汽車半主動懸架系統(tǒng)的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制方法*

郭全民　樊祝元

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710021)

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汽車半主動懸架系統(tǒng)的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制方法*

郭全民樊祝元

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710021)

摘要為了改善汽車懸架系統(tǒng)性能,針對車身的垂向、側(cè)傾、俯仰三種運(yùn)動,提出了汽車半主動懸架系統(tǒng)的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制方法。設(shè)計(jì)的并聯(lián)協(xié)調(diào)模糊PID控制器分別對三種運(yùn)動進(jìn)行控制,得到期望的控制力來控制半主動懸架系統(tǒng),達(dá)到改善車輛垂直、側(cè)傾和俯仰振動的減振目的。實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)結(jié)果分析表明:提出的并聯(lián)協(xié)調(diào)模糊PID控制策略在不影響車輛行駛安全性的前提下,提高了車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞整車模型; 半主動懸架系統(tǒng); 并聯(lián)協(xié)調(diào)控制; 模糊PID控制

Class NumberU463.1

1引言

車輛懸架系統(tǒng)[1]是車身與車輪之間一切傳力裝置的總稱,緩和由不平路面?zhèn)鹘o車身的沖擊,衰減由此引起的振動。懸架系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接決定了車輛的乘坐舒適性和操作穩(wěn)定性。傳統(tǒng)被動懸架的阻尼系數(shù)和彈簧剛度選定后就不可調(diào)節(jié),難以適應(yīng)不同的道路狀況。為了解決被動懸架的不足,人們對非被動懸架展開了大量的研究。主動懸架根據(jù)路面狀況的不同主動做出反應(yīng),解決了被動懸架系統(tǒng)的缺陷問題,但是系統(tǒng)成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,并且能耗大,因此到目前為止應(yīng)用不夠廣泛。半主動懸架通過調(diào)節(jié)彈簧剛度或減振器阻尼力使車輛達(dá)到穩(wěn)定,既克服了被動懸架剛度、阻尼不變的缺點(diǎn),又具有和主動懸架相近的減振性能,并且結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、能耗低,因此半主動懸架在汽車懸架領(lǐng)域有著重要的發(fā)展前景。

針對半主動懸架系統(tǒng)的控制,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了廣泛的研究,提出了多種控制方法。文獻(xiàn)[2]將PID控制應(yīng)用到半主動懸架中,通過對1/4車輛的簧載質(zhì)量加速度進(jìn)行反饋控制,使其具有良好的穩(wěn)定性,并且算法簡單,但對整車車輛的復(fù)雜非線性進(jìn)行控制還不夠理想。文獻(xiàn)[3～4]將最優(yōu)控制應(yīng)用到1/4車輛半主動懸架中,選取車身垂向振動加速度與輪胎動載荷作為性能優(yōu)化指標(biāo)控制分析,可以比較準(zhǔn)確地反映車輛行駛的基本特性,但當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)變化到一定程度時,會使系統(tǒng)變得不穩(wěn)定,有時甚至?xí)箲壹苄阅軔夯Ｎ墨I(xiàn)[5～6]將自適應(yīng)控制應(yīng)用到半主動懸架中,參數(shù)變化的情況下,仍能保持良好的控制效果,改善了乘坐舒適性,但同時很有可能犧牲懸架動撓度。文獻(xiàn)[7～10]中將模糊控制應(yīng)用到半主動懸架中,以簧載質(zhì)量加速度作為輸入變量的模糊控制算法可以有效地改善車輛的穩(wěn)定性,但模糊控制規(guī)則依賴于專家經(jīng)驗(yàn),具有很強(qiáng)的主觀性。由此可見各種控制方法各有利弊,運(yùn)用單一的控制方法難以達(dá)到理想的效果。

