基于磁流變液動力減振器的發(fā)動機(jī)隔振仿真與控制研究

蔡家明

摘要：提出了基于磁流變液動力減振器的發(fā)動機(jī)隔振振動模型，并結(jié)合實(shí)例對發(fā)動機(jī)整機(jī)隔振進(jìn)行了仿真和控制分析研究。由仿真結(jié)果顯示，所構(gòu)建的磁流變液動力減振器模型及控制方法能較好地改善發(fā)動機(jī)整機(jī)隔振性能。相比傳統(tǒng)動力減振器，磁流變液動力減振器及控制方法具有能根據(jù)發(fā)動機(jī)不同頻率的實(shí)際振動狀況，實(shí)時、精確地控制和改善發(fā)動機(jī)整機(jī)的寬頻振動特性。

Abstract： A vibration isolation model of engine based on magnetorheological dynamic absorber is proposed， and the vibration isolation of engine is simulated and controlled with an example. The simulation results show that the magnetorheological dynamic absorber of model can improve the vibration isolation performance of the engine. Compared with the traditional dynamic absorber， the magnetorheological dynamic absorber can control and improve the broadband vibration characteristics of the engine in real time and accurately according to the actual vibration conditions of different frequencies of the engine.

關(guān)鍵詞：磁流減振器;隔振;主動控制

Key words： magnetorheological absorber;vibration isolation;active control

中圖分類號：TB535 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）13-0126-03

0 ?引言

發(fā)動機(jī)在工作時所產(chǎn)生的振動，不僅會對周圍環(huán)境造成嚴(yán)重的噪聲滋擾，同時還極大地降低車輛乘坐舒適性。動力減振器通過其彈性和阻尼元件所產(chǎn)生的力與外界激勵力進(jìn)行平衡，以達(dá)到降低發(fā)動機(jī)振動。由于發(fā)動機(jī)振動通常是多主頻、寬頻劇烈振動，采用固定參數(shù)的傳統(tǒng)動力減振器無法對其所有頻域振動進(jìn)行減振。人工智能控制方法如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自適應(yīng)控制及最優(yōu)控制等廣泛運(yùn)用于發(fā)動機(jī)主動控制中[1-3]，能較好地改善了發(fā)動機(jī)寬頻振動。近年來運(yùn)用的磁流變液減振器不僅可獲得連續(xù)可逆變化阻尼力，同時也具有能精確的實(shí)時控制以及低功耗、簡潔的機(jī)電結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可較好地改善發(fā)動機(jī)寬頻振動特性[4-5]。本文基于所構(gòu)建磁流變液動力減振器的發(fā)動機(jī)振動模型基礎(chǔ)上，對發(fā)動機(jī)整機(jī)隔振進(jìn)行了仿真和控制分析研究。

1 ?磁流變液動力減振器的發(fā)動機(jī)隔振控制模型

將實(shí)際發(fā)動機(jī)與磁流變液動力減振器簡化為如圖1所示的2自由度振動系統(tǒng)，其中m1為發(fā)動機(jī)質(zhì)量，m2為動力減振器質(zhì)量，k1和c1分別為發(fā)動機(jī)懸置剛度和阻尼，k2和c2分別為已有動力減振器剛度和阻尼， fd為磁流變液動力減振器輸出的阻尼力，F(xiàn)0 sin？棕t為發(fā)動機(jī)激勵力。由圖示模型可建立該系統(tǒng)振動運(yùn)動方程：

2 ?發(fā)動機(jī)隔振模型的激勵力確定

考慮到發(fā)動機(jī)在穩(wěn)定工況下其外部平衡性能主要是由往復(fù)慣性力、離心慣性力和往復(fù)慣性力矩、離心慣性力慣性力矩對機(jī)座的作用。對于直立n缸發(fā)動機(jī)，其往復(fù)慣性合力P和往復(fù)慣性合成力矩M可表示為

上式中的kp為比例系數(shù)，ki和kd分別為積分系數(shù)和微分系數(shù)。若設(shè)置kp過大，雖能使加快系統(tǒng)響應(yīng)，但會形成超調(diào);而設(shè)置過小又會使系統(tǒng)響應(yīng)緩慢，延遲調(diào)節(jié)時間。對于積分系數(shù)，ki增大會加快消除凈差，提高系統(tǒng)無差度，而增大kd能減少超調(diào)量，但會使降低其抑制干擾能力。實(shí)際控制時，只能根據(jù)系統(tǒng)響應(yīng)狀況，通過反復(fù)對kp、ki和kd調(diào)試完成其整定。

