空氣懸架電控系統(tǒng)的參數(shù)自整定模糊控制

于微波， 杜遵生， 楊聽聽

（長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，吉林長春 130012）

空氣懸架電控系統(tǒng)的參數(shù)自整定模糊控制

于微波， 杜遵生， 楊聽聽

（長春工業(yè)大學電氣與電子工程學院，吉林長春 130012）

以微型客車四分之一車輛模型為被控對象，分析了空氣彈簧的特性，提出了參數(shù)自調(diào)整模糊控制策略。設(shè)計了一套功能優(yōu)良的汽車空氣懸架電控裝置并進行了模擬實驗，實驗結(jié)果表明，該方法能夠有效地降低車身垂直加速度，改善車輛的綜合性能，提高了小型客車行駛時車輛的平順性。

空氣懸架；參數(shù)自調(diào)整模糊控制；電子控制單元；加速度傳感器

0 引 言

車輛行駛的平順性、操作穩(wěn)定性在很大程度上受懸架的影響，而人們對車輛乘坐舒適性及安全性的要求越來越高。傳統(tǒng)的被動懸架由于不能自動調(diào)節(jié)其參數(shù)，使其適應(yīng)載荷、車速或路況等不可測因素的變化難以滿足人們要求。空氣懸架是以空氣彈簧為彈性元件，具有隨氣囊壓力形狀變化而其剛度隨之變化的特點，可以把空氣彈簧設(shè)計成具有理想特性的形式。此外，空氣彈簧由于具有非線性的特性使其在設(shè)計時可以得到理想形狀的特性曲線。空氣彈簧還具有對高頻振動的吸收、隔振的能力以及良好的通用性和耐久性［1］。

文中以小型客車的1／4車輛動力學模型為基礎(chǔ)，提出了參數(shù)自調(diào)整模糊控制的控制策略，克服了常規(guī)的模糊控制器的核心模糊規(guī)則要依靠

專家經(jīng)驗而定，若被控對象參數(shù)發(fā)生變化或受到較強隨機干擾時，都將對控制效果起到影響。文中設(shè)計了一套在空氣懸架的電控裝置，用來對氣囊進行充放氣控制，實時調(diào)整車輛懸架的剛度，使汽車能最大限度地適應(yīng)不同的運行工況，從而更好地提高汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，滿足現(xiàn)代汽車高性能與高舒適度的要求。

1 空氣彈簧充放氣特性及模型

1.1 空氣彈簧的彈性調(diào)節(jié)

根據(jù)空氣彈簧的非線性剛度特性原理知：理論計算時，空氣彈簧剛度可以直接由載荷F對位移s求導得到，然后經(jīng)過換算得到剛度特性的一般關(guān)系式：

式中：Pi空氣彈簧內(nèi)部氣體表壓力，也稱為內(nèi)部氣體有效壓力或相對壓力；

由式（1）可知，空氣彈簧設(shè)計在尺寸固定時，可以通過以下方法調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度：改變空氣彈簧氣囊中氣體的壓力、改變氣囊中氣體與氣囊接觸的有效面積或改變空氣彈簧氣囊的容積。綜合實際情況以及經(jīng)驗，文中調(diào)節(jié)空氣彈簧剛度的方法是改變氣囊內(nèi)的氣壓［2］。

本系統(tǒng)以電子控制單元發(fā)出的信號作為控制信號控制電磁閥的通斷，實現(xiàn)通過對空氣彈簧的充、放氣改變其內(nèi)部的氣壓進行剛度調(diào)節(jié)。一般來說，可以通過對空氣彈簧充放氣實驗得出大量數(shù)據(jù)，然后進行曲線擬合，最后確定空氣彈簧的充、放氣特性的一般方程：

式中：Ks——空氣彈簧的剛度；

t——充、放氣的時間；

α，β，γ——分別是常數(shù)。

1.2 空氣懸架模型

為了更準確并且更直觀地研究車輛的主動懸架，文中采用了兩自由度1／4車輛模型為研究對象［3］，如圖1所示。

圖1 懸架兩自由度1／4模型

雖然它沒有把車輛的各個方面信息完全體現(xiàn)出來，但它包含了實際中的主要特征，在此，四分之一懸架模型中用線性彈簧代替車輛模型中的彈性輪胎，并且忽略了輪胎的阻尼。根據(jù)此模型得出其運動學微分方程式如下：

