基于磁流變液彈減振器的發動機減振控制研究

2022-07-04 02:24:50陳禮鈄于海龍張釜誠

噪聲與振動控制 2022年3期

陳禮鈄，于海龍，魏慜，金壯，張釜誠

（南京理工大學發射動力學研究所，南京 210094）

車輛發動機工作時產生的振動會傳遞到車體，影響乘坐舒適性，干擾車載精密零部件工作，并且產生噪聲。發動機懸置擔負著減振降噪工作，一個理想的懸置在低頻時應該大剛度大阻尼，在高頻時應該小剛度小阻尼[1]。磁流變技術目前廣泛、成熟的應用在離合器、阻尼器、軍事等領域[2]。利用磁流變材料的減振器有阻尼和剛度連續可調的性能，需要控制策略自適應地調整力學性能。天棚控制策略可以根據設計好的控制規律及時調節減振器參數，算法較簡單且容易實現。PID 算法的參數調整方便，有一定的控制精度。模糊控制的控制邏輯簡潔有效，可以不必知道具體的控制模型，適用于較復雜的控制對象[3]。模糊PID 控制在一定程度上整合了模糊控制和PID 控制的優勢，具有更好的穩定性和適應性。

Choi 等[4]設計了發動機電流變液懸置與單自由度的天棚阻尼控制器，在仿真系統中搭建了整車模型，通過仿真發現能有效減振，但是電流變液所需電流密度較高，抗剪切強度較低。程自力等[5]為磁流變液懸置引入了模糊控制理論，并在發動機啟動工況與怠速工況進行了動力學仿真，認為模糊控制下的磁流變液懸置的隔振性能明顯優于被動懸置。潘道遠等[6]認為不同的車體傳遞力偏差下應該采用不同的控制策略，設計了磁流變半主動懸置模糊—PID切換控制系統，通過仿真分析和經驗確定了兩種控制策略之間的切換值，怠速工況和行駛工況的仿真結果表明模糊—PID 切換控制策略精度高、穩定性好，但是兩者都未給出主要頻域內的仿真結果。辛付龍[7]設計了普通橡膠與磁流變彈性體并聯的半主動懸置元件結構，通過普通橡膠支承、限位，通過磁流變彈性體獲得移頻性能，但是普通橡膠用于承重致使剛度過大，制約了磁流變彈性體的變剛度特性。李銳等[8]提出用磁流變阻尼器和磁流變彈性體構成磁流變并聯懸置系統，并設計了垂直隔振的模糊自適應控制器，仿真和試驗表明可以提高車輛的耐久性和乘坐舒適性，但是未考慮其他控制策略在懸置結構中是否有更好的適用性。

本文提出一種磁流變阻尼隔振單元和磁流變彈性體隔振單元并聯的磁流變液彈減振器結構，剛度和阻尼可調，作為某型車輛發動機的懸置元件。建立發動機減振控制動力學模型與天棚控制動力學模型，引入PID 控制、模糊控制、模糊PID 控制和天棚控制作為磁流變液彈減振器的控制算法，運用MATLAB/SIMULINK進行動力學仿真，給出頻域的計算結果，對比四種控制策略的控制效果，尋找磁流變液彈減振器最合適的控制策略。

1 發動機減振控制模型

1.1 發動機減振動力學模型

發動機-車體是一個復雜的多體系統，對于平置式四點懸置發動機結構，工作時主要產生垂向振動，為便于分析，將動力學模型簡化。忽略其他方向的振動，建立1/4 發動機2 自由度減振控制動力學模型，包括發動機垂向振動，車體垂向振動，如圖1所示。

圖1 1/4發動機減振控制動力學模型

圖1 中：me為發動機質量；mb為車體質量；ke為懸置初始剛度；KMRE為磁流變彈性體可調剛度；ce為懸置初始阻尼；CMR為磁流變液可調阻尼；kb為懸架剛度；cb為懸架阻尼；F為發動機激振力；xe、xb與xr分別為發動機質心位移、車體質心位移與路面不平度。根據牛頓第二定律，可以得到動力學方程：

