基于魚群算法的永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器半主動(dòng)懸架系統(tǒng)

胡紅生 肖 平 江 明 歐陽青

1.嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，嘉興，3140012.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院，蕪湖，230031

基于魚群算法的永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器半主動(dòng)懸架系統(tǒng)

胡紅生1肖 平2江 明2歐陽青1

1.嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，嘉興，3140012.安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車學(xué)院，蕪湖，230031

為了提高汽車懸架系統(tǒng)工作性能，對(duì)磁流變阻尼器半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。首先，基于磁流變阻尼器工作原理，將永磁體與電磁閥引入其中，設(shè)計(jì)新型磁流變阻尼器并建立了仿真模型，示功特性試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的新型阻尼器可以滿足汽車懸架的使用要求，同時(shí)，速度特性試驗(yàn)表明所建立的阻尼器模型具有較高的可信度;其次，基于牛頓定律建立了7自由度整車懸架模型；為了提高懸架控制效果，在對(duì)常規(guī)魚群算法進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適合汽車懸架系統(tǒng)最優(yōu)控制器的魚群算法，實(shí)現(xiàn)了兩者的集成控制;最后，進(jìn)行了仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，與被動(dòng)懸架相比，基于魚群最優(yōu)控制算法控制的汽車車身質(zhì)心垂直加速度、俯仰角加速度、側(cè)傾角加速度分別減小了38.95%、35.12%、35.98%，有效地提高了汽車的動(dòng)力學(xué)性能。

磁流變阻尼器；永磁體；電磁閥；半主動(dòng)懸架；魚群算法

0 引言

隨著磁流變技術(shù)的不斷發(fā)展，磁流變減振器在車輛懸架系統(tǒng)中的應(yīng)用已逐漸進(jìn)入工程實(shí)用化階段[1]。目前，傳統(tǒng)的磁流變阻尼器通常采用線圈結(jié)構(gòu)，通電產(chǎn)生感應(yīng)磁場(chǎng)，繼而控制輸出阻尼力。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器雖能取得良好的減振效果，但仍存在一些亟待解決的問題，例如持續(xù)工作產(chǎn)生溫升[2-3]、故障安全[4]、磁流變液靜置沉降等[5]，從而制約了磁流變阻尼器在懸架應(yīng)用上的進(jìn)一步普及。為此，人們引入永磁體結(jié)構(gòu)來產(chǎn)生阻尼力，以緩解傳統(tǒng)線圈結(jié)構(gòu)磁流變阻尼器所面臨的以上問題。

已有學(xué)者對(duì)基于永磁體結(jié)構(gòu)的磁流變阻尼器進(jìn)行了探索性研究。TOP?U等[6]為機(jī)械抓取裝置設(shè)計(jì)了一種內(nèi)置永磁體的線性磁流變阻尼器，并通過試驗(yàn)證明，該磁流變阻尼器具有良好的性能。 B?SE 等[7-8]研發(fā)了含有永久磁體和線圈的新型磁流變阻尼器。CHOI等[9]設(shè)計(jì)了一種自供電式的內(nèi)置永久磁體磁流變阻尼器，并對(duì)產(chǎn)生的電流與減振性能之間的關(guān)系進(jìn)行了研究。YAN等[10]開發(fā)了一種基于永久磁體和線圈的可逆磁流變阻尼器，并通過試驗(yàn)證明，該新型磁流變阻尼器能對(duì)系統(tǒng)所需阻尼力作出快速反應(yīng)。以上研究大多采用控制永磁體的位置或者結(jié)合電磁線圈結(jié)構(gòu)來控制磁場(chǎng)大小，從而實(shí)現(xiàn)阻尼力的可控。

筆者將永磁體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與電磁閥技術(shù)相結(jié)合，針對(duì)汽車懸架應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了新型的永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器。阻尼通道內(nèi)磁場(chǎng)由永磁體單獨(dú)提供，通過調(diào)節(jié)電磁閥開度來調(diào)節(jié)阻尼力。本文首先針對(duì)所設(shè)計(jì)的新型阻尼器進(jìn)行示功特性和速度特性試驗(yàn)；在此基礎(chǔ)上，建立了包含新型阻尼器的懸架模型和電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型；結(jié)合改進(jìn)的魚群算法和最優(yōu)控制算法，設(shè)計(jì)了適合半主動(dòng)懸架控制的魚群最優(yōu)控制算法，并針對(duì)多種工況進(jìn)行了仿真試驗(yàn)，以驗(yàn)證該算法的有效性。