式中：Kt——輪胎剛度系數(shù)；

Ks——懸架剛度系數(shù)；

b——減震器阻尼系數(shù)；

m1——非簧載質(zhì)量；

m2——簧載質(zhì)量；

w——路面輸入；

X1——非簧載質(zhì)量位移；

X2——簧載質(zhì)量位移。

2 參數(shù)自調(diào)整模糊控制策略

等同于比例微分控制結(jié)構(gòu)，以及對于結(jié)構(gòu)參數(shù)和行駛工況經(jīng)常發(fā)生變化的車輛而言，其精度不能保證的問題，對常規(guī)的模糊控制器進行了如下改進［4-5］：

1）加入一個積分環(huán)節(jié)，用于消除控制系統(tǒng)靜差，減小超調(diào)量，提高控制精度；

2）對模糊控制器的量化因子ke，kec和比例因子ku，根據(jù)偏差和偏差變化率的大小進行分段自調(diào)整，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

文中針對常規(guī)模糊控制器在控制結(jié)構(gòu)上缺少

圖2 參數(shù)自調(diào)整模糊控制系統(tǒng)框圖

首先，對常規(guī)的模糊控制器進行設(shè)計，具體步驟為：確定模糊控制器的結(jié)構(gòu)；建立模糊規(guī)則；確定模糊變量的賦值表，即對模糊語言變量確立隸屬函數(shù)；建立模糊控制表；去模糊化。針對前面所建模型，文中選取簧上質(zhì)量垂直方向的加速度均方根值與給定值的偏差和偏差的變化率作為控制器的輸入變量e，ec，空氣彈簧的充、放氣時間為控制量u，進行模糊化處理變成模糊量，其對應(yīng)的模糊語言變量E，EC，U；根據(jù)分析，文中選用了二維模糊控制器，對于模糊控制器輸入變量e，ec，控制量u，其模糊子集進行如下劃分：

E＝｛NB，NS，Z，PS，PM，PB，PG｝

EC＝｛NB，NS，Z，PS，PB｝

U＝｛NB，NS，Z，PS，PB｝

其中：PG（正極大）、PB（正大）、PM（正中）、PS（正小）、（Z）零、NS（負小）、（NB）負大。依據(jù)實際控制對象，根據(jù)經(jīng)驗確定模糊控制表，見表1。

表1 模糊規(guī)則表

最后，文中采用重心法對模糊控制器的輸出模糊集合解模糊化。

在常規(guī)模糊控制器設(shè)計完成后，對量化因子ke，kec和比例因子ku這3個對系統(tǒng)影響很大的參數(shù)自調(diào)整進行設(shè)計。在基于以上理論分析和大量仿真研究，得出調(diào)整量化因子和比例因子的一般原則：

1）“粗調(diào)”階段。控制過程的開始階段，此時，偏差e和偏差變化率ec較大時，ke和kec取較小值用以降低對輸入量e和ec的分辨率。與此同時，ku取較大值，增大控制量的變化，加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，保證系統(tǒng)有較快的響應(yīng)，又改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。

2）“細調(diào)”階段。系統(tǒng)已接近穩(wěn)態(tài)階段，偏差e和偏差變化率ec較小時，ke和kec取較大值以提高對輸入量e和ec的分辨率，與此同時，ku的值減少，以減小控制量的變化，避免系統(tǒng)產(chǎn)生過大的超調(diào)，使系統(tǒng)盡快達到穩(wěn)態(tài)范圍。

本設(shè)計根據(jù)e，ec的絕對值、比例因子ku和積分器放大倍數(shù)的值ki的不同，采用以下控制策略完成上述控制過程，實現(xiàn)系統(tǒng)在仿真實現(xiàn)過程中的參數(shù)分段自調(diào)整［6］。具體取值范圍見表2。

表2 各因子取值范圍

3 汽車懸架電控系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

文中設(shè)計的空氣懸架的電控系統(tǒng)是以Mega16為微處理器，通過壓電式加速度傳感器采集加速度信號，然后經(jīng)采集電路將采樣信號輸入到ECU中，經(jīng)過指定的算法處理后，得出使懸架性能最佳的控制信號，驅(qū)動電磁閥工作，調(diào)節(jié)氣缸進行對空氣氣囊的充氣、放氣，最終達到調(diào)節(jié)空氣彈簧彈性系數(shù)的作用，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 空氣懸架電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

