CN101220845B - 一种基于组合悬置的发动机隔振系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种基于组合悬置的发动机隔振系统及控制方法，涉及自动控制技术领域。本发明用被动的多个橡胶弹性体和斜置在发动机中部和基座之间的单个可控磁流变阻尼器构成组合悬置；用一个加速度传感器和一个力传感器分别提取发动机机体的垂向、横向振动加速度和基座垂向振动力，由此计算发动机振动激励频率和横向振动速度；在控制器中建立发动机垂向隔振模糊控制规则和横向减振状态控制规则，计算出磁流变阻尼器的斜向控制力；根据斜向控制力确定磁流变阻尼器驱动电流，实时调节组合悬置的阻尼力，抑制发动机振动能量的传播。本发明可使发动机在宽频范围有效隔振并降低发动机自身振动，提高运载器的耐久性和乘坐舒适性。

Description

一种基于组合悬置的发动机隔振系统及控制方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域，具体涉及一种基于组合悬置的发动机隔振方法。

背景技术

发动机是车船等运载器上的主要振源，能在宽频范围隔振的悬置系统，可有效降低发动机振动能量的传播，提高运载器的耐久性和乘坐舒适性。

目前，发动机普遍采用橡胶弹性体制成的被动悬置隔振系统，其结构简单、成本不高，在低频范围有较好的隔振效果，但阻尼偏小；在高频时橡胶会出现动态硬化，动刚度显著增大，而阻尼几乎不变，不能满足发动机在高频范围隔振降噪的性能要求。近年研究的液压悬置，能够抑制发动机共振，但仍存在低频阻尼偏小、液体高频动态硬化等问题，致使发动机宽频隔振的目标仍然难以实现。

随着智能材料的发展，采用电/磁流变液等可控流体的悬置成为动力装置隔振的重要发展方向。但电流变悬置需要较高的工作电压，用于运载器的发动机隔振实现中有一定的技术难度。用磁流变液制成的阻尼器，能够在可控电流产生的可控磁场下，改变磁流变液的流动特性，从而在宽频范围实现阻尼可调。目前，国内外对磁流变阻尼器件的研究已经基本成熟，广泛应用于车辆、机械、土木工程、航空航天等。

近年来，在发动机隔振系统中，有采用橡胶和电/磁流变阻尼器组成并联悬置的隔振方式，需在各支承点都加装电/磁流变阻尼器和配置多个传感器，因此隔振系统较为复杂且价格较为昂贵。为了提高发动机隔振系统的性价比和实用性，在原有的多个橡胶弹性体的基础上，加上单个磁流变阻尼器，可构成组合悬置隔振系统，从而充分利用橡胶弹性体的被动刚度特性和磁流变阻尼器的可控阻尼优势进行隔振。

目前，在发动机的隔振控制方法上，只针对装有多个阻尼可控悬置的隔振系统进行了研究，且普遍采用的是单一控制策略，很难在宽频动态隔振范围取得满意效果。由于发动机隔振的动态过程具有不确定性，难以建立精确数学模型，因此需要寻求一种不依赖数学模型的、采用多种控制策略的半主动控制方法，在发动机不同的振动激励频率和阻尼器不同的运动状态下，探索宽频激励下基于组合悬置的发动机隔振控制问题，这具有重要的现实意义。

