jié)構(gòu)形式(剪切閥式、閥式、內(nèi)旁通式)的磁流變減振器與空氣彈簧并聯(lián)組成的汽車懸架系統(tǒng)方案,以實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)路面激勵(lì)的自適應(yīng)性。Shiao等[13]針對(duì)空氣懸架系統(tǒng)的非線性特性,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)的模糊控制算法,并通過(guò)仿真驗(yàn)證其減振效果。雖然,有很多學(xué)者對(duì)汽車空氣懸架進(jìn)行了研究,但目前所研究的懸架系統(tǒng)大多是具有常規(guī)磁流變阻尼器的空氣懸架系統(tǒng)。

在磁流變減振器中引入永磁體,輔助電磁線圈形成工作磁場(chǎng),不僅可以降低線圈能耗,而且能緩解因電磁線圈通電發(fā)熱所造成的減振器內(nèi)部液體溫度快速上升導(dǎo)致的性能衰減現(xiàn)象[14-15],因此內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架具有獨(dú)特性能優(yōu)勢(shì)。而目前關(guān)于內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器空氣懸架的研究還較為少見(jiàn),具備很大的研究空間。因此,本文針對(duì)某款汽車的空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行研究,并與內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器相結(jié)合,形成內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器-空氣懸架系統(tǒng)MREPM-A(Magnetorheological damper with Embedded Permanent Magnets-Air spring suspension)。建立空氣彈簧模型,基于電磁學(xué)原理建立永磁體與電磁線圈融合模型,并以此為基礎(chǔ)建立內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器模型。同時(shí),為了提高懸架的性能對(duì)野草入侵算法進(jìn)行了改進(jìn),研究設(shè)計(jì)了適合于空氣懸架的野草入侵-模糊算法并進(jìn)行了仿真試驗(yàn)與臺(tái)架試驗(yàn)。

1 四分之一汽車懸架建模

考慮半主動(dòng)懸架車身和非簧載質(zhì)量垂向運(yùn)動(dòng),建立二自由度1/4車輛模型[16],如圖1所示。

圖1 半主動(dòng)懸架1/4車輛模型

根據(jù)牛頓第二定律建立其車身與非簧載質(zhì)量垂向運(yùn)動(dòng)的微分方程:

(1)

(2)

式中:m2為車身質(zhì)量,m1為非簧載質(zhì)量,FMRD為磁流變減振器可調(diào)阻尼力,k為空氣彈簧剛度,kt為輪胎剛度,x2為簧載質(zhì)量位移,x1為非簧載質(zhì)量位移,x0為路面擾動(dòng)輸入。

1.1 空氣彈簧建模

空氣彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 空氣彈簧結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)氣囊內(nèi)的壓力為p、大氣壓為pa,氣囊的有效面積為Ae,則空氣彈簧的輸出Fair可表示為

Fair=k(x2-x2)=(p-pa)Ae

(3)

根據(jù)胡克定律,可得空氣彈簧的剛度k與彈簧的垂直位移s的關(guān)系:

(4)

氣囊內(nèi)的氣體滿足理性氣體狀態(tài)方程

pVn=k0

(5)

式中:k0為常數(shù),V為空氣囊容積,n為氣體多變指數(shù)。

將式(5)兩端對(duì)s求導(dǎo)可得

(6)

根據(jù)空氣囊的特性可得

(7)

將式(6)、式(7)代入式(4)可得

(8)

對(duì)于空氣懸架氣囊,有

(9)

于是,可得空氣彈簧的剛度

(10)

式(10)反映出空氣彈簧的剛度與其有效面積、容積等結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)?？諝鈴椈稍诓煌瑲鈮篜0時(shí)的剛度特性可由圖3所示。

圖3 膜式空氣彈簧受力圖

1.2 內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器建模

阻尼器的活塞頭磁場(chǎng)如圖4所示,阻尼通道內(nèi)的磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)與電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量疊加而成,當(dāng)電磁線圈的輸入電流為0 A時(shí),阻尼通道內(nèi)的磁場(chǎng)由永磁體單獨(dú)產(chǎn)生。

圖4 內(nèi)置永磁體式磁流變阻尼器磁路示意圖

阻尼通道內(nèi)由電磁線圈產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B′

(11)

式中:I′為電磁線圈的輸入電流,N′為電磁線圈的匝數(shù),L為電磁線圈的高度,μ為導(dǎo)磁率;當(dāng)輸入正向電流時(shí)磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)一致取正號(hào),當(dāng)輸入方向電流時(shí),磁場(chǎng)與永磁體磁場(chǎng)相反,取負(fù)號(hào)。

