车辆馈能悬挂系统滑模控制及能量管理策略研究

黄大山， 张进秋， 刘义乐， 张建

(装甲兵工程学院 装备试用与培训大队, 北京 100072)

车辆馈能悬挂系统滑模控制及能量管理策略研究

黄大山， 张进秋， 刘义乐， 张建

(装甲兵工程学院 装备试用与培训大队, 北京 100072)

针对车辆传统主动悬挂系统高能耗的问题，以半车为研究对象，建立了一种4自由度馈能式悬挂系统；为解决馈能式减振器主动控制与能量回收不能并存的问题，设计了一种新型馈能式减振器，采用其力发生器进行主动控制，同时可用其馈能器回收能量。依据车辆典型行驶条件给出了基于控制执行率的车辆悬挂系统能量管理策略，以综合考虑馈能式悬挂系统的振动控制与能量回收。仿真分析与实车试验分析表明：与被动悬挂系统相比，所建立的基于滑模控制的馈能式悬挂系统的综合性能改善了22.7%，说明了该馈能式悬挂系统振动控制的有效性；依据行驶路面及行驶速度划分3种典型车辆行驶条件可以用来作为控制执行率实施大小的判别条件。

兵器科学与技术； 馈能悬挂； 馈能式减振器； 滑模控制； 能量回收特性； 能量管理策略

0 引言

车辆悬挂系统通常用来缓和路面带给车体的冲击并衰减车体的振动。目前，车辆悬挂系统已经由传统的被动悬挂发展为具有高性能的主动悬挂，如线性二次型调节器主动控制[1]、天棚主动控制[2]和H∞主动控制[3]等。主动控制虽然能够显著提高车辆各方面的行驶特性，但其高能耗一直是限制其在实际工程运用的主要原因。近些年提出的馈能悬挂能够回收悬挂系统中原本以热能形式耗散掉的振动能量，降低主动悬挂的能量消耗。Karnopp[4]给出了车辆悬挂系统能量耗散的过程，并对其能量需求进行了分析研究。Nakano等[5]证明了在适当的条件下，悬挂系统主动控制所需的能量完全可以由其回收的能量来提供，并设计了一种自供能式悬挂系统。美国Bose公司[6]研制了一种基于直线电机的悬挂系统，并通过实车试验证明了该悬挂的可行性和有效性。黄昆等[7]分析了主动悬挂系统回收振动能量的潜力和可行性，并给出了一种馈能式悬挂系统设计方案。于长淼等[8]运用MATLAB和CARSIM建立了馈能式悬挂系统模型，并分析了能量回收的影响因素。方志刚等[9]设计了一种液电式馈能悬挂系统，并试验验证了能量回收的可行性。由此可知，馈能悬挂系统是车辆悬挂的未来发展方向和当前研究的热点问题。

本文首先建立了半车4自由度馈能悬挂系统数学模型，然后设计了滑模控制算法对该馈能悬挂系统进行振动控制。给出了车辆振动控制综合评价准则和悬挂系统能量回收特性评价准则，并设计了考虑车辆行驶条件的能量管理策略。对所建立的馈能悬挂系统的主动控制效果、能量回收特性和能量管理策略进行仿真分析和实车试验分析，以检验所设计的滑模控制算法、悬挂系统能量回收及能量管理策略的有效性。

1 馈能悬挂系统数学模型

馈能悬挂系统是在车辆原有的传统被动悬挂系统弹簧- 阻尼减振器的基础上，并联引入或将其替换成同时具有主动控制和回收能量功能的馈能式减振器，由此形成的一种新型悬挂系统。依据一定的能量管理策略，可以实现振动控制与能量回收之间的切换。馈能悬挂系统的馈能式减振器是实现其振动控制和能量回收的关键部件，既为主动控制装置，又为能量回收装置。馈能式减振器设计的好坏直接影响悬挂系统的整体性能。目前，国内外学者设计了多种结构形式的馈能式减振器，如液压式[10]、液电式[9, 11]、电磁式[6]等。当前所设计的各种馈能式减振器需要不停地在振动控制和能量回收两种工况之间切换，其切换电路设计复杂，并且使得实际回收的能量有限[12]。本文设计了一种新型馈能式减振器，采用两个旋转电机和齿轮齿条运动方式转换机构的结构形式构成的馈能式电磁作动器，如图1所示。将其中一个旋转电机作为力发生器，用于主动控制，另一个旋转电机作为馈能器，用于能量回收。这样的结构形式将悬挂系统振动控制与能量回收两种工况分离开来，即在振动控制的同时也可以进行能量回收，互不影响。

