半主动式（精选8篇）
半主动式 篇1
1 激光半主动制导的发展意义
由于激光具有单色性好、方向性好, 发射束散角小等优点, 所以敌方很难进行有效的电子信息干扰。可采取多种编码的方式, 使得不同武器拥有同时攻击很多目标的杀伤性能力。半主动制导导弹的实战效率高, 它也存在一些问题, 比如容易受到天气和战场条件的影响。世界各国正加速研制高性能的目标捕获、跟踪系统, 从而在未来战争里发挥最大的优势。
2 光斑尺寸分析
半主动激光制导中, 光斑的尺寸分析以及变化特别重要, 直接影响激光制导的参数。该文采用不同波段的光源进行分析。光斑尺寸的变化由分析可知, 主要由两个方面引起, 首先是激光照射器与攻击目标间的距离会引起光斑的大小发生改变, 激光照射器发射激光照到目标后, 其光斑的大小由激光照射器的发射束散角决定, 由于目标距离的变化使得导引头所接收到的光斑尺寸也在变化。按基本的几何光学设计, 可仿真出图1 (a) 的结果。
但是由于实际情况会有些出入, 对于导引头的探测器的四象限光电探测器, 在捕获阶段, 目标进入探测器视场, 如果跟踪稳定, 光斑应该集中在某一象限上, 它只可以检测出大致的方位, 但是由于检测精度比较差, 需调节导弹的视轴角度, 进而将光斑引入到探测器的中心位置, 之后再引入跟踪部分。当光斑的尺寸很小难以观测时, 视轴的检测精度比较高, 但是检测的范围有限、较小, 光斑过小, 在探测器的死区内, 信号将会丢失, 捕获失败, 通常取光斑的大小为近似四象限探测器的光敏面, 这样可以保证效果, 当导引头的距离与目标间隔比较远时, 成像在探测器光敏面的光斑非常小, 至少要大于探测器的沟道宽度, 所以需要安装变焦系统, 解决离焦或散斑问题, 使得光斑的大小变化成线性关系, 由于视轴检测精度的降低, 却增加了检测范围。通过对总体系统中导引头接收到的光斑尺寸的理论数据可知, 影响导引头接收到光斑尺寸变化的主要因素为:导弹距目标的实际距离以及导弹的地平角。可以通过计算机仿真得出图1 (b) 的结果。
从图1中我们可以得到以下的结论, 导引头接收到的光斑尺寸会随着导弹距离的减小而增大, 当距离特别大时, 光斑的尺寸变化比较缓慢, 有一个平缓的过程, 当距离小于盲区后, 光斑尺寸会迅速的变大, 曲线特别陡, 图1进一步证明了上述观点。
3 不同波段光斑特性分析
该文选择1 064 nm和650 nm波长的光源进行试验, 由于两个波长一个是不可见光, 一个是可见光, 这样给试验的理论以及实际论证提供了很大的参考价值。
图2三幅图片中, 图2 (a) 是经过光纤的激光最大光斑图, 图 (b) 图 (c) 分别是激光器经过能量衰减最强和最弱的最大光斑图片, 从图片中可明显看出激光器激光图片的杂散光比较强, 光斑信号强度分布相对不均匀。图3为图像处理后激光器输出所对应的图片。
4 结语
该文从实际情况出发, 结合了该实验室的条件进行了实验, 得出了导引头接收不同波段激光的光斑大小, 亮度变化, 以及分析了影响导弹导引头接收光斑尺寸变化的因素, 符合半主动激光制导的要求, 具有进一步研究的意义。
参考文献
[1]高志杰, 张安京, 史国华.风标式激光导引头光电建模与仿真[J].光电工程, 2007, 34 (1) :4-8.
[2]刘志国, 张金生, 王仕成.激光制导炸弹数字仿真研究[J].系统仿真学报, 2005, 17 (7) :1757-1759.
[3]张金生, 王仕成.激光制导武器仿真系统视线角精确控制研究[J].电光与控制, 2005, 12 (4) :19-23.
[4]施德恒, 熊水英.激光半主动寻的制导导弹发展综述[J].红外技术, 2000, 22 (5) :28-34.
[5]郭修煌.精确制导技术[M].国防工业出版社, 1999.
半主动式 篇2
航天器主动热控制系统辐射散热的半物理仿真
该文提出在主动式热控制系统的地面动态实验中用半物理仿真的`方法模拟在轨热辐射环境和辐射散热器.文中给出了半物理仿真系统的设计方案,用伪组件代替辐射散热器连接在真实回路中,用虚拟组件在计算机中模拟真实的在轨热辐射环境和辐射散热器的运行,并通过测控系统控制伪组件的运行状态.文中给出了虚拟组件和伪组件的设计与实现.实验结果表明这种方案能够准确地模拟出热辐射环境对热控制系统运行的影响.