在執(zhí)行器工作過程中，當系統(tǒng)需要增大空氣彈簧的彈性系數(shù)時需要對空氣氣囊充氣，打開充氣電磁閥，壓縮機開始工作將空氣充入空氣懸架的主氣室，讓氣囊內(nèi)的空氣增加，達到讓空氣彈簧彈性系數(shù)變高或懸架系統(tǒng)變高的作用。當系統(tǒng)需要彈性系數(shù)變小時，氣缸停止工作，放氣電磁閥被系統(tǒng)驅(qū)動電路打開，空氣氣囊開始放氣，排出氣體通過電磁閥、排氣管路、干燥等處理裝置、排氣閥排除［7］。

3.2 信號采集系統(tǒng)

針對車輛震動的特點，文中使用壓電式加速度傳感器對車身加速度信號進行采集［8］。壓電加速度傳感器是一種典型的自發(fā)式傳感器，它是以某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)為轉(zhuǎn)換原理的傳感器，具有靈敏度高、信噪比高、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、工作可靠等優(yōu)點，在加速度測量方面得到了廣泛的應(yīng)用。壓電式傳感器以石英晶體的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力的作用下，石英晶體表面產(chǎn)生電荷，從而實現(xiàn)非電量電測的目的，測量加速度。本設(shè)計使用的壓電式傳感器的靈敏度為35pC／g，測量范圍－100～＋100g，頻率范圍為0.2～8 000Hz，質(zhì)量為19g，安裝螺栓為M5。因為當加速度傳感器檢測到震動時后輸出的電荷信號，而控制器不能識別電荷信號，所以要經(jīng)過處理電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖4 加速度傳感器檢測電路

信號檢測電路主要分為電荷轉(zhuǎn)換、適調(diào)放大、低通濾波、輸出放大4個部分。電荷轉(zhuǎn)換部分是將加速度傳感器的輸出電荷信號Q轉(zhuǎn)換成電壓信號V，由運算放大器和反饋網(wǎng)絡(luò)組成。根據(jù)電壓傳感器輸出信號的特點，本設(shè)計采用的運算放大器是TI公司的TL081芯片。適調(diào)放大電路的主要功能是為了適應(yīng)不同的加速度傳感器，使輸入加速度一定時，不同精度的傳感器有相同的輸出。低通濾波電路主要是濾除系統(tǒng)中有震動產(chǎn)生的高頻噪聲。在最后的輸出放大部分是由一個能夠去除電路中直流分量的高頻濾波電路和改變整個系統(tǒng)增益的同相放大電路。

3.3 控制型號驅(qū)動電路

ECU采用PWM方式輸出控制信號控制電磁閥的通斷，ECU采集信號并經(jīng)過計算后調(diào)節(jié)輸出信號脈寬的長度，如系統(tǒng)需要快速增大空氣彈簧的彈性系數(shù)時，ECU輸出長脈沖，這樣電磁閥處于相對比較長的通路狀態(tài)，氣缸向氣囊迅速充氣，這樣就增大了空氣彈簧的彈性系數(shù)［8］。本系統(tǒng)選用的是NUD3124（汽車板）繼電器驅(qū)動芯片。固態(tài)繼電器控制電壓5V，開關(guān)頻率不低于50Hz；電磁閥選用的是SRS2-80，驅(qū)動電壓為直流24V，開關(guān)頻率為0～12Hz。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖5所示。

程序采用C語言編寫。加速度的信號采集采用中斷方式，在系統(tǒng)初始化后微處理器開始捕捉加速度信號，如果信號沒有捕捉完成，則系統(tǒng)繼續(xù)采集，當加速度信號采集完成后被輸入微處理器后進行處理，接著根據(jù)計算出的e，｜ec｜的值調(diào)整ke，kec，ki，ku4個參數(shù)，進行模糊控制后，根據(jù)需要改變的剛度確定對空氣懸架充放氣時間，當調(diào)整完的空氣懸架剛度在預設(shè)范圍內(nèi)，則系統(tǒng)輸出控制信號改變空氣彈簧充放氣時間，進而調(diào)整空氣懸架系統(tǒng)剛度，否則系統(tǒng)直接結(jié)束，并等待下一次中斷。

4 模擬實驗及分析

文中對空氣懸架系統(tǒng)進行了兩自由度1／4車輛的臺架試驗。實驗器材有數(shù)控液壓伺服振動測試系統(tǒng)、電控懸架系統(tǒng)、Wave-book信號采集器、pc機等。對比分析參數(shù)自調(diào)整模糊控制的電控空氣懸架和被動空氣懸架在相同路面上不同車速的激勵下得到的數(shù)據(jù)［9－10］。被控對象的具體參數(shù)為m1＝190kg，m2＝1 800kg，b＝1 444N·m·s－1，Kt＝923 500N·m－1，Ks＝136 000N·m－1，實驗模擬在B級路面上車速分別為10m／s，20m／s時，路面對車輛懸架模型的激勵，采樣間隔為0.05s，試驗時間10s，實驗結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖5 空氣懸架電控系統(tǒng)軟件流程圖