发明内容

本发明提出一种基于组合悬置的发动机隔振系统及控制方法，其目的有两个。一是从提高运载器发动机隔振系统性价比的角度出发，充分利用多个橡胶弹性体被动刚度特性和单个磁流变阻尼器可控阻尼优势，构成基于组合悬置的可控阻尼发动机隔振系统。二是针对发动机隔振动态过程具有不确定性、单一控制策略很难使发动机在宽频范围获取满意隔振效果的问题，采用一种不依赖于精确模型的、包括两种控制策略的半主动控制方法，根据发动机振动激励频率、基座受力和阻尼器运动状态改变组合悬置系统的阻尼力，在降低发动机自身振动的情况下，抑制发动机振动能量向运载器机体的传递，使发动机在宽频范围内有效隔振。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：设计一种隔振系统，具体包括：多个橡胶弹性体分别放置于基座上的各个支承点，单个磁流变阻尼器斜置在发动机中部和基座之间，且所在平面过发动机质心并与发动机输出轴垂直，构成基于组合悬置的发动机单层隔振系统；一个二维加速度传感器安装在靠近磁流变阻尼器上端的发动机机体上，一个力传感器安装在位于磁流变阻尼器下端的基座上，分别在线提取发动机机体垂向、横向振动加速度和基座垂向振动力；算法模块计算发动机振动激励频率和横向振动速度，建立垂向隔振模糊控制规则和横向减振状态控制规则，确定磁流变阻尼器的斜向控制力；控制器根据斜向控制力确定阻尼器驱动电流，输入磁流变阻尼器，改变阻尼器中通电线圈产生的磁场强度，以实时调节组合悬置的阻尼力，使发动机在宽频范围有效隔振。

本发明还提出一种基于组合悬置系统的发动机隔振控制方法，该控制方法包括如下步骤：

(1)加速度传感器和力传感器分别在线提取与磁流变阻尼器相连的发动机机体的垂向、横向振动加速度和基座垂向振动力；

(2)算法模块计算发动机振动激励频率和横向振动速度，建立垂向隔振模糊控制规则和横向减振状态控制规则，根据激励频率和垂向振动力求解垂向阻尼力F_Z；根据横向振动加速度和横向振动速度确定横向阻尼力F_Y；由垂向阻尼力和横向阻尼力合成磁流变阻尼器的斜向控制力F，计算公式为F＝|F_Z/sinθ+F_Y/cosθ|，其中θ为磁流变阻尼器与基座的夹角；

(3)控制器根据磁流变阻尼器输入输出特性和斜向控制力确定阻尼器驱动电流；

(4)驱动电流输入磁流变阻尼器，改变阻尼器中通电线圈产生的磁场强度，实时调节组合悬置的阻尼力，使发动机在宽频范围有效隔振。

所述垂向隔振模糊控制规则包括，当振动激励频率模糊状态值小时采用大阻尼力，当振动激励频率模糊状态值大时采用小阻尼力；同时，当基座垂向振动力绝对值模糊状态值小时，采用小阻尼力，当振动力绝对值模糊状态值大时采用大阻尼力。所述横向减振状态控制规则包括，根据阻尼器横向运动的相对静止、加速压缩、减速压缩、减速拉伸、加速拉伸五种状态，由小到大对阻尼器施加不同的横向阻尼力。

采用以上技术方案，具有如下优点：把单个磁流变阻尼器斜置于发动机质心所在平面，与多个橡胶弹性体构成组合悬置隔振系统，抑制发动机在垂向和横向等主要振动方向上的能量，无需采用给多个橡胶弹性体分别并联磁流变阻尼器的悬置布置方式，既充分利用了橡胶被动刚度特性和磁流变阻尼器可控阻尼优势，又提高了悬置系统的性价比和实用性；基于组合悬置的半主动隔振控制方法，针对发动机振动能量分布特点，采用不依赖数学模型的垂向隔振模糊控制和横向减振状态控制两种策略，在宽频范围内分别降低发动机振动能量在垂向和横向上向基座的传递，克服了单一控制难以兼顾发动机不同方向振动而很难取得满意效果的问题，可有效抑制运载器振动能量及降低发动机自身振动，提高运载器的耐久性和乘坐舒适性。

附图说明

图1基于多个橡胶弹性体和单个磁流变阻尼器组合悬置的发动机隔振系统图

图2基于组合悬置的发动机隔振控制方法实现流程示意图

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的实施作详细说明。

如图1所示为本发明所构建的基于橡胶弹性体和磁流变阻尼器组合悬置的发动机隔振系统。

由于受传递装置等外部连接条件的限制，发动机整机强迫振动主要表现为垂向运动，其次是横向振动。图中，原点O代表发动机的质心位置，X轴平行于发动机曲轴，Y轴垂直于X轴且平行于基座平面，Z轴依据右手定则确定，垂直于基座平面。K_Z表示橡胶弹性体的垂向刚度，K_Y表示橡胶弹性体的横向刚度，C表示磁流变阻尼器的阻尼系数。

