双菱形仿袋鼠腿悬架的PID和Fuzzy-PID控制特性研究_宋勇.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 国家自然科学基金山西省科技平台项目 山西省自然科学基金 山西省 工程重点学科建设计划 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 宋勇 男博士讲师 年生 通信作者 智晋宁 男博士副教授 年生 双菱形仿袋鼠腿悬架的 和 控制特性研究 宋勇 杜锐 李占龙 燕碧娟 章新 连晋毅 智晋宁 太原科技大学 机械工程学院山西 太原 摘要为改善传统车辆悬架的性能借鉴自然进化而来的袋鼠腿部结构提出一种双菱形仿袋鼠腿悬架为研 究该悬架的行为特性采用 方程法推导其动力学模型基于动力学模型分别设计其 和 控制器在 环境下建立其被主动仿真模型并开展特性仿真与分析研究发现 被主动模式下车身垂向加速 度悬架动挠度及轮胎动位移均方根随着车速和路面等级的增加均有所增加且在允许范围内 不同路面等级下随着 车速的增加被主动模式的车身垂向加速度传递率数值基本相同均呈单调递减趋势如被动模式的车身垂向加速度 传递率在 之间变化但主动模式优于被动模式 控制优于 控制约下降 不同路面等级下随着车速的增加被主动模式的轮胎动位移传递率数值均增加但其增加率呈下降趋势从传递率 数值上看主动模式明显优于被动模式约减少 高车速时下降明显但 控制与 控制效果基本 相同 由车身加速度悬架动挠度和轮胎动位移传递率频响特性可知双菱形仿袋鼠腿悬架有两个峰值第一个峰值在 附近第二个峰值在 附近主动控制下悬架的舒适性和稳定性均优于被动悬架 较 控制效果 更佳研究结果表明所提悬架的结构设计合理方案可行该悬架具有良好的路面适应性高速舒适性和稳定性这些 特性与袋鼠腿的运动特性相吻合验证了该研究思路的正确性和控制方法的有效性 关键词悬架双菱形仿袋鼠腿结构 控制 控制 中图分类号 文献标志码 车辆悬架系统的主要作用是减小路面不平所造成 的振动冲击提高乘坐舒适性和操纵稳定性 传 统被动悬架的刚度阻尼参数通常经选定后不能改 变故其性能有限主动悬架能够随着路面和车速的 变化自动调节悬架参数性能优良但其控制成本高 结构复杂可靠性差应用较少然而随着各种探险 车辆全地形车辆及非路面车辆的研发与应用车辆悬 架系统的路面适应性要求尤为突出随着人们对车辆 舒适性和安全性要求的日益苛刻悬架设计面临着严 峻的挑战因此研究一种具有良好路面适应性舒 适安全的高品质悬架已成为当前车辆研发的一个重 要课题 仿生学是一门交叉学科将生命科学与机械材料 和信息等学科相结合为技术创新提供了新的思路和 方法并有效解决了许多复杂工程问题受此启发 本文试图运用仿生学原理设计一种仿生悬架并探讨 其有效的控制算法以实现其结构与功能的协同仿生 众所周知袋鼠在澳大利亚分布广泛可跳跃行走 于各种地面在其跳跃中袋鼠以较低的地面要求 保持低能耗的高速运动并且运动稳健 由于其 特殊的腿部结构袋鼠自身几乎没有振动袋鼠跳 跃的这些特点引起了许多关注和研究报道 如 公司制造了一种名为 的仿袋鼠机 器人 等进行了仿袋鼠跳跃运动控制策略 和实验的研究虽然目前有关袋鼠跳跃的研究已经取 得了许多成果但是这些研究主要侧重于袋鼠机器人 的跳跃和行走功能的改进 本文注意到袋鼠腿在着陆和起跳过程中具有优良 的缓冲性能跳跃时具有良好的路面适应性高速行进 时具有良好的稳定性这些特性与车辆悬架的性能要 求不谋而合故基于上述分析本文提出了一种双菱 形仿袋鼠腿悬架 并将其应用于车辆中此外 由袋鼠可在复杂地形上快速稳定地跳跃行进知袋鼠 的运动控制表现出简单快速自适应的特点该特点与 的控制特性相似因此本文为双菱形 仿袋鼠腿悬架设计了 和 控制器探讨其 控制特性并验证控制方法的可行性与有效性 双菱形仿袋鼠腿悬架结构的构建 