圖6 B級路面10m／s時車身垂直加速度響應(yīng)

圖7 B級路面20m／s時車身垂直加速度響應(yīng)

從圖中可以看出，參數(shù)自調(diào)整模糊控制的電控空氣懸架的車身垂直加速度值有明顯降低。

在B級路面的情況下，不同車速激勵下的懸架性能對比見表3。

表3 車輛行駛工況變化時車身振動加速度的均方根值對比數(shù)據(jù)

由表中可以看出，參數(shù)自調(diào)整模糊控制空氣懸架的性能優(yōu)于被動懸架，當車速為10m／s，20m／s時，它的車身垂直方向振動加速度均方根值分別降低了14.8%，18.2%。可以發(fā)現(xiàn)，該電控懸架系統(tǒng)使車輛的加速度得到了一個較好的控制，使車輛操作穩(wěn)定性和行駛平順性也得到了明顯的改善。

5 結(jié) 語

基于對車輛空氣彈簧剛度的控制能有效地降低車身垂直加速度，從而提高汽車的行駛平順性，

文中針對小型客車，設(shè)計了基于Mega16的空氣懸架電控系統(tǒng)，并且設(shè)計的加速度檢測電路能夠很好地采集并處理加速度信號，為提高電子控制單元的性能，采用參數(shù)自調(diào)整模糊控制策略不斷檢測模糊控制器的輸入變量，在線調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，實時改變控制策略，提高空氣懸架系統(tǒng)對環(huán)境變化的適應(yīng)能力，滿足了系統(tǒng)時變性的要求。實驗結(jié)果表明，與被動懸架相比，車身垂直加速度均方根有明顯減小，說明參數(shù)自調(diào)整模糊控制電控空氣懸架系統(tǒng)有效地提高了車輛行駛的平順性。

［1］徐貴清.汽車懸架研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2010，22：35-36.

［2］楊啟耀.ECAS客車懸架系統(tǒng)的匹配與充放氣研究［D］：［碩士學位論文］.蘇州：蘇州大學，2008.

［3］劉白燕.機電系統(tǒng)動態(tài)仿真：基于MATLAB／Simulink［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005：159-162.

［4］劉宏偉，陳燕虹，田華，等.基于參數(shù)自調(diào)整模糊控制方法的半主動空氣懸架仿真分析［J］.設(shè)計·計算·研究，2005，12：19-23.

［5］楊曉燕.一種基于Matlab的參數(shù)自調(diào)整模糊控制器的設(shè)計方法［J］.自動化博覽，2009，12：76-79.

［6］李楠.車輛半主動空氣懸架智能控制系統(tǒng)的研究［D］：［碩士學位論文］.長春：長春工業(yè)大學，2007.

［7］楊林，陳思忠，吳志成，等.大客車空氣懸架電子高度控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.北京汽車，2007（2）：4-7.

［8］楊明麗.基于單片機的壓電加速度傳感器低頻信號采集系統(tǒng)的設(shè)計［D］：［碩士學位論文］.合肥：安徽大學，2007.

［9］全力，謝平，白露.基于飛思卡爾HCS08的汽車ECAS設(shè)計［J］.汽車電子，2009，25（7／2）：215-217.

［10］王炳，陳照章，徐興.基于MC9S08GB60的汽車電控懸架控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2008，2（12）：70-72.

Parameter self-tuning Fuzzy control for an air suspension electrical control system

YU Wei-bo， DU Zun-sheng， YANG Ting-ting

（School of Electrical ＆Electronic Engineering，Changchun University of Technology，Changchun 130012，China）

With a car model as the object，aparameter self-adjusting fuzzy control strategy is put forward according to the spring characteristics of the air.We design an air suspension electrical control system and the simulation results show that the controller can effectively decrease the vertical acceleration and improve the overall performance.

air suspension；parameter self-adjusting fuzzy control；the electronic control unit；the acceleration sensor.

U463

A

1674-1374（2014）01-0090-06

2013-01-12

吉林省教育廳“十一五”科學技術(shù)研究項目（吉科教合字［2010］第98號）

于微波（1970－），女，漢族，山東海陽人，長春工業(yè)大學副教授，碩士，主要從事智能儀器與智能控制方向研究，E-mail：yu＿weibo＠126.com.