軍車主動(dòng)懸掛實(shí)用控制算法概述

王 帥， 房 強(qiáng)， 張春生， 劉 捷， 馮占宗

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

高機(jī)動(dòng)性是軍車的典型特征.懸掛系統(tǒng)性能是制約車輛機(jī)動(dòng)性關(guān)鍵因素之一.傳統(tǒng)上改善懸掛性能的主要措施是增加行程，使軍車越野速度達(dá)到40 km/h.但是，該措施也相應(yīng)地使車輛重心升高，惡化了車輛操縱穩(wěn)定性，增大了被敵方火力命中概率[1].上世紀(jì)90年代起，西方國(guó)家開(kāi)始嘗試主動(dòng)/半主動(dòng)懸掛技術(shù)[2-4]，開(kāi)啟了懸掛發(fā)展的新階段.

主動(dòng)/半主動(dòng)懸掛可根據(jù)工況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸掛特性，從根本上解決了被動(dòng)懸掛存在的阻尼不適應(yīng)問(wèn)題.其中控制算法用于確定控制力大小與輸出的時(shí)機(jī)，是系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一.隨著現(xiàn)代控制理論發(fā)展，出現(xiàn)了各種控制算法[5-7].選擇適當(dāng)?shù)目刂扑惴ú粌H能獲取較好的控制效果，還能彌補(bǔ)執(zhí)行器響應(yīng)特性的不足、避免獲取不易測(cè)量的狀態(tài)量以及降低系統(tǒng)能耗.

本研究主要綜述20年來(lái)美、英等國(guó)在主動(dòng)/半主動(dòng)懸掛樣車上嘗試的控制算法及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，提出了基于預(yù)瞄感知、防懸掛擊穿的多算法綜合控制是未來(lái)高機(jī)動(dòng)軍車的發(fā)展方向.

1 控制算法的分類

1.1 主動(dòng)控制與半主動(dòng)控制

習(xí)慣上，人們根據(jù)執(zhí)行器(即作動(dòng)器與減振器)輸出的控制力特性將控制算法分為主動(dòng)控制與半主動(dòng)控制，但這兩種模式在原理上無(wú)本質(zhì)區(qū)別.在半主動(dòng)懸掛中，變阻尼減振器僅能輸出與運(yùn)動(dòng)速度方向相反的阻尼力，當(dāng)按主動(dòng)控制算法計(jì)算需輸出與運(yùn)動(dòng)方向相同的控制力時(shí)，只好對(duì)算法加以限界：令減振器輸出最小力，將負(fù)面影響最小化.限界后的算法一般稱為半主動(dòng)控制模式.顯然，主動(dòng)控制屬全時(shí)控制，而半主動(dòng)控制僅在部分時(shí)間內(nèi)干預(yù)振動(dòng).假設(shè)一段時(shí)間內(nèi)控制力所做的功相同，則需減振器輸出力的范圍比作動(dòng)器要大.

近年來(lái)，機(jī)電式作動(dòng)器的出現(xiàn)為主動(dòng)、半主動(dòng)交替控制提供了可能[8].電磁裝置具有響應(yīng)快、既具有發(fā)電機(jī)的制動(dòng)特性也具有電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，因此可實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)控制模式(振動(dòng)能量回收)與主動(dòng)控制模式的交替控制方式.這種控制方式能有效降低主動(dòng)懸掛的功耗.

1.2 主控制與輔助控制

某種控制算法往往只針對(duì)某一動(dòng)力學(xué)指標(biāo)而設(shè)計(jì)的.如，天棚控制算法只能抑制車輛在垂直方向上的振動(dòng)，而不針對(duì)車輛的俯仰振動(dòng)、車輪動(dòng)載以及懸掛擊穿.事實(shí)上，車輛在越野路面上高速行駛時(shí)，頻繁出現(xiàn)“懸掛擊穿”現(xiàn)象及劇烈的俯仰振動(dòng).為此，引入了輔助控制，控制信號(hào)表示為[9]

Uoverall=Uprimary+Uauxiliary.

(1)

式中：Uoverall為執(zhí)行器接收到的控制信號(hào)；Uprimary為主控制算法(如天棚阻尼控制算法)控制信號(hào)，代表天棚阻尼控制算或恒力控制算法；Uauxiliary為輔助控制算法，如防懸掛擊穿算法、姿態(tài)控制等.

