汽车电控空气悬架系统的控制策略研究

机械设计与制造130MACHINERYDESIGNMANUFACTURE第11期2012年11月文章编号10013997201211013003汽车电控空气悬架系统的控制策略研究木张建军杨伟张本宏合肥工业大学机械与汽车工程学院，合肥230009CONTROLSTRATEGYRESEARCHOFAUTOMOTIVEELECTROCONTROLLEDAIRSUSPENSIONSYSTEMZHANGJIANJUN，YANGWEI，ZHANGBENHONGSCHOOLOFMECHANICALAUTOMOTIVEENGINEERING，HEFEIUNIVERSITYOFTECHNOLOGY，HEFEI230009，CHINA【摘要】为了提高汽车的平顺性和操作稳定性，以某高档轿车前空气悬架系统为研究对象，给出了一种以车身高度、空气悬架刚度和阻尼为优化参数的综合控制策略。策略对车身高度的调整进行模糊变积分PID控制，对悬架的刚度和阻尼的调整采用模糊自整定PID控制。在ADAMS软件环境下构建了1，4汽车空气悬架仿真模型，并利用MATLAB软件进行仿真。结果表明该综合控制策略与对刚度和阻尼的单纯控制策略相比，在汽车行驶时更具安全性和舒适性。关键词空气悬架；ADAMS；MATLAB；综合控制；模糊自整定PID控制【ABSTRACT】NORDERTOIMPROVERIDECOMFORTANDHANDLINGSTABILITYOFCAR，THEFRONTAIRSUSPENSIONSYSTEMOFHIGHGRADECARISTAKENASNRESEARCHOBJECTACOMPREHENSIVECONTROLSTRATEGYISGIVENINWHICHBODYHEIGHT，THESTIFFNESSANDDAMPINGOFAIRSUSPENSIONARETAKENAS叩TIMIZATIONPARAMETERSBOAYHEIGHTTAKESFUZZYVARIABLEINTEGRALPIDCONTROLINTHESTRATEGY,ANDTHESTIFFNESSANDDAMPINGUSEFUZZYSELFTUNINGPIDCONTRO114MECHANICALMODELISESTABLISHEDINADAMS，DOINGSIMULATIONWITHMATLABTHERESULTSSHOWTHATCOMPAREDWITHSTIFFNESSANDDAMPINGCONTROL，COMPREHENSIVECONTROLMAKESTHECARSAFERANDMORECONFORTABLEKEYWORDSAIRSUSPENSION；ADAMS；MATLAB；BOBYHEIGHTCONTROL；FUZZYSELFTUNINGPIDCONTROL中图分类号TH16；U46333文献标识码A1引言汽车悬架、发动机和变速器是汽车最重要的三大动力总成，汽车悬架系统是指车轮与车身之间一切传动机构的总称，它可以吸收和缓冲在不平路面上行驶产生的各种冲击和摇摆，并且将路面和轮胎之间的摩擦力产生的驱动力和制动力传递给车身141。随着汽车工业发展，以及人类对汽车舒适性要求的提高，传统的被动悬架、半主动悬架已经不能满足人们的需求，在此背景下主动式空气悬架应运而生。目前国内外对空气悬架的研究很多，像一些科研人员I2】I苗过电子控制空气悬架高度调节模型对同步和异步两种高度调节方式进行了研究。一些科研人员D推导了空气弹簧、高度阀、连接管路子模块的力学方程，考虑了空气弹簧间气压的相互影响，提出了模块化的耦合空气弹簧悬架模型。一些科研人员同对空气悬架的刚度和阻尼进行模糊控制仿真和研究。但主要集中在对空气悬架高度的控制研究，或者对系统的刚度和阻尼进行研究，并未对这三个因素进行综合考量。汽车在整个运行过程中车身高度的调整以及悬架的刚度和阻尼的变化都会对车身的垂直加速度以及悬架的动行程等指标产生重要影响，利用ADAMS软件设计了14汽车空气悬架系统，并根据其动态特性，将现代控制理论运用于空气悬架控制，对空气悬架的刚度及阻尼和空气弹簧的高度进行综合控制，并结合MATLAB软件进行的仿真分析。