天棚阻尼控制的快速原型驗(yàn)證

王圣坤，李 欣，巨 冶

天棚阻尼控制的快速原型驗(yàn)證

王圣坤1,2，李 欣1,2，巨 冶1,2

（1.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300； 2.中汽研（天津）汽車工程研究院有限公司，天津 300300）

為提高車輛平順性及駕乘體驗(yàn)，基于天棚阻尼控制策略，利用MATLAB/Simulink搭建了一套垂向減振器半主動(dòng)懸架控制模型，并在扭曲路工況進(jìn)行車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析，實(shí)現(xiàn)了該策略在軟件層面的有效性驗(yàn)證；將上述模型進(jìn)行通道匹配，并移植燒錄至硬件dSPACE MicroAutoBox III中進(jìn)行實(shí)車特征路的驗(yàn)證工作。主、客觀相關(guān)數(shù)據(jù)表明，天棚阻尼控制下的半主動(dòng)懸架，能使車輛主駕駛位座椅加速度均方根值明顯減小，車輛的前后軸沖擊、振動(dòng)收斂、車身姿態(tài)等均有明顯改善，驗(yàn)證了天棚阻尼控制策略在工程中的有效性。

天棚阻尼控制；車輛動(dòng)力學(xué)仿真分析；平順性；實(shí)車驗(yàn)證

汽車懸架的一個(gè)主要功能是為駕乘者提供良好的乘坐舒適性體驗(yàn)，有效地過濾來自于路面的振動(dòng)[1-2]。懸架連接著車輪和車身，其設(shè)計(jì)影響到汽車的操縱穩(wěn)定性及平順性，而這兩者是存在矛盾的，傳統(tǒng)的解決方式是通過折中的形式兼顧二者，電控懸架的出現(xiàn)為該問題的解決提供了新思路[3-4]。

半主動(dòng)懸架既保留了被動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，性能又接近于主動(dòng)懸架；同時(shí)，半主動(dòng)懸架使用可調(diào)彈簧或可調(diào)阻尼而并非力作動(dòng)器，能耗相比于主動(dòng)懸架也很小[5]。與主動(dòng)懸架相比，半主動(dòng)懸架能夠以較小的功率消耗實(shí)現(xiàn)與主動(dòng)懸架相似的駕乘體驗(yàn)[6]。

半主動(dòng)控制思想的基本原理為利用可調(diào)減振元件來取代被動(dòng)懸架中的線性元件?？刂破魍ㄟ^傳感器采集振動(dòng)信號(hào)，決策后對(duì)減振元件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而阻尼器的阻尼系數(shù)為主要參數(shù)調(diào)節(jié)對(duì)象。半主動(dòng)懸架實(shí)現(xiàn)了制造成本、設(shè)備復(fù)雜度、能耗以及懸架性能的最佳折中，因而，其具有廣闊的發(fā)展空間，成為汽車行業(yè)的重點(diǎn)研究對(duì)象[7-8]。

KARNOPP等[9-10]最先提出天棚阻尼控制理論。天棚阻尼控制算法較于預(yù)瞄控制、線性二次高斯（Linear Quadratic Gaussian, LQG）控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制（Neural Network Control, NNC）、最優(yōu)控制等具有算法簡(jiǎn)單，可靠性高，研究方案成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代懸架控制系統(tǒng)方案。

文章以提高車輛乘坐舒適性為重點(diǎn)控制對(duì)象，以簧上速度及減振器速度作為懸架阻尼控制的判斷依據(jù)，基于天棚控制策略進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真及快速原型的實(shí)車驗(yàn)證。

1 天棚控制策略動(dòng)力學(xué)仿真分析

1.1 天棚控制原理

天棚阻尼控制的思想是在車體和假想的“天棚”之間安裝一個(gè)阻尼器，該阻尼器對(duì)簧上質(zhì)量產(chǎn)生與其運(yùn)動(dòng)速度相反的作用力，進(jìn)而抑制簧上質(zhì)量振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)減小振動(dòng)的效果。二自由度四分之一懸架模型包含了車輛垂向的基本信息，其模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)牛頓第二定律，對(duì)上述懸架系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析：

