電動(dòng)汽車(chē)主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

宋森楠

(寧波工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,浙江寧波 315211)

0 引言

由于電動(dòng)汽車(chē)使用清潔能源，可有效改善因汽車(chē)尾氣排放帶來(lái)的環(huán)境污染，因此使用越來(lái)越廣泛，近年來(lái)其市場(chǎng)投放量越來(lái)越大，發(fā)展勢(shì)頭良好[1]。但是，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)不同的是，電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力電池組易受到外界因素干擾，車(chē)身平順性將對(duì)電池組的使用壽命和安全性產(chǎn)生重大影響[2]。GB/T 31486-2015規(guī)定，動(dòng)力電池組在振動(dòng)試驗(yàn)當(dāng)中，不能產(chǎn)生電流的銳變或者電壓異常，不出現(xiàn)外殼破損，無(wú)電解液的泄漏，結(jié)構(gòu)完整無(wú)缺[3]。

目前，大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)仍然采用被動(dòng)懸架，其對(duì)汽車(chē)平順性的優(yōu)化效果有限，無(wú)法根據(jù)不同路況做出調(diào)整；而主動(dòng)懸架可以根據(jù)各路況改變其懸架剛度和阻尼系數(shù)，使汽車(chē)在任何條件下都能獲得最好的平順性[4-5]。

主動(dòng)懸架的控制算法包括自適應(yīng)控制、PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，其中模糊控制具備良好的魯棒性和控制精度，同時(shí)不需要精確的數(shù)學(xué)模型，能處理參數(shù)不確定的問(wèn)題[6-7]，因此本文作者選擇模糊控制理論，以MATLAB/Simulink為平臺(tái)，建立1/2車(chē)輛模型[8]，獲得模糊控制下的車(chē)輛振動(dòng)曲線。

1 1/2車(chē)輛模型

汽車(chē)的每個(gè)輪胎分別與車(chē)身通過(guò)懸架連接。1/2車(chē)輛模型包含左右2個(gè)車(chē)輪及其懸架，因此具備4個(gè)自由度，分別為：2個(gè)車(chē)輪的獨(dú)立跳動(dòng)，車(chē)身的垂向運(yùn)動(dòng)以及車(chē)身俯仰運(yùn)動(dòng)。由車(chē)身、懸架以及車(chē)輪組成的四自由度振動(dòng)模型如圖1所示。

圖1 1/2車(chē)輛振動(dòng)模型

主動(dòng)懸架相對(duì)于被動(dòng)懸架的不同之處在于，在傳統(tǒng)彈簧和減振器之外，附加了一個(gè)作用力產(chǎn)生裝置，可通過(guò)傳感器接收車(chē)身振動(dòng)情況，通過(guò)控制器控制力發(fā)生器，為懸架增加可變作用力F，使懸架能隨時(shí)根據(jù)不同路況來(lái)調(diào)整作用力，使車(chē)身始終獲得良好的平順性。結(jié)合車(chē)輛振動(dòng)模型以及牛頓第二定律得到如下微分方程：

(1)

(2)

F1-F2

(3)

(4)

式中：mi為單個(gè)車(chē)輪承載的簧載質(zhì)量；wi為車(chē)身垂向運(yùn)動(dòng)位移；si為車(chē)輪垂向運(yùn)動(dòng)位移；qi為路面激勵(lì)位移；Ix為俯仰運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；δ為電動(dòng)汽車(chē)俯仰角；mb為總簧載質(zhì)量；xb為車(chē)身垂向運(yùn)動(dòng)位移；a、b分別為前后懸架與車(chē)身連接點(diǎn)到汽車(chē)重心的距離；mwi為單個(gè)車(chē)輪非簧載質(zhì)量；ki為懸架剛度；ci為阻尼系數(shù)；kwi為輪胎剛度。

表1為電動(dòng)汽車(chē)懸架參數(shù)。

表1 電動(dòng)汽車(chē)懸架參數(shù)