作 者：徐向华 梁新刚 陈泽敬 任健勋 XU Xiang-hua LIANG Xin-gang CHEN Ze-jing REN Jian-xun 作者单位：清华大学航天航空学院,北京,100084刊 名：计算机仿真 ISTIC PKU英文刊名：COMPUTER SIMULATION年，卷(期)：23(8)分类号：V416.5关键词：主动式热控制 半物理仿真 辐射散热 地面实验
半主动式 篇3
悬挂系统起着弹性连接车架与轮胎、减缓和衰减不同道路情况颠簸而引起的冲击振动, 确保车辆行驶平稳与驾驶人员的舒适性。性能良好的悬挂应满足车辆高速机动性、高通过性和高乘员舒适性[1]。
被动悬挂系统:主要由弹簧和减振器组成, 减振器的阻尼力随着振动速度的增大而增大, 振动频率增加, 等效刚度增大, 对高频衰减能力降低, 不能随着路面情况的变化进行调节, 结构简单, 减振效果一般。
主动悬挂系统:悬挂系统中加入有源可控元件—作动器, 按照控制规律产生合适的悬挂力, 抑制振动, 它由执行机构和决策机构构成闭合控制系统, 结构复杂, 减振效果优异。
半主动悬挂系统:使阻尼器按照路线和车辆实际情况调整阻尼的大小, 做到无极调节, 避免了主动悬挂中高成本的作动器和复杂的能量控制系统, 结构相对简单, 减振效果好。
半主动悬挂相对于被动悬挂在减震效果上有明显的优势, 在达到接近主动悬挂性能的同时, 又具备结构简单、成本低廉、能耗较低等特点, 具有良好的工程应用前景, 已成为车辆工程领域的研究热点。彭志召对半主动悬挂的频域控制算法进行了研究[2], 陈兵对履带车辆的半主动悬挂的仿真进行了分析等。本文将以半主动悬挂为研究对象, 利用最优控制方法建立半主动悬挂整车模型, 通过非经典线性系统模型分析法对整车状态方程进行研究和分析。
2 模型建立
目前对半主动悬挂系统的研究多采用四分之一车体或者半车模型, 虽然能够分析, 但是和实际工况的响应有着一定的出入, 为符合实际运行情况下轮式车辆悬挂的减振效果, 考虑车体质心振动和各个车轮轮心自由度的相关性。
假设车身为刚性的, 在垂直方向, 左右倾斜, 前后俯仰方向有三个自由度, 通过悬挂系统与车身连接的四个轮子简化成质点, 由此组成七个自由度的系统, 由动力学理论可得其动力学方程为:
为了更明确的表达系统的振动, 用状态方程形式表达得:
这样就得到了轮式车辆半主动悬挂系统整车的状态方程:
得到状态方程后可对车辆进行力学系统状态的分析, 为后续悬挂的研究和优化提供基础。
3 模态分析
由于半主动悬挂阻尼器可以调节, 不能用经典线性力学系统进行分析, 因此采用非经典模态分析法
由公式 (3) 可得半主动悬挂系统整车模型无外激励情况下的状态方程:
以矩阵形式表示可得:
通过对以上分线性系统模态分析方法的分析得到了轮式车辆半主动悬挂矩阵方程, 推导分析可以得到系统的特征值和特征向量。
4 总结
本文以轮式车辆为研究对象, 建立整车模型, 推导出整车的状态方程, 再通过非经典模态分析法, 得到矩阵方程, 可进一步了解整车模型的固有特性和灵敏度。以此为依据考察个参数对整个悬挂系统减振效果的影响, 为后续的优化设计体统理论依据。
摘要：本文简要介绍目前轮式车辆常用的三种悬挂, 对比三种悬挂的系统特性, 分析半主动悬挂的优点。以半主动悬挂为研究对象, 利用最优控制方法建立, 建立轮式车辆半主动悬挂的整车模型, 推导半主动悬挂整车模型的状态方程, 并利用非经典模态分析法对轮式车辆半主动悬挂进行了推导得到矩阵方程, 为后续研究打下基础。
关键词：半主动悬挂,整车模型,状态方程
参考文献
[1]陈家瑞, 马天飞.汽车构造[M].北京:人民交通出版社, 2009:226-242.
半主动式 篇4
控制算法是控制的基础, 其目标就是使控制系统在满足其状态方程和各种约束条件下, 选择合适的增益矩阵, 使结构在外荷载作用下的响应最小。磁流变半主动控制算法是研究磁流变输入与输出间的关系, 它是振动控制中的核心问题。磁流变控制主要是借鉴主动控制的算法计算出最优力, 然后根据半主动控制算法进行逼近。显然, 合理的半主动控制算法对磁流变阻尼器的控制效果起到关键性的作用。
1磁流变阻尼器半主动控制算法
对于地震作用下n个自由度受控体系的运动方程为:
其中, M, C, K分别为体系n×n的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;X为体系相对于地面的位移反应向量;
设状态向量, 则其状态方程可表示为:
其中, Z (t) 为2n维状态反应向量;
当采用线性二次型 (LQR) 经典最优控制算法时, 其性能泛函为:
其中, Q为n×n维半正定矩阵;R为m×m维正定矩阵;tf为地震作用的持续时间。应用最优控制理论求得使此二次型目标函数达到最小的最优主动控制力为:
U (t) =-R-1BTP (t) Z (t) (4)
其中, P由Riccati方程求得:
上述主动控制作动器的最优控制力设计需要在期望的控制效果和有限的作动器出力的条件下, 通过反复调整性能目标权矩阵Q和R, 由式 (2) , 式 (4) 和式 (5) 的多次重复计算来实现。这个过程实际上是确定性能目标权矩阵Q和R。一般情况下, 给定权矩阵R而增大权矩阵Q, 则状态反应最大值向量减小, 控制力最大值向量增加;反之, 给定权矩阵Q而减小权矩阵R, 则状态反应最大值向量减小, 控制力最大值向量增大。
对于结构振动控制的问题, 性能目标权矩阵Q和R通常可取以下的形式:
其中, αM, αK, βR均为待定常数;M, K分别为结构的质量矩阵和刚度矩阵;I为单位矩阵。在性能目标权矩阵Q和R取式 (6) 的情况下, 性能目标总体上是能量的概念, 其中第一项对应αKK和αMM的部分分别是系统的势能和动能, 第二项与主动控制系统的能量有关。
1.1 半主动控制算法——Semi-1
该控制算法表明:当磁流变阻尼器最大阻尼力与最优控制力方向相同时, 且小于最优控制力时, 施加最大阻尼力;否则, 施加最小阻尼力。
1.2 半主动控制算法——Semi-2
该控制算法表明:当磁流变阻尼器所在位置, 如结构层间背离平衡点振动时, 施加阻尼器能实现的最大阻尼力;否则, 施加最小阻尼力。
1.3 半主动控制算法——Semi-3
该控制算法表明:当最优控制力与磁流变液阻尼器所在位置振动方向相反时, 施加阻尼器能实现的最大阻尼力;否则, 施加最小阻尼力。
1.4 半主动控制算法——Semi-4
其中,
以上所有半主动控制算法都是基于线性二次最优控制理论的基础并结合装置的出力原则提出来的, 半主动控制算法Semi-4是根据控制要求动态调解磁流变阻尼器的库仑阻尼力, 并在装置的最大出力、最小出力及最优控制力之间连续调解, 这是一种连续控制算法, 是真正意义上的半主动控制;其他几种半主动控制算法是根据装置的工作原理及不同的出力规则调解磁流变阻尼器的阻尼力参数, 使其在振动控制过程中在最大和最小出力之间调解, 这实际是一种界限状态控制 (或者叫开关控制) 。
2磁流变阻尼结构的数值仿真分析
2.1 结构计算模型
下面结合一5层框架结构应用上述四种半主动控制算法、主动控制及两种被动控制 (Passive-off 和Passive-on) 进行地震反应分析。结构概况:一栋5层钢筋混凝土框架结构, 层高为3.0 m。各楼层楼面恒载为1 kN/m2, 楼面活载为4 kN/m2。梁混凝土为C25, 柱混凝土为C30。梁柱配筋采用三级钢筋, 半径分别为20和25。按8度设防、Ⅱ类场地土设计, 平面尺寸和梁柱布置如图1所示, 结构计算模型见图2, 结构构件尺寸见表1。
本文的计算实例采用的是层剪切模型 (见图2) 。在结构的每层各安装一个磁流变阻尼器。磁流变阻尼器参数见表2。结构阻尼比为5%, 地震输入采用EL Centro波。权矩阵的选取:
2.2 各种控制算法的控制效果分析与比较
图3, 图4分别给出了结构在主动控制 (LQR算法) , 半主动控制算法 (Semi-1～Semi-4) , Passive-on和Passive-off被动控制下顶层地震最大位移和最大加速度反应。表3给出了其在地震波作用下结构的位移反应峰值和最大绝对加速度反应峰值。
从表3和图3, 图4可以看出, 装有磁流变阻尼器的半主动控制结构同原结构相比, 不仅各层层间位移反应得到明显的减小, 而且各层加速度反应也得到了相应的减小。也可以看出Semi-4半主动控制算法无论在对结构位移反应还是在加速度反应上, 相对于其他半主动控制算法有更明显的减震效果。
3结语
本文对四种典型的半主动控制算法, Passive-off, Passive-on和LQR算法与无控工况下的结构进行了仿真分析比较, 得到以下主要结论:1) 磁流变阻尼器是一种性能优良的半主动控制装置, 在合理的半主动控制算法下可以起到接近主动控制的效果;2) 当磁流变阻尼器失效 (Passive-off) (电流为零) 时, 也起到一定的减震效果;而在Passive-on (电流为最大) 时, 控制效果优于无控工况, 但控制作用明显劣于半主动控制和最优控制;3) 结构磁流变阻尼控制系统的半主动力能够很好地跟踪和实现相应的主动控制力, 实现程度在90%以上;4) 半主动控制装置和智能阻尼控制装置可以在有限方向上实现结构主动控制所期望的最优控制力, 从而基本实现主动控制的效果;反过来, 结构主动控制理论可以指导半主动控制装置和智能阻尼控制装置及其参数的设计, 从而使其具有严密的设计理论基础和更好地实现主动最优控制效果。
摘要：对基于LQR的四种典型的半主动控制算法, 以及Passive-off, Passive-on和LQR算法与无控工况下的结构进行了仿真分析比较, 研究了半主动控制算法对结构振动的控制效果, 并选择其中控制效果较好的半主动控制算法作为后面所采用的控制算法, 考察了半主动控制力对主动控制力的跟踪和实现程度。
关键词：半主动控制算法,Passive-off,Passive-on,LQR算法
参考文献
半主动式 篇5
半主动悬架工作时几乎不消耗发动机的功率,不需向悬架系统施加外部能源,只需适时地改变悬架的阻尼元件或弹性元件的参数即可,结构简单,造价低,而减振效果接近于主动悬架,因此半主动悬架的性能价格比高,具有更为现实的应用价值,受到国际上各大汽车公司和研究人员的广泛重视[1,2],并且根据路面来适时的调节悬架的软硬程度,将有着重要的意义[3]。
1 半主动悬架控制要求及其控制策略
本系统主要考虑振动加速度、悬架动行程、以及减振器的发热功率这些悬架性能的主要评价指标[4]。基于上述几个性能指标,控制系统根据所采集的数据,包括车身振动加速度,油气悬架气体压力,减振器的温度,来实时地改变悬架阻尼系数。为了实现实时的控制,系统只设软、中、硬三个档位。执行机构采用电液比例阀,即通过控制通过电磁阀的电流来控制节流孔开度,以实现对阻尼力的调节。
2 半主动悬架控制器的硬件研发
半主动悬架控制器系统如图1所示,主要包括电源驱动板、主控板和温度变送板。