阻尼通道內(nèi)由永磁體產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B″[17]:

(12)

則綜合式(11)和(12)可以得阻尼通道內(nèi)的實(shí)際磁場(chǎng)強(qiáng)度為

(13)

由式(13)可以看出,調(diào)節(jié)電磁線圈的輸入電流I′的大小和方向?qū)ψ枘嵬ǖ纼?nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由Bingham模型可知[18-19],磁流變阻尼器的阻尼力為粘性阻尼力和庫(kù)侖力阻尼力之和,可以表示為

FMRD=cevrel+Fτsgn(vrel)+f

(14)

式中:ce為粘性阻尼系數(shù),Fτ為庫(kù)倫阻尼力,vrel為相對(duì)速度,f為氣體蓄能器的氣壓產(chǎn)生的偏置力。

根據(jù)圖4所示阻尼器的結(jié)構(gòu)原理,ce與Fτ可由式(15)、式(16)計(jì)算得到

(15)

(16)

式中:AP活塞有效面積,η為磁流變液粘度,L1、r2以及r3含義如圖3所示,δ與β為磁流變液系數(shù)。

圖5為內(nèi)置永磁體式磁流變阻尼器在不同加載電流情況下的速度特性曲線,由圖5可知,根據(jù)上述的阻尼器力學(xué)模型而得的理論F-v曲線與試驗(yàn)曲線基本相吻合,滿足之后懸架半主動(dòng)控制的要求。通過(guò)速度特性試驗(yàn)曲線亦可看出在未施加電流時(shí),阻尼器仍可輸出一定的偏置阻尼力。該由永磁體提供的偏置阻尼力即可分擔(dān)電磁線圈的負(fù)載量,減小器件能耗,亦可以在線圈故障時(shí)起到一定程度的失效保護(hù)作用,盡可能減小輸出力的急劇下降對(duì)減振系統(tǒng)的影響。

圖5 內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器F-v曲線

2 空氣懸架野草-模糊控制算法設(shè)計(jì)

2.1 模糊控制器設(shè)計(jì)

表1 空氣懸架模糊控制規(guī)則

2.2 野草入侵優(yōu)化算法設(shè)計(jì)

然而針對(duì)常規(guī)的模糊控制中,其規(guī)則的制定依賴于專家的主觀經(jīng)驗(yàn),這給模糊規(guī)則的確定帶來(lái)了很大的難度。為了解決此問(wèn)題,有些學(xué)者嘗試采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法或遺傳算法對(duì)模糊規(guī)則進(jìn)行尋優(yōu),但是,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法容易陷入局部最優(yōu),而遺傳算法具有尋優(yōu)精度低的缺點(diǎn)。而入侵野草算法是2006年由Mehrabian等[21]提出的一種智能優(yōu)化算法,具有魯棒性強(qiáng),易于理解和易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn),但其也有易限于局部最優(yōu)和搜索速度慢的缺點(diǎn)。本文在對(duì)常規(guī)入侵野草算法進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上使其對(duì)模糊算法的模糊規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化,從而設(shè)計(jì)出適合于空氣懸架的入侵野草-模糊控制算法。

本文對(duì)常規(guī)入侵野草算法改進(jìn)如下:(1)為了增加尋優(yōu)速度,防止陷入局部最優(yōu),將由49條模糊規(guī)則可能的取值空間決定解空間作為野草入侵的空間,空間中的每個(gè)點(diǎn)代表模糊算法的一個(gè)解;將該解空間均分為n個(gè)子空間,同時(shí)產(chǎn)生n個(gè)小種群的入侵野草,在初始化時(shí)將n個(gè)小種群散布到該n個(gè)子空間中,這樣不但可以保證所有野草均勻散布在解空間中,防止局部最優(yōu)的出現(xiàn),還可以使用n個(gè)小種群同時(shí)對(duì)解空間進(jìn)行搜尋,這樣可以提高尋優(yōu)速度;(2)為了防止局部最優(yōu),在野草空間散布階段采用以一定概率隨機(jī)散布的操作。

改進(jìn)后的入侵野草算法對(duì)模糊規(guī)則的尋優(yōu)步驟如下:

