專利名稱：：一種基于組合懸置的發(fā)動機隔振系統(tǒng)及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及自動控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于組合懸置的發(fā)動機隔振方法。
背景技術(shù)：
：發(fā)動機是車船等運載器上的主要振源，能在寬頻范圍隔振的懸置系統(tǒng)，可有效降低發(fā)動機振動能量的傳播，提高運載器的耐久性和乘坐舒適性。目前，發(fā)動機普遍采用橡膠彈性體制成的被動懸置隔振系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、成本不高，在低頻范圍有較好的隔振效果，但阻尼偏??；在高頻時橡膠會出現(xiàn)動態(tài)硬化，動剛度顯著增大，而阻尼幾乎不變，不能滿足發(fā)動機在高頻范圍隔振降噪的性能要求。近年研究的液壓懸置，能夠抑制發(fā)動機共振，但仍存在低頻阻尼偏小、液體高頻動態(tài)硬化等問題，致使發(fā)動機寬頻隔振的目標(biāo)仍然難以實現(xiàn)。隨著智能材料的發(fā)展，采用電/磁流變液等可控流體的懸置成為動力裝置隔振的重要發(fā)展方向。但電流變懸置需要較高的工作電壓，用于運載器的發(fā)動機隔振實現(xiàn)中有一定的技術(shù)難度。用磁流變液制成的阻尼器，能夠在可控電流產(chǎn)生的可控磁場下，改變磁流變液的流動特性，從而在寬頻范圍實現(xiàn)阻尼可調(diào)。目前，國內(nèi)外對磁流變阻尼器件的研究已經(jīng)基本成熟，廣泛應(yīng)用于車輛、機械、土木工程、航空航天等。近年來，在發(fā)動機隔振系統(tǒng)中，有采用橡膠和電/磁流變阻尼器組成并聯(lián)懸置的隔振方式，需在各支承點都加裝電/磁流變阻尼器和配置多個傳感器，因此隔振系統(tǒng)較為復(fù)雜且價格較為昂貴。為了提高發(fā)動機隔振系統(tǒng)的性價比和實用性，在原有的多個橡膠彈性體的基礎(chǔ)上，加上單個磁流變阻尼器，可構(gòu)成組合懸置隔振系統(tǒng)，從而充分利用橡膠彈性體的被動剛度特性和磁流變阻尼器的可控阻尼優(yōu)勢進行隔振。目前，在發(fā)動機的隔振控制方法上，只針對裝有多個阻尼可控懸置的隔振系統(tǒng)進行了研究，且普遍采用的是單一控制策略，很難在寬頻動態(tài)隔振范圍取得滿意效果。由于發(fā)動機隔振的動態(tài)過程具有不確定性，難以建立精確數(shù)學(xué)模型，因此需要尋求一種不依賴數(shù)學(xué)模型的、采用多種控制策略的半主動控制方法，在發(fā)動機不同的振動激勵頻率和阻尼器不同的運動狀態(tài)下，探索寬頻激勵下基于組合懸置的發(fā)動機隔振控制問題，這具有重要的現(xiàn)實意義。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明提出一種基于組合懸置的發(fā)動機隔振系統(tǒng)及控制方法，其目的有兩個。一是從提高運載器發(fā)動機隔振系統(tǒng)性價比的角度出發(fā)，充分利用多個橡膠彈性體被動剛度特性和單個磁流變阻尼器可控阻尼優(yōu)勢，構(gòu)成基于組合懸置的可控阻尼發(fā)動機隔振系統(tǒng)。