汽车发动机主动悬置振动控制策略研究

潘公宇，景双龙，肖云强

(江苏大学，汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

汽车发动机主动悬置振动控制策略研究

潘公宇，景双龙，肖云强

(江苏大学，汽车与交通工程学院， 江苏 镇江 212013)

为解决发动机振动和路面激励引起的整车振动，提出了一种包含压电陶瓷主动悬置的双环控制。外环控制器主要用来控制发动机的垂直、俯仰与侧倾运动，从而稳定发动机的姿态；内环控制是采用4个独立的控制器分别控制每个压电悬置产生主动控制力，从而抑制路面不平度对车身的干扰。通过逻辑控制器实现内外环的有效连接。仿真结果表明：相比于传统模糊控制和被动悬置系统，主动悬置的双环控制方法能抑制发动机振动和车身振动，提高汽车行驶平顺性。

压电陶瓷作动器；主动悬置；双环控制；SIRMs模糊控制

随着道路交通的发展以及汽车行驶车速的提高，汽车乘坐舒适性成为人们关注的焦点，而发动机作为汽车的动力源所引发的振动越来越被人们所重视。传统的发动机被动悬置已无法满足人们的要求，而主动悬置由于其动态范围宽、响应速度快、功耗低已成为当前研究的热点[1-3]。

目前，国内外学者对于发动机主动悬置控制进行了大量的研究，但主要致力于衰减发动机振动向车架及车身的传递[4]。悬置连接在发动机与车架之间，一方面需要阻止发动机向车架传递振动力，另一方面也要阻止路面不平激励对发动机产生的振动影响。本文将以上2个目的为目标，构建整车主动悬置的双环控制，从而提高汽车整车的平顺性。

1 压电作动器主动悬置模型

1.1 压电作动器特性及压电方程

压电作动器具有良好的机电耦合特性，适合在振动控制作为驱动器[5-6]。厚型压电作动器是由几十个甚至上百个堆叠在一起的薄型压电陶瓷作动器基于力学串联组成的，见图1。

图1 压电堆示意图

根据压电陶瓷的力学特性可以得到压电陶瓷的输出变形和输出力方程[7]：

(1)

式(1)反映了某一压电作动器加载电压、作动反力和驱动位移三者之间的理论关系。

1.2 压电陶瓷作动器的实验研究

本文对压电陶瓷作动器进行的理论分析不能验证压电陶瓷作动器在实际使用中的特性，同时压电陶瓷作动器的使用参数也不能通过理论分析得到。因此，本文建立了压电作动器的实验台，通过一系列的实验来探索压电作动器的特性。

图2 压电作动器实验台架

本实验中使用的实验设备有实验台架、用来给压电陶瓷作动器提供电压的电源、力传感器、位移传感器、数据采集器以及分析系统。经过实验分析可以得出压电作动器力特性曲线，见图3和图4。

图3 压电陶瓷作动器动态输出位移

图4 压电陶瓷作动器动态输出力

从以上压电陶瓷作动器的实验结果可以看出：在主动悬置控制中输出力、动态位移量与电压基本成线性关系。由于控制器输出的控制电压与作动器输出的控制力成比例关系，本文可以直接将控制器输出(控制电压乘以比例系数)视为主动控制力。

1.3 整车主动悬置动力学模型

为改善汽车行驶的平顺性，需要研究适合整车模型主动悬置的控制策略[8]。为此首先建立发动机整车主动悬置动力学模型。为了更全面地了解发动机垂直、侧倾、俯仰和车身的垂直、侧倾、俯仰之间的关系，使主动悬置控制更接近实际情况，建立整车十自由度模型，包括车轮4个自由度，车身垂直、侧倾、俯仰，以及发动机垂直、侧倾、俯仰10个自由度。

图5 整车主动悬置动力学模型

根据牛顿运动学定律可得：

(Ffr+Ffl)c-(Frl+Frr)b+Fθy

(Ffr+Frr)q-(Ffl+Frl)p

(1)

假设发动机和车身都是小范围微振动，所以满足如下方程:

(2)

(3)

(4)

其中：x5、x6、x7、x8为左前、右前、左后、右后悬架垂直位移；x9、x10、x11、x12为左前、右前、左后、右后发动机上悬置垂直位移；x13、x14、x15、x16为左前、右前、左后、右后发动机下悬置垂直位移。

取状态向量和输出向量：

系统输出向量：

Y=CX+DU

(5)

2 整车主动悬置经典模糊控制器设计

2.1 经典模糊控制器设计

模糊控制是近年来迅速发展的新型控制方法，与传统逻辑相比，它能更加全面地分析不准确模型。模糊控制系统的工作原理是把被控对象的误差e以及误差变化率ec作为输入量，确立系统所要的控制规则，通过模糊逻辑推理系统实时改变系统的参数来满足系统的需求。以发动机前左悬置为例(其他3个主动悬置模糊控制器设计方法相似)，其经典模糊控制器是把发动机加速度以及发动机加速度变化率当作控制器的输入，输出的变量为主动控制力。取偏差e和误差变化率ec的论域为[-6 6]，输出变量F的模糊论域取[-7 7]。依据模糊控制器所具有的输入变量与输出变量的大小来划分为7个模糊子集，分别是负大(NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，模糊控制规则如表1所示。

表1 模糊控制规则

2.2整车主动悬置经典模糊控制器结构

整车主动悬置经典模糊控制结构见图6。

图6 整车主动悬置经典模糊控制结构

3 整车主动悬置双环模糊控制器设计

悬置作为底盘与发动机的连接件，一方面它要阻止发动机向车架传递振动力，另一方面也必须要阻止路面不平激励对发动机振动与冲击[9-10]。从汽车振动的本质来讲，车辆的振动是由路面不平度引起的车身振动和发动机自身的振动组成的。因此，所设计的双环控制器(内环和外环)的主要作用，一方面是消除路面激励对车身的干扰，另一方面主要是稳定发动机姿态，降低发动机振动向车身的传递[9]。