图1 新型馈能式减振器Fig.1 A new energy-regenerative absorber

将新型馈能式减振器与车辆上原有的弹簧- 阻尼减振器并联，构成新型馈能悬挂系统，这种设计具有失效安全特性，即当新型馈能式减振器出现故障不能实现主动控制功能时，可以降级为被动悬挂系统工作，提供减振作用，车辆仍然可以正常行驶。建立半车4自由度的新型馈能悬挂系统模型如图2所示。

图2 半车4自由度新型馈能悬挂系统模型Fig.2 Half-car 4 DOF novel energy-regenerative suspension system model

图2中：mc为悬置质量；mtf为前悬挂非悬置质量；mtr为后悬挂非悬置质量；ksf为前悬挂系统的等效刚度；ksr为后悬挂系统的等效刚度；ktf为前车轮的等效刚度；ktr为后车轮的等效刚度；csf为前悬挂系统的阻尼系数；csr为后悬挂系统的阻尼系数；cmmf为前悬挂馈能式电磁作动器中力发生器的机械阻尼系数；Faf为前悬挂馈能式电磁作动器的主动控制力；cmgf为前悬挂馈能式电磁作动器中馈能器的机械阻尼系数；cegf为前悬挂馈能式电磁作动器中馈能器的电磁阻尼系数；cmmr为后悬挂馈能式电磁作动器中力发生器的机械阻尼系数；Far为后悬挂馈能式电磁作动器的主动控制力；cmgr为后悬挂馈能式电磁作动器中馈能器的机械阻尼系数；cegr为后悬挂馈能式电磁作动器中馈能器的电磁阻尼系数；Ic为悬置质量的转动惯量；θc为悬置质量的俯仰角度；L为车辆前后车轮之间的轴距；a为前车轮与车辆质心之间的距离；b为后车轮与车辆质心之间的距离；xc为悬置质量的绝对位移；xsf为前悬挂等效悬置质量的绝对位移；xsr为后悬挂等效悬置质量的绝对位移；xtf为前悬挂非悬置质量的绝对位移；xtr为后悬挂非悬置质量的绝对位移；xrf为前悬挂路面激励；xrr为后悬挂路面激励。

根据牛顿动力学定律，可建立新型馈能悬挂系统的运动微分方程为

ksr(xsr-xtr)+Faf+Far=0,

(1)

bksr(xsr-xtr)-aFaf+bFar=0,

(2)

Faf=0,

(3)

Far=0,

(4)

式中，caf=csf+cmmf+cmgf+cegf；car=csr+cmmr+cmgr+cegr；主动控制力Faf、Far使悬挂系统悬置质量与非悬置质量朝着相向的方向运动为正。

车辆行驶前轮路面激励xrf采用滤波白噪声模型生成[13]，后轮路面激励xrr与前轮相差一定时长τ，可得

(5)

xrr(t)=xrf(t-τ),

当θc较小时，可以近似为

(6)

(7)

式中：A为状态矩阵；B为控制矩阵；U为控制力；Γ为扰动矩阵；W为路面输入。

2 悬挂系统主动控制

2.1 滑模控制算法设计

滑模控制算法的设计目标是在被控馈能悬挂系统和其参考模型之间产生滑动模态，使得被控馈能悬挂系统对比跟踪其参考模型的运动。由此可以给出悬挂系统的状态方程和滑模切换面函数为

(8)

使X′=TX，则可将(7)式变换成如下标准型：

(9)

由文献[14]可知，在设计滑模切换面的时候，需要忽略路面激励W的影响；而在设计滑模控制律的时候，需要考虑路面激励W的作用。由此，可得到馈能悬挂系统和滑模切换面函数为

(10)

滑模控制律由等效控制力和切换控制力两部分控制力构成，即

USM=Ueq+Usw，

(11)

式中：Ueq为等效控制力，是使悬挂系统状态沿着滑模切换面运动的控制量；Usw为切换控制力，是驱使悬挂系统状态向滑模切换面运动的控制量。

(12)

将(12)式代入变换后的馈能悬挂系统状态方程(8)式，整理后可得到等效控制力为

Ueq=-(Θ′2B′2)-1[(Θ′1A′11+Θ′2A′21)-

(Θ′1A′12+Θ′2A′22)Θ′2-1Θ′1]X′1-

(Θ′2B′2)-1(Θ′1Γ′1+Θ′2Γ′2).