2 永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器建模與試驗(yàn)

2.1永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，它主要由活塞桿、活塞頭、內(nèi)筒、外筒、流量控制閥等組成。內(nèi)筒與外筒中充滿磁流變液。永磁體安裝于工字形導(dǎo)磁活塞頭的凹槽內(nèi)，并以環(huán)氧樹脂密封，其極性如圖1所示。活塞頭外側(cè)與內(nèi)筒之間形成阻尼通道。為保證永磁體所產(chǎn)生的磁場(chǎng)垂直通過阻尼通道，活塞頭兩側(cè)各有一個(gè)不銹鋼阻磁盤。活塞頭將內(nèi)筒分為左、右兩腔，內(nèi)筒左腔壁上有若干流液孔，磁流變液可以通過該孔在內(nèi)筒與外筒間自由流動(dòng)。內(nèi)筒和外筒底部有管道相連，磁流變液可以在內(nèi)外筒間流動(dòng)，其通斷受缸筒底部的流量控制閥控制。流量控制閥由螺釘以及纏繞在螺釘桿上的線圈、閥芯、復(fù)位彈簧、導(dǎo)向塊等組成。螺釘與線圈組成電磁體可以對(duì)閥芯產(chǎn)生吸引，與復(fù)位彈簧及導(dǎo)向塊配合后可以打開或關(guān)閉閥門。

永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器的工作原理是：收縮行程中，活塞向右運(yùn)動(dòng)，右腔液體受擠壓從而壓力增大，一部分液體通過流量控制閥流入外腔，再經(jīng)外腔進(jìn)入左腔，其余液體通過阻尼通道流入左腔；同理，在復(fù)位行程階段，液體亦通過流量閥及阻尼通道兩種方式流入右腔。流過流量控制閥的液體不受永磁體磁場(chǎng)的影響，因而不產(chǎn)生庫(kù)侖阻尼力；而通過阻尼通道的液體在永磁體磁場(chǎng)作用下發(fā)生磁流變效應(yīng)，產(chǎn)生相應(yīng)的庫(kù)侖阻尼力。由于阻尼通道的阻尼力與流經(jīng)通道的液體體積有關(guān)，故可通過調(diào)節(jié)閥芯的開度來控制通過阻尼通道和調(diào)節(jié)閥的流量，從而實(shí)現(xiàn)輸出阻尼力的可控性。

1.活塞桿 2.外筒 3.外筒與內(nèi)筒之間管道 4.內(nèi)筒 5.內(nèi)筒左腔 6.活塞 7.工字形導(dǎo)磁鐵 8.永磁體 9.阻尼通道 10.內(nèi)筒右腔 11.螺釘 12.線圈 13.閥芯 14.導(dǎo)向塊 15.復(fù)位彈簧 16.阻尼底座圖1 永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of magnetorheological damper with novel twin-tube

2.2阻尼器建模

設(shè)在運(yùn)動(dòng)過程中，從流量控制閥和阻尼通道流過的磁流變液體積流量分別為qV1、qV2，則活塞在運(yùn)動(dòng)過程中排開磁流變液總和

qV=qV1+qV2

(1)

根據(jù)阻尼器工作原理，有

qV=π(r1-r2)2v

(2)

式中，r1、r2為活塞頭與活塞桿的半徑；v為活塞頭與缸筒的相對(duì)速度。

當(dāng)線圈通電時(shí)，閥芯被吸引，移動(dòng)距離為l，則氣隙體積減小量

dV0=2Sdl

(3)

式中，S為鐵芯截面積。

設(shè)氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度為B，則氣隙里儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量減少量

dW0=(B2Sdl)/μ0

(4)

式中，μ0為空氣導(dǎo)磁率。

dW0轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械功，即

(B2Sdl)/μ0=Fdl

(5)

式中，F(xiàn)為磁極產(chǎn)生的吸力。

設(shè)彈簧剛度系數(shù)為k，則此時(shí)彈簧上產(chǎn)生的彈力為F1，有

F1=kl

(6)

由力平衡原理可得

F1=F

(7)

設(shè)通電線圈的電流強(qiáng)度為I，則氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度

