基于貨車車身懸架的最佳主動控制

潘公宇，徐騰躍，張 樹，楊 海，楊 欣

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

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基于貨車車身懸架的最佳主動控制

潘公宇，徐騰躍，張 樹，楊 海，楊 欣

(江蘇大學 汽車與交通工程學院，江蘇 鎮江 212013)

建立了載貨汽車5自由度模型，采用模糊控制方法對車身前后懸架進行主動控制。仿真結果表明，與一般的控制座椅懸架的控制方式相比，對車身懸架運用主動控制，不僅衰減座椅加速度，同時衰減了車身加速度。考慮減振性能和生產成本，對前、后懸架單獨運用主動控制進行分析，得出了最佳的控制方案。

車輛工程；模糊控制；Simulink仿真；主動懸架；5自由度模型

0 引 言

載貨汽車由于經常要擔任長途運輸的任務，惡劣的行駛平順性，容易引起司機疲勞駕駛，并且可能損壞貨物。隨著經濟的快速增長，運輸市場需求的不斷擴大，運輸物品種類也越來越復雜，更多較精密的儀器需要被運輸，這就需要在保證貨車駕駛員座椅振動平穩的同時，也要保證車身擁有良好的減振性能，而一般的載貨汽車對減小車身振動并不重視，往往只對駕駛員座椅進行主動控制，筆者對車身懸架進行主動控制，從而希望同時減輕駕駛員座椅及車身振動，并考慮生產成本，分析最佳的主動控制方案。

1 載貨汽車5自由度模型的建立

車輛是非常復雜的多自由度系統，為了簡化，對模型進行假設：汽車沿縱向中心線左右對稱，路面是各向同性的各態歷經隨機過程；忽略除路面以外的其他振源和輪胎阻尼。

根據以上假設，選取了1/2車身懸架模型[1-2]和座椅模型相結合，建立了載貨汽車5自由度模型，見圖1。

圖1 載貨汽車5自由度模型

圖1中，qf，qr為前后輪路面輸入；Zf，Zr為前后非簧載質量垂直位移；Mf，Mr為前后非簧載質量；kf，kr為前后懸架彈簧剛度；Cf，Cr為前后懸架阻尼系數；U1，U2為前后懸架主動控制力；Z1，Z2為前后懸架垂直位移；Zc為車身質心垂直位移；Mc為車身簧載總質量；θb為車身俯仰角；ks為座椅懸架彈簧剛度；Cs為座椅懸架阻尼系數；Ms為座椅質量；a，b為前后軸到質心的距離；d為座椅到質心的距離。其中：

Z1=Zc-a·sinθb≈Zc-a·θb

(1)

Z2=Zc+sinθb≈Zc+θb

(2)

根據模型間的力平衡關系，寫出微分方程，并根據微分方程，化為狀態空間方程[3]，如式(3)：

(3)

選取狀態變量：

選取輸出向量：

輸出向量內的6個變量分別代表車身質心速度，座椅質心速度，座椅懸架動位移，車輛前懸架動位移，車輛后懸架動位移,車身俯仰角速度。

2 模糊控制器的設計

筆者選用了兩個雙輸入單輸出的模糊控制器。模糊控制器1選取車身前懸架速度e1及其加速度ec1作為模糊控制器的輸入量，以車身前懸架主動控制力U1作為模糊控制器的輸出量；模糊控制器2選取車身后懸架速度e2及其加速度ec2作為輸入量，以車身后懸架主動控制力U2作為輸出量。兩個模糊控制器的輸入輸出變量均取7個語言值，分別為負大(NB)、負中(NM)、負小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)，故可產生49條語言規則。e1和ec1的基本論域為[-0.8，0.8]和[-8，8]，U1基本論域為[-4 000，4 000]；e2和ec2的基本論域分別為[-0.8,0.8]，[-6,6]，U2基本論域為[-8 000，8 000]。隸屬函數論域均為[-3,3]；故量化因子分別取ke1=3.75，kec1=0.375，ke2=3.75，kec2=0.5，比例因子kU1=1 666.7，kU2=2 666.7；輸入變量和輸出變量的模糊子集采用三角形隸屬函數[4-5]。

根據車身質心速度和加速度的變化情況，相應改變主動控制力U，從而設計出模糊控制規則，見表1。

表1 模糊控制規則

文中的模糊推理和去模糊化方法均采用Min-Max重心法。

3 系統仿真參數設定及結果分析

3.1 路面譜的確定

筆者采用B級路面譜，其時域數學模型[6-7]見式(4)：

q(t)′+αvq(t)=w(t)