(13)

设计滑模控制律时，为满足稳定性条件，由Lyapunov稳定性判据可知，需使如下不等式成立[15]：

(14)

可以采用等速趋近律来满足滑模控制律设计的存在性和可达性约束条件，则可以定义切换控制力为

Usw=-εsgn (s),

(15)

由此，可以得到馈能悬挂系统滑模控制律为

U=Ueq+Usw=-(Θ′2B′2)-1[(Θ′1A′11+Θ′2A′21)-

(Θ′1A′12+Θ′2A′22)Θ′2-1Θ′1]X′1-

(Θ′2B′2)-1(Θ′1Γ′1+Θ′2Γ′2)W-εsgn (s).

(16)

考虑馈能式电磁作动器最大出力限制，可以得到修正后的馈能悬挂系统滑模控制律：

(17)

2.2 振动控制特性评价准则

(18)

式中：RMS表示求均方根值；αx为悬置质量加速度调节系数；αθ为俯仰角加速度调节系数；QRC越小越好。

车轮动载荷能够反映车辆路面附着性，车轮动载荷与车轮动变形相差一个常数倍数，因此也可将车轮动变形作为路面附着性的评价准则，可表示为

QRA=βfRMS{xtf-xrf}+βrRMS{xtr-xrr}，

(19)

式中：βf为前悬挂车轮动变形调节系数；βr为后悬挂车轮动变形调节系数；QRA越小越好。

悬挂动挠度在一定程度上可以同时反映出车辆的行驶平顺性和路面附着性，但悬挂动挠度指标并不是越小越好，而是可以在许用动行程内适当的增大。

本文在综合考虑行驶平顺性和路面附着性两项行驶性能的基础上，还引入了主动控制力评价指标，以评价车辆的能耗性能，可以给出馈能悬挂系统主动控制力的均方根为

QEC=ξfRMS{Faf}+ξrRMS{Far}，

(20)

式中：ξf为前悬挂主动控制力调节系数；ξr为后悬挂主动控制力调节系数；QEC越小越好。

据此建立车辆馈能悬挂系统综合性能评价准则，可表示为

(21)

式中：ζRC为车辆行驶平顺性调节系数；ζRA为车辆路面附着性调节系数；ζEC为车辆能耗性能调节系数；QRCp、QRAp分别表示被控对象相应的被动馈能悬挂系统的行驶平顺性和路面附着性的评价指标；RECSH表示被控对象在标准天棚主动控制下馈能悬挂系统所需的主动控制力的均方根值。将各评价指标分别与其相应的标准评价指标作比较，以消除不同量纲带来的影响。

3 悬挂系统能量管理

针对车辆不同工作状态及性能要求，需要对其进行能量管理，以使车辆可以提供满意的振动控制效果和能量回收量。

3.1 能量回收特性评价准则

为使馈能悬挂系统的能量回收特性有一定的量化评价标准与分析计算工具，给出如下4个悬挂系统馈能能力的评价准则[16]：

(22)

(23)

(24)

3.2 能量管理策略

车辆馈能悬挂系统的能量管理需要综合考虑悬挂系统振动控制和能量回收两种功能，使车辆在一定的行驶条件(路面条件和车速条件)及性能要求(行驶性能和能耗性能)下，其馈能悬挂系统能够工作在与其相适应的工作状态中，并且对悬挂系统振动控制要有合适的执行程度。

无论在哪种工作模式(被动馈能或者主动控制)下，在本文所设计的新型馈能悬挂系统中，馈能式电磁作动器的馈能器始终都能够回收悬挂系统中的能量，而馈能式电磁作动器的力发生器则会有不同的执行方式。由此可知，车辆馈能悬挂系统主动控制施加与否，或主动控制的执行程度，决定了车辆的工作模式。将车辆馈能悬挂系统主动控制的执行程度，称作控制执行率ηC. 当ηC= 0%时，悬挂系统处于被动馈能工作模式；当0% <ηC≤100%时，悬挂系统处于主动控制工作模式。