3.1 主动悬置内环模糊控制器

内环控制是采用4个独立的控制器分别控制每个压电悬置产生主动控制力，从而抑制路面不平度对车身干扰。

对于经典的模糊控制方法，当变量输入的个数增多时，模糊规则制定难度相应增大，且经典模糊控制模型的每个输入对系统性能的影响是同等的，不能反映出各个输入变量对系统性能影响的大小。而单一输入规则群(SIRMs)模糊控制系统可以有效地解决上述问题。SIRMs模糊控制的原理是将多维模糊控制简化为一维模糊控制，每个一维模糊控制可以视为单一变量的模糊逻辑系统[11]。

将SIRMs模糊控制算法应用到主动悬置系统中，可得到主动悬置控制力:

(6)

根据系统特点及控制经验[13]，当输入变量很大或是较大时，悬置的主动控制力应起到阻碍其增长的作用，即悬置的主动控制力的方向应与输入变量的方向相反，且取较大的阻力值；反之，则相反。各输入变量对应的SIRMs模糊控制规则：

表2 各输入变量对应的SIRMs模糊控制规则

同理，可设计其余3个悬置内环控制SIRMs模糊控制规则，由此4个悬置SIRMs模糊控制器就构成内环控制器。图7为整车左前悬置内环模糊控制器结构，其他3点悬置SIRMs模糊控制器设计方法与左前悬置相似。

图7 左前悬置基于SIRMs内环模糊控制器结构

3.2 外环控制器设计

外环控制器主要是稳定发动机的姿态，因此可以设计发动机的垂直、俯仰与侧倾运动3个控制器。外环控制器基本结构如图8所示。

3.3 逻辑控制器设计

内环控制器输出的是4个悬置的主动控制力，外环控制控制器输出发动机3个控制力，均只能通过压电悬置产生，为了实现内外环的协调控制，需要将外环控制产生的发动机垂直、侧倾、俯仰控制力有效地分配到4个悬置中[13]。

由于发动机的振动是垂直、侧倾、俯仰振动的合成，因此发动机半主动控制应该包含3种模式，如图9所示。

图8 外环控制器结构

图9 发动机垂直，侧倾，俯仰振动示意图

根据力的合成，可以得到4个悬置的控制力：

ffr=-u1+u2+u3,ffl=-u1+u2-u3

frl=-u1-u2-u3,frr=-u1-u2+u3

因此，外环控制器跟逻辑控制器连接如图10所示。

图10 外环模糊逻辑控制系统框图

将内环控制力与外环控制力相叠加，得到了整车双环控制力。基于整车发动机主动悬置双环控制结构如图11所示。

图11 整车发动机主动悬置双环控制

4 系统仿真

为了验证所设计的双环控制器的有效性，现对20 km/h车速的车辆进行仿真。在设计双环模糊控制算法时，须考虑如何使两种控制算法具有更高的可比性。由于经典模糊控制算法中各个模糊推理方法为简略模糊推理方法，因此设计的双环模糊控制算法也采用简略模糊推理方法，其参考输入、归一化因子以及模糊隶属度函数设计与 SIRMs 模糊控制算法一致。整车参数选用如表3所示。

表3 车辆相关参数

仿真结果如图12～16所示。

图12 发动机质心加速度响应

图13 发动机俯仰角加速度响应

图14 车身质心加速度响应

图15 车身俯仰角加速度响应

图16 悬置动行程响应

从表4可以看出：相比于被动悬置和模糊控制，整车双环控制在发动机、车身振动加速度方面有显著改善，可以提高汽车行驶的平顺性[14-15]。

表4 仿真结果比较

5 结束语

为了改善汽车行驶的平顺性，设计了一种包含压电陶瓷作动器的主动悬置系统，并提出和研究与之匹配的整车双环控制策略。随机路面仿真结果表明：压电主动悬置能显著抑制发动机和车身振动，提高汽车行驶平顺性和舒适性，也为以后的主动悬置实车实验提供理论基础。

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(责任编辑刘 舸)

ResearchonActiveMountVibrationControlStrategyofVehicleEngine

PAN Gongyu, JING Shuanglong, XIAO Yunqiang

(School of Vehicle Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

In order to solve the vehicle vibration caused by engine vibration and road surface excitation, a double ring control with active suspension of piezoelectric ceramics is proposed.vThe outer ring controller is mainly used to control the engine of vertical, pitch and roll motion to made the engine’s posture stable;And the inner control is controlled by four independent controller respectively each piezoelectric active control suspension, which can inhibit the road surface roughness on the body. And the inner and outer ring are effectively connected by logic controller. The simulation results show that the double ring control can reduce the vibration of the engine and improve the ride comfort of the vehicle compared with the traditional fuzzy control and passive mount.

piezoelectric ceramic actuator；active mount；double ring control；SIRMs fuzzy control

2017-07-02

国家自然科学基金资助项目(51375212)，江苏省六大高峰人才资助项目(2103ZBZZ024)

潘公宇(1965—)，男，江苏镇江人，教授，主要从事汽车底盘振动方面的研究；通讯作者 景双龙(1992—)，男，河南开封人，硕士,主要从事发动机主动悬置控制研究，E-mail:122147235@qq.com。

潘公宇，景双龙，肖云强.汽车发动机主动悬置振动控制策略研究[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(11):1-8.

formatPAN Gongyu, JING Shuanglong, XIAO Yunqiang.Research on Active Mount Vibration Control Strategy of Vehicle Engine[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):1-8.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.001

U463

A

1674-8425(2017)11-0001-08