基于组合悬置的发动机隔振系统主要包括多缸发动机、代表运载器机身的基座(设为大质量刚体)、多个橡胶弹性体、一个磁流变阻尼器、一个二维加速度传感器、一个拉压力传感器、一个半主动控制器。

多个橡胶弹性体分别放置于发动机基座上的各个支承点，上下端分别与发动机底部和基座相接，主要表现出被动的垂向刚度K_Z和横向刚度K_Y；单个磁流变阻尼器以一定角度θ斜置在发动机中部和基座之间，且所在平面过发动机质心并与发动机输出轴垂直，上下端分别与发动机底部和基座相接，主要表现出可控的垂向阻尼和横向阻尼；二维加速度传感器安装在靠近磁流变阻尼器上端的发动机机体上，可测发动机垂向和横向振动；力传感器安装在磁流变阻尼器下端的基座上，可测垂向拉压力；控制器用于计算磁流变阻尼器的斜向控制力。

在控制器中的输入数据处理软件部分，对二维加速度传感器获取的发动机垂向加速度进行快速傅立叶变换，把最大振动能量对应的频率作为发动机振动激励频率；对横向振动加速度进行积分运算，得到发动机横向振动速度。发动机振动激励频率、横向振动加速度、横向振动速度和力传感器信号共同作为发动机半主动控制器的输入。控制器进行半主动控制计算后，输出控制信号改变磁流变阻尼器的阻尼力，抑制发动机振动能量向机体的传播。

如图2所示为本发明所述基于组合悬置的发动机隔振控制方法的实施步骤，具体包括：

1、采集二维加速度传感器和力传感器信号，获取发动机隔振系统的振动信号

二维加速度传感器分别获取与磁流变阻尼器相连处的发动机机体垂向振动加速度a_Z和横向振动加速度a_Y。然后，在控制器中输入数据处理软件部分，对a_Z信号进行快速傅立叶变换，把最大振动能量对应的频率作为发动机振动激励频率ω；对a_Y信号进行积分运算，可计算得到发动机横向振动速度v_Y。

力传感器信号采集获取发动机传给基座的垂向振动力F_Zu。

2、基于组合悬置的发动机隔振控制计算

发动机整机振动主要表现为垂向及横向振动，具有动态不确定性，难以建立精确模型，必须采用不依赖于精确模型、包括多控制策略的半主动控制方法。由于模糊控制和基于阻尼器运动状态的减振控制都不需要精确数学模型，因此把基于组合悬置的发动机隔振控制问题用基于模糊控制的垂向隔振控制和基于阻尼器运动状态的横向减振控制方法共同求解。根据发动机振动激励频率、基座受力和阻尼器运动状态改变组合悬置隔振系统的阻尼，抑制发动机机体振动能量在垂向和横向上向基座的传递。具体控制过程如下所述。

(1)基于模糊推理的发动机垂向隔振控制

由隔振理论，要在宽频范围内抑制基于组合悬置的发动机垂向振动能量向基座的传递，关键是根据发动机振动激励频率来改变组合悬置的垂向阻尼；同时，为了抑制基座受到的发动机垂向振动能量，可根据基座垂向振动力大小来改变组合悬置的垂向阻尼。因此，以发动机振动激励频率和基座垂向振动力绝对值为半主动控制器输入量，采用模糊推理方式，求解垂向阻尼力。

输入量和输出量采用不同的三角形隶属函数。模糊化输入变量时，振动激励频率和基座垂向振动力绝对值的模糊子集分别为W、N，输出变量垂向阻尼力的模糊子集为O，模糊语言值均为零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)、正最大(PL)。

建立垂向隔振模糊控制规则。根据发动机振动激励频率和基座垂向振动力绝对值，实时改变组合悬置系统的阻尼。因为磁流变阻尼器的阻尼与阻尼力在一定条件下成正比，因此在振动激励频率较小工作区域尽量采用较大阻尼力，在振动激励频率较大工作区域采用较小阻尼力；同时，在基座垂向振动力绝对值较大时，采用较大阻尼力，而在振动力绝对值较小时采用较小阻尼力。表1是求解垂向阻尼力的模糊推理规则表。举一个例子可说明该表中用模糊语言进行推理的方法：若振动激励频率模糊状态为正大(PB)、基座垂向振动力绝对值模糊状态为正中(PM)，则垂向阻尼力模糊状态为正小(PS)。