式中，b為簧上質(zhì)量；w為簧下質(zhì)量；b為簧上質(zhì)量的垂向位移；w為簧下質(zhì)量垂向位移；r為懸架剛度；為懸架阻尼系數(shù)；為懸架剛度；t為輪胎剛度。

圖1 四分之一懸架模型

天棚阻尼控制力d計(jì)算如下：

由于實(shí)際車輛無法實(shí)施這樣的理想力，應(yīng)用時(shí)一般在系統(tǒng)中通過一個(gè)可控執(zhí)行元件來模擬這個(gè)力。通過測(cè)量車身和懸架的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，應(yīng)用開關(guān)“on-off”半主動(dòng)控制來實(shí)現(xiàn)?；谝陨厦枋?，阻尼系數(shù)sky計(jì)算如下：

式中，max和min分別為可調(diào)減振器可提供的最大和最小阻尼系數(shù)。

阻尼力：

=satj5i0abt0b （4）

式中，sat{·}是飽和函數(shù)，將阻尼特性限制在減振器的物理特性之內(nèi)，即輸出的力在減振器最小阻尼力和最大阻尼力之間。

1.2 動(dòng)力學(xué)仿真分析

文章采用7自由度整車模型進(jìn)行相關(guān)狀態(tài)量的計(jì)算，如圖2所示。假定車身為一剛體，四個(gè)車輪為質(zhì)量點(diǎn)，懸架形式簡(jiǎn)化為4個(gè)獨(dú)立懸架。7個(gè)自由度分別指的是車身的垂向位移、側(cè)傾角、俯仰角和四個(gè)車輪的垂向位移。

圖2 7自由度整車模型

簧上質(zhì)量的垂向運(yùn)動(dòng)方程：

同時(shí)，

為分析天棚阻尼半主動(dòng)控制算法的有效性，本文將傳統(tǒng)減振器作為對(duì)比對(duì)象，以簧上加速度值的加速度均方根值為指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析。加速度（均方根值）越小，表明車輛的乘坐舒適性越好。在動(dòng)力學(xué)仿真中，以配備可變阻尼減振器（Continuous Damping Control, CDC）的某量產(chǎn)車模型（CarSim模型）作為被控對(duì)象，在MATLAB/ Simulink中搭建天棚控制策略對(duì)該車輛模型進(jìn)行控制，仿真過程中車輛參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 車輛參數(shù)

參數(shù)名稱符號(hào)數(shù)值 簧上質(zhì)量/kgMs2 100 側(cè)傾轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)Ix700 俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg·m2)Iy3 200 質(zhì)心至前軸距離/mL11.303 質(zhì)心至后軸距離/mL21.442 質(zhì)心高度/mh0.65 仿真頻率/Hzfreq1 000

基于以上設(shè)置，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)的聯(lián)合仿真，搭建相關(guān)驗(yàn)證模型如圖3所示。通過參數(shù)的輸入，根據(jù)天棚控制策略計(jì)算出所需要的理想阻尼力，作為CarSim車輛模型的輸入，將車輛的響應(yīng)作為天棚策略的實(shí)時(shí)輸入，形成閉環(huán)控制。

在仿真過程中，車速為定速18 km/h，制動(dòng)關(guān)閉，設(shè)置仿真工況為扭曲路，高76 mm，縱向特征長(zhǎng)2 m，其示意如圖4所示。

對(duì)比被動(dòng)減振器與天棚策略控制下的質(zhì)心垂向加速度，仿真結(jié)果如圖5所示。結(jié)果表明，相較于被動(dòng)減振器，半主動(dòng)懸架的控制策略對(duì)于車輛質(zhì)心加速度有明顯的降低，一定程度上提高了車輛行駛過程中的平順性。

