機械設計與製造
第７期７０
＆２０１５年７月
汽車磁流變半主動懸架控制策略對比研究
寇發榮，劉
攀，張冬冬
（西安科技大學機械工程學院，陝西西安７１００５４）
摘要：在分析磁流變減振器的結構與原理的基礎上，建立起較為簡化的汽車磁流變減振器數學模型。同時，建立了１／４
汽車半主動懸架系統動力學模型及路面譜模型；分別設計了基於磁流變半主動懸架系統的天棚控制器、地棚控制器、ｐｉｄ
控制器及模糊控制器，並利用軟體進行了**試驗對比研究。在天棚控制策略下，車身加速度降低１６．３２％，懸架動撓度降低１６．９１％；在地棚控制下，車身加速度降低１１．２９％，懸架動撓度降低２．９４％；在ｐｉｄ控制下，車身加速度降低７９％，懸架動撓度反而上公升７３％；在模糊控制下，車身加速度降低２１％，懸架動撓度降低１２％，輪胎動載荷降
低５％。結果表明，模糊控制磁流變半主動懸架有效減小了車身加速度、懸架動撓度、輪胎動載荷，明顯地提高了汽車乘坐
舒適陛和操縱穩定性。
關鍵詞：磁流變減振器；半主動懸架；天棚控制地棚控制；模糊控制中圖分類號
文獻標識碼：ａ
文章編號
一１引言
形成的懸浮液。這種懸浮液能夠在零磁場時保持牛頓流體的特傳統的被動懸架系統由液壓式減振器及彈性元件組成，在
性，在磁場作用下呈現出賓漢彈性流體特陛『１＿。
汽車磁流變半主動懸架系統由磁流變減振器及彈性元件組
汽車行駛時，振動特｝生保持不變，所能達到的減振效果有限。半主成。該系統能夠通過電流的變化控制阻尼力的輸出，具有體積小、動懸架由可調剛度彈簧或可調阻尼的減振器組成，有結構簡單、結構簡單、耐久性好、響應快、能耗低等優點。
磁流變半主動懸架成本較低、可靠性高等優點。文獻『於１９４８年首次提出了磁流變系統同時兼具了主動控制系統較強的適應性與被動系統的可靠
的概念。它是將微公尺級尺寸的鐵磁陛顆粒分散於非磁眭液體中所穩定性，通過軟硬體控制實現，磁流變半主動懸架系統能夠達到
來稿日期
**專案：國家自然科學**面上專案教育部博士點**專案陝西省教育廳科研計畫專項
陝西省自然科學**專案中國博士後科學**
作者簡介：寇發榮，（１９７３一），男，甘肅人，博士研究生，副教授，主要研究方向：車輛動力學、振動控制研究；
劉攀，（１９８９一），男，河南人，碩士研究生，主要研究方向：車輛動力學與控制
第７期與主動懸架相類似的效果田。
寇發榮等：汽車磁流變半主動懸架控制策略對比研究
取狀態向量和輸出向量分別為：＝７１
對磁流變減振器的半主動懸架系統，進行了天棚控制、地棚控制、ｐｉｄ控制、模糊控制等策略的**試驗研究，並進行了對比
分析，確立合適的控制方法。
２磁流變減振器的簡化數學模型
磁流變阻尼器由缸體、活塞、活塞桿、磁流變液及相關的密封裝置等組成。活塞將整個減振器的腔體分為上下兩個腔室，活塞上加工有節流孑ｌ，能夠使磁流變液體在這兩個腔室中來回流動。在活塞邊緣加工有凹槽，凹槽中纏有電磁線圈。
如圖１所示。
式中ｉｍ —非簧載質量；ｍ —簧載質量；一輪胎剛度；一彈性
元件剛度；。一非簧載質量位移；廠簣載質量位移；ｃ『＿－磁流變阻尼器磁流變液阻尼係數；ｑ—路面輸入位移。
可以得到懸架狀態方程：
ｒ．｛柑
ｏ０（７）
當磁流變減振器工作時，活塞在缸體內做往復運動。
其中，ａ＝．ｂ＝
—１０一一
盟ｍ２００—ｃ２—
ｍ２圖１磁流變減振器結構
ｍ２ｆ０ １
ｃ＝１ｏ０
假設上下兩個腔中的壓力均布，磁流變減振器的磁流變液
且 。模式阻尼力兩者的疊加，最終得出混合工作模式下磁流變減振器
的阻尼力表示式為：
不可壓縮，將磁流變減振器的阻尼力看作流動模式阻尼力和剪下ｏｏ。
０魚 ０００
０一式中：７ｉ，—磁流變液的剪下應力；６一凹槽的作用寬度；ａ 缸筒