(4)

式中：q(t)為車輪所受的路面隨機激勵；α為路面不平度系數；v為汽車前進速度；w(t)為高斯白噪聲。

在此假設車速v=50 km/h，α=0.14。后輪相對于前輪路面不平度激勵滯后一段時間τ：

τ=(a+b)/v

(5)

3.2 基于MATLAB/Simulink的模型建立和仿真分析

在MATLAB/Simulink環境下搭建模型，主動控制整體模型如圖2。

圖2 在Simulink環境下的主動控制仿真

在Simulink環境中進行仿真模擬，得到被動懸架與主動懸架各性能曲線的對比圖，見圖3。

圖3 被動懸架與主動懸架各性能曲線的對比

由表2可知，對車身前后懸架同時進行主動控制，模型的車身質心加速度，座椅加速度，車身前后懸架垂直位移，座椅位移，車身俯仰角加速度性能相比被動懸架都有明顯改善，車輛的乘坐舒適性和平順性都有顯著提高[8-9]，故不考慮生產成本，對前后懸架同時進行主動控制的方法是行之有效的。

表2 主、被動懸架均方根值對比

3.3 前、后懸架單獨控制分析

考慮到主動懸架造價昂貴，設想如對前后懸架單獨運用主動控制而效果可行，可大大減少生產成本，故在此對車身前、后懸架單獨使用主動控制進行分析，并將其性能指標與前后懸架同時進行主動控制的性能指標進行對比，結果見表3。

由仿真結果及表3，再結合表2可以清楚地發現，對車身前后懸架單獨進行主動控制后，減振效果要比同時對前后懸架進行主動控制的減振效果有不同程度的降低。具體來講，單獨對前懸架進行主動控制，由于車輛座椅靠近前懸架上方，導致座椅質心加速度、座椅垂直位移及車身前懸架垂直位移較之同時對前后懸架進行主動控制，其減振效果基本不變，而車身質心加速度、車身俯仰角加速度及車身后懸架垂直位移的減振效果都有不同程度的降低；單獨對后懸架進行主動控制，其車身俯仰角加速度、座椅質心加速度、座椅垂直位移的減振效果都有不同程度的降低，對座椅的振動衰減效果幾乎為0，只有車身質心加速度和車身后懸架垂直位移的減振效果變化不大。綜上所述，對前懸架進行主動控制，著重提高駕駛員乘坐舒適性；對后懸架進行主動控制，著重提高車身振動平順性，據此，根據不同的情況需求，可以選擇不同的控制方式，達到可行的效果。

表3 前、后懸架主動與被動懸架指標均方根值對比

4 結 論

1)相較于被動懸架，采用模糊控制的主動懸架的整車性能得到了很大的提高，證明了控制策略的可行性與實用性。

2)對車身懸架采取主動控制，比起直接對座椅懸架進行主動控制，既衰減了車身振動，同時也衰減了座椅振動，是一種效果明顯的控制方式。

3)經過仿真分析，對車身前懸架單獨進行主動控制，仍能有效控制駕駛員座椅振動，但車身振動得不到有效控制；對車身后懸架單獨進行主動控制，車身振動能得到有效控制，而座椅振動較大。因此，針對不同的減振目的，可選取不同的控制方案，以達到性價比最高的方法。

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Optimal Active Control Based on Truck’s Body Suspension

Pan Gongyu, Xu Tengyue, Zhang Shu, Yang Hai, Yang Xin

(School of Automobile & Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China)

A 5-DOF truck dynamic model was built up, and the active control was used in the front and back suspension which was based on fuzzy control. The simulation result shows that compared with the usual method of control which controls the suspension of the seat, the method which controls the body’s suspension can not only reduce the seat’s vibration, but also reduce the body’s vibration. Considering the effect of reducing vibration and production cost, the analysis on front and back suspension was carried out separately by using the active control, and the best control method was also obtained.

vehicle engineering; fuzzy-control; simulation of Simulink; active suspension; 5-DOF model

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.04.28

2013-04-22；

2013-08-26

潘公宇(1965—)，男，江蘇鎮江人，教授，主要從事車輛振動控制方面的研究。E-mail：774513912@qq.com。

U463.3

A

1674-0696(2015)04-143-04