汽車發(fā)動機主動懸置振動控制策略研究

潘公宇，景雙龍，肖云強

(江蘇大學(xué)，汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

汽車發(fā)動機主動懸置振動控制策略研究

潘公宇，景雙龍，肖云強

(江蘇大學(xué)，汽車與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為解決發(fā)動機振動和路面激勵引起的整車振動，提出了一種包含壓電陶瓷主動懸置的雙環(huán)控制。外環(huán)控制器主要用來控制發(fā)動機的垂直、俯仰與側(cè)傾運動，從而穩(wěn)定發(fā)動機的姿態(tài)；內(nèi)環(huán)控制是采用4個獨立的控制器分別控制每個壓電懸置產(chǎn)生主動控制力，從而抑制路面不平度對車身的干擾。通過邏輯控制器實現(xiàn)內(nèi)外環(huán)的有效連接。仿真結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)模糊控制和被動懸置系統(tǒng)，主動懸置的雙環(huán)控制方法能抑制發(fā)動機振動和車身振動，提高汽車行駛平順性。

壓電陶瓷作動器；主動懸置；雙環(huán)控制；SIRMs模糊控制

隨著道路交通的發(fā)展以及汽車行駛車速的提高，汽車乘坐舒適性成為人們關(guān)注的焦點，而發(fā)動機作為汽車的動力源所引發(fā)的振動越來越被人們所重視。傳統(tǒng)的發(fā)動機被動懸置已無法滿足人們的要求，而主動懸置由于其動態(tài)范圍寬、響應(yīng)速度快、功耗低已成為當(dāng)前研究的熱點[1-3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對于發(fā)動機主動懸置控制進(jìn)行了大量的研究，但主要致力于衰減發(fā)動機振動向車架及車身的傳遞[4]。懸置連接在發(fā)動機與車架之間，一方面需要阻止發(fā)動機向車架傳遞振動力，另一方面也要阻止路面不平激勵對發(fā)動機產(chǎn)生的振動影響。本文將以上2個目的為目標(biāo)，構(gòu)建整車主動懸置的雙環(huán)控制，從而提高汽車整車的平順性。

1 壓電作動器主動懸置模型

1.1 壓電作動器特性及壓電方程

壓電作動器具有良好的機電耦合特性，適合在振動控制作為驅(qū)動器[5-6]。厚型壓電作動器是由幾十個甚至上百個堆疊在一起的薄型壓電陶瓷作動器基于力學(xué)串聯(lián)組成的，見圖1。

圖1 壓電堆示意圖

根據(jù)壓電陶瓷的力學(xué)特性可以得到壓電陶瓷的輸出變形和輸出力方程[7]：

(1)

式(1)反映了某一壓電作動器加載電壓、作動反力和驅(qū)動位移三者之間的理論關(guān)系。

1.2 壓電陶瓷作動器的實驗研究

本文對壓電陶瓷作動器進(jìn)行的理論分析不能驗證壓電陶瓷作動器在實際使用中的特性，同時壓電陶瓷作動器的使用參數(shù)也不能通過理論分析得到。因此，本文建立了壓電作動器的實驗臺，通過一系列的實驗來探索壓電作動器的特性。

圖2 壓電作動器實驗臺架

本實驗中使用的實驗設(shè)備有實驗臺架、用來給壓電陶瓷作動器提供電壓的電源、力傳感器、位移傳感器、數(shù)據(jù)采集器以及分析系統(tǒng)。經(jīng)過實驗分析可以得出壓電作動器力特性曲線，見圖3和圖4。

圖3 壓電陶瓷作動器動態(tài)輸出位移

圖4 壓電陶瓷作動器動態(tài)輸出力

從以上壓電陶瓷作動器的實驗結(jié)果可以看出：在主動懸置控制中輸出力、動態(tài)位移量與電壓基本成線性關(guān)系。由于控制器輸出的控制電壓與作動器輸出的控制力成比例關(guān)系，本文可以直接將控制器輸出(控制電壓乘以比例系數(shù))視為主動控制力。

1.3 整車主動懸置動力學(xué)模型

為改善汽車行駛的平順性，需要研究適合整車模型主動懸置的控制策略[8]。為此首先建立發(fā)動機整車主動懸置動力學(xué)模型。為了更全面地了解發(fā)動機垂直、側(cè)傾、俯仰和車身的垂直、側(cè)傾、俯仰之間的關(guān)系，使主動懸置控制更接近實際情況，建立整車十自由度模型，包括車輪4個自由度，車身垂直、側(cè)傾、俯仰，以及發(fā)動機垂直、側(cè)傾、俯仰10個自由度。

圖5 整車主動懸置動力學(xué)模型

根據(jù)牛頓運動學(xué)定律可得：

(Ffr+Ffl)c-(Frl+Frr)b+Fθy

(Ffr+Frr)q-(Ffl+Frl)p

(1)