2空气悬架动力学模型设计的空气悬架主要由空气压缩机、干燥器、空气电磁阀、车身高度传感器、减振器、空气弹簧、及ECU单元以及各种传感器等组成。装有空气悬架的二自由度的1，4汽车模型，如图1所示。图1空气悬架的结构简图K来稿日期20120121K基金项目国家自然科学基金6O873O03；中央高校基本科研业务费专项资金项目2011HGBZ1325；安徽省科技人员服务企业项目10020203015第11期张建军等汽车电控空气悬架系统的控制策略研究131图中厂篑载质量；非簧载质量；、。、一簧载质量位移、非簧载质量位移、路面激励；设某个时刻空气弹簧的刚度系数为。，减震器阻尼系数为C；K_轮胎径向刚度系数。根据牛顿第二定律，得车辆悬架模型的动力学方程为M222TCL，KX2X。FM2SOMX一CFF。一1K。X2XM1AOCCLTCKL。K1TKL3控制策略的设计汽车悬架刚度和阻尼的控制只有和汽车高度控制相结合的，才能达到从总体上改善舒适性。随着汽车的车身高度、路况和车速的不同，与之匹配的最优悬架刚度和阻尼也会响应的变化。在较好路面正常速度行驶时，维持目前的车身高度不进行调整，刚度和阻尼的选择通过判断车身垂向加速度的值E和其变化率EC的变化，采取模糊自整定PID算法进行控制。当在较好的路面高速行驶时，通过对悬架放气将车身高度降低，此时为了提高舒适性，应将刚度和阻尼都相对目前值调小。当行驶在颠簸路面上时，通过对悬架充气将车身高度升高，为了消除颠簸，提高安全性，应将刚度和阻尼都相对目前值调大。车身垂直加速度、轮胎动行程以及悬架动行程是评价汽车平顺性的重要指标，将汽车车身垂向加速度、加速度变化率作为模糊控制器的输入量，分别记为E和EC，通过PID控制器整定之后，最终的输出量U用于调整阻尼杆和阀门的开度，使刚度和阻尼同时变化。其原理，如图2所示。图2模糊自整定PID控制器的原理图输入的E的基本论域取0808，EC的基本论域取一55，的基本论域为_66，AK的基本论域为一11，A的基本论域为一100100。取输入和输出的论域都为一6，6。输入的量化因子KE75，K12，输出的比例因子1，0167，UD1667。初始值650，1，Q117。系统实现PID参数在线自调整的计算公式为KPPPKIKIA2KDAKD模糊规则建立的基本原则是当吲变化较大时，为了加快系统的反应速度，应该将AG取大值，为了避免系统超调，将AK取零值或较小值，为了防止偏差瞬时变大，将AK取小值。当变化适中时，为了防止超调过大，将减小，将AK调为适中。当变化很小时，为了避免在平衡点的震荡，应将和调大，并且将调为适中。各种传感器信号的大小在一定程度上反映了路况信息，ECU根据当前的路况、车速、车身高度和车身载重等传感器得到目前车体信息，按照预先设定的车身高度控制策略来控制电磁阀的动作，从而实现气囊的充放气来调节车身高度。对车身高度模糊控制系统，采用双输入单输出的模糊控制器，选取路况RC和行驶速度作为模糊控制器的输入变量，车身高度日作为输出量。路况分平坦和颠簸两种，以F正小，正大两个语言值表示，当车身高度在3S以上大幅度变化时，说明路况颠簸为正大，反之。车速以正小，正中，正大三个语言值表示，分别指车速小于40KMH，介于4090KMH之间，大于90KRNH三种速度区间。输出量以低，中，高三个语言值表示，设定初始汽车质心离地面高度为440MM，车身调到高时为470MM，调到低时为420MM。模糊规则库，如表1所示。表1模糊规则库实际的充放气过程是一个比较复杂的动态过程，为了使模型的分析结果更具实用性，需要进行以下假设181。1设气体为理想气体，充排气过程时问很短，整个充放气过程是一个绝热过程；2气路是全密封的，不存在着气体泄露；3储气罐是个恒温匣压定积气源。在充放气过程中，由于空气的时滞特性和减振器的影响，即使电磁阀关闭之后，系统也不会立刻稳定，因而会产生“过充”和“过放的”的现象，使得高度调节不准确。因此在充放气控制时采用变速积分PID控制算法，变速积分PID算法表达式91为“KPEEEE0JKE一13式中FEE的函数。