汽车系统半主动悬架的仿真设计.doc

汽车系统半主动减振器的仿真设计摘要：本文阐述了卡车半主动悬架的设计与使用。半主动悬架设计的主要目的是为了减小路面影响。通过仿真和参数优化设计了半主动减振器的反馈控制规则。通过仿真试验预测的效果在实车上得到了验证。一辆是卡车试验台，一辆是半拖车拖拉机。仿真实验和实际测量值表明半主动阻尼是实现高路面适应性车辆的一个重要思路。关键词：半主动悬架 半主动阻尼 卡车悬架 路面破坏 路面保护车辆介绍：电子控制的汽车悬架，尤其是主动与半主动阻尼器的研究已经开展了很长时间了。主动悬架的主要目的就是提高车辆行驶的舒适性。然而，却忽略了汽车悬架的其他工作情况指标，比如，轮胎路面动载荷、轮胎桥和轮胎土壤等其他工况下的动载荷。路面网络的维护工作对路面主管机构是一项费用很高的工作。而且，受损路面会对车辆和路面自身造成损伤。每个欧洲国家花数十亿欧元修理维护公路系统，维修费用占全部公路费用的4080，约占国民生产总值的0.4。尽管我们尚未对路面损伤的机制有清楚的了解。但有一点我们可以证实，即路面损伤很大程度上由重型车辆交通所致，当然还有一些其他的影响因素，如路面结构、气候、环境影响等。人们研究所有这些因素对路面的影响已经多年了。车辆对路面的破坏是由轮胎与路面的作用力所致8。计算结果表明，一辆满载卡车对路面的破坏程度是一辆客车的10000倍。目前，国家标准只对轮胎路面的静力作了限制。然而，最近的DIVINE和SADTS项目研究表明，轮胎路面的动载荷部分对路面和桥梁的破坏更大。伴随着价格低廉、功能强大的电子元件和作动器技术，人们对设计要求的提高促使了可控悬架的广泛研究。很多情况下，半主动作动器取代了全主动。半主动悬架不可能取得像全主动悬架一样的性能提高，但是，它具有实用和价格优势。1.1 半主动阻尼：半主动悬架因为其与主动悬架相比有很多的优点而倍受推崇，尤其是它相对于现有系统应用方便，而且能耗低。半主动系统中的一个代表就是半主动阻尼器（SAD），它可以根据一些输入信号（通常是电信号）来调节阻尼比。半主动悬架不需要昂贵、笨重的元件，比如液压泵、储能器、液压管路和作动器等，而仅仅只需要一个可调的半主动阻尼器。这些半主动系统不能像全主动作动器一样提供相同的力规则；然而，其效果则非常接近于全主动悬架，并且能节省很大的作动能量。在许多应用中，当前的被动阻尼器很可能被半主动取代，这些可以通过可控孔口和电流变流液或磁流变流液实现。变阻尼孔半主动阻尼器就是通过在原有被动液压阀上增加一个可变阀孔的螺旋阀，其阻尼比的变化液依赖于螺旋阀的输入电流。研究的阻尼比连续可变的半主动阻尼器Mannesmanm Sachs CDCN 50/55。所需输入电流的变化范围为0.6A2A。0.6A反映了最小阻尼曲线，而2A对应了最大阻尼曲线。半主动阻尼器结构拥有先进的失效安全功能：当输入电流为0时，比如外部线路断了，阻尼值自动设置为中间值。所谓的失效安全保障特性参见图1。由图1，很明显，半主动阻尼器有一个很有限的动作区域，最大阻尼曲线和最小阻尼曲线限定在第一和第三象限。控制单元将所需的输入力转化为可以实现的作用力，这个例在特性区域范围内并和电流值相对应。比如，实际速度所需的力大于系统可以提供的最大力，则输出力就取系统可以提供的最大力；若需要的输入力比比系统的最小输出力小，则输出最小的输出力。如果所需的力和实际速度符号相反，即需要产生能量（可以证明这种情况对半主动阻尼器是不可能的），输出力就由最小耗散能确定。阻尼器的动态特性由几个因素确定，如液体的可压缩性、阻尼器覆盖件与支承轴的特性。而且，半主动阻尼器的动态特性取决于螺旋阀的动力学特性。2. 开发策略： 采用两个不同的车辆进行实验证明：（1）一个是19951998年SADTS项目中的SKODALIA2卡车平台，见图2。（2）在19992000年IKA RWTH Aachen的一个带有半拖车的M.A.N拖拉机，见图3。半主动悬架可能的实现型式通过选择的传感器和反馈规则而不同。