变工况下半主动悬置系统滑模控制特性分析_张明亮.pdf
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1、 ()年 第 卷 第 期 收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目();安徽省自然科学基金项目();安徽高校自然科学基金项目()作者简介:张明亮,男,硕士研究生,主要从事新能源汽车设计研究,:;通信作者 潘道远,男,博士,副教授,主要从事汽车电子控制技术研究,:。本文引用格式:张明亮,李祥,李岚,等 变工况下半主动悬置系统滑模控制特性分析 重庆理工大学学报(自然科学),():,(),():()变工况下半主动悬置系统滑模控制特性分析张明亮,李 祥,李 岚,潘道远,(安徽工程大学 机械工程学院,安徽 芜湖;亚新科噪声与振动技术(安徽)有限公司,安徽 宁国)摘 要:为提高变工况下发动机半主动悬置系统
2、的隔振性能,提出一种基于天棚阻尼参考模型的滑模控制方法。根据牛顿第二定律建立 半主动悬置系统力学模型,以理想天棚阻尼控制系统作为参考模型,引入误差动力学模型进行滑模控制器设计;考虑车辆在行驶过程中切换挡位以及加减速等变工况的影响,建立半主动悬系统仿真模型验证滑模控制的有效性。分析结果表明:半主动悬置系统采用滑模控制后的隔振性能得到明显改善,趋于稳定的时间更短;在相同的挡位切换工况下,随着车速上升,滑模控制改善半主动悬置系统隔振性能随之下降;在相同的车速切换工况下,随着挡位上升,滑模控制改善半主动悬置系统隔振性能随之提高。关 键 词:发动机;半主动悬置系统;天棚阻尼;滑模控制;隔振性能中图分类号
3、:文献标识码:文章编号:()引言随着生活水平的不断提高,人们对车辆的 性能有了更高要求。发动机半主动悬置系统具有结构简单,成本低、能耗少等优点,得到学术界越来越多的关注。邓召学等设计了一种基于流动模式的磁流变悬置,并在启停工况下进行了隔振性能试验,改善了车辆的平顺性。针对混合动力汽车启停时产生的扭矩突变,王道勇等基于悬置系统的设计方法开发了一种半主动阻尼拉杆用于减小发动机启停时的振动。为了提高发动机半主动悬置系统的隔振性能,申玉瑞等提出了一种 控制方法,并利用改进果蝇优化算法对控制参数进行优化。潘道远等提出了一种 优化 控制方法,结果表明系统采用该方法后具有良好的隔振效果。但以上控制方法均存在
4、应用工况单一、抗干扰能力较差等问题。滑模控制在受到参数摄动和外部干扰时具有不变性,在工程领域应用较为广泛。支敬德等提出了一种模糊滑模控制用于挠性航天器姿态机动控制,仿真结果表明该控制方法能够有效抑制附件的抖振。吕振鹏等设计了一种滑模控制器用于汽车半主动座椅悬架控制,仿真结果表明该控制方法具有良好的隔振效果。为了精确控制空气悬架的高度,尹航等提出了一种基于双死区设计的滑模控制方法,并通过仿真验证了控制策略的有效性。滑模控制在车辆悬架系统中的应用日趋成熟,而在发动机悬置系统中的应用鲜有研究报道,这是因为发动机悬置系统的激励频率高、振幅小,且设计空间较小等因素造成。汽车芯片的飞速发展,为滑模控制在发
5、动机悬置系统中的应用提供了可能性。基于此,本文建立 半主动悬置系统力学模型,引入误差动力学模型进行滑模控制器的设计。考虑车辆在行驶过程中切换挡位以及加减速等变工况的影响,建立半主动悬置系统仿真模型验证滑模控制的有效性,为滑模控制在半主动悬置系统中的应用提供理论基础。半主动悬置系统建模 悬置系统力学模型由于半主动悬置系统是一个非线性时变的复杂系统,为了简化求解过程和降低计算量,建立半主动悬置系统力学模型用于控制研究,如图 所示。图 中:和 分别为发动机等效质量和车身等效质量,和 分别为半主动悬置等效刚度和悬架等效刚度,和 分别为半主动悬置等效阻尼和悬架等效阻尼,和 分别为发动机位移和车身位移,为