表1求解垂向阻尼力的模糊控制规则

振动激励频率模糊状态	基座垂向振动力绝对值模糊状态
						ZE	PS	PM	PB	PL
	ZE	PM	PM	PB	PL						PL
PS						PM	PM	PM	PB	PL
	PM	PS	PM	PM	PM						PB
PB						PS	PS	PS	PM	PM
	PL	ZE	ZE	PS	PS						PM

采用Min-Max重心法推理求解垂向阻尼力。根据表1，可以得到各条推理规则R_j的计算公式：

R_j＝W_i×O_n∩N_m×O_n＝R_Wj∩R_Nj，l，M，n＝1，2，…，5；j＝1，2，…，25式中，W_l、N_m、O_n分别是模糊子集W、N、O中的元素，R_Wj和R_Nj分别为某振动激励频率和某基座垂向振动力绝对值对应的规则。

如果已知振动激励频率输入为ω₀，基座振动力绝对值为F_Zu0，则由表1的各条规则推理后，可以得到控制量o_n：

最后，设K_o表示输出比例因子，μ_on表示垂向阻尼力各状态输出的权重，反模糊化得到半主动控制器的输出垂向阻尼力F_Z：

$F_Z=K_o\·\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{o_n}\left(O_n\right)O_n\right]/\left[\underset{n=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\μ}}_{o_n}\left(O_n\right)\right]$

(2)基于阻尼器运动状态的发动机横向减振控制

把基座视为大质量刚体后，它受发动机振动激励产生的振动速度和加速度近似为零。因此，理想情况下可认为斜置的磁流变阻尼器下端点的横向振动速度及加速度均为零，但阻尼器上端因与发动机相连而在横向上具有动能。在实际中，必须根据阻尼器的横向运动状态对发动机振动进行减振控制，以尽可能抑制发动机横向振动能量，并提高运载器机体的横向稳定性。

忽略阻尼器下端横向振动后，阻尼器横向运动状态可用发动机横向振动加速度a_Y和横向振动速度v_Y来表示。设v_Y与图1中Y轴正向同向时，阻尼器处于压缩运动状态；v_Y与Y轴正向反向时，阻尼器是拉伸运动状态。并设v_Y、a_Y与Y轴正向同向时为正。根据v_Y、a_Y把阻尼器横向运动分为五种状态：相对静止、加速压缩、减速压缩、减速拉伸和加速拉伸。设计出基于阻尼器横向运动状态的发动机横向减振控制策略，在不同状态下对阻尼器施加不同的横向阻尼力F_Y，遵循以下公式。

$F_Y=\left\{\begin{array}{cc}0& v_Y=0;\\ C_1{v}_Y& v_Y>0,v_Y{a}_Y>0;\\ C_2{v}_Y& v_Y>0,v_Y{a}_Y\&le;0;\\ C_3{v}_Y& v_Y<0,v_Y{a}_Y\&le;0;\\ C_4{v}_Y& v_Y<0,v_Y{a}_Y>0.\end{array}\right.$

在上式中，C_i(i＝1，2，3，4)为状态力系数，且0＜C₁＜C₂＜C₃＜C₄。

(3)求解磁流变阻尼器的斜向控制力

在前面，用模糊推理方法求解了发动机的垂向隔振控制问题，用基于阻尼器运动状态的减振控制抑制发动机机体横向振动，并得到了磁流变阻尼器的垂向阻尼力F_Z和横向阻尼力F_Y。由于磁流变变阻尼器斜置在发动机中部所在的YOZ平面内，可表现出垂向阻尼力和横向阻尼力。在实际控制时，根据F_Z和F_Y的值进行合成，在控制器中的算法模块调用公式计算出磁流变阻尼器在斜向实现半主动控制的合力值，即磁流变阻尼器的斜向控制力F＝|F_Z/sinθ+F_Y/cosθ|，其中θ为磁流变阻尼器与基座的夹角。