由文献 可知袋鼠大腿长度约占腿部总 长度的小腿长度约占腿部总长度的而整 个脚趾长度约占即袋鼠小腿长度约为大腿长度 的两倍足部去除脚跟部分后其长度与大腿长度近 似故本文将袋鼠腿骨骼结构等效为 的三连 杆结构大腿骨连杆小腿骨连杆足骨连杆考虑 到袋鼠后退时腿部运动不够协调与稳定减振性能较 差的问题将两个三连杆结构正反装并交叉布置成菱 形结构如图所示将袋鼠腿关节髋膝踝简化为 铰接结构将袋鼠大小腿足部肌腱的弹性储能功能 等效为大小腿足部肌腱弹簧其作用通过大腿骨连 杆与小腿骨连杆小腿骨连杆与足骨连杆的弹簧阻尼 器来模仿将袋鼠腿部肌肉力等效为肌肉力发生器构 建出双菱形仿袋鼠腿悬架的工程缓冲结构 其具 体结构形式见图 图双菱形仿袋鼠腿结构演变 该悬架设有被动主动两种工作模式当悬架为被 动模式时肌肉力发生器输出力为当悬架为主动 模式时肌肉力发生器输出力不为当车轮受到 路面的冲击振动时横向布置的弹簧阻尼器与纵向布 振 动 与 冲 击年第卷 置的弹簧阻尼器协同工作吸收振动缓和冲击 车身 大腿骨连杆 大腿骨连杆小腿骨连杆弹簧阻 尼器 小腿骨连杆 小腿骨连杆足骨连杆弹簧阻尼 器 肌肉力发生器 足骨连杆 车轮 图双菱形仿袋鼠腿悬架结构简图 为了探讨双菱形仿袋鼠腿悬架的综合性能选取 中大型车辆为应用对象设定悬架静平衡离地高度为 悬架的最大压缩与回弹行程为 和 簧载质量为 悬架的杆长结合车身 静平衡位置和悬架行程来确定杆的质量根据杆长及 其强度估算减振弹簧刚度和阻尼器的阻尼系数由上 述已知参数采用 运动学分析及 仿真 试算确定本文的悬架设计参数如表所示 表悬架设计参数 参数数值 车身与大腿骨连杆总质量 小腿骨连杆总质量 足骨连杆与车轮的总质量 大腿骨连杆与小腿骨连杆之间弹簧刚度 小腿骨连杆与足骨连杆之间弹簧刚度 大腿骨连杆与小腿骨连杆之间阻尼器的阻尼系数 小腿骨连杆与足骨连杆之间阻尼器的阻尼系数 小腿骨连杆与足骨连杆之间减振弹簧刚度 足骨连杆相对地面的初始角度 大腿骨小腿骨足骨连杆长度 双菱形仿袋鼠腿悬架动力学控制建模 双菱形仿袋鼠腿悬架振动模型如图所示假设 各个连杆的质量均匀且都为刚性结构车身以及各个 杆件的质量都集中在质心各连杆之间为相对转动且 无摩擦力的作用忽略轮胎阻尼建立 双菱形仿袋 鼠腿悬架模型 分别为车身与大腿骨连杆 的总质量小腿骨连杆的总质量足骨连杆与车轮的总 质量 分别为大腿骨连杆与小腿骨连杆之间减 振弹簧刚度小腿骨连杆与足骨连杆之间减振弹簧刚 度及轮胎刚度 分别为大腿骨连杆与小腿骨连杆 之间阻尼器的阻尼系数和小腿骨连杆与足骨连杆之间 阻尼器的阻尼系数为足骨连杆相对地面的任意角 度 为足骨连杆相对地面的初始角度 图双菱形仿袋鼠腿悬架振动模型 采用 方程建立双菱形仿袋鼠腿悬架的动 力学模型取 的位移 为三个独立 变量悬架动力学方程为 式中为系统总动能为系统总势能为系统的耗 散能 为系统的广义坐标 为对应于广义坐 标 的广义力 由双菱形仿袋鼠腿悬架振动模型图拉伸行程图 压缩行程图可得系统的总动能为 图拉伸行程伸长量 系统的总势能为 第期宋勇等双菱形仿袋鼠腿悬架的 和 控制特性研究 图压缩行程压缩量 槡 槡 式中为随机路面不平度激励 系统的耗散能为 其中 槡 将式 代入式可得双菱形仿袋鼠腿悬架系 统的动力学方程为式 槡 槡 式中为肌肉力发生器输出力它的输出特性由控制 器的控制算法来确定 由式 的表达式可知该悬架结构存在角 度和位移速度的非线性耦合关系从式 的 阻尼项可以看出角度速度及位移间有较强的非线性 耦合这种耦合与悬架系统的结构和运动密切相关为 悬架参数的动力学解析求解带来了困难故本文采用 仿真方法进行数值求解 双菱形仿袋鼠腿悬架仿真建模 随机路面模型的建立 路面激励采用滤波白噪声法得到其模型为 槡 式中 为路面空间下截止频率为参考空间频率 为路面不平度系数为车辆速度 是均值 