B=NIμ0/l

(8)

式中，N為線圈匝數(shù)。

結(jié)合式(5)～式(8)，可得

(9)

根據(jù)流體力學(xué)知識(shí)，有

(10)

式中，Cd為流量系數(shù)；d為閥座孔直徑；Δp為壓差；R為鋼球半徑；ρ為磁流變液密度；h0為系數(shù)。

對(duì)于球閥，有

(11)

將式(11)代入式(10)可得

(12)

下面計(jì)算阻尼通道內(nèi)任一點(diǎn)P(x0,y0,z0)的磁感應(yīng)強(qiáng)度H′。由于永磁體為沿軸向均勻充磁的圓柱形永磁體，故其正負(fù)磁荷分別位于圓柱永磁體的上下端面；上下端面分別用S+、S-表示，面S+、S-上任一點(diǎn)分別用P′(x′,y′,H)與P″(x″,y″,0)表示；以永磁體下端面圓柱中心為圓點(diǎn)，以圓柱體軸線為z軸，建立位于直角坐標(biāo)系的永磁體磁場(chǎng)示意圖，見圖2。于是，根據(jù)畢奧薩伐爾定律和標(biāo)量磁位的原理，阻尼通道內(nèi)任一點(diǎn)的磁感應(yīng)強(qiáng)度[11]：

(13)

其中，r為阻尼通道內(nèi)任一點(diǎn)到S上任一源點(diǎn)的矢量，r+為阻尼通道內(nèi)任一點(diǎn)到源點(diǎn)的距離。有

(14)

其中，r+與r-分別表示阻尼通道內(nèi)任一點(diǎn)到磁源上下端面任一源點(diǎn)的矢量，r+與r-分別表示阻尼通道內(nèi)阻尼通道內(nèi)任一點(diǎn)到磁源上下端面任一源點(diǎn)的距離。

圖2 永磁體磁場(chǎng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of magnetic field of permanent magnet

(15)

(16)

(17)

A1=[(x0-Rcosθ)2+(y0-Rsinθ)2+(z0-L)2]3/2

式中，R1、R2分別為永磁體的內(nèi)徑和外徑；L為永磁體長(zhǎng)度。

設(shè)在阻尼通道內(nèi)所取的點(diǎn)關(guān)于y軸對(duì)稱，則有

(18)

則在阻尼通道處的磁場(chǎng)強(qiáng)度

(19)

在活塞頭兩端阻磁盤的作用下，H′的方向垂直于磁流變液流動(dòng)的方向。

由磁流變液性質(zhì)可得其屈服應(yīng)力

τy=λ1Hλ2

(20)

式中，λ1、λ2為磁流變液有關(guān)參數(shù)。

基于Bingham模型[12]的磁流變阻尼器阻尼力

(21)

式中，b為平板寬度；h為阻尼通道寬度；Ap為活塞截面積。

將式(1)代入式(21)可得

(22)

由式(9)、式(12)、式(22)可知，通過調(diào)節(jié)流量控制閥處電磁線圈的輸入電流，即可調(diào)節(jié)永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器阻尼力。

2.3阻尼器試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)阻尼器工作性能及阻尼器模型的準(zhǔn)確性，以奇瑞汽車股份有限公司的某款轎車前減振器使用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行加工后，采用上海北閱機(jī)械設(shè)備有限公司生產(chǎn)的20 kN電液伺服懸架試驗(yàn)臺(tái)對(duì)阻尼器進(jìn)行示功特性試驗(yàn)，如圖3所示。試驗(yàn)采用正弦波輸入，最大速度為0.55 m/s，振幅為±50 mm，測(cè)試頻率為1.68 Hz。

圖3 動(dòng)態(tài)特性測(cè)試系統(tǒng)Fig.3 Dynamic performance testing system

圖4 示功曲線Fig.4 Indicator diagram of MR damper

阻尼器示功曲線如圖4所示，當(dāng)電磁閥輸入電流為1.2 A時(shí)，示功圖包圍面積較??；當(dāng)電磁閥輸入電流為0時(shí)，示功圖包圍面積最大，最大阻尼力可達(dá)1500 N以上,這是由于當(dāng)電磁閥輸入電流減小時(shí)，電磁閥的開度減小導(dǎo)致更多的磁流變液從阻尼通道通過，于是產(chǎn)生的阻尼效果好。同時(shí)，隨著電磁閥輸入電流的減小，示功圖的面積在逐漸增大，這表明減振器的減振效果良好，設(shè)計(jì)的永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器具有較強(qiáng)的可控性。

