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1、基于磁流变技术的整车姿态协调控制余淼董小闵廖昌荣陈伟民( 重庆大学光电技术及系统教育部重点实验重庆4 0 0 0 4 4 ；重庆大学智能结构中心重庆4 0 0 0 4 4 )要：将汽车视为快速移动的机器人，为了在高速行驶中的保持其平稳姿态，设计了一种分姿态协调控制的仿人智能控制嚣。根据整车动力学模型的仿真结果，划分了八种可能出现的运动姿态，利用人的控制经验针对每种姿态采用不同的控制策略，调节四只磁流变减震器的阻尼力和附加刚度，衰减路面引起的冲击振动经过规则优化和参数整定，道路试验结果与仿真结果相吻合，基于磁流变技术的半主动悬架使高速行驶汽车的垂直振动得到了降低，侧倾和俯仰运动得到了抑制，提高了
2、车辆行驶的平顺性和安全性关键词；汽车；半主动悬架；姿态控制；磁流变技术A t t i t u d eH a r m o n yC o n t r o lo fF u l lC a rB a s e do nM a g n e t o - - R h e o l o g i c a lT e c h n o l o g yY uM i a oD o n gX i a o m i nL i a oC h a n g r o n gC h e nW e i m i n( C o l l e g eo f O p t o E l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g
3、C h o n g q i n gU n i v e r s i t y , C h o n g q i n g ，4 0 0 0 “，C h i n a )A b s t r a c t ：F u l lc a rm o d e lc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n e eo fr o l lm o t i o ni se s t a b l i s h e d T h ee i g h tm o t i o na t t i t u d e so fv e h i c l eo nt h er o a da r ei d e n t i f i
4、e d Ac o r r e s p o n d i n gc o n 仃o lm o d a li Sa d o p t e dt oe a c hm o t i o na t t i t u d e a n dh u m a ns i m u l a t e di n t e l l i g e n tc o n t r o l ( H S I C ) i Sd e s i g n e d T ov e r i f yt h ec o n t r o ls t r a t e g y , s i m u l a t i o na n dr o a dt e s ta r ea l s oc
5、 a r r i e do u t T h er e s u l t so fr o a dt e s ta r es i m i l a rt ot h o s eo f s i m u l a t i o n T h es e m i a c t i v ev e h i c l ew i t hm a g n e t o r h e o l o g i c a l ( M R ) d a m p e r sC a l lr e s t r a i nt h ev e r t i c a lv i b r a t i o n ，r o l lm o t i o na n dp i t c
6、hm o t i o n ，a n da c h i e v eb e t t e rf i d ec o m f o r tc o m p a r e dw i t hp a s s i v ev e h i c l e K e y w o r d s ：a u t o m o b i l e ；s e m i - a c t i v es u s p e n t i o n ；a t t i t u d ec o n t r o l ；m a g n e t o r h e o l o g i c a lt e c h n o l o g y引言1 整车分姿态协调控制的仿人智能控制器由于路
7、面不平和转向，高速行驶的车辆会受到冲击与振动，引起姿态改变，甚至造成倾覆。传统的被动悬架难以满足各种工况，主动悬架和半主动悬架技术逐渐被采用以提高车辆行驶的平顺性和安全性。近年来，由于磁流变技术的快速发展，磁流变阻尼器成为半主动悬架研究的热点，国内外均有实验样车出现。由于磁流变半主动悬架系统是一个存在时滞与小确定因素的复杂非线性动力学系统，控制策略的设计极富挑战性，从经典的天棚控制、最优控制到智能控制如模糊控制、神经网络控制不断地被应用于仿真研究【2 】【3 1 ，但在实车路试中往往不能取得仿真中所预言的控制效果【4 l 。在前期研究中，重庆大学智能结构研究中心对一些半主动控制算法进行了大量的
8、仿真和试验研究，发现仅采用种半主动控制策略，难以取得好的综合效果。为了进一步提高半主动悬架的控制效果，本文将基于动觉智能图式的仿人智能控制理论【5 】引入汽车半主动控制中，视汽车为移动的机器人，将汽车运动姿态划分为八种，对每种运动姿态采用不同的控制策略。议计汽车在行进中，受路面激励或驾驶员操纵呈现垂直振动、俯仰以及侧倾的一种、两种或两种以上的运动耦合，从而呈现不同的运动姿态，而磁流变半主动悬架的控制目标是尽量衰减这些运动，调整车辆的运动姿态，提高车辆的舒适性。要达到这一目标，采用单一控制模态比较困难，因为不同的运动姿态控制的重点不同，需要探索针对汽车不同运动姿态的多模态控制。通过大量的仿真和试