二是針對發(fā)動機隔振動態(tài)過程具有不確定性、單一控制策略很難使發(fā)動機在寬頻范圍獲取滿意隔振效果的問題，采用一種不依賴于精確模型的、包括兩種控制策略的半主動控制方法，根據(jù)發(fā)動機振動激勵頻率、基座受力和阻尼器運動狀態(tài)改變組合懸置系統(tǒng)的阻尼力，在降低發(fā)動機自身振動的情況下，抑制發(fā)動機振動能量向運載器機體的傳遞，使發(fā)動機在寬頻范圍內(nèi)有效隔振。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是設(shè)計一種隔振系統(tǒng)，具體包括多個橡膠彈性體分別放置于基座上的各個支承點，單個磁流變阻尼器斜置在發(fā)動機中部和基座之間，且所在平面過發(fā)動機質(zhì)心并與發(fā)動機輸出軸垂直，構(gòu)成基于組合懸置的發(fā)動機單層隔振系統(tǒng)；一個二維加速度傳感器安裝在靠近磁流變阻尼器上端的發(fā)動機機體上，一個力傳感器安裝在位于磁流變阻尼器下端的基座上，分別在線提取發(fā)動機機體垂向、橫向振動加速度和基座垂向振動力；算法模塊計算發(fā)動機振動激勵頻率和橫向振動速度，建立垂向隔振模糊控制規(guī)則和橫向減振狀態(tài)控制規(guī)則，確定磁流變阻尼器的斜向控制力；控制器根據(jù)斜向控制力確定阻尼器驅(qū)動電流，輸入磁流變阻尼器，改變阻尼器中通電線圈產(chǎn)生的磁場強度，以實時調(diào)節(jié)組合懸置的阻尼力，使發(fā)動機在寬頻范圍有效隔振。本發(fā)明還提出一種基于組合懸置系統(tǒng)的發(fā)動機隔振控制方法，該控制方法包括如下步驟-(1)加速度傳感器和力傳感器分別在線提取與磁流變阻尼器相連的發(fā)動機機體的垂向、橫向振動加速度和基座垂向振動力；(2)算法模塊計算發(fā)動機振動激勵頻率和橫向振動速度，建立垂向隔振模糊控制規(guī)則和橫向減振狀態(tài)控制規(guī)則，根據(jù)激勵頻率和垂向振動力求解垂向阻尼力&;根據(jù)橫向振動加速度和橫向振動速度確定橫向阻尼力&;由垂向阻尼力和橫向阻尼力合成磁流變阻尼器的斜向控制力F，計算公式為F=&/sin^+Fy/cos^l，其中P為磁流變阻尼器與基座的夾角；(3)控制器根據(jù)磁流變阻尼器輸入輸出特性和斜向控制力確定阻尼器驅(qū)動電流；(4)驅(qū)動電流輸入磁流變阻尼器，改變阻尼器中通電線圈產(chǎn)生的磁場強度，實時調(diào)節(jié)組合懸置的阻尼力，使發(fā)動機在寬頻范圍有效隔振。所述垂向隔振模糊控制規(guī)則包括，當(dāng)振動激勵頻率模糊狀態(tài)值小時采用大阻尼力，當(dāng)振動激勵頻率模糊狀態(tài)值大時采用小阻尼力；同時，當(dāng)基座垂向振動力絕對值模糊狀態(tài)值小時，采用小阻尼力，當(dāng)振動力絕對值模糊狀態(tài)值大時采用大阻尼力。所述橫向減振狀態(tài)控制規(guī)則包括，根據(jù)阻尼器橫向運動的相對靜止、加速壓縮、減速壓縮、減速拉伸、加速拉伸五種狀態(tài)，由小到大對阻尼器施加不同的橫向阻尼力。采用以上技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點把單個磁流變阻尼器斜置于發(fā)動機質(zhì)心所在平面，與多個橡膠彈性體構(gòu)成組合懸置隔振系統(tǒng)，抑制發(fā)動機在垂向和橫向等主要振動方向上的能量，無需采用給多個橡膠彈性體分別并聯(lián)磁流變阻尼器的懸置布置方式，既充分利用了橡膠被動剛度特性和磁流變阻尼器可控阻尼優(yōu)勢，又提高了懸置系統(tǒng)的性價比和實用性；基于組合懸置的半主動隔振控制方法，針對發(fā)動機振動能量分布特點，采用不依賴數(shù)學(xué)模型的垂向隔振模糊控制和橫向減振狀態(tài)控制兩種策略，在寬頻范圍內(nèi)分別降低發(fā)動機振動能量在垂向和橫向上向基座的傳遞，克服了單一控制難以兼顧發(fā)動機不同方向振動而很難取得滿意效果的問題，可有效抑制運載器振動能量及降低發(fā)動機自身振動，提高運載器的耐久性和乘坐舒適性。