對(duì)上述永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器的理論模型進(jìn)行計(jì)算分析,并與減振器臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，得出電磁閥輸入電流分別為1.2 A、0.6 A、0時(shí)的速度特性曲線，如圖5所示。由圖5可見，模型模擬的數(shù)值與試驗(yàn)值基本吻合，說明所設(shè)計(jì)的理論模型是正確的。

圖5 速度特性曲線Fig.5 Speed characteristic curve of MR damper

3 車輛系統(tǒng)模型的建立

3.1整車模型

以7自由度整車系統(tǒng)為研究對(duì)象，其物理模型如圖6所示。根據(jù)該物理模型建立整車振動(dòng)數(shù)學(xué)模型。

圖6 整車物理模型Fig.6 Vehicle physical model

由于車身的俯仰角和側(cè)傾角變化較小，故可得7自由度整車懸架系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程[13-14]：

(1)車體的垂向運(yùn)動(dòng)方程為

(23)

(2)車身俯仰運(yùn)動(dòng)方程為

(24)

(3)車身側(cè)傾運(yùn)動(dòng)方程為

(25)

3.2路面模型

采用一個(gè)濾波白噪聲作為路面輸入模型：

(26)

i=1,2,3,4

式中，G0為路面不平度系數(shù)；wi為均值為零的Gauss白噪聲；f0為下截止頻率。

4 魚群-最優(yōu)控制算法設(shè)計(jì)

就7自由度整車模型而言，要充分考慮行駛安全性、汽車平順性以及操縱穩(wěn)定性。系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)有車身側(cè)傾角和俯仰角、車身垂直加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)位移等。就7自由度整車懸架系統(tǒng)的控制而言，最優(yōu)控制算法能以權(quán)值的方式將所有指標(biāo)考慮其中，有效提高系統(tǒng)的綜合性能。所設(shè)計(jì)的最優(yōu)控制性能指標(biāo)

(27)

式中，xri(i=1,2,3,4)分別為各輪所受的路面激勵(lì)位移；aj(j=1,2,…,11)為最優(yōu)控制器的加權(quán)系數(shù)；ri為4個(gè)車輪動(dòng)載荷調(diào)節(jié)加權(quán)系數(shù)；Q為狀態(tài)加權(quán)矩陣；R為控制加權(quán)矩陣；Fd為力加權(quán)矩陣。

采用最優(yōu)控制算法對(duì)整車懸架系統(tǒng)進(jìn)行控制可以顯著提高系統(tǒng)綜合性能，但是最優(yōu)控制器的加權(quán)系數(shù)很難通過經(jīng)驗(yàn)來確定，為此，需要設(shè)計(jì)高效的采用尋優(yōu)算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。魚群算法具有穩(wěn)健性強(qiáng)、對(duì)初值敏感性小、簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，已有學(xué)者成功將其應(yīng)用于路徑規(guī)劃、PID算法的優(yōu)化、機(jī)場(chǎng)地面等待優(yōu)化等，取得了良好的效果，但該算法也存在收斂速度慢、容易陷入局部最優(yōu)等缺點(diǎn)。針對(duì)上述缺點(diǎn)，本文對(duì)常規(guī)魚群算法進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)適合于整車懸架系統(tǒng)控制的新型魚群-最優(yōu)控制算法。具體改進(jìn)如下：①為了加快尋優(yōu)速度，將解空間劃分成n個(gè)子空間，采用n個(gè)小規(guī)模魚群同時(shí)對(duì)解空間進(jìn)行搜索；②為了提高尋優(yōu)精度，采用隨迭代次數(shù)增加而減小的自適應(yīng)步長(zhǎng)。

采用改進(jìn)的魚群算法對(duì)最優(yōu)控制器的加權(quán)系數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，從而設(shè)計(jì)適合于整車懸架系統(tǒng)控制的魚群-最優(yōu)控制算法，其原理如下：將系數(shù)a1,a2,…,a11可能的取值范圍確定的空間作為魚群覓食的池塘空間，空間中的每個(gè)點(diǎn)代表尋優(yōu)算法的一個(gè)解，解的優(yōu)劣通過適應(yīng)度函數(shù)(采用最優(yōu)控制性能指標(biāo)J表示)計(jì)算得到；通過魚群的不斷運(yùn)動(dòng)尋優(yōu)，魚群最終集聚在幾個(gè)極值點(diǎn)附近。結(jié)合常規(guī)魚群算法，本文設(shè)計(jì)的魚群-最優(yōu)控制算法步驟如下。