当对车辆行驶性能有较高要求时，如护送战场伤员或者进行行进间射击，车辆悬挂系统控制执行率应为ηC= 100%；当对车辆能耗性能有较高要求时，如需远距离机动或者作为能源保障平台对外供电，车辆悬挂系统控制执行率应为ηC= 0%. 当对车辆行驶性能和能耗性能无要求时，需要依据车辆的行驶条件来进行能量管理，选取合适的工作模式。考虑车辆行驶路面和行驶车速两方面的行驶条件，表1给出了在不同行驶条件下合适的控制执行率。

表1 控制执行率与行驶条件的关系Tab.1 Relation between the performing rate of active control and the running condition of vehicle

4 仿真实验分析

本文以某型轮式车辆为研究对象，将其原悬挂系统改装为馈能悬挂系统，其1/2车辆悬挂系统的基本参数如表2所示。

表2 悬挂系统基本参数Tab.2 Parameters of suspension system

4.1 主动控制效果分析

以馈能被动悬挂(PASSIVE)和天棚主动控制(SH)[19]两种悬挂系统作为对比，对滑模控制(SM)主动悬挂的振动特性进行仿真分析。考虑算法以改善行驶平顺性为主要目标，适当提高综合性能评价系数中与行驶平顺性相关的系数。采用极点配置法可得到滑模切换面系数矩阵，一个有效的系数矩阵为

(25)

分析滑模主动控制算法对车辆振动特性的影响。假设车辆在C级路面以10 m/s的速度匀速行驶60 s，可以得到PASSIVE、SH、SM这3种悬挂系统的车辆行驶平顺性、路面附着性、主动控制力和综合性能评价指标及相应的改善情况，如表3所示。由表3可以看出：1)与PASSIVE悬挂相比，SH算法对车辆行驶平顺性和路面附着性两个指标均无改善，使其综合性能降低了1.6%，说明前轮后轮独立的SH主动控制算法对半车4自由度悬挂系统振动控制无效果；2)与PASSIVE悬挂相比，SM算法显著改善了车辆的行驶平顺性，综合性能提高了15.2%，说明本文设计的SM主动控制算法能够对半车4自由度悬挂系统实施有效的振动控制；3)SH算法和SM算法的主动控制力均方根值十分相近，其最大值分别为832.000 N和976.093 N，说明SM主动控制算法通过提高控制力实施效率来取得较好的振动控制效果。

表3 悬挂系统评价指标改善幅度Tab.3 Assessment index and its improvement of suspension system

4.2 能量回收特性分析

为了研究新型馈能悬挂系统能量回收特性，采用4.1节给出的馈能被动悬挂和滑模控制主动悬挂两种悬挂系统，分别作为新型馈能悬挂系统的被动馈能模式和主动控制模式，对各馈能悬挂评价指标的响应特性进行仿真分析。设定悬挂控制执行率ηC= 100%，能量转换效率η=50%.

4.2.1 路面等级影响分析

假设车辆以10 m/s的速度匀速行驶60 s，可以得到随着路面等级从A级到H级，新型馈能悬挂系统的馈能潜力、馈能效率、自供能系数和平均回收能量的变化曲线，分别如图3～图6所示。从图3～图6可以看出：1)悬挂系统的馈能潜力不随路面等级的变化而改变；2)悬挂系统的馈能效率随着路面等级的增大而逐渐减小，说明路面起伏波动增大，主动控制时回收能量的增长幅度小于被动馈能时回收能量的增长幅度；3)悬挂系统自供能系数随着路面等级的增大而逐渐增大，说明路面起伏波动越大，悬挂系统回收的能量相对越多，而主动控制力的大小受到新型馈能式减振器硬件结构的限制，使主动控制消耗的能量涨幅相对较小；4)平均回收能量随着路面等级的增大而呈指数级增大，而在实际情况下，由于悬挂系统和馈能装置等硬件的限制，平均回收能量会小于仿真给出的结果。

图3 馈能潜力随路面等级的变化曲线Fig.3 Energy harvesting capacity vs. road level

图4 馈能效率随路面等级的变化曲线Fig.4 Energy harvesting efficiency vs. road level

图5 自供能系数随路面等级的变化曲线Fig.5 Self-energizing coefficient vs. road level

图6 平均回收能量随路面等级的变化曲线Fig.6 Average harvested energy vs. road level

4.2.2 车辆速度影响分析

假设车辆在C级标准路面匀速行驶60 s，可以得到随着车辆速度从1 m/s 到30 m/s，新型馈能悬挂系统的馈能潜力、馈能效率、自供能系数和平均回收能量的变化曲线，分别如图7～图10所示。从图7～图10可以看出：1)悬挂系统的馈能潜力不随车辆速度的变化而改变，并且始终为27%，与路面等级影响分析结果一致，说明馈能潜力仅与悬挂系统自身特性有关，与外界条件无关；2)悬挂系统的馈能效率随着车辆速度的增大而逐渐增大，说明车辆行驶越快，主动控制模式时回收的能量越多；3)悬挂系统的自供能系数随着车辆速度的增大近于逐渐增大；4)平均回收能量随着车辆速度的增大而线性增大。