9、验研究，我们把汽车行进中的运动姿态划分八种( 如图1 ) ，图i 汽车行进中姿态的划分本项目由国家自然科学基金( N 0 6 0 4 0 4 0 1 4 ) 和重庆市院十基金( 0 2 7 7 5 4 )嚣鑫凳篙要；i ；嚣盒暑熬豢；瓷霆蔷弩篱爻裂鉴嘉人副教授第一种运动姿态为控制的一E t 标，车身的姿态变化较小，研究方向为智能机械结构系统、智能控制与仿人智能控制弟一柙还明娶念刀控制州怀，牛坷H u 簧芯艾。儿歌7 J 3 3 7舒适性和操纵稳定性都能得到保证，采用开环保持控制策略，第二一八种运动姿态是由于路面的激励或驾驶员操纵引起垂直振动、俯仰以及侧倾运动中的一种或几种的耦合，采用天棚控制与
10、比例微分控制策略相结合。为了对不同运动姿态进行相应的控制，设计基于整车分姿态协调控制的仿人智能控制器。仿人智能控制理论认为，智能控制器具有由“环境模型”、“身体模型”和“轨道模型”组成的“内部模型”。仿人智能控制器依据自身的内部模型。完成对复杂系统的控制。仿人智能控制器内部模型由具有多控制器和多控制模态的动觉智能图式组成。参照仿人智能控制器的设计方法【6 l ，设计感知图式以提取车身的运动姿态，针对车身不同运动姿态的控制目标设计不同的运动控制图式，进而为协调运动图式之间的耦合和切换，设计关联图式。一个适用于复杂系统运动控制的仿人智能控制器的内部模型，即动觉智能总图式可以用三元组给予描述； SK
11、 G = ( 8 )式中：品感知图式集，如运动图式集，甄关联图式集。分层递阶结构的总的动觉智能图式突破了传统控制单控制器单控制模态的结构，构成了具有多控制器和多控制模态的结构。第八种运动姿态存在三种运动的耦合，设计过程具有代表性，因此以第八种运动姿态为例，说明动觉智能图式的设计过程，其它运动姿态的动觉智能图式可以采用相似的方法进行设计：1 1 痘知图式特征基元的选择是为了正确提取车身的姿态，并采用不同的控制模态。特征基元集如下：S P l = ( e 8Q 8 ，K 8 ，0 ，m )( 9 )其中，输入变量R s 为传感器输入，特征基元Q 8 的选取主要考虑如何有效地提取车身的姿态：Q =
12、绣l l z b , 4 ，le t 磊，I 炒磊，q 2Iz z O I q 410 0 ( 1 q 6I 愀Q 劬I 卿p 0 ( 1 0 ) LJ式中t ，磊，屯为阈值参数，可以在试验中加以调征基元的向量，各个元素取值。或1 7 。8整。定义运算圆：K s 固Q 8 = q i k ，最终得到的感知特征基元组合时，考虑到出现第八种运动姿态后，是继渊- J 2 1续偏离还是趋向于参考目标位置，关联矩阵作如下设置：特征模态如下：K 8 = 忙1 ；七8 ，其中k i O = 1 ，。，8 ) 对应于Q 8 每个特 8 = K 8 Q 8 = 磊I IZI t ，10I 磊，I 缈I 磊，ZZ
13、 皖，10I 磊，If aI 瓦，ZZ o ，秒口o ，缈伊o 1 2 运动图式S 肘8 = ( R 8 ，最，厶，L ，U 8 )( 1 2 )当出现第八种运动姿态后，由于存在三种运动的耦合，而控制输入仅四支磁流变减振器的可调阻尼力，为此先分别计算抑制垂直、俯仰以及侧倾运动各自的控制力方程。然后进行解耦，具体做法如下：( 1 ) 抑制垂直振动根据感知图式将垂直振动分为两种情况进行处理，一种是当车身趋向予设定的目标位置时，采用天棚阻尼控制，以提高平顺性能：3 3 8+ + + = 一c 虮z( 1 3 )式中C 晰一：为抑制垂直振动的天棚阻尼系数，确定该系数的原则是使垂直振动在谐振频率处具有较
14、小的车身对车轮的传递幅值。另一种情况是当偏离设定目标位置时，采用比例微分控制，以使车身能够快速地恢复为设定的目标位置。+ + + = K p - z Z + K 把Z ( 1 4 )式中K 口一：及K d 一：分别为抑制车辆垂直振动比例和微分增益系数，同样确定两个增益系数的原则是使垂直振动在车身的共振频率处具有较小的车身对车轮的传递幅值。( 2 ) 抑制俯仰运动和侧倾运动为了抑制俯仰力矩引起的车身姿态变化，与垂直运动的处理方法相类似，同样可以分为两种情况加以处理，当趋向设定的目标位置时：一口一口+ 易+ 6 = 一c 啦呻缈( 1 5 )当偏离设定目标位置时：一口一口+ 6 + 6 = K 删
15、缈+ K d 岬伊( 1 6 )上述两式中，C 咖一妒为抑制车身的俯仰振动的天棚阻尼系数，K p 一尹和K d 一妒分别为抑制车身的俯仰振动的比例和微分增益系数，确定这三个参数的原则是使车身的俯仰运动在谐振频率处具有较小的幅频特性。同理可计算抑制由侧倾力矩引起的侧倾运动，当趋向设定的目标位置时：i W 一詈+ 詈一詈= 一一p 台( 1 7 )当偏离设定目标位置时：F 删E 2 一詈+ 詈一詈= K 印秒+ 配却刍( 1 8 )上述两式中，C 咖一口为抑制车身的侧倾运动的天棚阻尼系数，K 。埘和畅一口分别为抑制车身的侧倾振动的比例和微分增益系数，确定这三个参数的原则是使车身的侧倾运动在谐振频率
16、处具有较小的幅频特性。( 3 ) 各磁流变减振器所需控制力解耦由于需要确定四支磁流变减振器的阻尼力，而由( 1 )及( 2 ) 分析只能得虱 - - - 个方程，无法求解，因此需补充条件。如不考虑车身的扭转，可补充以下方程：i 1 4 一詈一詈+ 詈= oc 9 ，如垂直、俯仰及侧倾三种运动都趋向设定位置即与特征模态访相对应的控制力方程组为：+ + + = 一一：z一F d f l a f 妒口+ ，0 易+ ，0 易= 一c 咖一伊矽詈一詈+ 争詈= 一c 妒一刍i W 一詈一詈+ 詈= o( 2 0 )由上述方程组可分别求解出与特征模态识相对应的3 3 9四支磁流变减振器所需的控制力向量P l = ( ，) 1 ，采用相同的方法，可以依次计算出其它特征模态对应的控制力向量，最后构成由八个基元向量组成的运动图式基元集：只= P 1 ，