1.3 即時(shí)感知與預(yù)瞄感知

越野路面上經(jīng)常存在石頭、土坎以及凹坑等路面障礙，車輪高速碾壓時(shí)車體受到?jīng)_擊加速度經(jīng)常達(dá)到人體承受的上限.實(shí)測(cè)表明：當(dāng)車輛以時(shí)速54 km/h駛過(guò)高度127 mm的路面障礙時(shí)，車輪與路面障礙的撞擊時(shí)間僅為10～20 ms，強(qiáng)度高達(dá)60 g～100g.

目前在研控制算法中對(duì)路面激勵(lì)感知主要是測(cè)量車輪垂向加速度間接獲得，稱為即時(shí)感知.顯然，如果整個(gè)控制系統(tǒng)時(shí)滯較大，則在這種路面下即時(shí)傳感系統(tǒng)難以改善平順性.而如果能提前獲取前方道路信息，通過(guò)收、放車輪實(shí)現(xiàn)“跨越”路障避免強(qiáng)烈撞擊則可，因而預(yù)瞄感知是更為主動(dòng)的控制方法.

預(yù)瞄感知可分為基于前視預(yù)瞄感知(preview control based on look-ahead)和基于前軸的預(yù)瞄感知(preview control based on front wheel)兩類[10].前者利用超聲波或激光傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量車輛前輪前方道路不平度的信息；后者將前輪振動(dòng)狀態(tài)量作為后輪懸掛輸入.

2 實(shí)用控制算法及用例

目前，進(jìn)行過(guò)樣車試驗(yàn)的控制算法主要有：天棚控制、恒力控制、姿態(tài)控制，等等.其中天棚控制試驗(yàn)與應(yīng)用最為普遍.

2.1 天棚控制(skyhook control)

1)基本原理.

1974年，美國(guó)加州大學(xué)Karnopp根據(jù) “天棚” 阻尼懸掛(圖1)的概念提出了天棚控制算法[11]，是車輛工程領(lǐng)域最常用的算法.

圖1 天棚懸掛物理模型

在結(jié)構(gòu)上，“天棚” 阻尼懸掛的減振器安裝在車體與假想天棚之間，而實(shí)際懸掛的減振器則安裝在車體與車輪之間.結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致了明顯的動(dòng)力學(xué)區(qū)別.“天棚”懸掛動(dòng)力學(xué)線性模型可表示為：

(2)

式中：m1為非簧載質(zhì)量；m2為簧載質(zhì)量；z2為簧載質(zhì)量在垂直方向上位移(振動(dòng)幅度)；z1為非簧載質(zhì)量在垂直方向上位移；k為懸架剛度，cs為天棚阻尼系數(shù)；kt為輪胎剛度；q為路面不平度.

圖1(c)所示的是兩種結(jié)構(gòu)的z2～q的幅頻特性(圖中阻尼比ζs代表天棚懸掛，ζ代表被動(dòng)懸掛，λ代表路面激勵(lì)頻率與懸掛系統(tǒng)固定頻率之比).圖中表明，天棚懸掛在全頻域內(nèi)都有理想的傳遞率，且隨著天棚阻尼增加，傳遞率越低，這有利于車輛在各工況高速行駛；而被動(dòng)懸掛系統(tǒng)則不同：大阻尼僅在低頻時(shí)、小阻尼僅在高頻時(shí)才能獲得較小的傳遞率.

2)用例.

自2004年起，Millenworks特種車車輛廠研制了磁流變半主動(dòng)懸掛(magneto-rheological optimised active damper suspension，MROADS).MROADS由8個(gè)磁流變減振器、8個(gè)控制器及傳感系統(tǒng)組成.分別在HMMWV、 USMC LAV-25, M2/M3 Bradley，及裝甲運(yùn)兵車Stryker上進(jìn)行了大量道路試驗(yàn)[12].目前Stryker MROADS已在美陸軍尤馬試驗(yàn)場(chǎng)完成4 000英里耐久性試驗(yàn)，技術(shù)成熟度達(dá)到7級(jí).

由于磁流變減振器輸出的控制力方向與速度方向相反，因此將天棚控制算法限界為：

(3)

3)試驗(yàn)結(jié)果.