图7 馈能潜力随车辆速度的变化曲线Fig.7 Energy harvesting capacity vs. running speed

图8 馈能效率随车辆速度的变化曲线Fig.8 Energy harvesting efficiency vs. running speed

图9 自供能系数随车辆速度的变化曲线Fig.9 Self-energizing coefficient vs. running speed

图10 平均回收能量随车辆速度的变化曲线Fig.10 Average harvested energy vs. running speed

4.3 能量管理策略分析

为了研究新型馈能悬挂系统能量管理策略的有效性，采用前述给出的馈能被动悬挂和滑模控制主动悬挂两种悬挂系统，针对3种典型的车辆行驶条件，对各悬挂系统行驶性能进行仿真分析；并将两种悬挂系统分别作为新型馈能悬挂系统的被动馈能模式和主动控制模式，对各馈能悬挂能量回收特性进行仿真分析(能量转换效率η= 50%)。

第一种典型的车辆行驶条件：假设车辆在B级路面以10 m/s的速度匀速行驶60 s，可以得到当控制执行率分别为0%、50%和100%时，PASSIVE和SM这两种悬挂系统车辆的各项性能指标对比数据，如表4所示。由表4可以看出：1)考虑悬挂系统振动控制特性，综合性能在控制执行率为50%时达到最优，为QC= 0.843；2)此时各车辆行驶特性性能指标绝对数值均非常小，实际的主动控制的作用不大；3)虽然悬挂系统平均回收能量随着控制执行率的升高而增加，但其绝对数值非常小。由此可以设定在第一种典型行驶条件下悬挂系统的控制执行率ηC= 0%，这样不会对悬挂系统能量供给产生影响，又可以确保车辆具有可接受的行驶性能。

第二种典型的车辆行驶条件：假设车辆在C级路面以10 m/s的速度匀速行驶60 s，各悬挂系统评价指标数据如表5所示。由表5可以看出：1)在此条件下行驶的车辆，其行驶平顺性指标相对较差，当控制执行率ηC= 0%时，悬置质量加速度均方根值为0.956，表明人体已经主观感受到不舒适[19]，需要实施主动控制以提高行驶平顺性；2)此时ηC= 50%和ηC= 100%两种情况下悬置质量加速度和悬置质量俯仰角加速度数值变化不大，分别为3.676%和8.458%，并且在ηC= 50%时车辆综合性能最好；3)此时ηC= 50%和ηC= 100%两种情况均可以实现悬挂系统的自供能量，而且悬挂系统有一定数量的回收能量。由此可以设定在第二种典型行驶条件下悬挂系统的控制执行率为ηC= 50%，这样不仅可以有一定的能量可以存储，又可以适当改善车辆的行驶性能。

表4 车辆在B级路面以10 m/s匀速行驶60 s时悬挂系统评价指标对比

Tab.4 Comparison of assessment indexes of suspension system while vehicle runs for about 60 s on B-level road at 10 m/s

性能指标ηc/%050100QRC075306130586QRA000312000321000339QC108430859ηp272727ηe723998008596692γ18981016Pl573263417655

表5 车辆在C级路面以10 m/s均速行驶60 s时悬挂系统评价指标对比

Tab.5 Comparison of assessment indexes of suspension system while vehicle runs for about 60 s on C-level road at 10 m/s

性能指标ηc/%050100QRC150612191154QRA000623000642000679QC108400847ηp272727ηe723997969195747γ19191026Pl229282523830322

第三种典型的车辆行驶条件：假设车辆在E级路面以10 m/s的速度匀速行驶60 s，各悬挂系统评价指标数据如表6所示。由表6可以看出：1)在此条件下行驶的车辆，其行驶平顺性指标非常差，当控制执行率ηC= 0%时，悬置质量加速度均方根值为3.823，表明人体已经主观感受到极不舒适[20]，需要以控制执行率ηC= 100%实施主动控制以尽可能地提高车辆行驶平顺性；2)此时ηC=50%和ηC= 100%两种情况均可以实现悬挂系统的自供能量，虽然此时悬挂系统平均回收能量十分可观，并且当ηC=50%时还可以有相当的能量可以存储下来，但为了车辆具有可以接受的行驶特性性能指标，需要在此行驶条件下，将悬挂系统控制执行率设定为ηC= 100%.