模糊控制模块车速传感器路况判断模块RCL变L速L1分蓍高度传感器日刚度和阻尼模糊自整定PID模块图3高度模糊变积分PID控制原题图汽车模型输出目前的车身高度信号，与模糊控制器设定的标准标准高度信号作比较，得到高度误差信号，输入变速积分PID控制器进行调节，PID控制器输出为空气弹簧的充放气时间T，这样可以进一步对高度进行精确控制。高度模糊变积分PID控制原车身悬架系统模型132机械设计与制造NO11NOV2012理图，如图3所示。4基于MATLAB与ADAMS的联合仿真ADAMS软件是目前应用比较广泛的机械系统动力学仿真分析软件，使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库创建完全参数化的机械系统几何模型，在求解器方面，采用多刚度系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。文献【Q中提到将ADAMSCAR中原有的悬架模块中的弹簧删除，自定义空气弹簧单元，由力元SFORCE和其外观壳体GRAPHICS组成。因此将原有弹簧删除，借助ADAMSCAR中的空气弹簧的定义，利用空气弹簧的恒压试验特性，建立空气弹簧单元，进一步建立14汽车空气悬架虚拟样机。在进行仿真前，需要在ADAMSCONTROLS中定义输入和输出变量，通过定义输入和输出来实现ADAMS和控制程序之间的闭环控制，输人为三个分别为阻尼控制力、路面激励和设定高度。输出为三个分别为车辆行驶速度、车身垂向加速度和目前车身高度。然后在ADAMS软件中生成文件“SUSPENSIONADM”、“SUSPENSIONCMD”、“SUSPENSIONM”。在进行联合仿真之前，首先在ADAMS和MATLAB两个软件间建立起通信联系，将ADAMS软件生成的文件导入到MATLAB当前的工作目录下，然后再次启动MATLAB软件，在MATLAB中生成ADAMS模块ADAMS_SUB，在MATLABSIMULINK中与控制系统连接，形成最终系统方案。汽车悬架虚拟样机在MTLAB中的仿真模型图略。普通路面上正常速度行驶时，车身垂直加速度对比图，如图4所示。以滤波白噪声作为路面激励。可以看出，与PID控制汽车悬架相比，模糊自整定PID控制的汽车悬架系统的车身加速度都有明显的减小，而且变化趋势更加平稳。05040302010一01020304051080604020。一02O406081TS图4车身垂向加速度时域对比图TS图5汽车车身垂直加速度时域对比图O08O06004002004TS图6汽车悬架动行程时域对比图一008O加人高24681OL2TS图7汽车轮胎动位移时域对比图改变路面激励参数，使路面变得相对颠簸，加入车身高度策略进行综合控制。仿真结果，如图5一图7所示。由图示可看出在相对颠簸路面下加入车身高度控制策略，对刚度、阻尼、高度进行综合控制，汽车的各项指标都有所改善，所以在对汽车空气悬架的刚度、阻尼和高度进行综合控制具有一定的意义。5结束语提出了一种综合控制策略，以车身的高度、空气弹簧的刚度以及减振器阻尼为优化参数，并以车身垂向加速度、悬架动行程、轮胎动位移作为最终的控制指标。仿真结果可以看出对三个参数的综合控制与单纯的悬架刚度和阻尼控制进行比较，提高了车身的稳定性和平顺性。然而汽车在行驶过程中受各种外界因素的干扰，会产生垂向、纵向和侧向的扰动影响，文中只对垂向进行了分析，下一步对汽车的其他两个方向进一步验证与优化。参考文献1罗玉涛现代汽车电子控制技术J北京国防工业出版社，20052HYUNSUPK，HYEONGCHEOLHANSOOKASYNCHRONOUSANDSYNCHRONOUSLOADLEVELINGCOMPENSATIONALGORITHMINAIRSPRINGSUSPENSIONCINTERNATIONALCONFERENCEONCONTROL，AUTOMATIONANDSYSTEMS2007，SEOUL，KOREA，20073673723鲍卫宁，陈立平，张云清汽车耦合空气弹簧悬架系统动力学模型的研究J汽车工程，2