1、第四章 车辆垂向及综合运动控制4.1车辆悬架控制4.2车辆防侧翻控制4.3车辆综合运动控制 思考题第四章 车辆垂向及综合运动控制4.1车辆悬架控制4.1.1车辆悬架模型1.全车辆悬架模型 为方便理解,先从九自由度全车辆模型开始。为了研究与测量方便可选取九个特殊的垂直位移作为自由度,具体为四个车轮轴头、四个悬架节点以及簧上质心垂直位移,如图4-3所示。图4-3九自由度全车辆悬架模型2.半车辆悬架模型 在低频路面激励下,车辆的左右轮输入基本一致,考虑到车辆通常左右对称,可认为车辆左右两侧运动完全相同;在高频路面激励下,车辆所受的激励大多只涉及车轮跳动,对车身运动影响小,车身左右两边的相对运动可以忽
2、略,这样就可以将九个自由度的模型简化成线性四自由度模型的半车辆悬架模型,如图4-4所示。图4-4中,ms为车身质量;Ib为转动惯量;muf、mur分别为前后车轮的簧下质量,均被限制在垂向运动;Ff、Fr分别为前后轮作动器产生的作用力;a、b分别为车身质量的质心到前后轴的距离;路面对轮胎、轮胎对车身、车身的位移分别用zsf、zsr、zuf、zur、z2、z4表示;为车身质心处俯仰角;zs为车身质心处垂向振动。图4-4半车辆悬架模型3.1/4车辆悬架模型 用一个动力学等效系统来代替图4-4所示的半车辆悬架模型,就完成了两自由度的1/4车辆悬架模型的简化过程,如图4-5所示。图4-5两自由度1/4车
3、辆悬架模型4.1.2路面模型 不同路面之间的区别主要在于路面粗糙程度的不同,一般用路面不平度Gq来表示。根据国际标准组织在ISO/TC1-08/SC2N67文件,可将路面功率谱密度表示为式中,n为空间频率;n0=0.1m-1为参考空间频率;Gq(n0)为路面不平度系数;w为频率指数,通常取值为2。车辆行驶时不仅需要考虑路面不平度,还要考虑车速带来的影响,因此需要使用时间频率来代替空间频率。使用u表示车速,则空间频率n和时间频率f之间的关系,可以表为则可将式(4-26)改写为时间谱密度Gq(f),其表达式为式中,为路面不平度系数,其取值范围随路面等级的不同而不同。4.1.3悬架控制方法1.主动悬
4、架的控制原理 主动悬架一般有三种类型,液压主动悬架、气压主动悬架和电磁式主动悬架。(1)液压主动悬架 以实车液压主动悬架为例加以说明,如图4-6所示。图4-6液压主动悬架a)主动悬架液压系统b)主动悬架控制系统2.主动悬架的控制算法 主动悬架研发主要包括悬架结构设计和控制算法设计。悬架结构设计必须与控制匹配才能达到其最佳性能,因此,主动悬架的控制算法变得尤为重要。目前主动悬架控制算法包括模糊控制、神经网络控制、鲁棒控制、自适应控制、遗传算法控制、最优控制及复合控制等,控制策略分类框图如图4-8所示。图4-8控制策略分类框图4.2车辆防侧翻控制4.2.1影响车辆侧翻的参数图4-16影响车辆侧翻的
5、参数(图中:CGu为簧下质量重心,CGs为簧上质量重心。)4.2.2车辆防侧翻系统控制 防侧翻系统控制不仅考虑垂向控制,也引入了转向和制动控制,实际上是车辆的横向、纵向和垂向的综合控制,如图4-17所示。在控制过程中当车辆处于侧翻临界点以内,也就是意味着只要|R|在阈值 之内,紧急制动控制和紧急转向控制就不会被激活,其中阈值取侧翻系数R的最大值。当|R|临近阈值 时,即当汽车有侧翻趋势时,从式(4-36)可以看到,要想减小侧翻的风险,必须减小侧翻加速度,而车辆在稳态转弯时的横向加速度ay,s=2,其中为轨道曲率。所以减小侧翻加速度则可以通过减小转向曲率或车速来实现。此时紧急制动系统启动,通过给
6、制动力fx,d来减小车辆的速度,同时转向控制系统也启动,它的作用是调节曲率(如适当减小转弯半径)从而减小R值,来实现防侧翻系统控制。实践证明,车辆防侧翻控制方法对于重心高的车辆特别适用,如货车、公交车等。图4-17防止车辆侧翻的控制框架图4.3车辆综合运动控制4.3.1横-纵向综合控制 横-纵向综合控制主要考虑了横向、纵向运动的非线性和轮胎横向、纵向力的耦合和冗余特性,比起单一方面控制,有效地提升了系统的整体性能。图4-18所示为一种由协调控制律和控制分配律组成的横-纵向综合控制方法。图4-18横-纵向综合控制结构框图4.3.2横-纵-垂向综合控制 只基于横-纵向综合控制而不考虑垂向控制的研究
7、,或者基于横-纵向综合控制并采用经验工况划分和简单分配等人为解耦方法的垂向控制研究,都难以最大限度地提升车辆的性能。而建立统一的横-纵-垂向综合控制可以在进一步改善车辆行驶姿态的同时,还大幅度增强操纵稳定性和车辆行驶的平顺性。图4-19所示为一种分层式的横-纵-垂向协同优化控制系统,包括对上层行驶期望目标策略的制订、对中层横-纵-垂向协同优化方法分析和对下层执行控制策略的制订。图4-19横-纵-垂向协同优化控制结构框图 综上所述,智能车辆为非完整运动约束系统,具有高度非线性动态特性、强耦合以及其执行机构(轮胎)存在冗余等特点,单一方面的控制必然导致控制目标和执行结果出现冲突,横-纵向综合控制也难以大幅度提升车辆运行性能。因此,如何设计高品质的横-纵-垂向综合运动控制也成为实现智能车辆安全、舒适、节能与环保综合行驶性能的重点和难点,具有重要的研究意义。思考题谢谢THANKS