圖5 質(zhì)心垂向加速度對(duì)比

2 快速原型系統(tǒng)搭建

2.1 可控減振器快速原型系統(tǒng)搭建

在開發(fā)初期階段，快速地建立控制器模型，并對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行多次的、離線的以及在線的試驗(yàn)來驗(yàn)證控制系統(tǒng)軟硬件方案的可行性，該過程稱之為快速控制原型（Rapid Control Proto- type, RCP）。簡(jiǎn)而言之，RCP就是將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件（如MATLAB/Simulink）開發(fā)的控制算法在一個(gè)實(shí)時(shí)的硬件上實(shí)現(xiàn)。

MicroAutoBox III是一款可用于快速實(shí)現(xiàn)車載功能原型開發(fā)的實(shí)時(shí)系統(tǒng)。為驗(yàn)證天棚阻尼控制系統(tǒng)的有效性，基于MicroAutoBox III在實(shí)車環(huán)境下搭建了可控減振器硬件的驗(yàn)證系統(tǒng)。通過標(biāo)定將車輛減振器相對(duì)位移的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理值，車輛的狀態(tài)信息通過慣性測(cè)量單元（Inertial Measurement Unit, IMU）以控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network, CAN）總線的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）信號(hào)作為可控減振器的控制信號(hào)。在Simulink模型中進(jìn)行模擬通道、CAN通道及數(shù)字通道的分配，并與ConfigurationDesk建立映射關(guān)系；利用ConfigurationDesk將程序進(jìn)行編譯，利用ControlDesk完成程序下載燒錄、觀測(cè)及采集工作。此外，在車輛系統(tǒng)中增加了加速度傳感器、電流傳感器等作為觀測(cè)信號(hào)來源，便于程序的調(diào)試及迭代工作。

傳感器的實(shí)際信號(hào)作為控制器的實(shí)時(shí)輸入，電磁閥的占空比為控制信號(hào)的輸出。CDC減振器的電磁閥開度由電流的大小決定，因此需要將MicroAutoBox III輸出的PWM信號(hào)輸出轉(zhuǎn)換為電流。這里采用的RapidPro（M-Stack）設(shè)備將MicroAutoBox的占空比轉(zhuǎn)換為電流，驅(qū)動(dòng)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)阻尼控制?；谝陨瞎ぷ?，完成了可控減振器快速原型系統(tǒng)搭建，如圖6所示。

圖6 快速原型系統(tǒng)

2.2 快速原型算法移植

在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，CDC減振器控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程如圖7所示。在路面的激勵(lì)下，車輛模型的系統(tǒng)狀態(tài)變量將發(fā)生相應(yīng)的改變，將狀態(tài)變量及相關(guān)的傳感器信號(hào)作為天棚控制策略的輸入；控制策略根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)變量計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻減振器所需要的理想阻尼力，并經(jīng)過阻尼力的邊界約束計(jì)算得出CDC減振器硬件的實(shí)際可輸出控制力；利用實(shí)際可輸出控制力及CDC 逆向模型計(jì)算得出當(dāng)前時(shí)刻所需要的電流，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)減振器電磁閥，實(shí)現(xiàn)變阻尼控制。

圖7 CDC 減振器控制工程實(shí)現(xiàn)

調(diào)整模型并進(jìn)行控制器物理通道匹配，更新后的模型如圖8所示。

編譯完成后，通過ControlDesk將該策略燒錄下載至MicroAutoBox III中，在ControlDesk進(jìn)行算法標(biāo)定及數(shù)據(jù)采集相關(guān)工作。