两种卡车驱动轴都采用空气弹簧支承，从被动悬架的角度来看，这些卡车可以按照路面保护性能分类9，卡车驱动轴上用可控的半主动悬架取代了被动阻尼器，并且安装了相应的传感器，接着，一项重要的工作就是通过对半主动阻尼器计算机仿真和参数优化寻找和设计一种有效的控制规则，将控制方式转化为控制件，然后通过户外实验验证半主动阻尼器的优点。2.1 设计方法：文献6和10开发了一种先进的半主动悬架设计方法，它可以算是整车机械系统的设计方法。传统可控汽车悬架的设计方法状态是基于限定设计模型开展的，线性控制规则是基于线性模型而设计，实验参数调节取代了限定的实验证明。设计模型仅仅局限于1/4或1/2车辆模型，自由度很少，采用线性动力学模型和线性控制规则，通过采用线性二次型设计过程从主动悬架到半主动悬架，牢牢围绕最有控制方法，很少有实验验证，大多数是模型验证和控制规则的应用。相反，先进的设计方法是基于充分利用时机设计和仿真模型开展，而且充分考虑了控制器的非线性。采用实际模型就是充分考虑了系统的非线性量和重要的自由度。尤其，在垂直方向上论文中简化的1/4车辆模型的弹簧、阻尼、轮胎刚度实际是非线性的，由简化得出了合理的控制设计，然而，这些必须在实际系统上检验。而且控制器的设计必须可以实现非线性系统线性量和非线性量的有效综合。这种先进控制方法的设计与应用描述如下：建模：组合系统（MBS）软件可以由1/4到整车建模。在同样的环境下，所有的因素都易于实现，可以根据需要实现复杂和非线性。特别是可以包含一些本质的非线性因素。控制规则设计：由于忽略自由度和本质非线性因素对实际系统的研究至关重要，完全控制了的非线性模型已经在控制设计环境中实现，比如，通过MBS建模和控制设计界面，这种方法没有在原理上把控制设计限定于过渡简化模型；然而，由于下述原因还是要使用简化模型：1.设计方法只能局限于低序先行模型2.计算量、物理观察必须基于简化模型，尤其是在早期设计阶段。然而，在任何阶段使用更复杂的系统对简化模型控制规则效果进行计算，而且可以使用更高级的设计。假如设计方法可行，基于仿真的设计在理论上可行。比如，在设计环中，可以通过使用仿真模型，考虑任意多的自由度。其他控制设计程序可以使用低序模型，只有少数几个自由度，而本质是非线性的，比如，作动器的特性应该保留，这是通过参数优化程序对非线性控制规则参数调节尤为重要。证明：这种方法要求对模型系统证明，而且要对控制的卡车进行最后的测试。对卡车模型进行设计、实验和验证的主要步骤如下：1. 开发一个包含所有自由度和非线性的MBS模型（a） 证明模型的正确性（b） 根据系统特性或复合性对模型进行简化以便深入研究，包括线性化处理。2. 自动将任何所需的复杂模型数据转化为控制设计环境3. 由简化模型到高级模型完成控制器设计，根据复杂模型测量计算作用效果4. 实现多目标参数优化：基于最佳模型对控制规则和其他设计参数优化调节。5. 对硬件（行驶车辆）进行有效性测试。必须指出设计过程应该很快，因为尽量对优化的仿真模型进行调节是可以实现的。而且MBS方法的采用也是自可以实现2.2 控制策略：2.2.1 广义的地面悬架：其中的一个目标就是通过半主动悬架地面保护性能的提高。关于控制方法的研究很多，最新研究的一种为广义地面悬架控制。为了描述这种新的控制方法，采用了一个1/4车辆模型。广义地面悬架（EGH）的基本思想如图4(b)所示。模型运动方程如下： （1）上式中，为非簧载质量，为簧载质量，为主弹簧刚度，为轮胎刚度，为轮胎阻尼系数，为在被动悬架基础上半主动阻尼和主动元件的作动力，含义如图4所示，对于卡车的相关参数取值为：，忽略不计。图4(a)采用不可调的摩擦阻尼器，基本思路就是在车身与惯性系统之间、车轴和地面间插入惯性环节，图4(b)给出了一种可行的方法。由所加的地面悬架和天棚阻尼的变力就是作动力： （2）和是忽略刚度变化影响而添加的环节，这对全主动悬架尤为重要。最后的变量包含了全状态反馈的所有环节，除了一些绝对位移量，最后的方程中，所有环节的量是可以测量的或由其他量得出。