表6 车辆在E级路面以10 m/s均速行驶60 s时悬挂系统评价指标对比

Tab.6 Comparison of assessment indexes of suspension system while vehicle runs for about 60 s on E-level road at 10 m/s

性能指标ηc/%050100QRC602549114616QRA002490025600270QC108440844ηp272727ηe723997855993467γ19291014Pl366853398067473606

5 实车试验分析

本文研究所基于的某型轮式车辆如图11所示，车辆原悬挂系统以及改装后的馈能悬挂系统如图12所示。

图11 某型轮式车辆实物图Fig.11 A certain type of wheeled vehicle

图12 车辆悬挂系统实物图Fig.12 Photographs of suspension systems

为确保实车试验对本文所建立的半车模型验证的有效性，将测试人员及各试验测试设备按其质量左右对称设置，使车辆左右两部分质量基本相同，如图13所示。以左半车辆实车测试数据为基准进行模型验证分析。

图13 实车试验测试设备实物图Fig.13 Test equipment for vehicle

分析实车的滑模主动控制对车辆振动特性的影响。车辆在C级路面以10 m/s的速度匀速行驶60 s，可以得到PASSIVE、SM、PASSIVE_E(实车被动悬挂)、SM_E(实车主动悬挂)这4种悬挂系统的车辆行驶平顺性、主动控制力和综合性能评价指标，如表7所示。由表7可以看出：1)由于测量噪声及建模误差的影响，使得由实测数据计算得到的车辆行驶平顺性相对较差，但与PASSIVE_E相比，SM_E的车辆行驶平顺性有明显改善，提高了27.921%；2)与仿真的主动悬挂相比，实车的主动悬挂振动控制要提供更大的控制力，消耗更多能量；3)由于无法测得车轮与地面的相对位移，无法得到路面附着性数据，则在计算悬挂综合性能评价指标时要略去这一项，这导致其综合性能指标要好于相应的仿真数据，提高了22.7%.

对新型馈能悬挂系统能量回收特性的实车试验分析。由于试验条件的限制，这里仅给出B级、C级路面和车辆行驶速度为5 m/s和10 m/s时各项能量回收特性评价指标的试验数据与仿真数据的对比，如表8、表9所示。由表8、表9可以看出：1)车辆悬挂系统馈能潜力与仿真数据相接近，基本保持不变；2)馈能效率的试验数据小于仿真数据，但其随着路面等级增长而降低、随行驶速度增大而提高的变化趋势未变；3)自供能系数有明显提高，且平均回收能量也显著增大，主要是由车体与车轮实际和推导得到的相对速度均增大所致。

表7 悬挂系统振动控制特性评价指标试验数据 与仿真数据对比Tab.7 Experimental data and simulated data of assessment indexes of vibration control performance

表8 能量回收特性评价指标试验数据与仿真数据对比(车速为10 m/s)

Tab.8 Experimental data and simulated data of assessment indexes of energy harvesting performance (running speed of 10 m/s)

性能指标路面等级BC仿真数据试验数据仿真数据试验数据ηp27265492727631ηe96692905909574790322γ1016138210261468Pl7655121273032251787

表9 能量回收特性试验数据与仿真数据对比(C级路面)

Tab.9 Experiment data and simulated data of assessment indexes of energy harvesting performance (C-level road)

性能指标车速/(m·s-1)5m/s10m/s仿真数据试验数据仿真数据试验数据ηp27281352727631ηe94882899169574790322γ1017131310261468Pl14958238943032251787