6、发动机激励,为半主动悬置的可控阻尼力。图 半主动悬置系统力学模型 根据牛顿第二定律对图 中 和 进行受力分析,定义垂直向上方向为正方向,得到系统动力学方程为 ()(?)()()(?)?()选取状态变量 ,其中 ,?,?。输出变量 ,其中为车身加速度,为悬置动挠度。由式()和式()建立的状态空间方程为 ()式中:为状态变量;为状态矩阵;为输入矩阵;为控制矩阵;为扰动输出矩阵;为扰动输入矩阵;为输出矩阵;为状态反馈矩阵。整理得到各矩阵分别为|,天棚阻尼参考模型 教授于 世纪 年代初提出天棚控制理论。天棚控制是一种主动控制策略,其控制性能优越,具有良好的鲁棒性。为获取理想的输出响应,采用一种改进的天
7、棚阻尼悬置系统作为参考模型,如图 所示。图 中:和 分别是天棚阻尼参考模型的阻尼系数,和 分别是天棚阻尼参考模型中发动机和车身的位移。张明亮,等:变工况下半主动悬置系统滑模控制特性分析图 天棚阻尼参考模型 根据牛顿第二定律,得到天棚阻尼参考模型的动力学方程为 ()()()?()选取状态变量 ,?,?。则系统状态方程为 ()其中,|滑模控制器设计基于天棚阻尼参考模型的滑模控制器设计的主要思路是:以理想天棚阻尼控制系统作为参考模型,在实际被控系统与参考模型系统之间建立误差动力学模型,然后设计相应的切换函数和变结构控制律,使系统状态轨迹在有限时间内到达所设计的切换面,实现系统滑动模态运动和渐近稳定性
8、。误差动力学模型根据建立的半主动悬置系统力学模型和天棚阻尼参考模型,定义发动机速度误差、位移误差和位移误差的积分为广义误差矢量,即?()()?()由式()、式()和式()整理,得到误差动力学方程为?()其中,|滑模输出阻尼力滑模运动必须渐近稳定,并且所有控制点在进入滑模切换平面的过程中应具有良好的动态品质。实现对误差矢量进行滑模变结构控制,通过建立的误差动力学方程,采用极点配置方法设计的滑模面为 ()式中:为滑模面;为系数矩阵;为状态变量矩阵。则滑模面导数为?()滑动模态的运动微分方程为()()式中:和 采用极点配置方法求得。为保证滑模面的渐进稳定,运动微分方程的特征根必须在滑模面的左半平面。
9、根据系统性能指标要求计算出运动微分方程的特征根为 ,求得 、,即 。令?,代入式(),得到滑模变结构控制系统的等效控制律 ()()()根据式()、式()和式()整理可得 ()()()(?)(?)()滑模控制的存在性和可达性条件为?()在满足式()的条件下,为改善滑模运动的品质问题,可采用等速趋近律 (),()其中,趋近律中的代表系统运动点趋近切换面的速率。选取合理的值可以加速趋近的过程,降低系统抖振。因此,得到的滑模控制器可控制阻尼力为 ()()对于半主动悬置系统,具有被动约束条件的可控阻尼力为 (),()(?),()(?)()半主动悬置系统仿真模型 仿真模型建立根据滑模控制理论,建立的基于天
10、棚阻尼参考模型的半主动悬置系统滑模控制结构如图 所示。图 滑模控制结构示意图 天棚阻尼参考模型是在理想固定端分别与发动机和车身之间添加天棚阻尼系数。天棚阻尼系数的选取对滑模控制器的控制性能有着非常重要的影响。以悬置系统二自由度力学模型为研究对象,在发动机激励作用下计算出天棚阻尼参考模型中发动机加速度和悬置动挠度的峰值拟合曲线如图 所 示。天 棚 阻 尼 系 数 选 取 初 始 值 为 、终止值为 、步长为 。由图 可知,天棚阻尼系数小于 时,发动机加速度和悬置动挠度的峰值均随天棚阻尼系数的增加而减小;而大于 时,发动机加速度和悬置动挠度的峰值变化不大。考虑发动机加速度和悬置动挠度峰值拟合曲线的
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