车辆悬挂阻尼的微机控制北京理工大学章一鸣曾志华金达锋[藕翼]本文在自适应控制理论的基础上，提出了一种车辆悬挂阻尼自动调节的微机控制方法。重点讨论了该系统的模型、执行机构与传感器蹦及整个微机控制系统。最后进行了阻尼微机控制的试验分析与仿真计算，结果表明·该控制系统是可靠的，能使车辆的振动特性得到明显的改善。一、日U 吾车辆振动是影响车辆行驶性能的重要因素，这种振动不仅大大降低了车辆行驶平顺性，也影响其操纵稳定性。车辆振动严重时，还影响其行驶速度}同时车辆振动也是车内噪声的主要来源。因此，研究车辆振动，将其控制到最低水平，具有重要意义。车辆碱振主要是使用车辆悬挂系统，它由弹性元件与阻尼元件共同完成。传统的被动式悬挂系统的阻尼与刚度参数一般是按经验设计或优化设计方法选择，一经选定，在车辆行驶过程中就无法进行调节。由于参数不能任意选择或调节这一缺陷，限制了被动悬挂系统性能的进一步提高。为克服这个缺陷，国外在六十年代就提出了主动悬挂的概念。主动悬挂采用有源或无源可控制的元件组成一个闭环控制系统，根据车辆的运动状态和当前激励的大小主动作出反应，以抑制车体的运动，使悬挂始终处于最优减振状态。其最大特点是能根据外界输入或本身状*的变化进行动态白适应调节。主动悬挂一般可分为全主动悬挂和半主动悬挂两大类全主动悬挂尽管性能非常优越，但结构较复杂，造价较贵，故在我国目前难于实现。半主动悬挂由无源但可控的阻尼元件组成，它是介于全主动与被动悬挂之间的产物。由于该悬挂有与全主动悬挂相近的性能(图I)[1]，又能在工作时几乎不消耗车辆的动力，结构较简单，I”。，．D．图I 被动、主动和半主动悬挂的频率响应一58一故具有较大的应用前景。众所周知，在车辆悬挂中，弹性元件除了用于吸收和存贮能量外，还得承受车体及承载物的重量，因此在无源的条件下，改变剐度要比改变阻尼困难得多。故目前大部分半主动悬挂实际上仅讨论阻尼的控制。本文正是基于这样的考虑，设计并讨论了一种车辆主动悬挂系统中阻尼的微机控制调节系统，以期在实际车辆上加以应用。文中所用符号如下t C——阻尼系统K ——悬挂剐度M：——悬挂质量(簧上质量) 维普资讯
http://www.cqvip.com X。——道路输入‘路面谱) X-——非悬挂质量的位移X ——悬挂质量的位移a；——总的加速度均方根值lK ——轮胎刚度Mt——非悬挂质量二、基本原理与结构框图本控制系统基于自适应控制理论。所谓自适应控制，是指系统的输入或干扰发生大范围l韵变化时，所设计的系统芄蛔允视 肪常*调节系统参数或控制策略，使输出仍能达到设计的要求。自适应控制不是普通的反馈控制系统，它所处理的是具有“不确定性”的系统，通过对随机变量状态的观测和系统模型的辨识，设法降低这种不确定性。控制结果常常是达到一定的控糊指标，即“最侥的控刨被“有效的控制所取代[2) 自适应控制系统按其原理的不同，可分为校正调节器和模型参考自适应控制系统两大类。由于要建立一个精确的“车辆——路面系统模型是裉困难的，故车辆悬挂阻尼的自适应控制采用自校正调节器。图2为车辆悬挂两自由度振动模型，图3为其相应的阻尼自适应控制系统。由于车辆的运行工况和道路输入是随机的，故车辆悬挂系统实际上是一个不确定的系统。在实现悬挂阻尼的白适应调节上，除了考虑悬挂结构的实用性外，关键是要解采实时环境识别和“在线优化”两个问题(3]。笔者在本文中提出了利用车辆系统响应，逐步调节悬挂阻尼至最优值的逐步寻优序列决策控制的思想，并给出了建立在梯度理论之上的控制算法。I址I 圈二自由度振动模型酉3 半主动悬挂阻尼自适应控制系统前面已经指出，目前半主动悬挂的研究仍停留在阻尼的控制上，故在本控制系统中，将剁度设为一个常数。由于对阻尼进行调节时，能影响振动加速度的幅频响Γ*故控制目标放在减小车身垂直振动加速度上。以车身垂直振动加速度的均方根值为控制目标量，记为J—min [E(X≈)) 冬F=E (Xt ) (1) (2) 一50 挈维普资讯