為了提高車輛懸架系統(tǒng)的性能,本文提出并聯(lián)協(xié)調(diào)模糊PID控制來緩解車身振動,建立三個模糊PID控制器分別實(shí)現(xiàn)對車身垂向、側(cè)傾、俯仰振動的控制,將其輸出的阻尼調(diào)整力通過邏輯運(yùn)算分解到半主動懸架系統(tǒng)的可調(diào)阻尼器上,通過調(diào)節(jié)阻尼力的大小來減緩車身振動,以改善汽車的減振性能。

2整車半主動懸架的動力學(xué)模型

為了能從整體上反映車身垂向振動、俯仰振動以及側(cè)傾振動的問題,建立了整車模型。對實(shí)際車輛系統(tǒng)進(jìn)行簡化[11],整車模型包括四個車輪分別受到路面激勵的垂向振動,以及車身垂直方向的振動、俯仰振動和側(cè)傾振動共七個自由度。圖1為半主動懸架整車模型。

圖1　半主動懸架整車模型

m為車身質(zhì)量,θ為車身俯仰角,φ為車身側(cè)傾角,z為車身質(zhì)心處的垂向位移,d1、d2分別為質(zhì)心到前后輪軸的距離,d3、d4分別為質(zhì)心到右輪與左輪的距離,zlf、zrf、zrr、zlr分別為懸架簧載質(zhì)量垂直位移,flf、frf、frr、flr分別為磁流變阻尼器的阻尼力,klf、krf、krr、klr分別為懸架彈簧剛度,clf、crf、crr、clr分別為懸架阻尼器阻尼系數(shù),mulf、murf、murr、mulr分別為懸架非簧載質(zhì)量,zulf、zurf、zurr、zulr分別為懸架非簧載質(zhì)量的垂向位移,ktlf、ktrf、ktrr、ktlr分別為輪胎剛度,qlf、qrf、qrr、qlr分別為車輪的路面輸入位移。其中下標(biāo)lf、rf、rr、lr分別表示左前、右前、右后、左后。

當(dāng)側(cè)傾角φ和俯仰角θ在小范圍內(nèi)變化時,簧載質(zhì)量的運(yùn)動位移表示為

(1)

車身垂直運(yùn)動方程為

m¨z= klf(zulf-zlf)+krf(zurf-zrf)+krr(zurr-zrr)

(2)

車身側(cè)傾運(yùn)動方程為

Ix¨φ= [klf(zulf-zlf)+clfzulfzlf)+klr(zulr-zlr)

(3)

車身俯仰運(yùn)動方程為

Iy¨θ= [krr(zurr-zrr)+crrzurrzrr)+klr(zulr-zlr)

(4)

非簧載質(zhì)量的垂向運(yùn)動方程可表示為

mlf¨zulf= ktlf(qlf-zulf)-klf(zulf-zlf) -clfzulfzlf)+flfmrf¨zurf= ktrf(qrf-zurf)-krf(zurf-zrf) -crfzurfzrf)+frfmrr¨zurr= ktrr(qrt-zurr)-klrr(zurr-zrr) -crrzurrzrr)+frrmlr¨zulr= ktlr(qlr-zulr)-klf(zulr-zlr) -clfzulrzlr)+flrì?í????????????

(5)

3半主動懸架控制系統(tǒng)

本文設(shè)計(jì)了并聯(lián)協(xié)調(diào)控制器,分別為垂向控制器、側(cè)傾控制器、俯仰控制器對車身進(jìn)行聯(lián)合控制,建立系統(tǒng)整體框圖如圖2所示,其中r1(t)、r2(t)、r3(t)分別為車身垂向加速度、側(cè)傾角加速度、俯仰角加速度的設(shè)定參考值,e1(t)、e2(t)、e3(t)分別為其反饋值與參考值之間的偏差,fa、fb、fc分別為阻尼調(diào)整力,flf、frf、frr、flr分別為輸入阻尼力。

