基于分数阶天棚的车辆ISD悬架动态性能分析

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.02.014

Abstract

Abstract:

With the aim of improving vehicle ride comfort， in this paper a fractional-order skyhook control strategy based on the fractional order calculus theory is proposed. Firstly， a fractional-order skyhook vehicle suspension dynamic model is established to derive analytical expressions for the fractional-order skyhook damping force and fractional-order skyhook inertial force. Subsequently， particle swarm optimization algorithm is used to optimize the key parameters of the suspension. In order to solve the problem that fractional-order force cannot be realized physically， a vehicle ISD （inerter-spring-damper） suspension with mechatronic inerter is chosen as the controlled model. A model reference adaptive controller based on fractional-order skyhook is designed to track the mechanical performance output of the fractional-order suspension. Dynamic performance analyses of fractional-order skyhook inerter suspension and fractional-order skyhook damper suspension is conducted from both frequency-domain and time-domain perspectives. Simulation results show that fractional-order skyhook ISD suspension has more significant advantages in reinforcing ride comfort than integer-order skyhook ISD suspension. Under random road input， the root-mean-square value of vehicle body acceleration of fractional-order skyhook damper suspension decreases by 18.3%， while the fractional-order skyhook ISD suspension decreases by 20.6%. The bench test results demonstrate that the vehicle ISD suspension based on fractional-order skyhook further enhances ride comfort， offering new insights for the design of vehicle ISD suspension.

Key words: vehicle inerter-spring-damper suspension, fractional-order theory, skyhook control, mechatronic inerter

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Figures/Tables 12

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参数	数值
簧载质量m_s/kg	320
非簧载质量m_u /kg	45
轮胎刚度k/（kN?m^-1）	192

悬架	参数
整数阶天棚阻尼	k=11827 N/m， c=634 N?s/m， c_max=653 N?s/m， c_min=300 N?s/m
整数阶天棚惯容	k=10000 N/m， c=1307 N?s/m， b_max=10 kg， b_min=5 kg
分数阶天棚阻尼	k=10000 N/m， c=401 N?s/m， c_max=1294 N?s/m， c_min=781 N?s/m， α=0.9
分数阶天棚惯容	k=10000 N/m， c=862 N?s/m， b_max=218 kg， b_min=23 kg， β=1.1

悬架结构	J₁/（m·s^-2）	降幅	J₂/m	降幅	J₃/N	降幅
被动悬架	1.26		0.012 7		869.19
整数阶天棚阻尼	1.04	17.5%↓	0.010 9	14.2%↓	893.54	2.8%↑
整数阶天棚惯容	1.10	12.7%↓	0.011 1	12.6%↓	902.38	3.8%↑
分数阶天棚阻尼	1.03	18.3%↓	0.010 5	17.3%↓	884.61	1.7%↑
分数阶天棚惯容	1.00	20.6%↓	0.011 9	6.3%↓	876.59	0.9%↑

悬架结构	车速/ （m·s^-1）	车身加速度/ （m·s^-2）	降幅	轮胎动载荷/N	降幅
被动悬架	10	0.85		631
	20	1.22		890
	30	1.49		1 103
车辆ISD 悬架	10	0.68	20.0%↓	645	2.2%↑
	20	0.97	20.5%↓	906	1.8%↑
	30	1.21	18.8%↓	1 126	2.1%↑

Dynamic Performance Analysis of ISD Suspension for Vehicles Based on Fractional-Order Skyhook Control

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