4 ?實(shí)例仿真分析研究

運(yùn)用以上發(fā)動機(jī)磁流動力減振器模型及控制方法，并由MATLAB軟件中的SIMULINK構(gòu)建仿真模塊，對一個轉(zhuǎn)速為780～5800r/min轉(zhuǎn)速范圍的4缸汽油機(jī)整機(jī)振動進(jìn)行控制。表1為該汽油發(fā)動機(jī)隔振模型的具體輸入?yún)?shù)。由圖1和表1的無磁流動力減振器系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，經(jīng)分析計算可知，該汽油機(jī)與傳統(tǒng)動力減振器組成的振動系統(tǒng)放大系數(shù)，在頻率為2.2Hz以及10.8Hz有較大的共振振幅，其共振轉(zhuǎn)速為132r/min以及648r/min。雖然這二者轉(zhuǎn)速不在汽油機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速范圍，但在發(fā)動機(jī)怠速工況時仍有較大的振動。為進(jìn)一步降低發(fā)動機(jī)系統(tǒng)振動，改善其運(yùn)行狀況，對該發(fā)動機(jī)在整個轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行動態(tài)實(shí)時控制。

圖3、圖4分別為該汽油發(fā)動機(jī)在780r/min怠速工況和2400r/min轉(zhuǎn)速工況下的加速度仿真結(jié)果。由圖3的在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為780r/min下，帶傳統(tǒng)動力減振器與磁流動力減振器加速度仿真響應(yīng)對比分析圖可知，該汽油機(jī)在帶有傳統(tǒng)動力減振器時其最大正加速度響應(yīng)達(dá)到3.6m/s2，負(fù)向加速度也達(dá)到3.3m/s2，而使用磁流動力減振器，發(fā)動機(jī)正加速度響應(yīng)最大為1.62m/s2，負(fù)向加速度響應(yīng)為1.66m/s2。圖4的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為2400r/min時，也表現(xiàn)出類似的振動響應(yīng)特性，說明磁流動力減振器相比于傳統(tǒng)動力減振器，能根據(jù)發(fā)動機(jī)不同頻率實(shí)際振動狀況，改變勵磁電流和勵磁磁強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)對磁流變液動力減振器輸出阻尼力的精確控制，從而使發(fā)動機(jī)整機(jī)隔振響應(yīng)有明顯的改善。

5 ?結(jié)論

基于所構(gòu)建磁流變液動力減振器的發(fā)動機(jī)隔振模型和發(fā)動機(jī)激勵力分析基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)例及運(yùn)用MATLAB中SIMULINK所構(gòu)建的仿真模型及控制方法，對發(fā)動機(jī)整機(jī)隔振控制進(jìn)行了仿真分析研究，由仿真結(jié)果和分析可得出以下結(jié)論：①運(yùn)用所提出的基于磁流變液動力減振器的發(fā)動機(jī)隔振模型及控制方法，能較好地對發(fā)動機(jī)整機(jī)振動響應(yīng)進(jìn)行有效隔振。②與基于傳統(tǒng)動力減振器的發(fā)動機(jī)整機(jī)隔振效果相比，所構(gòu)建的磁流變液動力減振器模型及控制方法，能根據(jù)各頻率的發(fā)動機(jī)實(shí)際振動，實(shí)時精確地控制阻尼力，以改善發(fā)動機(jī)寬頻振動特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曦，朱建新，張德慶，等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)燃機(jī)整機(jī)振動主動控制中的應(yīng)用研究[J].車用發(fā)動機(jī)，2003（1）：44-45.

[2]王永達(dá)，許滄粟.發(fā)動機(jī)振動模糊半主動控制的研究[J].汽車工程，2006，28（7）：663-664.

[3]史文庫，孫國春，田彥濤.汽車發(fā)動機(jī)主動隔振系統(tǒng)最優(yōu)控制[J].車輛與動力技術(shù)，2004（2）：2-3.

[4]S.R.Hong，S.B.Choi，Vibration Control of a Structural ?System ?Using Magneto-Rheological ?Fluid ?Mount[J] .Journal of Intelligent Material System and Structures，2005，16（111-12）：931-936.

[5]陳世嵬.基于磁流變懸置的發(fā)動機(jī)主動隔振研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.