整个速度阻尼参数在初始研究中都认为是常数。因为阻尼特性是非线性的，所以采用非线性广义地面悬架，增益取决于状态。半主动阻尼器的非线性（图1所示），尤其是不均匀性，必须把控制规则参数的设计考虑在内。因此，非线性的EGH介绍了基于等式(2)EGH控制规则和由状态值决定的增益，而且取得了很好的效果，祥见参考文献【6】、【10】。在上述基于1/4车辆模型的EGH控制原理对一个或多个车辆的控制如下。每一侧都处理为1/4车辆模型，采用EGH控制。这种简化由线性最优控制研究获得。这种研究测出了轴和轴侧耦合增益，这些量比1/4模型中的小。2.2.2 多目标参数优化：采用多目标参数优化方法确定EGH控制器参数。多目标参数优化允许在不同的效果标准之间获得一个令人满意的折中，尽管它们之间是冲突矛盾的，即一者的优化就意味着另一者的恶化。，差优折中可以在参数对中找到，可以不加约束地对非线性模型使用MOPO设计。自由系统参数Pi，比如控制器增益在给定的范围内变化，直到找到了最优折中。在这个过程中标准Ci（效果参数）根据其权重di决定其重要性，最优方法就是设法使目标值ci/di达到最小：在差优选择系列中最优折中的最优值通常是一个点（取决于di点的选择），如图5所示。2.3 开发工具：从机械系统设计的角度来说，机械系统设计的同时必须有一个控制单元。采用作为MBS程序的SIMPACK和作为一个设计包的MATLAB/Simulink进行仿真和控制设计计算。这些工具包通过不同的界面交互。SIMPACK是对如公路铁路车辆、机器人和机械等动力或运动系统进行分析和是设计的工具箱，在机电设计环境和协调工程上SIMPACK和其它仿真软件的使用是相同的，保留了很多与外部界面链接的界面，如图6所示。采用多向链接设计。这些界面可以使用户采用其它CAE工具箱和SIMPACK进行MBS系统仿真。MATLAB是一个有名的通用型数据处理软件，尤其是对控制系统分析和设计，在很多大学和研究所是一个标准的工具。Simlink述MATLAB的一个拓展，是一套很有效的建模、分析和仿真的线性与非线性系统。在Simulink里，模型勇一个个图形模块表示，在很多应用中，不需要写程序代码。为了把SIMPACK和MATLAB/Simulink工具包联系起来，开发了SIMAT界面【16】。使两个工具包内的模型直接结合为一个仿真模型，以便进一步优化。在两个项目中进行优化，在不同的地方和不同的模型上应用。三个优化工具箱根据仿真依次用于悬架控制器的设计：(i)SIMPACK的多目标优化工具MOPS（多目标参数综合）【17】。(ii)专业优化系统UFO（通过功能优化）【18】。(iii)基于MATLAB工具箱GAOT的遗传算法【19】。2.4 快速建模成型：在这个项目中，综合使用相关处理的软件和硬件，即是所谓的快速建模成型方法。证明了的用SIMPACK编写的仿真模型SIMAT与MATLAB/Simulink模型相联，这样就开发了一个控制器和信号过虑系统，在几个参数变量下，卡车的仿真模型可以优化和调整。实时工作空间工具（在Simulink上叠加而得）直接将Simulink控制器模块图转换成C代码，可以进一步编译和载入控制器硬件。控制台仪器工具可以与运行的控制器实时交互，数据采集及不重新编译下调节参数。总的开发工具建立以后，如图7所示，控制器的开发、纠错和调节周期可以大大缩短。3. 仿真实验：3.1 仿真模型和控制的结合：采用两个基本的车辆仿真模型，实际的被动和可控的1/4车辆模型悬架和3D悬架模型。在驱动轴上装有可控的半主动阻尼器，模型的主要目的是研究垂直方向的动力学特性，因为垂直力在轮胎地面作用力中起主导作用。模型包含有几个子模型：各个机械部分的复合模型、力单元模型（空气或折叠弹簧、被动阻尼、轮胎、半主动阻尼等）、路面激励模型和控制器。尽管采用简化模型以设计和测试控制方法。空间模型一直是都是控制器最后优化和比较的参考模型。整车模型可以在复杂的SIMPACK/Simulink仿真环境下实现。