http://www.cqvip.com 根据优化方法中的梯度法，以F的负梯度方向为最优下降方向，可用差分法构造F的负梯度t T= 垦；!· =曼茎；(3) U t+1一U 控制增量为t △u= ul+】一ul=^T <4) 式中迭代步长^可以是确定的，也可以是变化的，但为了避免一维搜索，应取定步长。综台起来，自适应控制策略婚基本步骤为t (1) 给控制信号一微增量，测出指标的增量，按式(3)计算目标的负梯度，(2) 根据算出的负梯度由式(4)计算控制增量，(3) 将该控制信号进入执行机构，改变悬挂系统的阻尼。三、控制系统的模型、执行机构与传感器1．系统模型悬挂阻尼的嫩机控制系统模型如图4所示，采用加速度传感器A采样车身的垂直振动加速度，经A／D转换后以数字信号的形式输入单片微机，经过对目标量的评判，单片机发出揩令，驱动执行机村，从而调节悬挂的阻尼，逐步达到堆优状态。2．系统的执行机构采用电控悬挂时，阻尼的改变可通过两种方法实现t调节减振器节流口大小或改变减振器油裱的粘度。前者结构简单且工作可靠，故是目前研究的重点。节流口大小的调节一般是通过驱动机构的驱动产生，目前常用的驱动机构有电磁铁工作系统和步进电机驱动系统两大类。采用步进电机驱动，具有误差小、控制性能好且结构紧凑的优点。本系统采用可调节流口的减振器和步进电机作为执行机构，如图5。先用的步进电机为75BF001型，为三相反应式，步距角为I．5度，具有良好的性能[4]。l iX】I凰__j 困4 悬挂阻尼微机控制系统模型图s 悬挂阻尼张机控制系统执行机构阻尼可调减振器如图6。可调节流口由空心活塞杆与驱动杆上的两对孔的相对转动产生。其工作原理是t微机向步进电机发出指令，带动驱动秆转动，改变节流口的大小，从而改变一8O一维普资讯
http://www.cqvip.com 了减振暑晕的阻尼。节流口的大小由步进电机控制，而步进电机则可由输入脉冲控制。图7为单片机输出脉冲的程序框图。单片机输出的脉冲直接甩P-并行口输出的TTL电平作为脉冲信号，经驱动电源的电流与功率放大后，驱动步进电机旋转。wm s延时用于控制脉冲宽度，控制步进电机的转角步数。8．量挂曩摄特性捡涓殛其传暮基1．步进电机2．驱动扦3．空心堵塞秆4．语塞图6 阻尼可调减强器图7 单片机输出脉冲信号程序框图前面已指出，悬挂的减振特性是由车身的垂直振动加速度的均方根值来衡量的，因此必须先检测到车身的垂直振动加速度值，然后由单片机对其进行数字信号处理，得到总的加速霞均方根值o：作为评价指标。为对加速度值进行均方根处理，803 1单片机上必须扩展程序存贮器EPRO M(s)。此外，曲于传感器测出的是模拟信号，故必须经A／D转换后才能送入单片机。测量振动加速度的方法有电测法，光学测量法和机械测量法三种，其中电测法灵敏度最高，是目前广泛采用的方法。由于车辆在行驶中环境变化大、条件恶劣，故选用剪切型压电加速度传感器YD一6147，它具有良好的环境特性、低频特性和温度特性，以殛良好的基座应变灵敏度指标。其输出电压u。与加速度x有以下关系(6)t u。一K 譬(6) 可见，可用u。反映出振动加速度x值的大小。’T -61一一一维普资讯
http://www.cqvip.com 四、阻尼微机控制系统及性能试验结果图8 目标量评判过程控制系统的重点是采样后目标量的评判，图8为对目标量的评判过程。记当前的车身振甜加速度均方根值为o I，前一次的值为o t一一，则评判过程为：连续采样i次，求得a I、o i—J，然后根据F=o I—o I—I的符号和大小作出判断，给出控制信号。悬挂阻尼的微机控制系统如图9。采用803l单片机作为控制微机，2764为8k的外部存贮器扩展EPR 0 M，A／D转换器为ADC0804，转换时间为100p．s。为了评定该控制系统对车辆振动特性的跋欤*进行了两组试验，并进行了计算机模拟计算。首先进行了阻尼可调减振器台架试验，试验布置如图l0所示。台架试验的目的是要获得阻尼可调减振器的示功图和速度特性图1 1为-62-囤9 悬挂阻尼檄机控制系统维普资讯