假設(shè)發(fā)動機和車身都是小范圍微振動，所以滿足如下方程:

(2)

(3)

(4)

其中：x5、x6、x7、x8為左前、右前、左后、右后懸架垂直位移；x9、x10、x11、x12為左前、右前、左后、右后發(fā)動機上懸置垂直位移；x13、x14、x15、x16為左前、右前、左后、右后發(fā)動機下懸置垂直位移。

取狀態(tài)向量和輸出向量：

系統(tǒng)輸出向量：

Y=CX+DU

(5)

2 整車主動懸置經(jīng)典模糊控制器設(shè)計

2.1 經(jīng)典模糊控制器設(shè)計

模糊控制是近年來迅速發(fā)展的新型控制方法，與傳統(tǒng)邏輯相比，它能更加全面地分析不準(zhǔn)確模型。模糊控制系統(tǒng)的工作原理是把被控對象的誤差e以及誤差變化率ec作為輸入量，確立系統(tǒng)所要的控制規(guī)則，通過模糊邏輯推理系統(tǒng)實時改變系統(tǒng)的參數(shù)來滿足系統(tǒng)的需求。以發(fā)動機前左懸置為例(其他3個主動懸置模糊控制器設(shè)計方法相似)，其經(jīng)典模糊控制器是把發(fā)動機加速度以及發(fā)動機加速度變化率當(dāng)作控制器的輸入，輸出的變量為主動控制力。取偏差e和誤差變化率ec的論域為[-6 6]，輸出變量F的模糊論域取[-7 7]。依據(jù)模糊控制器所具有的輸入變量與輸出變量的大小來劃分為7個模糊子集，分別是負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，模糊控制規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則

2.2整車主動懸置經(jīng)典模糊控制器結(jié)構(gòu)

整車主動懸置經(jīng)典模糊控制結(jié)構(gòu)見圖6。

圖6 整車主動懸置經(jīng)典模糊控制結(jié)構(gòu)

3 整車主動懸置雙環(huán)模糊控制器設(shè)計

懸置作為底盤與發(fā)動機的連接件，一方面它要阻止發(fā)動機向車架傳遞振動力，另一方面也必須要阻止路面不平激勵對發(fā)動機振動與沖擊[9-10]。從汽車振動的本質(zhì)來講，車輛的振動是由路面不平度引起的車身振動和發(fā)動機自身的振動組成的。因此，所設(shè)計的雙環(huán)控制器(內(nèi)環(huán)和外環(huán))的主要作用，一方面是消除路面激勵對車身的干擾，另一方面主要是穩(wěn)定發(fā)動機姿態(tài)，降低發(fā)動機振動向車身的傳遞[9]。

3.1 主動懸置內(nèi)環(huán)模糊控制器

內(nèi)環(huán)控制是采用4個獨立的控制器分別控制每個壓電懸置產(chǎn)生主動控制力，從而抑制路面不平度對車身干擾。

對于經(jīng)典的模糊控制方法，當(dāng)變量輸入的個數(shù)增多時，模糊規(guī)則制定難度相應(yīng)增大，且經(jīng)典模糊控制模型的每個輸入對系統(tǒng)性能的影響是同等的，不能反映出各個輸入變量對系統(tǒng)性能影響的大小。而單一輸入規(guī)則群(SIRMs)模糊控制系統(tǒng)可以有效地解決上述問題。SIRMs模糊控制的原理是將多維模糊控制簡化為一維模糊控制，每個一維模糊控制可以視為單一變量的模糊邏輯系統(tǒng)[11]。

將SIRMs模糊控制算法應(yīng)用到主動懸置系統(tǒng)中，可得到主動懸置控制力:

(6)

根據(jù)系統(tǒng)特點及控制經(jīng)驗[13]，當(dāng)輸入變量很大或是較大時，懸置的主動控制力應(yīng)起到阻礙其增長的作用，即懸置的主動控制力的方向應(yīng)與輸入變量的方向相反，且取較大的阻力值；反之，則相反。各輸入變量對應(yīng)的SIRMs模糊控制規(guī)則：

表2 各輸入變量對應(yīng)的SIRMs模糊控制規(guī)則

同理，可設(shè)計其余3個懸置內(nèi)環(huán)控制SIRMs模糊控制規(guī)則，由此4個懸置SIRMs模糊控制器就構(gòu)成內(nèi)環(huán)控制器。圖7為整車左前懸置內(nèi)環(huán)模糊控制器結(jié)構(gòu)，其他3點懸置SIRMs模糊控制器設(shè)計方法與左前懸置相似。

圖7 左前懸置基于SIRMs內(nèi)環(huán)模糊控制器結(jié)構(gòu)