圖1基于多個橡膠彈性體和單個磁流變阻尼器組合懸置的發(fā)動機隔振系統(tǒng)2基于組合懸置的發(fā)動機隔振控制方法實現(xiàn)流程示意圖具體實施方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的實施作詳細說明。如圖1所示為本發(fā)明所構(gòu)建的基于橡膠彈性體和磁流變阻尼器組合懸置的發(fā)動機隔振系統(tǒng)。由于受傳遞裝置等外部連接條件的限制，發(fā)動機整機強迫振動主要表現(xiàn)為垂向運動，其次是橫向振動。圖中，原點o代表發(fā)動機的質(zhì)心位置，x軸平行于發(fā)動機曲軸，Y軸垂直于X軸且平行于基座平面，Z軸依據(jù)右手定則確定，垂直于基座平面。尺z表示橡膠彈性體的垂向剛度，《Y表示橡膠彈性體的橫向剛度，C表示磁流變阻尼器的阻尼系數(shù)?；诮M合懸置的發(fā)動機隔振系統(tǒng)主要包括多缸發(fā)動機、代表運載器機身的基座(設(shè)為大質(zhì)量剛體)、多個橡膠彈性體、一個磁流變阻尼器、一個二維加速度傳感器、一個拉壓力傳感器、一個半主動控制器。多個橡膠彈性體分別放置于發(fā)動機基座上的各個支承點，上下端分別與發(fā)動機底部和基座相接，主要表現(xiàn)出被動的垂向剛度i^和橫向剛度《Y;單個磁流變阻尼器以一定角度<9斜置在發(fā)動機中部和基座之間，且所在平面過發(fā)動機質(zhì)心并與發(fā)動機輸出軸垂直，上下端分別與發(fā)動機底部和基座相接，主要表現(xiàn)出可控的垂向阻尼和橫向阻尼；二維加速度傳感器安裝在靠近磁流變阻尼器上端的發(fā)動機機體上，可測發(fā)動機垂向和橫向振動；力傳感器安裝在磁流變阻尼器下端的基座上，可測垂向拉壓力；控制器用于計算磁流變阻尼器的斜向控制力。在控制器中的輸入數(shù)據(jù)處理軟件部分，對二維加速度傳感器獲取的發(fā)動機垂向加速度進行快速傅立葉變換，把最大振動能量對應(yīng)的頻率作為發(fā)動機振動激勵頻率；對橫向振動加速度進行積分運算，得到發(fā)動機橫向振動速度。發(fā)動機振動激勵頻率、橫向振動加速度、橫向振動速度和力傳感器信號共同作為發(fā)動機半主動控制器的輸入?？刂破鬟M行半主動控制計算后，輸出控制信號改變磁流變阻尼器的阻尼力，抑制發(fā)動機振動能量向機體的傳播。如圖2所示為本發(fā)明所述基于組合懸置的發(fā)動機隔振控制方法的實施步驟，具體包括1、采集二維加速度傳感器和力傳感器信號，獲取發(fā)動機隔振系統(tǒng)的振動信號二維加速度傳感器分別獲取與磁流變阻尼器相連處的發(fā)動機機體垂向振動加速度A和橫向振動加速度flY。然后，在控制器中輸入數(shù)據(jù)處理軟件部分，對&信號進行快速傅立葉變換，把最大振動能量對應(yīng)的頻率作為發(fā)動機振動激勵頻率0;對信號進行積分運算，可計算得到發(fā)動機橫向振動速度vy。力傳感器信號采集獲取發(fā)動機傳給基座的垂向振動力尸Zu。