http://www.cqvip.com 三种不同节流口开度时的试验结果对比本试验尽管只做了三种不同开度下的特性曲线，但由这些曲线可以得出如下结论· 阻尼可调减振器能成功地调节阻尼的大小，且调节性能良好，阻尼特性稳定。但也可以看出，当节流口开度增大时．示功图发生了明显的畸多，这可能是油液的泄漏造成，故应加强其密封装置。匝匦重臣圃f兰坚卜f 图lO 阻尼可调减振器台架试验为了解该微机控制系统对振动控制的效果，做了二自由度模型的自适应控制试验，试验模型如图4。试验采用正弦激励作为输入。表1 为三种不同阻尼时模型幅频响应函厂I) 节流口开度(】)小( 中(3)大目儿兰种不厢开度下阻尼可调碱撮器的外特性数的实际测量结果。由表中可以看出，低频时阻尼越大越有利于减振J高频时情况则正好相反。表2给出了不同激励频率和悬挂阻尼时簧上质量的加速度均方根值。表中第四项的值定义为阻尼变化引起响应加速度变化的最大值与最小值的相对比t 用它可表征阻尼对悬挂响应的影响程度由表中值大小可看觯蛔枘岬母谋涠曰缮现柿考铀俣染*方根值有很大的影响。图12为模型的传递函数J图1 3为簧上质量加速度响应。Tranf．Fh"c珈" o／x 2 图工卫模型的传递函数为了便于比较阻尼控制系统与传统悬挂的响应，进行了计算机仿真。绘出的响应曲线如图14、15所示。该仿真计算采用国产BJ663旅行车为例，模型的原始参数为(7)：M l一5 86．5kg M 2—2668．5kg T -63-～碧忙维普资讯
http://www.cqvip.com Kl=3156kgf／cm K：=337kgf／cm 取Cmax=10．549kgf-s／cm C rnln=百1 cmax=l·172kgf’s／cm d-簧上质量加速庄响直)阻尼力的时问历程圉工3 簧上质量加速度响应(一) 1C。l0 a 1 1 ID ± 【0 )簧上质量n口速度响应A VG2 A ：l 一( 阻尼力的时间历程S职困l3 簧上质量加速度响应(= ) 图l4 MI、Ms的位移功率谱密度H H №1 图ls MI、Mt的加速度谱密度从响应谱可见，采用阻尼微机控制系统对簧上质量M z进行抑制后，使其位移响应谱和-64-i I 挂，，，一§ ，’I 自} ～±自．，I』赫ll = 菇＆7 一器五一‖，^ ，_’，，维普资讯
http://www.cqvip.com 袅1 _暑挂阻尼对模型撮动传遵特性的影响激励频率Hz 1．5 2 0．5 3．5 5 悬挂阻尼激励振幅film I2 5 5 5 3 H 1(f) 1．927 1．270 1．270 『1．852 1．603 Hz(f) 1．1Sl 1．49] 1．49] 2．253 1．802 H J(f) 1．048 1 266 1．266 1．469 1．589 山H2Cf) I．306 1．638 1．638 I．648 1．376 H l(f) 1．057 1．234 1 234 1．142 1．448 小H2(f) 1．402 2 085 2．085 I．]34 0．843 寰2 不周阻尼时簧上质■加速度均方根值的嗣■结果：／mm 太由小吊o．624 0 684 0．790 加速度响应谱差不多比传统悬挂的响应要低两个数量级。特别是M 加速度谱密度的降低，意味着车辆加逮度均方根值变小，从而提高了辆的行驶平顺性和舒适性。综台上述试验、仿真结果，可得出如下结沧：悬挂阻尼的微机控制系统能够根据加速度的采样调节系统的阻尼，减少簧上质量的加速度，从而提高车辆的行驶平顺性，同时也发现对阻尼进行调节时，调节过程本身相当于一种激励，这将对系统产生不良影响。因此，作者认为下一步的研究应着重于解决选种不良影响，同时进一步完善执行机构的结构，以期在实参考文献C I)D·M rg。lis，Semi-ActiVe Contr。I。