1.2 磁流變液彈減振器力學模型

磁流變液彈減振器由磁流變阻尼隔振單元和磁流變彈性體隔振單元組成，兩個隔振單元相互獨立，分別由不同的磁場控制。阻尼隔振單元結構如圖2所示。

圖2 磁流變阻尼隔振單元結構示意圖

磁流變液的工作模式為剪切式，采用Bingham流體模型，其阻尼力Fc分為兩部分，黏性阻尼力Fη和庫侖阻尼力Fτ：

式中：η為磁流變液零磁場時的黏度；Ap為有效活塞面積；u(t)為活塞的速度；τy為磁流變液的剪切屈服強度；L為有效磁極寬度；h為活塞與缸筒的距離，D為活塞的直徑；a1、a2、a3、a4為比例系數；H為磁場強度。

通過調節控制量（電流）可以得到連續變化的磁場強度，磁流變液的剪切屈服強度隨之發生變化，從而控制磁流變液彈減振器輸出可調的阻尼力。在一定的磁場強度范圍內，磁流變液的剪切屈服強度隨磁場強度的增加而單調增加。

磁流變液彈減振器中磁流變彈性體隔振單元結構如圖3所示。

圖3 磁流變彈性體隔振單元結構示意圖

磁流變彈性體各向異性，工作模式為剪切式，其剛度表達式為：

式中：G為磁流變彈性體磁致切變模量；d1為內徑；d2為外徑；H為高度；δ為厚度；?為磁性顆粒的體積分數；ν為顆粒間距與顆粒直徑之比；μ0為真空磁導率；μ1為基體磁導率；Jp為顆粒的磁化強度。

控制線圈中的電流可以改變磁場強度，從而控制磁流變彈性體的切變模量。在一定的磁場強度范圍內，磁流變彈性體的剛度隨磁場強度的增加而單調增加。

1.3 發動機激勵與路面輸入模型

發動機工作時，燃油的燃燒脈動、活塞和連桿的運動會產生不平衡力和力矩，這是發動機振動的主要原因。可用垂向簡諧力表示發動機激振力：

式中：F0為激振力幅值，ω為激振力角頻率。

發動機的質量在整車系統中是不可忽略的一部分，當激振力F=0時，考慮路面激勵對車體的影響，發動機與懸置可以看作一個變剛度吸振器，能抑制車體振動。

本文采用濾波白噪聲法進行道路時域建模，濾波白噪聲路面不平度時域模型[9]：

式中：n1的取值為0.01m-1；u為車輛行駛速度；n0的取值為0.1m-1；Gq(n0)為路面不平度系數；ω(t)為高斯白噪聲。

2 控制器設計

2.1 PID控制器

PID 控制算法結構簡單，性能較穩定且易于控制，在工業控制中有著廣泛的應用。PID 控制器由比例單元、積分單元和微分單元組成，計算公式表示為：

式中：u為控制量；e為期望值和被控量之差；KP、KI、KD為比例、積分、微分參數。

搭建PID控制系統如圖4所示，由位移目標值和車體位移做差，得到誤差值，作為PID 控制器的輸入。PID 控制器通過比例控制使誤差值減小，通過積分控制來消除系統的穩態誤差，通過微分控制“預測”誤差的變化趨勢，減小控制時間。將以上三者進行線性組合，求出相對應的電流值，控制磁流變液彈減振器輸出彈性力和阻尼力，以此減小車體的振動。

圖4 PID控制系統結構框圖

2.2 模糊控制器

模糊控制是以模糊集合論、模糊語言和模糊邏輯為基礎的控制技術，屬于智能控制。模糊控制器包括模糊化、模糊規則、模糊推理以及解模糊。模糊化是將輸入量轉化為模糊系統可識別的模糊量；模糊規則是通過經驗建立的一個關鍵步驟；模糊推理則基于模糊規則實現推理決策；解模糊則是將模糊推理中的決策轉化為輸出量。

實現模糊控制，首先要制定合適的模糊控制規則。對于輸入量位移x、速度x和輸出量電流I，選取“很小(VS)”“小(S)”“中(M)”“大(L)”“很大(VL)”進行描述，得到模糊子集：{ }VS,S,M,L,VL 本文輸入輸出的隸屬函數都選擇三角形隸屬度函數。根據前文PID控制仿真的經驗，確定合適的輸入輸出量論域。建立模糊規則如表1所示。

