基于SIMULINK PID控制策略下的主动悬架系统的动态仿真

#010-100—K-cC1A=smssms0smsHillismsllllz==000010—1Kc—K—c—1[mSsmtmm][m][0]uuusu2.4PID控制理论分析当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个偏差纠正调节控制系统的响应。在当今工业生产控制中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID(Proportional-Integrate-Differential)控制。PID控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便、适应性强、控制效果好、鲁棒性强等特点，被大量应用于过程控制和运动控制中[8]。常规的PID控制系统原理框图如图2.3所示，系统由PID控制器和被控对象组成。图2.3PID控制系统原理PID控制器根据设定值r(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t)对被控对象进行控制。控制规律为：u(t)=K[e(t)+丄厂e(t)dt+Tde(t)](2-15)PTj0Ddt式中：e(t)二r(t)-y(t)；Kp为比例系数；耳为积分时间常数；TD为微分时间常数。写成理想的传递函数的形式为：G(s)=^=K【1+丄+Ts](2-16)E(s)PTjsD由于纯微分环节物理上无法实现，实际中应用的模拟PID控制器函数为带有惯性的PID控制器，

2-17)G(s)=血=心2-17)E(s)P3悬架系统模型的建立和控制器的设计3.1路面激励模型建立路面模型的建立采用式（2-11）方程搭建，模型见图3-1Gain路面位移GairilWhiteNoise>□Band-Limited图3-1路面激励模型1Gain路面位移GairilWhiteNoise>□Band-Limited图3-1路面激励模型1s-IInte-grator3.2基于主动悬架的1/4车辆二自由度模型建立基于主动悬架的1/4车辆二自由度模型是在被动悬架的基础上并联一个主动力作动器f,这样可以避免作动器出现故障无法工作的缺点，根据状态方程（2-4），得到如下运动微分方程：TOC\o"1-5"\h\zz=£*（zZ）+Jz+—Z+丄U（3-1）smssu叫*叫umsZ=「（Zz）+dz+J（zZ）+Jz+「（3-2）umusUmuSmuurmsUmu根据式（3-1）和式（3-2）搭建主动悬架模型,模型如下图3.2所示：

3.2主动悬架系统的PID控制设计主动悬架控制的目的是为了改善汽车的行驶平顺性和操纵稳定性，通常应用较为简单直观的方法评价悬架性能，常用的悬架典型评价指标是车身垂直加速度、悬架动挠度及轮胎动载荷这三方面进行衡量。本文中选取车身加速为控制对象，以尽量减小车身加速度为主要目的，讨论主动悬架的PID控制策略，建立典型的按偏差控制的负反馈结构。对建立的二自由度主动悬架系统的数学模型，取作动器控制力作为PID控制器的输出u(t),选取车身加速度Zs作为比较信号y(t),预定值r(t)设置为0偏差e(t)表示车身加速度偏差值，于是系统的偏差信号为：e(t)=r(t)—y(t)=-Zs(3-3)基于式(3-3)搭建PID控制模型，PID控制子模块如图3.3所示。

图3.3PID控制模块4PID控制主动悬架系统模型仿真结果4.11/4车主动悬架系统参数选择仿真时以某车为对象，其车辆参数见表4.1。对路面仿真选择相应的参数时，由于我国以B和C级居多，本文选取C级路面进行仿真，仿真参数参见表4.1。表4.1模型参数选择车辆参数模型数值单位1/4车身质量320kg车轮质量49kg悬架刚度傀15300N/m悬架阻尼系数Cs1286kg轮胎刚度仰190000N/m下截止频率/00.01HZC级路面不平度256X106m2/mi车速m/s

51015时间（硏祇-0.0(2图4.1路面激励4.2P51015时间（硏祇-0.0(2图4.1路面激励4.2P控制模块参数选择PID控制模块三个参数的选取直接影响其控制效果，因此，为确保该方法的控制品质，需要对坞、K.和心三个参数进行优化调整，以达到满意的效果。表4.2列出了时域内三个参数与系统上升时间、超调量、过渡时间等性能指标的相互关系［9］。可根据表4.2选择不同的参数值，根据系统的具体相应情况来合理调节各自的值，本文调节的目的主要为减小车身加速度。表4.2控制参数与性能指标间关系控制参数上升时间超调量过渡时间静态偏差Kp减小增大微小变化减小K.1减小增大增大消除微小变化减小减小影响很小通过试凑法最终选取=610、K.=150、Kd=35作为控制参数。4.3仿真结果分析根据所设计的PID控制器进行三种控制悬架性能指标的仿真，设置仿真时间为30秒，点击仿真

按钮开始仿真。仿真结果见图4.2至图4.4。c25activepassiveoZ530图4.2车轮动载荷图4.3悬架动挠度(Ec25activepassiveoZ530图4.2车轮动载荷图4.3悬架动挠度(E」翌空逐环时So-Q55ii52025□5i-15时间So-Q55ii52025□5i-15时间｛activepasarve图4.4车身加速度5总结本文采用动力学微分方程进行了仿真建模。首先推导了运动微分方程，并建立了1/4车二自由度主动悬架系统动力学模型，采用经典PID控制理论，设计了1/4车主动悬架PID控制器，以积分白噪声随机路面激励为输入。通过MATLAB/SIMULINK软件建立模型并进行仿真，对比分析得到了两种悬架的性能优劣。由于1/4车辆模型的运动学微分方程并不复杂，因此采用这种建模方法能省略中间转化为状态方程的环节，节约了时间。但是本文还是存在着许多不足。由试凑法始终不能得到精确的PID控制模块参数，导致主动悬架的优势并不明显。控制方法也只采用了经典PID这一种方法，分析的不够全面。参考文献：陈军，欧家福，罗显政•汽车主动悬架系统的研究开发进展综述[J].汽车零部件：2010(2)韩天龙•汽车主动悬架系统发展研究综述[J].机电产品开发与创新：2012,25(2)孙建民.车辆主动悬架系统控制技术研究：[D]•哈尔滨:哈尔滨工程大学,2003,5王磊.汽车主动悬架控制策略的研究[D].杭州:浙江工业大学,2003.余志生.汽车理论[M].北京：机械工业出版社，2009,3陈杰平，陈无畏，祝辉.基于Matlab/Simulink的随机路面建模与不平度仿真[J].农