第1步 初始化種群:種群個(gè)數(shù)n、種群大小m、最大迭代次數(shù)、最大種子數(shù)、最小種子數(shù)、自變量初始搜索空間最小值、最大值、非線性指數(shù)、初始標(biāo)準(zhǔn)差、最終標(biāo)準(zhǔn)差、變異概率α等。

第2步 將模糊控制器的49個(gè)模糊規(guī)則決定的空間平均分成n個(gè)子空間,在每個(gè)子空間中隨機(jī)放入m棵野草。

第3步 生長(zhǎng)繁殖 各個(gè)野草所產(chǎn)生的種子數(shù)ωn為:

(17)

式中:f為當(dāng)前野草的適應(yīng)度;fmax、fmin分別是對(duì)應(yīng)最大和最小的適應(yīng)度值;Smax、Smin分別為一個(gè)野草所能產(chǎn)生的最多和最少種子數(shù)。

第4步 空間散布:若隨機(jī)數(shù)Rand( )≥α野草產(chǎn)生的種子是按均值0,標(biāo)準(zhǔn)差σ的正態(tài)分布在野草周圍,所產(chǎn)生的種子通過(guò)野草每一維加上D得到,D∈[-σ,σ]隨著進(jìn)化代數(shù)的增加標(biāo)準(zhǔn)差按式(18)改變:

(18)

式中:σcur為當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)差;iter、itermax分別為當(dāng)前和最大迭代代數(shù);σinit、σfinal分別為標(biāo)準(zhǔn)差的最初值和最終值;n′為非線性調(diào)和因子。

若隨機(jī)數(shù)Rand( )<α,則隨機(jī)為該野草產(chǎn)生種子。

第5步 判斷是否達(dá)到最大種群數(shù)量。否則重復(fù)第4步。

第6步 競(jìng)爭(zhēng)性生存規(guī)則:算法經(jīng)過(guò)若干代進(jìn)化后,野草種子的數(shù)目會(huì)達(dá)到預(yù)設(shè)的最大種群規(guī)模Pmax,將種群中野草和種子按照適應(yīng)度值大小進(jìn)行排序,取前Pmax個(gè)體,淘汰其他個(gè)體。

第7步 算法達(dá)到最大迭代次數(shù),輸出最優(yōu)解,否則重復(fù)第3步～第6步。

3 仿真及臺(tái)架試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所研究的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器空氣懸架的工作性能,本文以某款奇瑞轎車為對(duì)象進(jìn)行仿真試驗(yàn)。采用ADVANCE B935型空氣彈簧,其具體尺寸、性能參數(shù)如圖2、圖3所示。試驗(yàn)中懸架系統(tǒng)以及野草算法的參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2 懸架系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.1 C級(jí)路面仿真試驗(yàn)

仿真中試驗(yàn)車以50 km/h的車速通過(guò)場(chǎng)C級(jí)路面,路面為白噪聲干擾,可由下式(19)表示

(19)

(20)

式中:C級(jí)路面的Gxr(n0)=256×10-6,n0=0.1 m-1,車速v=50 km/h,w(t)為單位白噪聲。

圖6 C級(jí)路面條件下懸架系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)

仿真結(jié)果如圖6所示。由圖6(a)、(b)仿真曲線可以看出,被動(dòng)式空氣懸架、傳統(tǒng)經(jīng)典模糊控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器空氣懸架以及基于野草入侵-模糊算法控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架汽車在工作過(guò)程中其汽車平順性依次提高。為了進(jìn)一步分析試驗(yàn)結(jié)果,由表3列出不同控制方法下懸架性能的均方根值比較,由表可知在懸架工作過(guò)程中,采用經(jīng)典模糊控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架相對(duì)與普通被動(dòng)空氣懸架的車身振動(dòng)的加速度、懸架動(dòng)撓度及輪胎動(dòng)載荷分別降低了15.3%、18.9%和7.41%?；谝安萑肭?模糊算法控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架汽車車身振動(dòng)加速度相對(duì)與無(wú)控制的懸架系統(tǒng),其汽車車身振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)撓度以及輪胎動(dòng)載荷分別降低了19.52%、24.13%、10.61%。由此可知,利用以上兩種控制策略對(duì)車輛進(jìn)行半主動(dòng)控制能夠明顯改善車輛的整體性能。而野草入侵-模糊算法與經(jīng)典模糊控制相比,其車身振動(dòng)加速度、懸架動(dòng)撓度以及輪胎動(dòng)載荷分別降低了5.87%、6.38%、3.37%。雖然兩者控制效果相差不大,但野草入侵-模糊算法稍稍優(yōu)于經(jīng)典模糊控制,能夠進(jìn)一步改善車輛平順性能,提高車輛的抑振能力。