(1)初始化。設(shè)定最大步長(zhǎng)為Sstep。

(2)公告板初始化。本文適應(yīng)度函數(shù)采用最優(yōu)控制性能指標(biāo)及式(27)表示。

(3)執(zhí)行聚群行為。判斷中心位置的適應(yīng)度Yc是否滿足關(guān)系式Y(jié)c/nf>δYi，其中，nf表示搜索鄰域內(nèi)魚群伙伴數(shù)目；δ表示魚群擁擠度因子；Yi為魚群當(dāng)前位置食物濃度，即目標(biāo)函數(shù)值。若滿足則表示魚群中心位置有較多食物且不擁擠，繼而按下式

(28)

向中心前進(jìn)一步；否則轉(zhuǎn)向步驟(5)。其中，Xi、Xi+1、Xc分別為魚群當(dāng)前位置、人工魚移動(dòng)后的位置及目標(biāo)點(diǎn)位置；rand( )產(chǎn)生0～1的隨機(jī)數(shù)；rand()Sstep表示人工魚移動(dòng)范圍為0～Sstep；(Xc-Xi)/‖Xc-Xi‖規(guī)定了人工魚移動(dòng)方向。

(4)執(zhí)行追尾操作。在每個(gè)子群中，若人工魚當(dāng)前位置為Xi，其感知范圍內(nèi)最優(yōu)魚Xmax有最高食物濃度且不太擁擠，則令Sstep=rand()‖Xc-Xi‖，向該最優(yōu)人工魚移動(dòng)一步；否則轉(zhuǎn)到步驟(5)。

(5)執(zhí)行覓食操作；在每個(gè)子群中，選擇當(dāng)前人工魚(位置Xi)感知范圍內(nèi)某一隨機(jī)狀態(tài)Xj，若其適應(yīng)度Yj>Yi，則以式(29)向其移動(dòng)一步，否則若在嘗試m次后仍不能滿足，則按式(30)隨機(jī)執(zhí)行一次。

(29)

Xi+1=Xi+rand()Sstep

(30)

(6)判斷是否達(dá)到最大迭代次數(shù)，若是則執(zhí)行步驟(7)，否則轉(zhuǎn)向步驟(3)。

(7)比較輸出最大公告板信息，即最優(yōu)值。

魚群最優(yōu)控制算法對(duì)磁流變阻尼器懸架系統(tǒng)控制的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 磁流變阻尼器懸架系統(tǒng)控制的具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)Fig.7 Implementation structure of MR suspension control system

5 仿真試驗(yàn)

采用MATLAB/Simulink建立所研究的永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器7自由度整車懸架系統(tǒng)模型及基于魚群-最優(yōu)控制算法的控制器模型并進(jìn)行仿真試驗(yàn)。仿真中，車速為20 m/s，截止頻率為f0=0.01 Hz，不平度系數(shù)G0=5×10-6m3。轉(zhuǎn)向行駛時(shí)，各車輪處路面輸入互不相關(guān)，且均為白噪聲信號(hào)。仿真車型參數(shù)見表1，魚群算法參數(shù)設(shè)置見表2。

表1 車型主要參數(shù)表Tab.1 Major parameters of vehicle

表2 魚群算法參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter of artificial fish swarmoptimization algorithm

將基于魚群-最優(yōu)控制算法(AF-LQG)的永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器整車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真結(jié)果與單獨(dú)永磁體磁流變阻尼器整車被動(dòng)(PASSIVE)懸架系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8～圖12所示，同時(shí)，為了更加精確地對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，計(jì)算了各仿真結(jié)果均方根值和方差，見表3。