f W kee]Flop in Gr。uad Ve!liclesJVSD，L20_983)，P3I7 330 (2)吴广玉，《系统辨识与自适应控制》下册l987年，哈尔滨工业大学(3)D-C·K 。pp ＆D·Marg。lis JAdaptiVe Suspensi。n Concept s f。r Road VeI e s J VSD 33(198~)，PL45．160 C4)《75BF00I步进电机使用说明书》。1987~ ，常电机电器总厂(5】孙育才《MCS一51》系列单片机原理及#应用》，1987-~，南京工学院(6】郑慕侨，《车辆试验技术》1987年，北京工业学腕C 7)林野，}惘可控咀尼器提高车辆悬挂的减振性能，1986f]~，《北京工业学肮学扳》(下转封四) ，、0 0 。维普资讯
http://www.cqvip.com The-Micro-Processor Control for k Semi—Active Suspension Damping Zhang Yim ing，Zeng Zhih“＆Jin Dafeng ~bstract ．In this'p r，a：mi cro—processor control fo r vehicle semi—acti~ pension dam ping i s presented ba sed upon th e adaptive—control th eb and t_he，虹odei，executing mechanism ＆s en so r of‘he control syst~ discm；s ed as a focal point．At last，mi cro-processor controlling d experiments are mad e and also a imitatin~computation is carried I Experiments and computation shOW that the micro—processog eont．r、C system is feasible．It can improve 岫e vehicl e s Vibration charaeteri (上接第3O页) Road Spectral Analysis of Dingyuan Vehicle Testing Ground ．Yu M ing，Zhao Jihai，W u Halle & Zhu Haoqing Abstract ‘In this paper*the road spectral analysis is applied to the test loeated at Dingyuan Vehicle Testing G round．The 玎atne~s of thesrooad has been dlscrlbed quan“tativelY and therefore the characteri i spectral eonstitution for Dingyuan test road has been found out．Ia tion，e~mparing with the spe ctra of domestic high ways，and Nan~o Hainan vehicle test roads。some conclutjons of Spectral Constitutio Dingy uan test f oad have been obtainted．汽车工程1 990年簟2期第12誊第2期ISSN 1000~ 680X 总簟柏期定价2．8o元国外8．0o~ 本刊代号国内：2—341j 国外．Q l■-1tI-￡ft，}E。．■●r 。I 维普资讯
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