2 模糊控制

模糊控制理論在20世紀(jì)60年代首次被提出，它可以模仿人腦當(dāng)中的模糊概念，運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)，能夠精確地描述復(fù)雜的系統(tǒng)，并且對(duì)其做出正確的判斷和控制。由于模糊控制具備適用性廣、魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛運(yùn)用在工業(yè)控制領(lǐng)域。

模糊控制器一般有以下控制步驟[9-10]：

(1)模糊化；

(2) 規(guī)則庫(kù)；

(3) 模糊推理；

(4) 解模糊。

所以，文中采用目前廣泛使用的單變量二維模糊控制器，并選取懸掛質(zhì)量的速度作為誤差信號(hào)E，懸掛質(zhì)量的加速度作為誤差變化EC，作動(dòng)器的輸出力作為輸出變量。

將誤差E、誤差變化EC看作兩個(gè)輸入變量，將控制量看作輸出變量U，建成一個(gè)二維的模糊控制器，3個(gè)變量采用5個(gè)模糊子集來(lái)表示它們的模糊狀態(tài)：{負(fù)大，負(fù)小，零，正小，正大}，也可以表示成：{NB，NS，ZE，PS，PB}。3個(gè)變量的論域?yàn)椋簕-2，-1，0，1，2}。

3個(gè)變量的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 模糊控制規(guī)則

到此為止，模糊控制器構(gòu)建完成。

3 建立仿真模型

文中以MATLAB/Simulink作為仿真平臺(tái)，首先建立模糊控制器仿真模型，如圖2所示。

圖2 模糊控制器仿真模型

將表2所示的模糊控制規(guī)則輸入到Fuzzy Logic Controller模塊中，得到如圖3所示的模糊輸入輸出規(guī)則曲面。

圖3 輸入輸出規(guī)則曲面

文中以Simulink自帶的白噪聲速度譜作為路面垂向激勵(lì)，根據(jù)式(1)—式(4)代表的數(shù)學(xué)模型在Simulink建立1/4車(chē)輛振動(dòng)模型，如圖4所示。

圖4 1/4車(chē)輛振動(dòng)模型

同時(shí)，將模糊控制器仿真模型代入到振動(dòng)模型當(dāng)中，即完成Simulink仿真模型的建立。

4 仿真結(jié)果分析

將第1節(jié)中的電動(dòng)汽車(chē)懸架參數(shù)代入到第3節(jié)建立的Simulink模型，分別得到模糊控制下的車(chē)輛垂向振動(dòng)加速度和俯仰加速度的時(shí)域變化規(guī)律，并將其與被動(dòng)懸架的仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如圖5—圖6所示。

對(duì)仿真得到的兩組數(shù)據(jù)分別計(jì)算其均方根值，并進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表3所示。

圖5 模糊控制主動(dòng)懸架與被動(dòng)懸架垂向加速度對(duì)比

圖6 模糊控制主動(dòng)懸架與被動(dòng)懸架俯仰加速度對(duì)比

類型模糊控制主動(dòng)懸架被動(dòng)懸架垂向加速度0.435 40.532 1俯仰加速度0.735 80.951 7

可以看出，模糊控制主動(dòng)懸架的垂向加速度均方根值比被動(dòng)懸架降低了22.2%，模糊控制主動(dòng)懸架的俯仰加速度均方根值比被動(dòng)懸架降低了約29.3%。

5 總結(jié)

使用模糊控制主動(dòng)懸架，從俯仰加速度和垂向加速度兩項(xiàng)數(shù)據(jù)來(lái)看，模糊控制主動(dòng)懸架均取得了良好的優(yōu)化效果，大大優(yōu)化了汽車(chē)的平順性能。對(duì)電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，使用模糊控制主動(dòng)懸架可以降低動(dòng)力電池組的振動(dòng)加速度和振動(dòng)幅度，繼而增加電池組壽命，提高電池工作穩(wěn)定性，預(yù)防電解液泄漏和殼體破損。因此不僅能提高汽車(chē)的行駛平順性，也能提高電池可靠性。