为的 白噪声信号路面仿真模型如图所示 仿真结果见图 图路面仿真模型 图路面仿真结果 双菱形仿袋鼠腿悬架被动模型 由式 在 中创建双菱形仿袋鼠 腿悬架的被动模型如图所示 图双菱形仿袋鼠腿悬架被动模型 双菱形仿袋鼠腿悬架 控制模型 控制器将给定值 与实际输出值 偏差 振 动 与 冲 击年第卷 的比例 积分 微分 通过组合构成控制量 对控制对象进行控制其原理如图所示控制算法微 分方程见式 图 控制原理图 式中 为控制器的输出量 为被控对象预设值 和真实值 的差值 为比 例系数 为积分系数为微分系数 本次双菱形仿袋鼠腿悬架 控制研究中以降 低最能反映乘坐舒适性的车身垂向加速度为控制目 标其真实值和预设值的差值输入至 控制器进行 比例积分微分运算预设值设置为零期望车身垂向 加速度无限趋近于零肌肉力发生器作为 控制 的输出量由式 在 中创建该悬架 的 仿真模型如图所示 图双菱形仿袋鼠腿悬架 仿真模型 本次研究采用试凑法对 控制参数 进 行确定先调节比例系数后调节积分系数最后调节 微分系数同时观察悬架动态响应曲线经过反复调 试得到控制参数为 双菱形仿袋鼠腿悬架 控制模型 双菱形仿袋鼠腿悬架系统作为非线性时变系统 控制呈现出了参数不可动态调节的缺点因此出现 了 控制与其他控制方法结合的复合控制方法本 次研究将 控 制 与 控 制 结 合 起 来形 成 控制其原理如图所示利用 理论实 现对 控制参数实时更正以满足悬架系统的时变 特性从而达到更好的控制效果 图 控制原理图 本次双菱形仿袋鼠腿悬架 控制研究中 选取车身垂向速度真实值和预设值之差以及其变化 率 作为模糊控制器的输入预设值设为零此时 即为车身垂向加速度模糊控制器输出为 控制器 三项参数的调节量 再经由 控制器 得到最终的 输出为可调主动力 其中 与 关系如下 { 式中 为整定前的初始参数其数值选用 控制得到的参数 为比例积分微分系数 调节量 为最终的 控制器参数 结合被动悬架仿真结果取车身垂向速度的基本 论域为 车身垂向加速度 的基本 论域为 的基本论域为 的基本论域为 的基本论域为 取输入输出的模糊论域均为 输入 量化因子 输出比例因子 取初始值 输入和输出变量均选用高斯形隶属函数模糊推 理采用 法共建立 条控制规则解模糊 采用重心法由式 在 中创建该悬 架的 仿真模型如图所示 图双菱形仿袋鼠腿悬架 仿真模型 第期宋勇等双菱形仿袋鼠腿悬架的 和 控制特性研究 双菱形仿袋鼠腿悬架特性仿真与分析 被动特性仿真与对比 为了与现有传统悬架进行特性对比选择与文 献相同的路面谱以及相同的仿真车速和路面等 级进行仿真对比分析选择仿真工况为 级路面 激励车速 肌肉力发生器输出力为选 择与文献相同的路面谱以及相同的仿真车速和 路面等级进行仿真对比分析选择仿真工况为级 路面激励车速 和级路 面 激 励车 速 肌肉力发生器输出力为 在上述工况下对车身垂向加速度悬架动挠度轮 胎动位移等特性参数进行仿真分析 结果对比 如表 所示 表双菱形仿袋鼠腿悬架与文献传统悬架特性参数 结果对比 路面 等级 车速 特性参数 双菱形仿袋鼠腿 被动悬架 文献中 的传统悬架 垂向加速度均方根 悬架动挠度均方根 轮胎动位移均方根 垂向加速度均方根 悬架动挠度均方根 轮胎动位移均方根 由表可以看出在级路面车速 条件 下双菱形仿袋鼠腿悬架比文献中传统悬架的车 身加速度悬架动挠度轮胎动位移均方根值分别降低 了 在级路面车速 条件下分别降低了 由表 可以看出在级路面车速 条件下双菱形仿 袋鼠腿悬架比文献中传统悬架的车身加速度悬 架动挠度轮胎动位移均方根值分别降低了 在级路面车速 条件下分别 降低了 上述结果表明双菱形 仿袋鼠腿悬架被动模式的各项特性参数均优于文 献 中的传统悬架验证了双菱形仿袋鼠腿悬 架结构设计的合理性和有效性 表双菱形仿袋鼠腿悬架与文献传统悬架特性参数 结果对比