內活塞的有效作用面積；卜一凹槽的有效長度；礦—磁流變液的粘度；一節流孔的直徑；—缸筒內活塞的速度。由式（１），磁流變阻尼器阻尼力為剪下模式阻尼力與流動模模式阻尼力與缸筒內活塞的運動速度有關；式（１）可變為：一暑音
圖２被動懸架模型
２汽車半動懸架模型式阻尼力的和。剪下模式阻尼力與磁流變液屈服應力有關，流動３．
半主動懸架由可調剛度彈簧或可調阻尼減振器組成，利用
得到方程組圈：（２ｊ牛頓運動定律，
－』＋ｃ『
－０（８）
＋‰式中：、一流動模式阻尼力和剪下模式阻尼力的相關係數。
通過對式（２）的回歸與擬合分析，得到磁流變液磁感應強度與屈服應力之間的函式關係式，表示式為：
一１ｂ＝ｇｎ／／ｈ
ｃｌｍ 札 （叫
取狀態向量和輸出向量分別為：
（３）（４）
＝式中：阱流口周圍磁場強度；—線圈匝數；流變液液
式中：赫一車身加速度；
體的磁導率：—節流口的間隙；卜輸入電流。
根據式（１）～式（４）可知：在不同電流下磁流變減振器輸出阻尼力的表示式 ：
一％ —懸架動撓度；
（一ｑ）一車輪動載荷。
可以得到懸架狀態方程：
３汽車半主動懸架動力學模型
３．１被動懸架模型
根據圖２所示被動懸架模型，通過牛頓運動定律，得到方程絹：｛
【ｙ：ｃｘ＋ｄ＂ｊｏ１
ｏ一１ｏ００一
，ｎ＇柏（９）ａ：．
曰：一ｆ２（ｘ２哦
ｌ０（６）
０一ｍ１
ｎｏ．７７２一
機械設計與製造巫ｍ２
ｊｕｌｙ．２０１５
一—一０
ｍ２—ｃ２—ｍ２１
，ｎ』由表２可知，理想的地棚控制在一定程度上提高了乘坐舒適性，但在汽車操縱『生方面有一定改善。
ｌ０００，ｄ－
０ｏ１４．３ ｐｌｄ控制
ｐｉｄ控制系統能夠根據偏差的變化來調節控制量。ｐｉｄ控制器有三個組成部分，其中比例項影響響應時間；微分項可以減少００
０ｏ３．３不平度路面模型
超調，提高系統的穩定特性；積分項可以提高系統控制精度，改善
路面垂直位移輸人可由譜密度為白雜訊通過積分產生，表
系統的穩態特性。
達式為：
以車身加速度偏差作為ｐｉｄ控制的輸入，目標為減小車身
加速度。**結果，如表３所示。
式中：∞（￡）—單位白雜訊。
表３被動懸架與半主動懸架均方根值
對於ｃ級路面，路面不平度係數為研究中假
設汽車車速為６０ｋｍ／ｈ，生成隨機路面輪廓。
４磁流變半主動懸架控制策略**
４。１天棚控制
天棚控制方法由文獻嘲在１９７４年首次提出。它要求磁流變
阻尼系統提供乙個與車身相較於地面的絕對速度成正比的阻尼
由表３可知，ｐｉｄ控制極大地降低了車身加速度，但懸架動
力來衰減車體的振動。理想的天棚阻尼力為：
撓度反而增大。
ｆ＝－－４．４模糊控制
ｓ－ｃ正：
（１１）
式中：，—簧載質量的絕對速度；
模糊控制是以熟練操作人員或專家的經驗為基礎而進行的
推理，因此具有很強的魯棒性。模糊控制器為模糊控制的核心部ｃ一，
天棚阻尼係數，取值為２０００ｎｓ／ｍ。
通過ｍａｔｌａｂ的ｓｉｍｕｌｉｋ**，得到懸架響應均方根值，如表
分，它的工作步驟為：計算機通過設定時間的資料取樣測得被測
１所示。
量的精確值，將此測得值同給定的參考值相減得到輸入誤差，將表１被動懸架與半主動懸架均方根值
輸入誤差和輸入誤差的導數作為模糊控制器的輸入，對其進行模
糊化變換，根據輸入的模糊控制規則將模糊控制器的輸入量變成
模糊量，最終得到輸入誤差和輸入誤差導數的模糊子集，通過模糊控制規則反模糊化最終得出模糊控制量 。
模糊控制器以簧載質量加速度偏差變化率和加速度偏差作為輸入，以理想的控制力作為輸出，輸入誤差和誤差變化率的範
由表ｌ可以看出，理想的天棚阻尼控制提高了乘坐舒適性，圍均為［一６，６］，輸出控制力的範圍為［＿７，７］。輸入的加速度偏差但它著地性效果不佳，操穩ｆ生能改善不明顯。