圖2為裝配MROADS磁流變半主動(dòng)懸掛的樣車及試驗(yàn)結(jié)果.道路試驗(yàn)表明，采用磁流變半主動(dòng)懸架后，車輛的操縱穩(wěn)定性得到明顯改善.主要結(jié)論包括：(1)響應(yīng)時(shí)間僅為4 ms，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制；(2)駕駛員座椅處的振動(dòng)幅度顯著降低，在平均吸收功率6W限制下的越野車速由36 km/h提高到61 km/h；(3)以同等速度通過(guò)半圓形障礙物路面(half round or curb hits)時(shí)，車輛加速度峰值降低50%～70%、車輛俯仰角振動(dòng)速度可降低30%.

圖2 MROADS樣車及試驗(yàn)結(jié)果

2.2 近似恒力控制算法(Near Constant ForceControl Algorithm,NCF) [14-16]

1995年，得克薩斯大學(xué)機(jī)電中心的Beno等人在為M1主戰(zhàn)坦克研制機(jī)電主動(dòng)懸掛時(shí)提出了“恒力”控制算法.圖3為單輪懸掛系統(tǒng)簡(jiǎn)圖.

圖3 M1單輪懸掛系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

1)基本原理.

研究表明，由于彈性元件可支撐車重，將顯著減小主動(dòng)懸掛中作動(dòng)器輸出的控制力或扭矩，從而降低作動(dòng)器的體積及能耗，并提高了系統(tǒng)的可靠性.因此，Beno等人研制的電磁懸掛均保留彈性元件，并在此基礎(chǔ)上提出近似恒力控制，其控制思想是：令作動(dòng)器輸出控制力抵消彈性元件的動(dòng)態(tài)力，實(shí)現(xiàn)車體振動(dòng)加速度最小化.

由圖3所示的M1懸掛系統(tǒng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系可得：

yb=yw+h+L3cosα,

(4)

微分，可得

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：Iwa為負(fù)重輪及平衡肘的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；mw為負(fù)重輪的質(zhì)量；ma為平衡肘的質(zhì)量；mb為車體的質(zhì)量；τ為電磁作動(dòng)器、系統(tǒng)摩擦力及扭桿作用在支座回轉(zhuǎn)中心扭矩之和；Mtor=mw+ma+mb.上式可用Runge-Kutta算法求解.

τ=τA+τD.

(9)

作動(dòng)器輸出控制力矩可表示為

τcontrol=τ-τspring(α).

(10)

式中：τspring為彈性元件引起的扭矩，是角度的函數(shù)，可通過(guò)查表的方式確定數(shù)值.

彈性元件的剛度具有較強(qiáng)的非線性，為進(jìn)一步提高計(jì)算精度，Beno等人嘗試將模糊控制引入到近似恒力控制算法中[17].

2)算法用例.

近似恒力控制算法分別在M1單輪懸掛試驗(yàn)臺(tái)及HMMWV電磁懸掛樣車(1999年，2007年)、LMTV電磁懸掛樣車(2003年，2007年)與Lancer電磁懸掛樣車(2005年)進(jìn)行道路試驗(yàn)驗(yàn)證.

3)試驗(yàn)結(jié)果.

試驗(yàn)表明，原車在越野路面行駛時(shí)，車體有較大俯仰，而采用恒力控制后，Lancer樣車俯仰振動(dòng)較??；圖4為車速與平均吸收功率之間關(guān)系.圖中表明，當(dāng)車輛在4#路面(路面不平度均方根值為1.83 in)行駛時(shí)，在平均吸功6 W評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下，樣車時(shí)速可達(dá)30 mile/h，是原車越野速度的2倍多.

圖4 Lancer樣車試驗(yàn)實(shí)況與數(shù)據(jù)處理結(jié)果

該算法具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)控制所需狀態(tài)量可直接量測(cè)；(2)控制算法包含姿態(tài)控制；(3)能耗低，單位能耗遠(yuǎn)低于0.82 kW/t.

2.3 預(yù)瞄控制(Preview control)

1992年，英國(guó)蓮花工程公司(Lotus Engineering UK)及后來(lái)的加利福尼亞大學(xué)在為美軍坦克車輛和裝備司令部(TACOM)研制的電控液壓主動(dòng)懸架技術(shù)的HMMWV樣車(圖5)時(shí)采用了預(yù)瞄控制[18].其中傳感系統(tǒng)先后采用了O.ConnerEngineering公司的調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)雷達(dá)測(cè)距儀和Sick Optic公司的WTA24-P5401型發(fā)光二極管紅外線傳感器作為路面預(yù)測(cè)傳感器進(jìn)行試驗(yàn).