3、基于磁流变阻尼器输入输出特性的控制电流求解

前面的计算得到了斜向控制力F，由于磁流变阻尼器是用电流驱动的，因此还需要求解组合悬置中磁流变阻尼器的可控输入电流值大小。

磁流变阻尼器的阻尼力由粘滞阻尼力和库仑阻尼力两部分组成：当阻尼器几何尺寸确定后，粘滞阻尼力只是活塞运动速度的函数，是不可控的；库仑阻尼力是驱动电流的函数，是可控制的。设斜向控制力F即为磁流变阻尼器的库仑阻尼力，在宽频范围内，它和阻尼器驱动电流间的输入输出特性满足如下计算表达式：

F＝aI²+bI+c

式中a，b，c是常数，且a≠0；I表示驱动电流值。

控制器接电流驱动器后，按上述公式把斜向控制力转换成驱动电流，然后该驱动电流输入磁流变阻尼器，改变阻尼器中线圈产生的磁场强度，使磁流变阻尼器表现出受控的斜向阻尼力，在宽频隔振范围内实现基于组合悬置的发动机隔振系统的半主动控制。

Claims (4)

1.一种基于组合悬置的发动机隔振系统，其特征在于，多个橡胶弹性体分别放置于发动机底部基座上的各个支承点，单个磁流变阻尼器以一定角度斜置在发动机中部和基座之间，且所在平面过发动机质心并与发动机输出轴垂直；在磁流变阻尼器上端的发动机机体上安装二维加速度传感器，在与磁流变阻尼器下端相连的基座上安装力传感器，加速度传感器和力传感器分别在线提取发动机机体垂向振动加速度、横向振动加速度和基座垂向振动力；算法模块计算发动机振动激励频率和横向振动速度，建立垂向隔振模糊控制规则和横向减振状态控制规则，根据振动激励频率和垂向振动力求解垂向阻尼力F_Z，根据横向振动加速度和横向振动速度确定横向阻尼力F_Y，再由垂向阻尼力和横向阻尼力合成磁流变阻尼器的斜向控制力F，合成公式为F＝|F_Z/sinθ+F_Y/cosθ|，其中θ为磁流变阻尼器与基座的夹角；控制器根据斜向控制力和阻尼器输入输出特性确定阻尼器驱动电流，输给磁流变阻尼器实时调节组合悬置的阻尼力，降低发动机振动能量的传播。

2.一种基于组合悬置的发动机隔振控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：

(1)加速度传感器和力传感器分别在线提取与磁流变阻尼器相连的发动机机体垂向振动加速度、横向振动加速度和基座垂向振动力；

(2)算法模块计算出发动机振动激励频率和横向振动速度，建立垂向隔振模糊控制规则和横向减振状态控制规则，根据振动激励频率和垂向振动力求解垂向阻尼力F_Z；根据横向振动加速度和横向振动速度确定横向阻尼力F_Y；由垂向阻尼力和横向阻尼力合成磁流变阻尼器的斜向控制力F，合成公式为F＝|F_Z/sinθ+F_Y/cosθ|，其中θ为磁流变阻尼器与基座的夹角；

(3)根据磁流变阻尼器输入输出特性和斜向控制力计算阻尼器驱动电流；

(4)将驱动电流输入磁流变阻尼器，改变阻尼器中线圈产生的磁场强度，实时调节组合悬置的阻尼力，使发动机在宽频范围隔振。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述垂向隔振模糊控制规则包括，当振动激励频率模糊状态值较小时采用较大阻尼力，当激励频率模糊状态值较大时采用较小阻尼力；同时，当基座垂向振动力绝对值模糊状态值较小时，采用较小阻尼力，当振动力绝对值模糊状态值较大时采用较大阻尼力。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述横向减振状态控制规则包括，根据磁流变阻尼器横向运动的相对静止、加速压缩、减速压缩、减速拉伸、加速拉伸五种状态，由小到大对阻尼器施加不同的横向阻尼力。

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