表3 不同控制方法下懸架性能的均方根值比較

圖7 凸塊脈沖激勵(lì)下懸架系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)

3.2 凸塊脈沖輸入仿真試驗(yàn)

對(duì)于確定性路面輸入,根據(jù)國(guó)際GB/T 4970-2009《汽車平順性試驗(yàn)方法》,使汽車以20 km/h的速度通過(guò)高度為0.06 m,底邊長(zhǎng)為0.4 m的三角形凸塊。時(shí)域響應(yīng)結(jié)果如圖7(a)、7(b)所示。由圖7(a)可以看出,當(dāng)汽車通過(guò)凸塊時(shí),常規(guī)被動(dòng)空氣懸架汽車、經(jīng)典模糊控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架汽車、基于野草入侵-模糊算法控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架汽車的車身振動(dòng)加速度超調(diào)量依次減小,同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間也依次減小,說(shuō)明基于野草入侵-模糊算法控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架減振效果好。同樣,由圖7(b)也可以看出兩種控制算法對(duì)車輛懸架動(dòng)撓度的抑振作用,使車輛在脈沖激勵(lì)下的撓度超調(diào)量有所改善。同時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間也依次減小,說(shuō)明基于野草入侵-模糊算法控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架汽車的平順性好。

3.3 臺(tái)架試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)所研究的基于野草入侵-模糊算法控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架工作性能,實(shí)驗(yàn)采用了長(zhǎng)春科新試驗(yàn)儀器有限公司生產(chǎn)的PA-20-Z型電液伺服汽車懸架試驗(yàn)系統(tǒng),如圖8所示。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置力、位移兩個(gè)閉環(huán)控制回路,可實(shí)現(xiàn)全數(shù)字PIDF控制,控制方式可平滑切換;伺服作動(dòng)器可產(chǎn)生最大靜態(tài)試驗(yàn)力和最大動(dòng)態(tài)試驗(yàn)力±20 kN,作動(dòng)器行程位移±100 mm,工作范圍為0.1 Hz～20 Hz;空載時(shí)最高速度為1 m/s;配置基于差動(dòng)變壓器測(cè)量(LVDT)原理的高精度位移傳感器以及0.03級(jí)的輪輻式力傳感器。為進(jìn)一步檢測(cè)壓電式自供能磁流變減振器動(dòng)態(tài)參數(shù),實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)還配置了位移傳感器(型號(hào)為:Novotechnik,LWH150)測(cè)量減振器位移和速度,減振器的阻尼力由固定在激振頭上的壓力傳感器測(cè)量,電能調(diào)理部分輸出的電壓由示波器測(cè)量。試驗(yàn)中,工控機(jī)根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試需要,發(fā)出控制指令驅(qū)動(dòng)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一系列波形,通過(guò)功率放大器對(duì)信號(hào)的放大,傳遞給電液激振頭,產(chǎn)生正弦波、三角波、方波、斜波、隨機(jī)波以及外部輸入波形等各種形式運(yùn)動(dòng)。內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器活塞桿和實(shí)驗(yàn)臺(tái)架上懸梁固定,底部連接在實(shí)驗(yàn)臺(tái)架的激振頭上。

測(cè)試中,采用彈簧來(lái)模擬輪胎,簧載質(zhì)量和非簧載質(zhì)量由質(zhì)量塊來(lái)模擬。臺(tái)架試驗(yàn)中,路面輸入采用正弦波信號(hào)來(lái)模擬,其表達(dá)式為

xr(t)=Asin(ωt)

(21)

式中,xr(t)為路面干擾輸入,A=0.04,ω=12.43。

試驗(yàn)結(jié)果分別如圖9(a)、9(b)所示。由圖9(a)可以看出在正弦波擾動(dòng)輸入下,對(duì)車輛半主動(dòng)式空氣懸架分別采用被動(dòng)式控制、傳統(tǒng)模糊控制以及野草入侵-模糊控制算法時(shí)的車身垂向振動(dòng)加速度的時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行比較分析。結(jié)果可知,相對(duì)于其他兩種控制策略,基于野草入侵-模糊控制算法的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架汽車的車身振動(dòng)加速度最小。