圖5 預(yù)瞄控制系統(tǒng)及其簡(jiǎn)圖

1)基本原理.

由圖5中三角關(guān)系可得：

(11)

式中：θ為車輛俯仰角；φ為側(cè)傾角；α為測(cè)距儀安裝角；zroaol為路面高；zsens為測(cè)距儀高；Dmean為測(cè)距儀到路面突起的平均距離；CGlong為車輛質(zhì)心至測(cè)距儀的水平距離；Xf為前輪至測(cè)距儀的水平距離.

因此只需測(cè)量Dmeas、θ即可求得路面高程差.

2)用例.

民用車輛Mercedes-Benz 2014 S-class采用的Magic body系統(tǒng)，是在原有主動(dòng)車體控制系統(tǒng)(Active Body Control,ABC)的基礎(chǔ)上增加路況掃描儀.該路況掃描儀采用立體相機(jī)(stereo camera)，可提前獲取前方道路不平度信息，經(jīng)控制器識(shí)別、分析、評(píng)估后，指令執(zhí)行器提前動(dòng)作[19].

近年來(lái)，隨著軍車無(wú)人駕駛技術(shù)的飛速發(fā)展，有望在車身劇烈顛簸、全天候、全地形等條件下準(zhǔn)確識(shí)別、預(yù)測(cè)車輛前方的復(fù)雜越野路況(如雜草或灌木遮蓋的路面)，從而為預(yù)瞄控制工程化應(yīng)用提供可能.

3)試驗(yàn)結(jié)果.

加利福尼亞大學(xué)將計(jì)算所得的Zroad及其變化速率作為線性懸掛系統(tǒng)的激勵(lì)，應(yīng)用最優(yōu)控制理論求得最優(yōu)控制力.圖6為HMMWV主動(dòng)懸掛樣車試驗(yàn)結(jié)果.試驗(yàn)表明，預(yù)測(cè)控制在預(yù)知的越野路上明顯優(yōu)于天棚阻尼控制，且能夠降低能量消耗并使系統(tǒng)的控制性能大大改善.

圖6 預(yù)瞄控制與天棚控制對(duì)比

2.4 姿態(tài)控制(Attitude control)

履帶車輛、工程車輛在反復(fù)碾壓的起伏路面行駛時(shí)，車體振動(dòng)以俯仰(pitch attitude)、側(cè)傾振動(dòng)(roll attitude)為主.姿態(tài)控制可減少乘員的“暈車”現(xiàn)象，也可給車載武器系統(tǒng)提供較為平衡的發(fā)射平臺(tái)，提高首發(fā)命中率.

1)基本原理.

對(duì)于前后懸架而言，低通一階濾波器可以改善控制環(huán)的穩(wěn)定性.該濾波器的位移可表示為

(12)

式中：yf為濾波器的輸出；τ為時(shí)間常數(shù)(4 s)，xBW為前后懸掛的變形量，由安裝在車體與車輪之間的位移傳感器測(cè)量.濾波器的輸出yf被用于PID控制器的輸入，可描述為

(13)

式中：yL為PID指令信號(hào)，KLP、KLI、KLD分別為比例、積分、微分增益.

2)試驗(yàn)結(jié)果.

Leads大學(xué)的Crolla等人在為英軍研制高機(jī)動(dòng)運(yùn)兵車液壓式主動(dòng)懸掛樣車采用了姿態(tài)控制.該算法以LQR為主控制、PID控制作為輔助控制算法[20].控制的目標(biāo)是消除因路面不平引起的車輛前后懸掛變形，使車體保持水平.

Crolla等人通過(guò)半車模型對(duì)控制算法進(jìn)行了數(shù)值仿真驗(yàn)證.圖7為車輛在緊急制動(dòng)時(shí)車體狀態(tài)變化情況.圖中表明，PID控制器有效降低了車體俯仰振動(dòng).