2、基于組合懸置的發(fā)動機隔振控制計算發(fā)動機整機振動主要表現(xiàn)為垂向及橫向振動，具有動態(tài)不確定性，難以建立精確模型，必須采用不依賴于精確模型、包括多控制策略的半主動控制方法。由于模糊控制和基于阻尼器運動狀態(tài)的減振控制都不需要精確數(shù)學(xué)模型，因此把基于組合懸置的發(fā)動機隔振控制問題用基于模糊控制的垂向隔振控制和基于阻尼器運動狀態(tài)的橫向減振控制方法共同求解。根據(jù)發(fā)動機振動激勵頻率、基座受力和阻尼器運動狀態(tài)改變組合懸置隔振系統(tǒng)的阻尼，抑制發(fā)動機機體振動能量在垂向和橫向上向基座的傳遞。具體控制過程如下所述。(1)基于模糊推理的發(fā)動機垂向隔振控制由隔振理論，要在寬頻范圍內(nèi)抑制基于組合懸置的發(fā)動機垂向振動能量向基座的傳遞，關(guān)鍵是根據(jù)發(fā)動機振動激勵頻率來改變組合懸置的垂向阻尼；同時，為了抑制基座受到的發(fā)動機垂向振動能量，可根據(jù)基座垂向振動力大小來改變組合懸置的垂向阻尼。因此，以發(fā)動機振動激勵頻率和基座垂向振動力絕對值為半主動控制器輸入量，采用模糊推理方式，求解垂向阻尼力。輸入量和輸出量采用不同的三角形隸屬函數(shù)。模糊化輸入變量時，振動激勵頻率和基座垂向振動力絕對值的模糊子集分別為『、iV，輸出變量垂向阻尼力的模糊子集為O，模糊語言值均為零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)、正最大(PL)。建立垂向隔振模糊控制規(guī)則。根據(jù)發(fā)動機振動激勵頻率和基座垂向振動力絕對值，實時改變組合懸置系統(tǒng)的阻尼。因為磁流變阻尼器的阻尼與阻尼力在一定條件下成正比，因此在振動激勵頻率較小工作區(qū)域盡量采用較大阻尼力，在振動激勵頻率較大工作區(qū)域采用較小阻尼力；同時，在基座垂向振動力絕對值較大時，采用較大阻尼力，而在振動力絕對值較小時采用較小阻尼力。表1是求解垂向阻尼力的模糊推理規(guī)則表。舉一個例子可說明該表中用模糊語言進行推理的方法若振動激勵頻率模糊狀態(tài)為正大(PB)、基座垂向振動力絕對值模糊狀態(tài)為正中(PM)，則垂向阻尼力模糊狀態(tài)為正小(PS)。表l求解垂向阻尼力的模糊控制規(guī)則<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>采用Min-Max重心法推理求解垂向阻尼力。根據(jù)表1，可以得到各條推理規(guī)則/^的計算公式A.=巧x0門iV附x6>=及町門7^./,w，"=1，2,...，5;y'=1，2，…，25式中，w、a^、a分別是模糊子集『、w、O中的元素，/^和i^分別為某振動激勵頻率和某基座垂向振動力絕對值對應(yīng)的規(guī)則。如果已知振動激勵頻率輸入為必。，基座振動力絕對值為i^"則由表1的各條規(guī)則推理后，可以得到控制量o":o"=乂Oo。及町n&。。)最后，設(shè)《。表示輸出比例因子，//。"表示垂向阻尼力各狀態(tài)輸出的權(quán)重，反模糊化得到半主動控制器的輸出垂向阻尼力^:尸z=dj/[i>。(o)〗(2)基于阻尼器運動狀態(tài)的發(fā)動機橫向減振控制把基座視為大質(zhì)量剛體后，它受發(fā)動機振動激勵產(chǎn)生的振動速度和加速度近似為零。因此，理想情況下可認(rèn)為斜置的磁流變阻尼器下端點的橫向振動速度及加速度均為零，但阻尼器上端因與發(fā)動機相連而在橫向上具有動能。