經(jīng)計(jì)算可得野草入侵-模糊控制及傳統(tǒng)模糊控制的內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架和常規(guī)被動(dòng)式空氣懸架汽車車身振動(dòng)加速度均方根值為分別為1.212、1.301和1.635,即表明采用野草入侵-模糊控制算法的空氣懸架,其車身垂向加速度抑制性能較被動(dòng)式空氣懸架提升了25.87%,較采用傳統(tǒng)模糊控制算法的空氣懸架亦提升了6.84%。而圖9(b)為正弦波擾動(dòng)輸入下,3種不同控制策略下車輛的懸架動(dòng)撓度時(shí)域響應(yīng)結(jié)果,其整體抑振結(jié)果與圖9(a)基本一致,兩種模糊控制策略能較大程度地改善車輛的減振性能,與被動(dòng)式空氣懸架相比,采用野草入侵-模糊控制算法能使車輛懸架動(dòng)撓度減小35.13%。且采用野草模糊控制算法的懸架動(dòng)撓度(均方根值0.024)稍優(yōu)于傳統(tǒng)模糊控制策略(均方根值0.025),對(duì)懸架動(dòng)撓度的抑制能力提升了4%。

圖9 正弦激勵(lì)下懸架系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)

4 結(jié)論

(1)內(nèi)置永磁體的磁流變減振器引入了永磁體模塊,其與電磁線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)矢量疊加形成工作磁場(chǎng),通過(guò)對(duì)其速度特性分析可以發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)形式的磁流變減振器同樣具備常規(guī)磁流變減振器的較大范圍的可控阻尼力。并且內(nèi)嵌永磁體磁流變阻尼器可以在一定程度上降低線圈能耗,有助于降低器件溫升,適用于車輛懸架中的長(zhǎng)時(shí)間工作。

(2)相對(duì)于被動(dòng)式空氣懸架,采用內(nèi)置永磁體磁流變半主動(dòng)空氣懸架明顯地抑制了汽車在路面隨機(jī)激勵(lì)、凸塊脈沖激勵(lì)以及正弦激勵(lì)時(shí)車身的垂直振動(dòng),改善了汽車行駛的平順性,驗(yàn)證了內(nèi)置永磁體磁流變減振器在車輛懸架減振的良好效果。

(3)野草入侵-模糊控制算法可自動(dòng)調(diào)整優(yōu)化模糊控制規(guī)則,通過(guò)仿真及臺(tái)架試驗(yàn)可知,該混合式控制算法能夠更好的抑振車身垂向加速度及懸架動(dòng)撓度,有效提高了車輛平順性。

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IWO-Fuzzy-HybridControlStrategyofSemi-ActiveAirSuspensions*

HUHongsheng1*,XIAOPing2,JIANGMing2,OUYangqing1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Jiaxing university,Jiaxing Zhejiang 314001,China; 2.School of Mechanical and Automotive,Anhui Polytechnic university,Wuhu Anhui 241000,China)

A novel magnetorheological damper with embedded permanent magnets(MREPM)was designed and integrated into vehicle suspension systems with air spring to restraining the vibration of vehicle induced by uneven pavement. Based on the principle of electromagnetism,the magnetic field and mechanics model of MREPM was established. Then,a 1/4 car model of semi-active suspension system with two degree of freedom was designed in MATLAB. A fuzzy controller which is optimized by invasive weed optimization(IWO)was built,namely,IWO-fuzzy hybrid control strategy. To validate the proposed control strategy in vehicle suspension,the dynamic simulation of vehicle system was carried out under C grade road random excitation and pulse excitation caused by convex block. The simulation result shows that the IWO-fuzzy control strategy can effectively improve the comprehensive performance of the semi-active suspension system. Moreover,through the shake table test,it is shown that the vibration acceleration of vehicle body and the dynamic deflection of suspension reduced by 25.87%,35.13% respectively.

magnetorheological damper;embedded permanent magnets;air suspension;invasive weed optimization;fuzzy control strategy

TB123

A

1004-1699(2017)10-1497-07

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.10.008

胡紅生(1976-),1999年于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,2002年于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)獲得碩士學(xué)位,2006年于南京理工大學(xué)獲得博士學(xué)位,現(xiàn)為嘉興學(xué)院教授,浙江省高校中青年學(xué)科帶頭人、嘉興學(xué)院首屆勤慎學(xué)者、浙江省“新世紀(jì)151人才工程”第二層次,主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)噪聲控制、傳感檢測(cè)理論與技術(shù)、汽車零部件關(guān)鍵技術(shù),hhs999@mail.zjxu.edu.cn。