对新型馈能悬挂系统能量管理策略有效性的实车试验分析。分别给出了车辆在B级和C级路面以10 m/s匀速行驶60 s两个条件下各悬挂系统评价指标试验数据与仿真数据的对比，如表10、表11所示。由表10、表11可以看出：1)在B级路面行驶条件下，控制执行率不同时，车辆行驶平顺性绝对数值均非常小，实际的主动控制作用不大，而且悬挂系统平均回收能量绝对数值也非常小，对平均回收能量影响不大，因此可以设定此时悬挂系统的控制执行率ηC= 0%，与仿真分析相符；2)在C级路面行驶条件下，控制执行率不同时，其行驶平顺性指标均较差，人体已经能够感受到不舒适，需要实施主动控制以提高行驶平顺性，同时随着控制执行率的提高，悬挂系统回收的能量增加明显，并且绝对数值相对较大，由此可以设定此时悬挂系统的控制执行率ηC= 50%，在有一定能量回收的同时，又可以使车辆具有较好的行驶性能。

表10 车辆在B级路面以10 m/s匀速行驶60 s时悬挂系统评价指标试验数据与仿真数据对比

Tab.10 Experiment data and simulated data of assessment indexes of suspension system while vehicle runs for about 60 s on B-level road at 10 m/s

数据来源性能指标ηc/%050100QRC075306130586仿真数据QC108430859Pl573263417655QRC097708010696试验数据QC107850808Pl8328987112127

表11 车辆在C级路面以10 m/s匀速行驶60 s时悬挂系统评价指标试验数据与仿真数据对比

Tab.11 Experimental data and simulated data of assessment indexes of suspension system while vehicle runs for about 60 s on C-level road at 10 m/s

数据来源性能指标ηc/%050100QRC150612191154仿真数据QC108400847Pl229282523830322QRC193415131394试验数据QC107250773Pl371554199451787

6 结论

本文设计了一种可以同时实现振动控制与能量回收的新型馈能式减振器，以此建立了一种半车4自由度馈能悬挂系统，并给出了相应的数学模型；设计了悬挂系统的滑模主动控制算法，并给出了行驶平顺性、路面附着性和综合性能3种车辆行驶特性评价指标；给出了馈能潜力、馈能效率、自供能系数和平均回收能量4种悬挂系统能量回收特性评价指标；最后依据车辆行驶条件给出了能量管理策略。通过仿真和试验分析得出以下结论：

1)试验数据与仿真数据基本吻合，验证了悬挂系统模型建立的准确性和仿真分析的有效性；

2)滑模主动控制算法主要改善了车辆馈能悬挂系统的行驶平顺性和综合性能，分别提高了27.921%和22.7%；

3)馈能悬挂系统的馈能潜力是由系统内部参数决定的，不随路面等级、车辆速度等外部环境的变化而发生改变；

4)当路面为B级及以上或车速大于5 m/s时，悬挂系统可以实现自供能量；

5)在低等级路面行驶时，可设定控制执行率ηC=0%，无需实施主动控制；在中等级路面低速行驶时，可设定控制执行率ηC= 50%，以适当改善车辆行驶性能并增加回收的能量；在中等级路面高速行驶或者高等级路面行驶时，可设定控制执行率ηC=100%，以最大程度地改善车辆行驶性能。

References)

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Research on Sliding Mode Control and Energy Management Strategy of Energy-regenerative Suspension System of Vehicle

HUANG Da-shan, ZHANG Jin-qiu, LIU Yi-le, ZHANG Jian

(Department of Equipment Testing and Training, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

To solve the high energy consumption of standard active suspension system of vehicle, a 4 DOF energy-regenerative suspension system is established by taking the half-car as research object. A new energy-regenerative absorber, which has an actuator for active controlling and an energy-regenerator for energy harvesting, is designed to solve the problem of enabling to implement the active control and energy harvesting of energy-regenerative absorber at the same time. An energy management strategy based on the performing rate of active control is given according to the running conditions of vehicle. The simulated and experimental results show that, in comparison to the passive suspension, the comprehensive performance of the established energy-regenerative suspension with sliding mode control algorithm is improved by 22.700%, which indicates that the vibration control of the energy-regenerative suspension with sliding mode control is effective; 3 kinds of typical running condition, which are distinguished by road level and running speed, could be used as the criteria of the performing rate of active control.

ordnance science and technology; energy-regenerative suspension; energy-regenerative absorber; sliding mode control; energy harvesting performance; energy management strategy

2016-06-15

总装备部创新工程项目(2015YY04)

黄大山(1988—), 男, 博士研究生。E-mail: scoobidoobidoo@126.com； 张进秋(1963—)，男，教授，博士生导师。E-mail: zhangjq63@163.com

U463.33+1

A

1000-1093(2016)12-2185-11

10.3969/j.issn.1000-1093.2016.12.002