由于车辆电源为24伏,必须通过电源驱动板中的电压变换模块将24V变换成所需要的电压。电压变换模块采用三块电源模块,其中两块SF24S5-5W,实现24V转换成5V,但两块电源模块相互不共地。一个采用数字地,给主控板供电,一个采用模拟地,给输出模块供电。另一块电源模块为SF24S15-10W,实现24V转换为正负15V,给电源互感器供电。电源驱动板包括电源变换模块、PID恒流闭环调节模块、驱动模块等。
主控板包括如下功能模块:微处理器(单片机)、数据采集系统(采集加速度、油气悬架气体压力、各减振器的温度)、试验数据存储模块、看门狗抗干扰模块,时钟模块、上位机监控模块,ISP系统、MIC总线通讯模块,系统机构如图2所示。
微处理器采用PHILIPS公司的51单片机系列P89V51RD2,该单片机采用8位处理器,包含64kFLASH和1024字节的RAM。FLASH程序存储器支持并行和串行在系统编程系统,内设三个计数/定时器和一个看门狗定时器,具有PWM输出功能[5]。
数据采集系统采集振动加速度、悬架气缸压力、以及悬架温度三个信号。模拟量采集进来经A/D转换送入单片机,A/D转换采用PHILIPS公司的A/D芯片PCF8591,该芯片采用I2C数据总线协议。由于有多路压力和温度信号,因此用两片4051实现压力和温度信号的选线。
试验数据存储采用芯片24c256,该芯片采用I2C数据总线协议。存储空间大小为32K,控制器每隔1分钟对当前的状态信息进行存储。按每天跑车八小时计算,可以存储三天的实验数据。该存储模块的使用极大的方便了实验数据的采集和记录。
时钟模块纪录试验的时间,采用芯片DS1302。该芯片采用涓流充放电技术,节省芯片的耗电量,即使在系统断电的情况下,也能正常的工作。实验证明该芯片准确度相当高。
看门狗芯片采用X25045,以防止程序“跑飞”。看门狗需要主程序对其定期的“喂狗”,否则将产生复位信号是主程序复位。当程序受外界的干扰或进入非正常的死循环时,主程序不对看门狗进行“喂狗”操作,这是看门狗复位主程序,使其正常的运行。
ISP在系统编程系统以及上位机监控系统都是通过串口通讯实现。用MAXIN232芯片来实现电平的转换,完成于上位机的接口。ISP系统为烧写程序提供了很大的方便,不需要把芯片拔出来插在仿真器上烧写,直接可以进行在线的修改。上位机监控系统可以实现对试验数据在线和离线的读取,极大的方便了试验数据的纪录,以及故障现象的分析。
通过MIC总线可以将悬架当前的运行状况上传到上一级控制器,并从总线上获得车速等信号,实现了与车辆其他分系统信息的共享。
温度变送板中的温度传感器采用铂电阻温度传感器pt100。此传感器电阻阻值随着外界温度的升高而增大,具有灵敏度高,工作可靠的特点。但其线性度不好,需要变送电路来改善其线性度。电路图3所示。该电路采用正反馈进行线性补偿。PT端接温度传感器pt100。通过电桥,把电阻变化转化成电压的变化,并经过运放LM224进行放大处理。VT为输出,并把一定的正反馈量引入到电源输入端,经过加法器和电压跟随器,给电桥供电。经过实际的检验,此温度变送器具有较高的线性度。
本控制系统通过PWM输出来控制通过电磁阀的电流。但是当长时间使用时,电磁阀过热,其电阻增加,从而导致通过电流阀的电流减小,偏离控制目标,势必影响悬架的控制性能。通过电流互感器可以测得通过电磁阀的电流,并把测得的数据送入单片机,通过PID控制算法调整PWM的参数设定,以实现电磁阀恒流输出,电路图如图4所示。LH1为霍尔传感器,f1端接负载。当pt1端注入PWM脉冲时,负载电路就能够适时的接通和断开。霍尔传感器可以感应负载电路的电流,通过电位器将其转化成电压信号i/v1,经A/D转化后送入单片机。此模块还有故障诊断的功能,电路中接入了熔断电阻,当电磁阀短路时,输出电流过大,导致熔断断开,时输出电流为零,流互感器能及时检测到此信息并送给单片机。
3 半主动悬架控制器的软件设计
半主动控制的软件设计分为如下几个模块构成:MIC总线通讯模块实现MIC的读写操作,I2C总线通讯模块,实现对数据存储器24C256的读写以及A/D转换器PCF8591的读写;PWM输出模块,通过设置寄存器的参数,来适时的改变PWM输出;时钟模块,完成对时钟芯片的读写操作;串口通讯模块,主要实现ISP功能以及上位机监控功能;PID控制模块,实现数字PID算法,以适时的调节PWM参数,以控制通过电磁阀的电流;主程序模块,将各模块通过接口连接起来,实现整个控制功能。
4 结论
所有的软件均经过调试运行,从台架试验和实际的跑车试验的结果来看,控制器实现了对减振器阻尼的预期控制目标,并实现了控制系统与PC机的数据通信。在系统编程功能和对试验数据的在线和离线采集功能,极大的方便了程序的修改和实验数据的读取。实验结果表明:控制器的软、硬件设计完全符合军标要求。
参考文献
[1]T.Yoshimura,K.Nakaminami,M.Kurimoto,J.Hino.Activesuspension of passenger cars using linear and fuzzy-logiccontrols[J].Control Engineering Practice,1999,7:41–47.
[2]TOSHIO YOSHIMURA.Active suspension of vehicle sys-tems using fuzzy logic[J].International Journal of SystemsScience,1996,27:215-219.
[3]丁法乾.履带式装甲车辆悬挂系统动力学[M].北京:国防工业出版社,2002.
[4]俞德孚.车辆悬架减振器的理论和实践[M].北京:兵器工业出版社,2003.