表1 模糊規則表

搭建模糊控制系統如圖5 所示，將位移誤差和速度誤差作為模糊控制器的輸入量，電流作為輸出量。

圖5 模糊控制系統結構框圖

2.3 模糊PID控制器

模糊控制和PID控制各自存在局限性。模糊控制的自適應能力差，控制精度較低。PID 控制的參數一旦選定，往往適用于某一種工況，而在車輛工作過程中，其內部和外部的擾動通常是復雜多變的。

將兩者結合起來，通過模糊邏輯優化PID 參數的整定，可以起到較好的控制效果。

搭建模糊PID控制系統如圖6所示，模糊邏輯推理得到參數Kp，KI與KD，作為PID 控制器控制參數。此時參數Kp，KI與KD可以自適應地進行調節。

圖6 模糊PID控制系統結構框圖

3 天棚控制器

3.1 天棚減振控制動力學模型

在天棚阻尼減振系統中，減振器一端與減振對象連接，另一端與假想的慣性空間連接，減振器阻尼相當于天棚阻尼csky。磁流變液彈減振器不僅可以調節阻尼大小，也可以調節剛度大小，為體現此特征，在經典天棚阻尼控制模型中增加剛度ksky，相當于減振器中變剛度部分。建立天棚減振控制動力學模型如圖7所示。可以得到天棚控制動力學方程：

圖7 1/4發動機天棚控制動力學模型

3.2 天棚控制器設計

天棚控制系統具備四個狀態，即(1)ksky=0，csky=0，液彈減振器輸出初始彈性力和阻尼力；(2)ksky=0，csky=cmax，輸出初始彈性力和最大阻尼力；(3)ksky=kmax，csky=0，輸出最大彈性力和初始阻尼力；(4)ksky=kmax，csky=cmax，輸出最大彈性力和最大阻尼力。其控制算法為：

搭建天棚控制系統如圖8 所示，控制算法由開關1、2 實現。開關1、2 有ON/OFF 兩個狀態，ON 狀態輸出最大剛度、最大阻尼的調節電流，OFF狀態則輸出最小剛度、最小阻尼的調節電流。

圖8 天棚控制系統結構框圖

4 仿真分析

采用1/4發動機減振控制動力學模型與1/4發動機天棚控制動力學模型，取車速6 m/s，在C 級路面不平度激勵下，進行無控制、PID控制、模糊控制、模糊PID控制以及天棚控制仿真。圖9和圖10為車體的垂向位移響應曲線與垂向加速度響應曲線。各控制策略都取得了控制效果，模糊控制效果不太明顯，而天棚控制顯著地減少了加速度幅值。

圖9 路面激勵下車體位移響應曲線

圖10 路面激勵下車體加速度響應曲線

在發動機主要工作頻率內，進行無控制、PID控制、模糊控制、模糊PID 控制以及天棚控制仿真，并計算各工作頻率的位移均方根值、加速度均方根值與隔振率。其中隔振率計算公式如下：

式中：ae為發動機側加速度；ab為車體側加速度。

如圖11 所示。四種控制策略都降低了車體垂向位移，隨著頻率的提高，PID 控制、模糊控制和模糊PID控制的效果相趨近，天棚控制在25 Hz以上區間控制效果顯著。如圖12 所示。四種控制策略都降低了車體垂向加速度，隨著頻率的提高，與無控制效果相接近，模糊PID控制保持著最優的控制效果。如圖13所示。在15 Hz～35 Hz區間內，模糊控制的隔振率比模糊PID 控制略高。在15 Hz、65 Hz～70 Hz 時，PID 控制沒有起到控制效果。在額定工作頻率40 Hz時，模糊PID控制與無控制下的隔振率分別為41.51 dB、37.94 dB，提高了9.4%。表2、表3、表4可以看出，天棚控制下車體位移有效減少，但是模糊PID 控制下車體加速度穩定降低，并且基本上有著最高的隔振率。模糊PID控制在整個工作頻帶內有良好的適應性和穩定的控制效果。