變化率、加速度偏差的控制語言值相同，它們是地棚控制
輸出控制當非簧載質量振動增大時，應設定有效的阻尼力以減小非
力的控制語言為
簧載質量的振動，這就是所謂的地棚控制。理想的地棚控制設
所建立的模型，如圖３所示。
想將減振器設定在非簧載質量和某慣性座標之間，理想的阻尼
力為：＝＿ｃ
ｌ（１２）
式中：一非簧載質量絕對速度；ｃ一
．地棚阻尼係數，取值５００ｎｓ／ｍ。
通過ｍａｔｌａｂ中ｓｉｍｕｌｉｋ**，得到懸架響應均方根值，如表
２所示。
表２被動懸架與半主動懸架均方根值
圖３模糊控制模型
最終得到結果，如圖４～圖６所示。被動懸架與半主動懸架均
方根值對比，如表４所示。從表４中可知，模糊控制策略極大地改善了汽車乘坐舒適ｉ生，同時一定程度上改善了操縱穩定陛。
ｎｏ．７
一眥）制最一一一
＾一趟端需踴
一弓耀赫ｑ呈籃辭
２２１ｌ
—ｌｌ２
２ｊｕｌｙ．２０１５
機械設計與製造
㈣眥㈣ｏ㈣ 眥唚
參考文獻
咖湖姍０姍姍咖跚
７３［２］王其東，梅雪晴．汽車半主動懸架研究現狀和發展趨［ｊ］．合肥工業大學
學報：自然科學版
００．５
１１．５
２２．５
３３．５
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５時間ｔ（ｓ）
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表４被動懸架與半主動懸架均方根值對比
［８］吳慧峰．基於模糊控制的汽車主動懸架系統**研究［ｊ］計算機**，
顧海明，趙桂範．基於最優控制和模糊控制的半主動懸架**研究［ｊ］．
５結論通過結構簡化和分析，建立了磁流變減振器數學模型和１／４汽車半主動懸架動力學模型，設計了磁流變半主動懸架天棚控制器、地棚控制器、ｐｉｄ控制器及模糊控制器，並進行了**對比試效果不佳；地棚控制與ｐｉｄ控制提高了乘坐舒適性，但在汽車操縱性方面相對較差。同時，理想狀態的天棚及地棚控制很難實現，
機械設計與製造
驗研究。結果表明：天棚阻尼控制提高了乘坐舒適性，但它著地性［１０］李偉平，柳超，張利軒．模糊ｐｉｄ控制在磁流變半主動懸架中的應用
［ｊ］．機械科學與技術
考慮到模型精度、魯ｊ奉ｊ『生等問題，模糊控制方法響應結果穩定，且總體上效果良好。綜合以上，認為模糊控制策略對於磁流變半主動懸架而言是最好的選擇。
汽車半主動懸架系統發展狀況
2006 04 21 姚嘉伶蔡偉義陳寧 1前言基於經典隔振理論的傳統被動懸架系統無須外部能量輸入，結構簡單，因而獲得廣泛應用，但其只是一種優化折衷方案，不能適應變化的行駛工況和任意道路激勵。主動懸架是一種具有作功能力的懸架，在提高系統效能上具有較大的潛力，但能量消耗大 液壓裝置雜訊大 成本高 結構複...
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玉環縣金峰實業 是微型汽車底盤制動部件 轉向部件的專業生產廠家。自1986年創辦以來，公司本著 質量是企業第一生命 的宗旨，一直從事著各種產品的設計 開發 生產 配套 服務等工作。企業效益不斷增加，產值逐年上公升。隨著生產規模的不斷擴大，以及生產經營的需要，公司於2000年通過了iso9002和美國...
2023年中國汽車半軸套管市場深度調查報告
客服qq 992930161 交付方式 email電子版 特快專遞 紙介版 7000元電子版 7200元紙介 電子 7500元 文章 報告目錄 第一部分市場發展現狀 17 第一章全球汽車半軸套管行業發展分析 17 第一節全球汽車半軸套管行業發展軌跡綜述 17一 全球汽車半軸套管行業發展歷程 17 二...