半主动式 篇6
车辆座椅是车辆减振系统的一个重要隔震装置,其性能的好坏对乘客的舒适性及驾驶员的健康状况具有重要影响。大量研究结果表明,高强度全身振动会对人体的腰椎、脊柱、胃和肾脏等器官造成伤害[1],最易遭受这类振动伤害的是农用车辆、林用车辆以及工程车辆等非公路车辆的驾驶员。所以改善驾驶员座椅的减振性能对提高驾驶员的乘坐舒适性,保证其健康具有十分重要的意义。
座椅悬架是驾驶员座椅的关键组成部分,而半主动座椅悬架兼有主动悬架减振性能良好和被动悬架结构简单、成本低的优点[2,3],是座椅悬架的发展方向之一。目前,国外对半主动座椅悬架的理论和工程应用进行了大量的研究。Load公司开发了磁流变阻尼器,并应用于座椅悬架中,大大降低座椅低频共振时悬架与限位块的撞击频率和撞击强度[4]。比利时的I.Hostens等人对座椅用空气悬架系统进行了理论分析和实验研究,发现空气悬架系统比传统的被动悬架有更好的振动衰减能力,使驾驶员乘坐更舒适[5,6]。国内,仅吉林大学、重庆大学等少数高校和科研单位对半主动驾驶员座椅悬架进行了研究。
本文在目前国内外现有半主动悬架座椅研究基础上,选用磁流变阻尼器、空气弹簧、比例流量阀等元件自行设计生产了一种带附加气室的半主动悬架座椅。并利用台架实验的方法,研究了激励频率,磁流变减振器阻尼力,空气弹簧刚度对座椅振动特性的影响,为带附加气室半主动悬架座椅的设计和控制提供理论依据。
1半主动悬架座椅设计
1.1座椅悬架系统的建模
座椅悬架实际上是多自由度非线性系统,但对多自由度系统的数学建模和分析往往很复杂,座椅悬架振动的本质特性会被复杂的模型和计算所掩盖。本文把人体看作一个刚体揉合到座椅运动质量中而建立单自由度的座椅乘坐模型,并且视座椅悬架系统为一个单独的线性系统,建立座椅悬架系统的动力学模型(图1)。
根据牛顿定律,得到如下动力学方程:
上式可变为:
式(1)中:m—座椅等效簧载质量,
c—悬架阻尼系数,
k—悬架刚度系数,
x—座椅输出位移,
y—座椅输入位移。
定义如下参数,系统固有频率、衰减系数分别为:
将式(2)中两参数代入式(1)可求得椅面与下底板的传递函数为:
式(3)中:ω—系统振动圆频率
由式(2)、式(3)可知,在座椅等效簧载质量m不变的情况下,调节座椅悬架的刚度系数k、阻尼系数c,可以改变座椅的固有频率、位移传递率等特性参数。本文通过选用刚度可变的带附加气室的空气弹簧、阻尼可变的磁流变减振器等元件,设计一种半主动悬架座椅,进行振动特性试验研究。
1.2半主动悬架座椅结构设计
图2为半主动悬架座椅的基本结构简图。座椅上板与底板通过相互铰接于O点的剪杆2和剪杆4连接。剪杆2下端铰接于座椅底板左侧,其上端点可在座椅上板右侧的直线滑槽内滑移,剪杆4与座椅上板左侧铰接,其下端点可在座椅底板右侧的直线滑槽内沿水平方向滑移。弹性元件为带附加气室的空气弹簧,空气弹簧的上下两端分别通过U型块及支撑件与座椅上板和底板连接。附加气室固定在底板上,通过软管与空气弹簧连接。节流孔控制阀为比例流量阀,固定于底板上,调节空气弹簧和附加气室之间通路大小。阻尼元件为磁流变减振器,通过铰接倾斜安装于座椅上板与底板之间。
1.3弹性元件的选定
空气弹簧主要根据其所承受的载荷,即簧载质量和在座椅悬架中的布置方式选定。本文所设计座椅的最大行程达到85 mm,空气弹簧设计为垂直固定,结合簧载质量,选用德国ContiTech公司的SZ35—11型袖式空气弹簧。实验表明:附加气室与空气弹簧本体容积之比为1.5—2时效果最佳[7]。由于附加气室固定在座椅底板上,考虑到其在整个座椅结构中的空间布置,设计附加气室容积约为空气弹簧工作容积的1.8倍。根据文献[8]的实验结果,面积在(0～20)mm2之间的节流孔开闭状态对带附加气室空气弹簧系统的刚度影响较大,故选择日本SMC公司的比例电磁铁型直动式比例阀VEF2131-1-03,通过改变输入电压大小调节其通流面积。
1.4阻尼元件的选定
阻尼元件的行程应满足座椅的工作行程,同时应符合悬架系统的阻尼比要求。由上文可知,改变座椅的阻尼系数,可以使座椅的特性发生变化。为了实现非公路车辆的半主动控制,必须使座椅悬架的阻尼系数可调。结合上述要求,选择LORD公司的RD-1005-3型磁流变减振器,其工作电流为(0～1)A,通过改变输入电流的大小调节其阻尼系数。
2实验系统构建及方案设计
2.1实验系统构建
实验系统如图3所示。实验以本文设计制造的半主动悬架座椅为研究对象,系统主要由振动试验台、声振分析仪、计算机等装置组成。半主动悬架座椅利用螺栓固定在振动试验台上,实验台可以产生(0～20)Hz的正弦激励以及±35 mm的最大振幅。簧载质量由标准砝码及支撑架组成,对称安装在座椅上方,模拟驾驶员的体重。磁流变减振器及比例流量阀分别利用直流稳压电源调节电流大小和电压大小。试验中,空压机通过带流量计的供气阀门向带附加气室的空气弹簧中充放气来控制所需的弹簧内压以及合适的座椅高度。用NSWDC—75D型位移传感器测试座椅垂向姿态变化;两个CA-YD-185TNC型压电式加速度传感器分别测试系统的激励与响应加速度信号;采集的信号直接经LMS声振分析仪处理后输入计算机。计算机利用预先安装的与LMS声振分析仪配套的测试软件LMS Test.Xpress实时显示并存储采集的位移和加速度信号。
2.2实验方案设计
座椅悬架的位移传递率及加速度是评价座椅平顺性的重要指标。试验中在簧载质量一定的情况下,通过改变激励频率、节流孔开度及磁流变减振器输入电流来测取不同参数组合下座椅的位移和加速度,并以此为基础计算系统的位移传递率和加速度均方根值。