3.2 外環(huán)控制器設(shè)計

外環(huán)控制器主要是穩(wěn)定發(fā)動機的姿態(tài)，因此可以設(shè)計發(fā)動機的垂直、俯仰與側(cè)傾運動3個控制器。外環(huán)控制器基本結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.3 邏輯控制器設(shè)計

內(nèi)環(huán)控制器輸出的是4個懸置的主動控制力，外環(huán)控制控制器輸出發(fā)動機3個控制力，均只能通過壓電懸置產(chǎn)生，為了實現(xiàn)內(nèi)外環(huán)的協(xié)調(diào)控制，需要將外環(huán)控制產(chǎn)生的發(fā)動機垂直、側(cè)傾、俯仰控制力有效地分配到4個懸置中[13]。

由于發(fā)動機的振動是垂直、側(cè)傾、俯仰振動的合成，因此發(fā)動機半主動控制應(yīng)該包含3種模式，如圖9所示。

圖8 外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

圖9 發(fā)動機垂直，側(cè)傾，俯仰振動示意圖

根據(jù)力的合成，可以得到4個懸置的控制力：

ffr=-u1+u2+u3,ffl=-u1+u2-u3

frl=-u1-u2-u3,frr=-u1-u2+u3

因此，外環(huán)控制器跟邏輯控制器連接如圖10所示。

圖10 外環(huán)模糊邏輯控制系統(tǒng)框圖

將內(nèi)環(huán)控制力與外環(huán)控制力相疊加，得到了整車雙環(huán)控制力?；谡嚢l(fā)動機主動懸置雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 整車發(fā)動機主動懸置雙環(huán)控制

4 系統(tǒng)仿真

為了驗證所設(shè)計的雙環(huán)控制器的有效性，現(xiàn)對20 km/h車速的車輛進(jìn)行仿真。在設(shè)計雙環(huán)模糊控制算法時，須考慮如何使兩種控制算法具有更高的可比性。由于經(jīng)典模糊控制算法中各個模糊推理方法為簡略模糊推理方法，因此設(shè)計的雙環(huán)模糊控制算法也采用簡略模糊推理方法，其參考輸入、歸一化因子以及模糊隸屬度函數(shù)設(shè)計與 SIRMs 模糊控制算法一致。整車參數(shù)選用如表3所示。

表3 車輛相關(guān)參數(shù)

仿真結(jié)果如圖12～16所示。

圖12 發(fā)動機質(zhì)心加速度響應(yīng)

圖13 發(fā)動機俯仰角加速度響應(yīng)

圖14 車身質(zhì)心加速度響應(yīng)

圖15 車身俯仰角加速度響應(yīng)

圖16 懸置動行程響應(yīng)

從表4可以看出：相比于被動懸置和模糊控制，整車雙環(huán)控制在發(fā)動機、車身振動加速度方面有顯著改善，可以提高汽車行駛的平順性[14-15]。

表4 仿真結(jié)果比較

5 結(jié)束語

為了改善汽車行駛的平順性，設(shè)計了一種包含壓電陶瓷作動器的主動懸置系統(tǒng)，并提出和研究與之匹配的整車雙環(huán)控制策略。隨機路面仿真結(jié)果表明：壓電主動懸置能顯著抑制發(fā)動機和車身振動，提高汽車行駛平順性和舒適性，也為以后的主動懸置實車實驗提供理論基礎(chǔ)。

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(責(zé)任編輯劉 舸)

ResearchonActiveMountVibrationControlStrategyofVehicleEngine

PAN Gongyu, JING Shuanglong, XIAO Yunqiang

(School of Vehicle Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In order to solve the vehicle vibration caused by engine vibration and road surface excitation, a double ring control with active suspension of piezoelectric ceramics is proposed.vThe outer ring controller is mainly used to control the engine of vertical, pitch and roll motion to made the engine’s posture stable;And the inner control is controlled by four independent controller respectively each piezoelectric active control suspension, which can inhibit the road surface roughness on the body. And the inner and outer ring are effectively connected by logic controller. The simulation results show that the double ring control can reduce the vibration of the engine and improve the ride comfort of the vehicle compared with the traditional fuzzy control and passive mount.

piezoelectric ceramic actuator；active mount；double ring control；SIRMs fuzzy control

2017-07-02

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375212)，江蘇省六大高峰人才資助項目(2103ZBZZ024)

潘公宇(1965—)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，教授，主要從事汽車底盤振動方面的研究；通訊作者 景雙龍(1992—)，男，河南開封人，碩士,主要從事發(fā)動機主動懸置控制研究，E-mail:122147235@qq.com。

潘公宇，景雙龍，肖云強.汽車發(fā)動機主動懸置振動控制策略研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2017(11):1-8.

formatPAN Gongyu, JING Shuanglong, XIAO Yunqiang.Research on Active Mount Vibration Control Strategy of Vehicle Engine[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):1-8.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.001

U463

A

1674-8425(2017)11-0001-08