圖2　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)以路面激勵qlf、qrf、qrr、qlr作為輸入,引起車身振動,通過并聯(lián)協(xié)調(diào)控制器對車身垂向振動、側(cè)傾以及俯仰振動進(jìn)行控制,進(jìn)行邏輯運(yùn)算得到阻尼器控制力flf、frf、frr、flr,并作用到懸架系統(tǒng),從而實(shí)現(xiàn)了半主動懸架控制并降低了系統(tǒng)的振動響應(yīng)。

半主動懸架的控制對象是可調(diào)阻尼器,而并聯(lián)協(xié)調(diào)控制器輸出的是三個車身質(zhì)心處的阻尼調(diào)整力,因此需將調(diào)整力轉(zhuǎn)化為阻尼力。上述轉(zhuǎn)化過程即為邏輯運(yùn)算,其是并聯(lián)協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵,其中三個控制器的調(diào)整力是相互制約相互影響的,故阻尼力之間也是相互關(guān)聯(lián)的。垂直、側(cè)傾、俯仰控制器輸出的調(diào)整力分別為fa、fb、fc,其四個阻尼器控制力的大小可近似看成三個調(diào)整力的運(yùn)算和,其方向由簧載質(zhì)量與非簧載質(zhì)量的相對速度決定,邏輯運(yùn)算如式(6)所示。

(6)

本文將車身垂向加速度、俯仰角加速度、側(cè)傾角加速度作為主要控制對象,懸架動撓度和輪胎動載荷作為約束條件,實(shí)現(xiàn)對半主動懸架的模糊PID控制,垂向控制器車身質(zhì)心垂直速度與加速度的基本論域分別為[-0.06,0.06]和[-1.5,1.5];側(cè)傾控制器中車身質(zhì)心側(cè)傾角速度與加速度的基本論域分別為[-0.2,0.2]和[-4,4];俯仰控制器中車身質(zhì)心俯仰角速度與加速度的基本論域分別為[-0.06,0.06]和[-1.5,1.5]。取模糊輸入輸出的基本論域?yàn)閇-3,3],由公式ke=n1/e,kec=n2/ec,ku=u/n3可得到量化因子以及比例因子,其隸屬函數(shù)選取三角函數(shù)。

模糊控制器的輸入是偏差e和偏差變化率ec,輸出是kp、ki和kd,PID參數(shù)模糊自整定是找出kp、ki、kd和偏差e及偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系,在線進(jìn)行修改,以滿足不同e和ec對控制參數(shù)的不同要求,選取車身垂直方向的速度與參考值的差值作為控制器輸入變量E,選取差值的變化率作為另一輸入變量EC,選取可調(diào)阻尼力為輸出變量U。三個變量均模糊劃分為七個,構(gòu)建一個二維模糊控制器。其中,E={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},EC={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB},U={NB,NM,NS,Z,PS,PM,PB}。根據(jù)PID參數(shù)的作用以及在不同的偏差及偏差變化下對PID參數(shù)的要求,下面給出根據(jù)模糊理論進(jìn)行算法合成得出的kp、ki和kd三參數(shù)的模糊控制規(guī)則表,如表1～表3所示。

表1　kp的控制規(guī)則表

表2　ki的控制規(guī)則表

表3　kd的控制規(guī)則表

4仿真結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文提出并聯(lián)協(xié)調(diào)控制算法的有效性,以某車型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),選取的懸架參數(shù)如表4所示。

表4　模型仿真參數(shù)表

本文采用白噪聲隨機(jī)路面輸入來產(chǎn)生路面不平度時間輪廓,路面輸入在時域情況下的函數(shù)表達(dá)式:

(7)

當(dāng)汽車以20m/s的中等速度在B級路面上勻速行駛時,路面隨機(jī)信號輸入仿真曲線,被動懸架系統(tǒng)與半主動懸架系統(tǒng)的車身垂向加速度、側(cè)傾角加速度、俯仰角加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷的仿真曲線比較如圖3所示,均方根值比較如表5所示。