本文选定簧载质量为55 kg。根据文献[9],作用于座椅悬架系统上的等效簧载质量是驾驶员体重的75%和座椅自身簧上质量的和,可估算当簧载质量为55 kg时对应驾驶员体重约为65 kg。为了使空气弹簧始终在推荐工作高度附近振动,此时需利用空压机向带附加气室的空气弹簧中充入0.34 MPa的绝对大气压力。
激励振幅的设置和激励频率的改变可通过调节振动试验台变速电机的控制系统来实现,本文激励振幅设定为5 mm。根据文献[10],保证驾驶员身体健康和改善乘坐舒适性的主要目标可归结为尽可能衰减或隔离(3～5)Hz范围的垂直振动。实验过程中,频率范围选择(1～7)Hz,其中(3～5)Hz范围间隔0.5 Hz进行一次实验,其余范围间隔1 Hz进行一次实验。
节流孔开度由比例流量阀调节,通过改变输入电压大小调节通流面积。由上文可知,面积在(0～20)mm2之间的节流孔开闭状态对带附加气室空气弹簧系统的刚度影响较大。本研究选定6种不同的通流面积,输入电压与通流面积的对应关系如表1所示,其中选定一个2 mm2的小孔径通流面积,研究附加气室瞬间开启状态对半主动悬架座椅特性的影响。阻尼系数通过磁流变减振器输入电流调节,设置5种典型阻尼系数(表2)。各试验因素水平表如表3所示。循环改变各因素分别测取座椅的位移和垂向加速度。
3试验结果与分析
3.1位移幅频特性
图4描述了簧载质量为55 kg,比例阀不同的输入电压、磁流变减振器不同的输入电流下半主动悬架座椅位移传递率随激励频率的变化曲线。由图可知,在两种主要因素影响下的位移传递率的变化规律基本相同,随激励频率的增加,位移传递率先急剧增加,到达最大值后又迅速下降,当超过4 Hz时,位移传递率大都低于0.2。传递率最大值所对应的激励频率对应座椅的固有频率,此时系统发生共振,隔振区为位移传递率小于1的区域。
由图4(a)可以看出,系统的共振区为(1.5～3)Hz之间,比例阀输入电压为0(节流孔关闭)对应的位移传递率在2.5 Hz左右达到峰值,其余电压值对应的位移传递率均在2 Hz左右达到峰值,即随着比例阀输入电压的增大,系统的共振频率降低。比例阀输入电压为2 V时,即节流孔开度为2 mm2,位移传递率迅速下降,由此可见附加气室的开启能够极大地降低悬架系统的位移传递率。随着比例阀输入电压的增大,位移传递率逐渐衰减,最终趋向于一个恒定值,主要因为比例阀输入电压的增大,系统刚度先缓慢减小之后又趋于平稳。
图4(a)～(e)为磁流变减振器不同的输入电流下半主动悬架座椅的位移幅频特性。当簧载质量、比例阀输入电压不变时,磁流变减振器输入电流越大,系统的位移传递率越大。而在人体十分敏感的(3～5)Hz范围内,位移传递率均低于1,能够提高驾驶员座椅的平顺性。
3.2加速度均方根值
图5所示为簧载质量55 kg,比例阀不同的输入电压、磁流变减振器不同的输入电流下座椅加速度均方根值随激励频率的变化曲线。从图中可以看出,随激励频率的增加,加速度均方根值先缓慢增加,当超过3 Hz时,突然增大,到达最大值后缓慢降低,并在超过6 Hz时又缓慢增加。由上文可知,座椅的共振频率范围为(1.5～3)Hz,此时座椅的加速度均方根值变化并不明显。
对比图5(a)～(e),在磁流变减振器输入电流一定的情况下,随着比例阀输入电压的增大,加速度均方根值减小,当超过3.2 V时,加速度均方根值基本不变化,这是因为节流孔面积增大到一定程度后系统的等效刚度和等效阻尼变化微小。座椅处于低频振动即激励频率小于3 Hz时,加速度均方根值均低于1.5 m/s2;当超过3 Hz时,磁流变减振器输入电流大小对加速度均方根值产生很大的影响,随着输入电流的增大,响应加速度均方根值增大,且输入电流为1 A的加速度均方根值接近输入电流为0时的2倍。
4结论
(1) 建立了半主动悬架座椅的线性理论模型,计算结果表明,调节座椅悬架的刚度和阻尼,可以改变座椅的固有频率、位移传递率等特性参数。
(2) 根据非公路驾驶员座椅的设计要求,设计制造了一种刚度和阻尼均可以调节的半主动悬架座椅,并计算出了相对应的调节参数。
(3) 通过试验对半主动悬架座椅进行了振动特性研究,分析比较了激励频率、比例阀输入电压及磁流变减振器输入电流对座椅位移传递率和加速度均方根值的影响规律,为半主动悬架座椅控制系统的方案设计提供了理论依据。
摘要：为改善非公路驾驶员座椅的乘坐舒适性,设计制造了一种基于带附加气室空气弹簧和磁流变减振器的半主动悬架座椅。通过控制比例阀输入电压和磁流变减振器输入电流调节座椅悬架系统的刚度和阻尼,构建了座椅的振动特性实验系统。试验研究了激励频率、比例阀输入电压及磁流变减振器输入电流对座椅振动特性的影响规律。研究结果表明,座椅悬架的固有频率、位移传递率及加速度均方根值均随比例阀输入电压的增大而减小;在高频振动区,磁流变减振器的输入电流对加速度均方根值影响较大。
关键词：驾驶员座椅,空气弹簧,磁流变减振器,振动特性,实验
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半主动式 篇7
关键词：车辆工程,变刚度,变阻尼,频域分析,AMESim/Simulink
汽车悬架是连接车架和车轮的重要部件, 它设计的好坏直接影响汽车的多种性能。由于主动悬架虽然能较好的缓和地面的冲击[1], 但是其消耗较多的能量, 近年来半主动悬架成为了一个研究的重要课题, 它不仅能明显的改善汽车的舒适性结果而且几乎不消耗能量, 是一个具有前景的改良方法。然而, 很多学者的研究都是建立在通过改变悬架的阻尼系数来适应变化, 很少有学者对悬架变化刚度来改善性能的方法进行研究, 一般只是建立在只如何改变弹簧的刚度上, 或者并非应用于汽车上, 或者并未考虑到减震器阻尼如何跟改变后的刚度进行匹配[2—6]。