在實際中，必須根據(jù)阻尼器的橫向運動狀態(tài)對發(fā)動機振動進行減振控制，以盡可能抑制發(fā)動機橫向振動能量，并提高運載器機體的橫向穩(wěn)定性。忽略阻尼器下端橫向振動后，阻尼器橫向運動狀態(tài)可用發(fā)動機橫向振動加速度和橫向振動速度VY來表示。設(shè)vy與圖1中Y軸正向同向時，阻尼器處于壓縮運動狀態(tài)；Vy與Y軸正向反向時，阻尼器是拉伸運動狀態(tài)。并沒Vy、與Y軸正向同向時為正。根據(jù)vy、把阻尼器橫向運動分為五種狀態(tài)相對靜止、加速壓縮、減速壓縮、減速拉伸和加速拉伸。設(shè)計出基于阻尼器橫向運動狀態(tài)的發(fā)動機橫向減振控制策略，在不同狀態(tài)下對阻尼器施加不同的橫向阻尼力尸y，遵循以下公式。廣0vY=0;CjVyvY>0，Vy<3y>0;FY=《C2vyVy>0，vy《0;vv<0,vv"r>0.在上式中，q(i=i,2,3,4)為狀態(tài)力系數(shù)，且o〈c;〈C2〈C3〈C4。(3)求解磁流變阻尼器的斜向控制力在前面，用模糊推理方法求解了發(fā)動機的垂向隔振控制問題，用基于阻尼器運動狀態(tài)的減振控制抑制發(fā)動機機體橫向振動，并得到了磁流變阻尼器的垂向阻尼力fz和橫向阻尼力fy。由于磁流變變阻尼器斜置在發(fā)動機中部所在的YOZ平面內(nèi)，可表現(xiàn)出垂向阻尼力和橫向阻尼力。在實際控制時，根據(jù)Fz和尸y的值進行合成，在控制器中的算法模塊調(diào)用公式計算出磁流變阻尼器在斜向?qū)崿F(xiàn)半主動控制的合力值，即磁流變阻尼器的斜向控制力F=|FZ/sin6>+Fy/cos<9|，其中0為磁流變阻尼器與基座的夾角。3、基于磁流變阻尼器輸入輸出特性的控制電流求解前面的計算得到了斜向控制力F，由于磁流變阻尼器是用電流驅(qū)動的，因此還需要求解組合懸置中磁流變阻尼器的可控輸入電流值大小。磁流變阻尼器的阻尼力由粘滯阻尼力和庫侖阻尼力兩部分組成當(dāng)阻尼器幾何尺寸確定后，粘滯阻尼力只是活塞運動速度的函數(shù)，是不可控的；庫侖阻尼力是驅(qū)動電流的函數(shù)，是可控制的。設(shè)斜向控制力f即為磁流變阻尼器的庫侖阻尼力，在寬頻范圍內(nèi)，它和阻尼器驅(qū)動電流間的輸入輸出特性滿足如下計算表達式F=a/2+6/+c式中O力，C是常數(shù)，且a^0;/表示驅(qū)動電流值?？刂破鹘与娏黩?qū)動器后，按上述公式把斜向控制力轉(zhuǎn)換成驅(qū)動電流，然后該驅(qū)動電流輸入磁流變阻尼器，改變阻尼器中線圈產(chǎn)生的磁場強度，使磁流變阻尼器表現(xiàn)出受控的斜向阻尼力，在寬頻隔振范圍內(nèi)實現(xiàn)基于組合懸置的發(fā)動機隔振系統(tǒng)的半主動控制。權(quán)利要求1、一種基于組合懸置的發(fā)動機隔振系統(tǒng)，其特征在于，多個橡膠彈性體分別放置于發(fā)動機底部基座上的各個支承點，單個磁流變阻尼器以一定角度斜置在發(fā)動機中部和基座之間，且所在平面過發(fā)動機質(zhì)心并與發(fā)動機輸出軸垂直；在磁流變阻尼器上端的發(fā)動機機體上安裝二維加速度傳感器，在與磁流變阻尼器下端相連的基座上安裝力傳感器，加速度傳感器和力傳感器分別在線提取發(fā)動機機體垂向振動加速度、橫向振動加速度和基座垂向振動力；算法模塊計算發(fā)動機振動激勵頻率和橫向振動速度，建立垂向隔振模糊控制規(guī)則和橫向減振狀態(tài)控制規(guī)則，確定磁流變阻尼器的斜向控制力；控制器根據(jù)斜向控制力和阻尼器輸入輸出特性確定阻尼器驅(qū)動電流，輸給磁流變阻尼器實時調(diào)節(jié)組合懸置的阻尼力，降低發(fā)動機振動能量的傳播。