汽車懸架系統的自適應maepping控制設計

支撐是主要的駕駛員減壓裝置。引入支撐系統可以有效提高車輛的坐力。具有控制功能的懸架系統主要有主動懸架和半主動懸架,主動懸架在理論上可以獲得最佳減震效果,但需要較高耗能,且存在結構復雜、成本高等缺點。半主動懸架屬于無源智能懸架,只需調節懸架的剛度或者阻尼系數,即可實現降低車體震動幅值,以達到改善汽車乘坐舒適性的目的。和主動懸架相比,半主動懸架的性價比更高,因而也具有更加廣闊的發展前景。目前半主動懸架研究領域的一類熱點問題就是電流變(ER)阻尼器和磁流變(MR)阻尼器在懸架系統中的應用。與電流變阻尼器相比,磁流變阻尼器具有響應頻率高、阻尼變化明顯、工作電壓低、耗能少、調節裝置結構簡單、成本低等特點,從而倍受汽車生產商的青睞。2003年1月美國通用汽車公司首次亮相的凱迪拉克SRX豪華多功能車率先使用了由Dehpi公司生產的電子控制磁流變實時控制裝置,據稱這是當時世界上反映最快的懸架控制系統。磁流變半主動懸架在帶來優越性能的同時,也由于系統存在的非線性及不確定性而造成控制上的困難。對半主動懸架控制策略的研究中,文獻提出了滑模變結構控制,文獻提出了魯棒控制,文獻提出了模糊控制,文獻提出了LPV(LinearParameterVarying)控制方法,而且多數文獻采用的是1/4車2自由度簡化模型。文中采用更加接近汽車實際震動模型的1/2車4自由度模型,并且考慮了車輛實際運行時,由于車身質量、轉動慣量及車輪剛度變化所引起的參數不確定性,使用自適應Backstepping方法所設計的半主動懸架控制器,即保證了汽車懸架系統的快速穩定性,而且汽車的乘坐舒適性和平順性也得到了明顯改善。1半主動懸架系統數學模型磁流變液(MRF)是將微米尺寸的磁極化顆粒分散溶于絕緣載液中形成的特定非膠性懸浮液體。其動態屈服應力隨磁場強度增加而遞增,在強磁場作用下甚至會出現固態,當外加磁場去除時,MRF又將恢復其流動狀態,表現出了可控的流變性能。以MRF為工作介質的磁流變阻尼器可實現阻尼的連續調節。文獻和文獻中,工作在混合模式下的磁流變液阻尼器所提供的阻尼力由粘滯阻尼力和庫侖阻尼力兩部分組成,其中粘滯阻尼力可通過活塞運動速度vrel確定,而庫侖阻尼力是勵磁電流I的函數,通過改變輸入電流I的大小就能達到控制庫侖阻尼力的大小,從而實現汽車懸架的半主動控制。該阻尼器所提供的阻尼力可以表示為:粘滯阻尼系數為:庫侖阻尼力為:式中:vrel——活塞相對運動速度;sgn()——符號函數;AP——活塞有效面積;N——線圈匝數;R2——活塞外徑;I——磁流變阻尼器的輸入電流;R1——工作缸內徑;η——磁流變液粘度;l——工作缸與活塞之間的間隙長度;K,β——磁流變液的試驗常數。1/2車磁流變半主動懸架系統的模型如圖1所示。假定車身的俯仰角很小,則該系統的動力學方程可以描述為:式中:Ms——簧載質量;zs——簧載質量垂直位移;Is——簧載質量轉動慣量;Mu1,Mu2——非簧載質量;zu1,zu2——非簧載質量垂直位移;K1,K2——懸架剛度系數;Kt1,Kt2——車輪剛度系數;Ce1,Ce2——磁流變液因粘度產生的等效阻尼系數;φ——簧載質量俯仰角(車身俯仰角);lf,lr——前后懸架距車體質心處距離;zr1,zr2——路面激勵信號;FMR1,FMR2——磁流變阻尼器的可控阻尼力。為書寫方便,定義變量:選取狀態變量:x1=zs,x2=φ,x3=zu1,x4=zu2,另外考慮懸架系統中簧載質量Ms、簧載質量轉動慣量Is及車輪剛度Kt1和Kt2會隨著汽車負載和運行環境的變化而變化,為討論方便,定義以下不確定參數:則懸架系統的狀態方程可以描述為:2半主動懸架系統動力系統的虛擬控制定義誤差變量的估計值,i=1,2,3,4。下面采用自適應Backstepping方法逐步進行控制器設計。首先考慮子系統(x1,x2,x3,x4),選取第1個Lyapunov函數:V1沿子系統(x1,x2,x3,x4)的導數為:選取(x5-lfx6-x7)和(x5+lrx6-x8)為子系統(x1,x2,x3,x4)的虛擬控制輸入,令:如果選取:k1和k2為選定的正常數(下文的k3和k4及r1,r2,r3和r4也是這樣),那么:然后考慮整個系統,選取第2個Lyapunov函數:V2沿整個系統狀態方程式(4)的導數為:選取自適應律:選取滿足式(6)和式(7)的FMR1和FMR2:由LaSalle不變集原理可知,在可控阻尼力FMR1,FMR2和自適應律式(5)的共同作用下,該半主動懸架系統的狀態x=[x1x2…x8]T最終趨向于M(M是集合E所包含的最大不變集),即:由系統的實際物理意義可知,x趨向于M也就意味著懸架系統振蕩的結束。只要選擇合理的參數k1,k2,k3,k4及r1,r2,r3和r4就能得到滿意的控制效果。為求解FMR1,FMR2方便,定義:則方程(6)和(7)可以改寫為:求解方程(8)和(9),可得滿足方程(6)和(7)的半主動懸架系統可控阻尼力的FMR1和FMR2的表達式:最后由式(3)可以分別求出磁流變阻尼器的控制電流輸入I1和I2:3汽車車速特性仿真模型懸架系統各參數選取如下:控制器參數和自適應律參數選取如下:根據GB5902—1986《汽車平順性脈沖輸入行駛試驗方法》的規定,采用三角形凸塊對路面脈沖激勵進行描述,規定試驗車速分別為10km/h,20km/h,30km/h,40km/h,50km/h,60km/h。選取等腰三角形凸塊高度H=60mm,寬度B=400mm。假設汽車在距離凸塊前L0處以速度v勻速直線行駛,則汽車前輪的路面脈沖激勵信號的時域描述為:汽車后輪的路面脈沖激勵信號是前輪所受激勵延時Δt=(lf+lr)/v后的時域信號。汽車駛過單凸塊的平順性,用最大的(絕對值)加速度響應對應車速v的關系曲線,即車速特性來評價,加速度越小,汽車平順性越好。半主動懸架和被動懸架汽車的車速特性如圖2所示。假設汽車負載改變,使得簧載質量及其轉動慣量發生變化,另外假設輪胎內溫度變化或者氣體泄露導致車輪剛度系數也發生了變化,變化后的參數為:Ms=500kg,Is=850kg·m2,Kt1=140000N/m,Kt2=120000N/m。保持控制器各參數不變,此時半主動懸架和被動懸架汽車的車速特性如圖3所示。4懸架系統的穩定性使用自適應Backstepping方法