基于上述原因, 首先对匹配原理进行了解释, 后对汽车悬架在不同路况, 不同速度下的表现进行了分析;以及对主动悬架、被动悬架、新型半主动悬架的平顺性进行了比较。结果表明, 这种新型半主动悬架在改善汽车平顺性上具有较好的表现。
1 模型建立
1.1 二自由度模型建立及分析
四分之一车模型由于简单实用, 广泛的应用于研究不同结构的汽车悬架的系统中, 它减少了描述参数, 并且可以合理的反映出悬架的性能指标。
如图1所示, 为典型的汽车二自由度模, 其振动微分方程表示为
式中, ms代表簧载质量;mu代表轮胎质量;k代表弹簧刚度;kt代表轮胎刚度;cs代表减震器阻尼力系数;zs代表车身位移;zu代表轮胎中心位移;z表示路面激励。
对上两式做傅里叶变换得到求得车身对路面不平度频响函数为
进一步求得车身加速度对路面不平度速度的频响函数为
当车辆在不同级别的路面行驶的时候, 可以将路面速度输入谱看作白噪声[7,8], 即
由随机振动理论, 得到车身加速度均方值为
由式 (3) ~式 (6) 得到
的时候, 车身加速度响应均方值最小。
1.2 可变刚度系统设计
正常情况下, 为了使得到较高的车辆综合性能, 要求是在低速的时候因为车身垂向加速度较小, 为保证乘坐舒适性, 于是应该有相对较大的弹簧刚度, 而在高速工况下, 要考虑到行驶的安全性, 应使弹簧的刚度较低, 中速下应处于一种折中的状态。
设计变刚度同时阻尼可变的系统如图2所示。
图2中, cc和cs为可变阻尼。由上文知, 在某一个刚度下都有相应合适的cs使车身加速度达到最小, 而当cc→0的时候, 该系统可以近似的看成是k1和k2的串连, 当cc→!的时候, 可以看作其将k1隔离, 此时系统的刚度近似的为k2, 而当cc处于上述两种情况之间的时候, 可以使系统弹簧刚度近似的在k1k2/ (k1+k2) ~k2内变化, 若同时相应的使cs值相应匹配将会达到最佳的减震效果。由牛顿定律其运动学方程如下:
1.3 主动悬架系统模型
主动悬架的基本原理是在簧载质量和非簧载质量之间加入一个作动器以产生控制力对系统性能进行更好的协调, 其数学模型如图3所示。
其运动微分方程为
式中, Fa为作动器产生的力以消减车身振动, 一般的Fa=-cskyzs·以控制车身的振动, 其中csky为作动器的力控制系数。
1.4 路面激励模型设计
目前随机路面建立的基本方法包括线性滤波法, 谐波叠加法, 由于线性滤波法简单易行, 且可以为人和座椅系统提供准确的仿真输入故而本文采取时域路面不平度的线性滤波法建立模型。其思想是对路面功率谱进行计算处理得到数值滤波器, 然后令计算机生成的正态随机数通过该滤波器得到路面波形[9]。其微分方程如下:
式 (14) 中, f0=0.011 Hz, 为下线截止频率;y (t) 为路面不平度幅值, w (t) 为强度为1的白噪声;u为速度;n0为参考空间频率;Gq (n0) 为路面不平度系数, 其数值与路面情况有关为常数, B级路面Gq (n0) =64×10-6m3。由该微分方程通过Simulink建立路面输入激励以备用 (图4) 。
2 阻尼变化控制
由前文所述, 两个待控制的阻尼应是随着车速而相应改变的, 一般而言车辆长时间低速行驶, 说明汽车在一种不良路面上行驶, 此时c'c起到使整体刚度变小的作用, 故而这个时候应较小, 相应的高速的时候值应较大起到隔离作用, 以增加系统的刚度改善汽车的稳定性, 而c's变化应根据公式 (9) 和工况进行相应的匹配, 低速的时候, 考虑舒适性应用公式进行匹配, 高速的时候, 最主要的应是安全性, 此时该值应稍大一些, 二者具体的控制方法简略框图如图5、图6所示。
设定低速为15 km/h以下, 设定快速为60 km/h以上, 通过车上的速度传感器测量数据作为输入以实时的控制两个减震器的阻尼系数以满足系统要求。
对于图5, 当汽车处于低速状态下的时候, 以车速的大小作为阻尼输出, 即阻尼很小, 当汽车处于高速的时候, 以车速与一个很大增益乘积作为阻尼输入, 即阻尼很大, 当车速处于中速的时候, 则应实时的根据PID控制器来控制阻尼处于折衷状态以满足所需如图7所示。
对于图6, 应配合图5中的情况, 在相应的时间段来根据最佳的阻尼系数进行相应的匹配, 以得到理想的效果。
3 方案验证及实例分析
AMESim软件是一种能够简化建模过程, 使建模更加直观化, 更加准确的软件, 其与Simulink的联合仿真在汽车工业上具有很好的应用价值[10]。根据上述过程基于AMESim/Simulink对三种情况下的模型进行搭建, 仿真中的各个参数设定见表1。
基于AMESim和Simulink建立联合仿真如图8、图9所示。
根据实际情况, 假设在E级别路面, 即当Gq (n0) =4 096×10-6m3, 即不良路面上行驶的时候, 此时在10 km/h和40 km/h速度下进行模拟仿真实验得到如图10、图11所示结果。
同样的, 在B级路面上, 即工况良好的路面对高速条件下 (100 km/h和40 km/h) , 进行模拟结果如图12~图15所示。
由以上图像输出的结果可以看出当汽车在不良路面上行驶的时候, 该新型半主动悬架有效的衰减了来自于地面的冲击, 其性能可以与主动悬架相媲美, 改善了汽车的乘坐舒适性, 在高速的时候, 能够降低车轮动载荷, 以增大轮胎的接地力, 改善了汽车的行驶稳定性, 虽然高速的时候舒适性略微有所降低, 但由于本身行驶在良好路面上车身加速度并不是很高, 故而对舒适性影响甚微, 故而有前面得到的图像可以说明, 这种新型悬架从整体上改善了汽车的平顺性。