2、一種基于組合懸置的發(fā)動機隔振控制方法，其特征在于，該控制方法包括如下步驟(1)加速度傳感器和力傳感器分別在線提取與磁流變阻尼器相連的發(fā)動機機體垂向振動加速度、橫向振動加速度和基座垂向振動力；(2)算法模塊計算出發(fā)動機振動激勵頻率和橫向振動速度，建立垂向隔振模糊控制規(guī)則和橫向減振狀態(tài)控制規(guī)則，根據(jù)振動激勵頻率和垂向振動力求解垂向阻尼力&;根據(jù)橫向振動加速度和橫向振動速度確定橫向阻尼力FY;由垂向阻尼力和橫向阻尼力合成磁流變阻尼器的斜向控制力F;(3)根據(jù)磁流變阻尼器輸入輸出特性和斜向控制力計算阻尼器驅(qū)動電流；(4)將驅(qū)動電流輸入磁流變阻尼器，改變阻尼器中線圈產(chǎn)生的磁場強度，實時調(diào)節(jié)組合懸置的阻尼力，使發(fā)動機在寬頻范圍隔振。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述垂向隔振模糊控制規(guī)則包括，當(dāng)振動激勵頻率模糊狀態(tài)值較小時采用較大阻尼力，當(dāng)激勵頻率模糊狀態(tài)值較大時采用較小阻尼力；同時，當(dāng)基座垂向振動力絕對值模糊狀態(tài)值較小時，采用較小阻尼力，當(dāng)振動力絕對值模糊狀態(tài)值較大時采用較大阻尼力。4、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述橫向減振狀態(tài)控制規(guī)則包括，根據(jù)磁流變阻尼器橫向運動的相對靜止、加速壓縮、減速壓縮、減速拉伸、加速拉伸五種狀態(tài)，由小到大對阻尼器施加不同的橫向阻尼力。5、根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，由垂向阻尼力和橫向阻尼力合成磁流變阻尼器斜向控制力的計算公式為F=|FZ/sin^+Fy/COS^|，其中^為磁流變阻尼器與基座的夾角。全文摘要本發(fā)明請求保護一種基于組合懸置的發(fā)動機隔振系統(tǒng)及控制方法，涉及自動控制
技術(shù)領(lǐng)域：
。本發(fā)明用被動的多個橡膠彈性體和斜置在發(fā)動機中部和基座之間的單個可控磁流變阻尼器構(gòu)成組合懸置；用一個加速度傳感器和一個力傳感器分別提取發(fā)動機機體的垂向、橫向振動加速度和基座垂向振動力，由此計算發(fā)動機振動激勵頻率和橫向振動速度；在控制器中建立發(fā)動機垂向隔振模糊控制規(guī)則和橫向減振狀態(tài)控制規(guī)則，計算出磁流變阻尼器的斜向控制力；根據(jù)斜向控制力確定磁流變阻尼器驅(qū)動電流，實時調(diào)節(jié)組合懸置的阻尼力，抑制發(fā)動機振動能量的傳播。本發(fā)明可使發(fā)動機在寬頻范圍有效隔振并降低發(fā)動機自身振動，提高運載器的耐久性和乘坐舒適性。文檔編號F16F15/02GK101220845SQ200810069290公開日2008年7月16日申請日期2008年1月23日優(yōu)先權(quán)日2008年1月23日發(fā)明者淼余,劉會兵,廖昌榮,張紅輝,銳李,陳偉民申請人:重慶大學(xué)