3 結(jié)果分析

本次實(shí)車測(cè)試工況包括：1）勻速40 km/h通過瀝青凍脹變形路；2）勻速90 km/h通過正弦波路。評(píng)價(jià)形式包括：以主駕駛位座椅滑軌處加速度均方根值作為客觀的評(píng)價(jià)依據(jù)；以主觀評(píng)價(jià)人員的評(píng)分作為車輛的主觀評(píng)價(jià)依據(jù)。

3.1 客觀評(píng)價(jià)

通過加速度傳感器及數(shù)據(jù)采集設(shè)備，分別采集車輛處于被動(dòng)減振器以及天棚策略控制的CDC減振器狀態(tài)下主駕駛位座椅處的加速度值，其對(duì)比結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 正弦波路

圖10 瀝青凍脹變形路

計(jì)算出的加速度均方根值如表2所示。

表2 加速度均方根值

特征路CDC減振器（天棚控制）被動(dòng)減振器 正弦波路（90 km/h）0.142 70.152 1 瀝青凍脹變形路（40 km/h）0.094 90.101 9

客觀數(shù)據(jù)表明，天棚控制對(duì)于舒適性有所提升，降低了在瀝青凍脹變形路和正弦波路上簧上質(zhì)量的振動(dòng)。

3.2 主觀評(píng)價(jià)

主觀評(píng)價(jià)采用十分制的形式進(jìn)行評(píng)定，駕乘后主觀評(píng)價(jià)分值如表3所示。

表3 主觀評(píng)價(jià)分值表

瀝青凍脹變形正弦波路 前軸沖擊前軸收斂后軸沖擊后軸收斂車身姿態(tài)車身控制貼地感 天棚控制7.007.006.006.006.006.507.00 被動(dòng)減振器5.506.506.006.004.505.505.00

為直觀體現(xiàn)，建立上述數(shù)據(jù)雷達(dá)圖，如圖11所示。

圖11 雷達(dá)圖

主觀評(píng)價(jià)表明，天棚控制策略下的半主動(dòng)懸架在正弦波路及瀝青凍脹變形路上的車輛表現(xiàn)均有所改善。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)天棚控制提出快速原型的實(shí)施方案，驗(yàn)證了天棚控制策略的半主動(dòng)懸架控制效果。

1）實(shí)現(xiàn)快速原型的實(shí)車驗(yàn)證；2）較被動(dòng)減振器，座椅加速度均方根值顯著減小，一定程度上提高了車輛的駕乘舒適性；3）主觀角度車輛性能較于被動(dòng)減振器有一定的提升；4）實(shí)現(xiàn)了天棚阻尼控制策略在車輛上的工程化應(yīng)用。

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Rapid Prototype Verification of Skyhook Damping Control

WANG Shengkun1,2, LI Xin1,2, JU Ye1,2

( 1.China Automotive Technology & Research Center Company Limited, Tianjin 300300, China; 2.CATARC (Tianjin) Automotive Engineering Research Institute Company Limited, Tianjin 300300, China )

In order to improve the ride and driving experience of the vehicle, based on the skyhook damping control strategy, a set of semi-active suspension control model of vertical damper is built using MATLAB/Simulink, and the vehicle dynamics simulation analysis is carried out under the twisted road conditions, and the effectiveness of the strategy is verified at the software level.The above model is matched with the channel, and transplanted and burned to the hardware dSPACE MicroAutoBox III for the verification of the real vehicle characteristic path. The subjective and objective data show that the root mean square value of the acceleration of the seat in the driver's seat of the vehicle under the control of the canopy damping is significantly reduced, and the front and rear axle impact, vibration convergence, body attitude, etc. of the vehicle are significantly improved, which verifies the effectiveness of the skyhook damping control strategy in the project.

Skyhook damping control; Vehicle dynamics simulation analysis; Ride; Real vehicle verification

U462

A

1671-7988(2023)19-81-06

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.016

王圣坤（1996－），男，碩士，研究方向?yàn)榘胫鲃?dòng)懸架控制，E-mail:wangshengkun@catarc.ac.cn。