4 结论
通过前文的讨论分析, 应用变刚度变阻尼半主动悬架在改善汽车乘坐舒适性上具备以下优点:
(1) 提出的这种新系统可以在需要改善舒适性的时候大多数工况下达到与主动悬架相似的性能, 甚至优于主动悬架, 并且相比于主动悬架消耗了较少的能量, 另外该悬架在高速的时候兼顾了车辆行驶的稳定性, 从整体上提高了汽车的平顺性。
(2) 由于控制变量的阻尼控制是经过车速传感器的输入进行控制输出的, 这样可以实时的对不同工况下车辆控制以保持最佳状态。
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半主动式 篇8
1 基于主动学习的半监督聚类入侵检测
1.1 主动学习
主动学习 (active learning) [4]假设学习器对环境有一定的控制能力, 可以“主动地”向学习器之外的其他过程进行查询来获得训练例的标记。因此, 在主动学习中, 学习器自行挑选出一些未标记数据并查询获得这些数据的标记, 然后再将这些有标记数据作为训练例来进行常规的监督学习。
主动学习策略基本原理是用少量的标记数据建立初始分类器, 每次学习过程中分类器可以主动在未标记的数据集中选择最有利于分类器性能的数据[4], 并将这些数据以一定的方式加入到训练集中, 来进一步训练分类器[6]。
1.2 分类器优化
利用未标记数据来改善学习性能, 假设所有数据服从于某个由L个高斯分布混合而成的分布[7], 即
其中 为混合系数, 为参数。
于是, 根据最大后验概率假设, 得到最优分类式:
其中
这样, 学习目标就变成了利用训练例来估计p (ci=k|mi=j, xi) 和p (mi=j|xi) , 这两项中的第一项与类别标记有关, 而第二项并不依赖于数据的标记, 因此, 如果有大量的未标记数据可用, 则意味着能够用于估计第二项的数据数显著增多, 这会使得第二项的估计变得更加准确[8]。
1.3 半监督聚类过程分析
在K-Means算法[9]中, 每个数据被确定地分配到距离最近的簇里。若假定数据服从不同参数的Gaussian分布, 并具有单位协方差矩阵, 参数集θ包含均值μi…μk, 则参数θ的对数似然估计量可以表示为:
其中r为常数。
2 基于主动学习的半监督聚类算法
算法:ASC (Active-learning Semi-supervised Clustering) 算法
输入:数据集X={xi}ni=1, xi∈Rd, must-link约束集CML, cannot-link约束集CCL, 簇数目k, 查询总数Q。
输出:k个不相交近邻集的数据数目按降序排列, 数据x∈Du的数据类型 (攻击或正常) 。
步骤:
(1) 初始化簇:设置近邻集的数目为λ;
(2) 随机选择第一个标记数据x, 并加入到N1, λ←1;
(3) While允许查询andλ
将离已有的近邻集N中标记数据最远的数据赋给x
if while查询x与已有的近邻集中的数据的关系,
如果x与所有的近邻中的标记数据是cannot-link约束关系
则λ←λ+1, 一个包含x的新近邻集Nλ生成
else
将x赋给与它是must-link约束关系的近邻集。这时得到λ个不相交的近邻集{Np}λp=1, 其中λ≤k;
(4) 计算每个近邻集的中心{μh}kh=1;
(5) while允许查询
5a) 随机选择不在已有近邻集中的未标记数据x
5b) 将距离‖x-μh‖2按升序排列
5c) for h=1 to k
按距离的排序查询x与每个近邻集的约束关系, 直到获得must-link约束, 并把x加入到这个近邻集中。
3 实验与分析
3.1 数据集描述
采用了KDD CUP 1999数据集作为测试集, 采用1998DARPA入侵检测数据集来构造连接记录及提取特征。数据中包含4种主要的攻击类型:1) Do S, 拒绝服务攻击;2) R2L, 对远程主机的未授权的访问;3) U2R, 对本地超级用户权限的未授权的访问;4) Probe, 扫描与探测行为。
3.2 性能评价指标
为了评价算法的性能, 主要考虑检测率 (Detection Rate, DR) 与误报率 (False Positive Rate, FPR) 。通过测试算法对攻击的检测率与误报率, 能够很好地度量出算法的检测效果。DR=检测到的入侵样本数/入侵样本总数, FPR=被误报为入侵的正常样本数/正常样本总数
3.3 ASC算法的实验与分析
比较ASC算法与K-means、SVM算法检测攻击的性能。参数设置:ASC算法和K-means算法的k=100, SVM算法参数按缺省设置[9], 实验结果如表1所示。
可以看出, ASC算法的检测率明显高于非监督的K-means算法, 因为ASC算法采用了少量的标记数据来指导聚类过程, 提高了检测未知攻击的精确性。当误报率小于7%时, ASC算法比SVM具有更高的检测率, 这是因为ASC算法在半监督聚类的基础上, 采用主动学习策略查询未知攻击的类别标记, 解决了基于SVM的入侵检测算法检测未知攻击类别标记不足的问题, 降低了误报率。
4 总结
ASC算法采用合理的主动采样策略, 通过标记数据和未标记数据的联合概率分布来改进分类器的性能, 解决了网络环境中标记数据不足的问题, 提高了检测未知攻击类型的精确性。
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