MBS部分用SIMPACK建模，控制器和计算过程在MATLAB/Simulink下实现。EGH控制器参数可以通过在1/4车辆模型上设计，并且在整车悬架系统上得到验证。工作状况指标是动态路面轮胎作用力的时间积分，垂直加速度均方根值根据ISO2631标准来衡量。在试验台上用拖拉机实验时，采用两个不同的仿真环境计算协同因子。在半拖车拖拉机结合的情况下，实验描述如下：越过一个确定性的障碍，余弦值为0.04m高1.29m宽，速度为50km/h越过一个随机的路面，越过沥青路面，速度为50km/h在控制设计过程中，实际1/4车辆模型在这些激励下，而且路面轮胎作用力F10的综合作用效果由一下算式计算： （4）采用这个良，控制器的增益根据MOPO优化方法，采用不同的优化工具箱决定。最初，控制增益选用常数【13】（比如，），但后来在研究中根据阻尼器相对速度采用非线性状态量。最后，将优化所得的参数用于试验台的硬件实验。3.2 仿真结果：四个不同的3D车辆模型相比较，对三个被动悬架采用半主动控制：(i) 一个半拖车拖拉机，后轴的左右侧各装有一个半主动阻尼器。(ii) 装有被动悬架阻尼器的普通半拖车拖拉机 (iii) 装有最软状态半主动阻尼器的半拖车拖拉机（SAD的比例阀常开）(iv) 最硬状态半主动阻尼器的半拖车拖拉机（SAD的比例阀常闭）。图9、图10和表3 说明：控制说明给出了两种仿真状态下的最佳结果。图9（上）描述了始终卡车模型下左右轮胎作用力随时间的变化。第一个峰值下大小相同：轮胎都必须收到突发性路面干扰的影响。之后，随着车轴和车架的振动，不同的悬架作用效果不同。被控的SAD（图线1）对振动衰减的效果最明显，最硬状态阻尼器的效果和被控SAD的效果类似，而最软状态的阻尼器对振动衰减的效果最差，第二个振动的幅度甚至超过了第一个。图9底部给出了动态路面压力因素作为路面破坏的参数： （5）作为路面轮胎力的动态部分，作为静态部分，反映了所谓路面破坏的四力规则的最简单应用。DLSF是一个静态值。表1列出了DLSF的峰值及在包含各种特征峰值的柏油路上行驶的结果（图9上）。表1也给出了动态路面轮胎作用力的标准差。图10和表1说明，车辆在柏油路面上行驶的仿真结果也表明了可控半主动悬架与软状态、普通和硬状态下被动阻尼器作用效果的优越性。硬阻尼下轮胎力最大，对路面破坏也最大，软阻尼器在路况较好的柏油路上和SAD有相似的路面保护性，而普通的阻尼器则是两种状态的折中，然而，其效果比半主动阻尼器差得多。总之，柏油路面激励效果不如余弦坡作用明显，柏油路面下作用非常好。SAD控制下作用的效果随着路面的恶化程度而明显。4. 实验结果：4.1 硬件实现：硬件的实现要确保两个重要的任务：半主动阻尼器的反馈控制和用以计算控制效果数据的采集。控制器的输入由三个信号计算得到，每一个卡车单独驱动轴侧下每一个轴侧和车架的加速度名义值和半主动阻尼器并行的装在悬架上的位移传感器（比如，车辆阻尼器的相对位移），见图4（C）。实验值的计算还另外需要几个传感器。全桥的应变仪安装在后轴上从而调整加速度值和路面轮胎力。而且，卡车在测试路面上的位置由光学传感器测量，用一个磁力传感器装在车轮上测量车辆速度。所有的信号都数字化、过虑、处理和储存。在卡车平台上，有两个Intel80C196微处理芯片控制阻尼（每一侧一个），采用一个装有数据卡的可携带式PC来采集和处理数据。拖拉机和拖车的实现采用一个DSP板，可携带式PC上装有dSPACE DS1102。软件控制台可以DSP板上直接进行参数修改，并为以后计算实现数据接收、可视化和存储。4.2 实验说明：仿真和优化的结果都必须经过实车实验的证明。在实验中，必须考虑几个重要因素。动态路面轮胎力必须可靠地修正。而且必须对统计路面和特殊障碍下地路面轮胎力进行车辆。卡车半主动悬架地动态特性非常复杂。尽管采用很好地非线性仿真模型，反馈还是必须的。必须保证实验的可重复性。一系列的实验验证保证了这一点，这对低速下的被动悬架工