圖8 車身質(zhì)心加速度曲線Fig.8 Curve of vertical acceleration of center of vehicle body

圖9 俯仰角加速度曲線Fig.9 Curve of pitch angular acceleration

圖10 側(cè)傾角加速度曲線Fig.10 Curve of roll angular acceleration

圖11 懸架動(dòng)撓度曲線Fig.11 Curve of suspension dynamic deflection

由圖7～圖10和表3可以看出，相比被動(dòng)懸架汽車，基于魚群最優(yōu)控制算法控制的汽車質(zhì)心垂直加速度、俯仰角加速度、車身側(cè)傾角加速度分別提高了38.95%、35.12%、35.98%；這說明魚群最優(yōu)控制算法懸架系統(tǒng)可以更好地消減車身振動(dòng)、車身側(cè)傾角、俯仰角，提高汽車的平順性和行駛安全性；同時(shí)也可以看出，永磁體-電磁閥磁流變阻尼器懸架性能比單獨(dú)內(nèi)置永磁體的被動(dòng)懸架性能優(yōu)良。由圖11、圖12和表3可以看出，基于魚群最優(yōu)控制算法的汽車4個(gè)車輪處的懸架動(dòng)撓度、動(dòng)位移較單獨(dú)內(nèi)置永磁體流變阻尼器懸架4個(gè)車輪處的動(dòng)撓度、動(dòng)位移分別減小了0.1521%、12.08%，6.162%、10.65%，19.58%、26.05%，20.09%、26.73%；這也說明基于魚群最優(yōu)控制算法控制的懸架可以提高汽車的平順性，永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器懸架比單獨(dú)內(nèi)置永磁體磁流變阻尼器懸架性能優(yōu)良。

6 結(jié)論

(1)本文設(shè)計(jì)了汽車懸架使用的永磁體-電磁閥式磁流變阻尼器，并建立了仿真模型；示功特性試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的新型阻尼器可以滿足汽車懸架的使用要求，同時(shí)，速度特性試驗(yàn)結(jié)果表明，所建立的阻尼器模型具有較高的可信度。

(2)基于牛頓定律建立了7自由度整車懸架模型；為了提高懸架控制效果，在對(duì)常規(guī)魚群算法進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了適合于汽車懸架系統(tǒng)的魚群最優(yōu)控制算法實(shí)現(xiàn)了兩者的集成控制。

(3)仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，魚群-最優(yōu)控制控制不僅可以提高汽車的平順性，而且可以提高操縱穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高汽車的動(dòng)力學(xué)性能、行駛安全性、乘坐舒適性。

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Semi-activeSuspensionSystemwithNovelPermanentMagnet-solenoidValveTypeMRDamperbyArtificialFishSwarmOptimizationAlgorithm

HU Hongsheng1XIAO Ping2JIANG Ming2OUYANG Qing1

1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Jiaxing University, Jiaxing,Zhejiang,314001 2.School of Mechanical and Automotive, Anhui Polytechnic University, Wuhu, Anhui,230031

A semi-active suspension control system with MR damper was studied in order to improve the performances of automobile suspension systems. Firstly, a new type of MR damper with permanent magnet and solenoid valve structure configuration was designed according to the MR fluid theory. The theoretical dynamics model of MR damper was established and verified with high credibility byF-vexperimental curves. In addition, theF-Sindicator diagrams of damper show that it may satisfy the operating requirements of vehicle suspensions. Secondly, a 7-DOF mathematical vibration model of vehicle suspensions was set up according to the principles of vehicle system dynamics. The LQG controller using the improved artificial fish swarm algorithm was proposed to reduce the structural responses in the vehicle suspension system. Finally, the simulation experiments of vehicle suspension systems were carried out. Compared to the passive systems, the semi-active suspension systems based on the artificial fish swarm algorithm may be significantly improve the vehicle dynamics performance, where the vehicle body centroid vertical acceleration, pitching angular acceleration and vehicle roll angle are decreased by 38.95%、35.12%、35.98% respectively.

magnetorheological (MR) damper; permanent magnet; solenoid valve; semi-active suspension; artificial fish swarm algorithm;

TP39

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.002

2016-12-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51575001；浙江省公益性技術(shù)項(xiàng)目(2016C31051)；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)

(編輯陳勇)

胡紅生，男，1976年生。嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院教授。主要研究方向?yàn)檎駝?dòng)噪聲控制、汽車零部件關(guān)鍵技術(shù)等。E-mail:wjhhs@126.com。肖平，男，1973年生。安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院副教授。江明，男，1991年生。安徽工程大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士研究生。歐陽青，男，1987年生。嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院講師。