基于模糊PID控制重型汽車主動空氣懸架仿真分析

周雅倩,魯力群,孫法軍,王毅 ,孫萌,李輝

(1.山東理工大學交通與車輛工程學院，山東淄博 255049;2.山東安博科技機械科技股份有限公司，山東淄博 255202)

0 引言

汽車平順性是汽車行駛性能的重要指標，傳統的被動懸架由于不能根據行駛路況自動調節空氣懸架高度，所以已經不能滿足人們的要求，主動空氣懸架系統可以根據路面條件實時調整狀態，其可以產生任意大小方向的作用力，來抵消路面對懸架的不良振動影響[1-3]。重型汽車對于行駛平順性具有較高的要求，本文作者以重型汽車為研究對象，以車身垂直加速度、懸架動行程、輪胎動載荷為評價指標，驗證了經過模糊PID控制之后重型汽車行駛平順性有較大提高[4-6]。

1 重型汽車主動空氣懸架模型建立

主動空氣懸架通常主要包括以下幾部分：各種傳感器和控制單元ECU、動力源(液壓泵、空氣壓縮機等)、執行元件(空氣彈簧、減振器)、產生力及力矩的作動器( 油缸、步進電動機、電磁鐵等)[3]。主動空氣懸架的工作原理是：傳感器實時采集車輛狀態量，采用模糊自適應PID控制算法，經過ECU處理，控制相應電磁閥的開閉，進而控制氣缸內壓力，產生主動控制力，調節系統狀態使性能達到最優。

建立兩自由度1/4車體主動空氣懸架系統模型，所做二自由度1/4車體主動空氣懸架系統模型如圖1所示[1]。

圖1 二自由度1/4主動空氣懸架系統模型

圖1中ms為非簧載質量，mt為簧載質量，Fa為控制器主動控制力，kt為輪胎剛度，ks為懸架系統剛度，cs為懸架系統阻尼系數，q為路面位移函數，xt為懸架等效非簧載質量的垂向位移，xs為懸架系統簧載質量的垂向位移。

分別以ms、mt為研究對象，由牛頓第二定律可以建立兩自由度主動空氣懸架系統模型振動微分方程：

(1)

(2)

2 路面激勵模型的建立

基于濾波白噪聲法建立隨機路面激勵模型，可得到

(3)

式中：f=vn，v為車速，m/s;Gq(n0)為路面功率譜密度;S(t)為高斯白噪聲。

在MATLAB Simulink中搭建隨機路面模型如圖2所示。

圖2 濾波白噪聲法隨機路面模型

路面不平度可以劃分為A—H8個等級，當公式(3)中n0=0.1 m-1時，選用略有較有起伏的C級路面，C級路面功率譜密度G2(n)=256×10-6m3，C級路面模擬車速30 km/h，C級路面不平度時域曲線如圖3所示。

圖3 C級路面不平度時域曲線

3 建模與仿真

根據公式(1)的微分方程在MATLAB Simulink中搭建模型，表1是基于某重型汽車中后橋懸架的部分參數。

表1 仿真參數值

圖4為PID控制器。

圖4 模糊PID控制器

圖5為模糊PID控制1/4主動空氣懸架模型圖。

圖5 模糊自適應PID控制1/4懸架模型圖

4 仿真結果分析

以車身的垂直加速度(SMA)、懸架動行程(DTD)、輪胎動變形(SWS)為評價指標，比較經過模糊PID控制后以及無控制的空氣懸架曲線變化，仿真時間為50 s。空氣懸架系統振動對比曲線如圖6所示。

圖6 空氣懸架系統振動各指標對比曲線

各評價指標均方根值對比見表2。

表2 各評價指標均方根值對比

從圖6可以看出，經過模糊PID控制之后的車身垂直加速度(SMA)、懸架動行程(DTD)、輪胎動變形(SWS)相比較無控制的空氣懸架都有所改善，說明經過模糊PID控制之后能提高重型汽車的行駛平順性。從表2可以看出，經過模糊控制之后，車身垂直加速度平順性提升了約22.3%，懸架動行程平順性提高了約17.8%，輪胎動變形平順性提高了約10.5%。從表中均方根值對比最終可以得出結論，模糊PID控制對于改善重型汽車行駛平順性有非常大的作用。

5 結束語

文中通過建立路面激勵模型以及建立二自由度1/4主動空氣懸架模型，以重型汽車中后橋參數為基礎，借助MATLAB Simulink 平臺仿真，仿真結果中三項指標均體現了重型汽車行駛平順性有了很大改善，實驗結果驗證了模糊PID控制的主動空氣懸架系統的優越性，一定程度上為以后重型汽車中后橋主動空氣懸架臺架試驗的研究提供了理論支撐。