圖7 緊急制動(dòng)時(shí)狀態(tài)控制對(duì)比圖

2.5 開(kāi)關(guān)(on-off)控制算法

執(zhí)行器輸出控制力大小往往受多因素影響，輸出力隨減振器溫度、控制電流等外部條件變化而變化，較難得到準(zhǔn)確的控制力.工程上往往采用兩級(jí)阻尼[3]或多級(jí)阻尼減振，相應(yīng)地，控制過(guò)程采用開(kāi)關(guān)控制、bang-bang等算法.

1)基本原理.

1997年，美軍坦克-機(jī)動(dòng)車司令部根據(jù)兩級(jí)阻尼減振器的阻尼力特點(diǎn)采用了開(kāi)關(guān)控制算法.控制器根據(jù)車體狀態(tài)量對(duì)各輪懸掛系統(tǒng)實(shí)施獨(dú)立控制，邏輯判斷及控制流程如圖8所示[3].

圖8 Bradley半主動(dòng)懸掛樣車開(kāi)關(guān)控制

控制思想：只要不發(fā)生懸掛擊穿或減振器阻尼不利于抑制車體振動(dòng)，就采用小阻尼，充分發(fā)揮彈性元件的緩沖能力，減少經(jīng)減振器傳遞的車輪沖擊.

2)試驗(yàn)結(jié)果.

該控制算法在Bradley油氣半主動(dòng)懸掛樣車上進(jìn)行了道路試驗(yàn)，結(jié)果如圖9所示.圖中表明，在同一越野路面及平均吸功6 W標(biāo)準(zhǔn)比較下，樣車能有效抑制車體的俯仰與垂直振動(dòng)，車輛越野速度能得到提高.

圖9 路面不平度-車速關(guān)系

在半主動(dòng)懸掛方面，近年來(lái)又出現(xiàn)了ADD 、PDD等控制算法[21-24]，具有算法簡(jiǎn)便、所需測(cè)量狀態(tài)量少、較貼近工程實(shí)踐等優(yōu)點(diǎn)，但尚未有道路試驗(yàn)的報(bào)道.

3 控制算法比較

本研究以一輛安裝6對(duì)車輪(傳統(tǒng)上安裝6只減振器)的履帶車輛為例對(duì)各算法進(jìn)行比較.

表1中將傳感器安裝位置作為一項(xiàng)指標(biāo)的原因主要是考慮到：軍車使用工況主要為越野路面，車輪及懸掛系統(tǒng)所處自然環(huán)境惡劣，經(jīng)常受到泥沙侵蝕、沖刷以及草木纏繞，因此應(yīng)盡量避免在車輪及懸掛系統(tǒng)處安裝傳感器.而控制力精度反映的是對(duì)作動(dòng)器的要求.在開(kāi)關(guān)控制中，可將作動(dòng)器輸出力設(shè)計(jì)為大小兩級(jí)，無(wú)需精確的控制閥，從而降低了對(duì)作動(dòng)器控制精度要求.

表1 各算法比較

表1僅定性列出了幾項(xiàng)指標(biāo)，更全面評(píng)價(jià)需根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分配情況、主要用途、系統(tǒng)功耗、作動(dòng)器的控制力調(diào)節(jié)范圍等因素，在多次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上才能給出.

當(dāng)然，由于各算法側(cè)重點(diǎn)不同，單一算法可能無(wú)法滿足減振要求.另外車輛結(jié)構(gòu)不同，振動(dòng)特性不同，選擇的控制算法也不同.如履帶車輛具有多輪、短軸距的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其振動(dòng)以俯仰振動(dòng)為主，采用姿態(tài)控制較為合適.

4 結(jié)束語(yǔ)

選擇適當(dāng)?shù)目刂扑惴山档椭鲃?dòng)懸掛的成本、系統(tǒng)復(fù)雜程度、能耗以及對(duì)作動(dòng)器的性能要求，有利于該技術(shù)的工程化、市場(chǎng)化.

在未來(lái)高機(jī)動(dòng)要求下，車輪受到的沖擊與懸掛擊穿問(wèn)題更為突出.引入防懸掛擊穿、防車輪撞擊與路面突起等輔助算法將成為一種趨勢(shì).因此，未來(lái)算法設(shè)計(jì)將是綜合性的.而預(yù)瞄感知能彌補(bǔ)控制時(shí)滯的影響，將成為未來(lái)應(yīng)用研究的熱點(diǎn).

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