性能指標(biāo)均方根值模糊PID被動懸架控制性能改善/%車身加速度(m/s2)0.12970.109115.89側(cè)傾角加速度(rad/s2)1.3681.20312.06俯仰角加速度(rad/s2)0.1490.102731.07左前懸架動撓度(m)0.008940.0072918.45右前懸架動撓度(m)0.006310.00648-2.694右后懸架動撓度(m)0.002810.002617.12左后懸架動撓度(m)0.012020.0121-0.665左前輪輪胎動載荷(N)92.6391.241.5右前輪輪胎動載荷(N)480.8429.810.61右后輪輪胎動載荷(N)674.8653.23.1左后輪輪胎動載荷(N)338.4343.1-1.3

從圖3的仿真結(jié)果及表5中的各項(xiàng)均方根值可知:與被動懸架系統(tǒng)相比,并聯(lián)協(xié)調(diào)模糊PID控制系統(tǒng)在20m/s的中等車速下,對車身垂向加速度、側(cè)傾角加速度及俯仰角加速度均具有較明顯改善。通過表5的各性能均方根值的比較可知,并聯(lián)協(xié)調(diào)模糊PID控制的半主動懸架相比于被動懸架的車身垂向加速度、側(cè)傾角加速度、俯仰角加速度的均方根值分別下降了15.89%,12.06%,31.07%,并且懸架動撓度和輪胎動載荷也整體上有所改善,雖然改善不夠明顯,但是可以說明在不影響行駛安全性的前提下,改善了車輛的乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性。驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的磁流變阻尼器的并聯(lián)協(xié)調(diào)模糊PID控制方法的有效性和可行性。可見半主動懸架采用本文提出的控制能有效地改善了汽車行駛平順性和乘坐舒適性,并且減振效果明顯優(yōu)于被動懸架的減振效果。

5結(jié)語

本文建立了汽車七自由度整車半主動懸架系統(tǒng)模型,并在白噪聲路面激勵下對其進(jìn)行了仿真研究。研究結(jié)果表明,采用并聯(lián)協(xié)調(diào)模糊PID控制,控制器結(jié)構(gòu)簡單,實(shí)現(xiàn)了懸架系統(tǒng)對整車垂向、側(cè)傾、俯仰等運(yùn)動狀態(tài)的并聯(lián)協(xié)調(diào)控制,為整車半主動懸架系統(tǒng)的實(shí)時控制提供了一種新的控制策略和方法,并通過與被動懸架的仿真相比,半主動懸架的車身垂向加速度、側(cè)傾角加速度、俯仰角加速度均有所下降,明顯改善了車輛的垂直、側(cè)傾、俯仰振動,從而有效地解決了汽車行駛過程中的舒適性和操縱穩(wěn)定性問題。

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Parallel Coordinated Control Method of Vehicle Semi-active Suspension System

GUO QuanminFAN Zhuyuan

(School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractTo improve the performance of the suspension system, for vertical, roll, pitch of bodythree movement, parallel coordinated control method of automotive semi-active suspension system is proposed. Parallel coordinates fuzzy PID controller is designed to control three movement respectively, and the desired control is achieved to control semi-active suspension system, to improve the vehicle vertical, roll and pitch vibration purposes. The experimental results and data analysis show that proposed parallel coordination fuzzy PID control strategy improves the ride comfort and handling stability of the vehicle without affecting vehicle safety.

Key Wordsvehicle model, semi-active suspension system, parallel coordinated control, fuzzy PID control

* 收稿日期:2015年11月7日,修回日期:2015年12月24日

基金項(xiàng)目:陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(編號:2014JM2-6112);陜西省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目(編號:14JK1342)資助。

作者簡介:郭全民,男,碩士,副教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向:計(jì)算機(jī)測控技術(shù)、圖像處理及機(jī)器視覺、智能傳感與信息融合等。樊祝元,男,碩士研究生,研究方向:計(jì)算機(jī)測控技術(shù)、控制理論與控制工程。

中圖分類號U463.1

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.05.021