基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)仿真研究

1、基于電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的車輛主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)仿真研究摘要：通過建立1/4車輛模型和隨機(jī)路面輸入系統(tǒng)模型，進(jìn)行了PID車輛主動(dòng)懸架控制器的設(shè)計(jì)，在Matlab/simulink環(huán)境中建立相應(yīng)的系統(tǒng)仿真模型，并對(duì)不同路面情況下車身加速度曲線進(jìn)行對(duì)比分析。通過仿真結(jié)果分析得到，應(yīng)用PID控制策略設(shè)計(jì)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，在車輛行駛平順性和乘坐舒適性等方面都取得了很好的改善效果。Abstract: Through established the 1/4 vehicle model and random road input systemmodel to design the

2、0;PID vehicle active suspension controller, established system simulation model in the Matlab/simulink, and compared and analyzed the body acceleration curves of the different road conditions. By analyzing the simulation results, Application of PID control strategy design of

3、 active suspension system, can made very good improvement effect in vehicle ride comfort and ride comfort and so on.電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(Electric power steering, EPS) 和主動(dòng)懸架 (Activesuspension system, ASS)是車輛的重要組成部分，直接影響到車輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定，本文重點(diǎn)研究的是主動(dòng)懸架系統(tǒng)，為電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)研究提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前在汽車上應(yīng)用較為廣泛的是被動(dòng)懸架系統(tǒng)，由于彈簧剛度和減振器阻尼系數(shù)不可調(diào)節(jié)，對(duì)不同的

4、路面狀況調(diào)節(jié)能力十分有限1。因此，現(xiàn)代汽車大都希望安裝能根據(jù)不同路況自動(dòng)調(diào)節(jié)的電子控制懸架系統(tǒng)，它可根據(jù)不同路況來(lái)抑制不平路面造成的沖擊，實(shí)時(shí)主動(dòng)地調(diào)整和產(chǎn)生所需的懸架控制力，以抑制車身的振動(dòng)，使懸架處于最優(yōu)減振狀態(tài)2。它分為半主動(dòng)式和主動(dòng)式兩大類。主動(dòng)式懸架可使汽車的懸架特性依據(jù)道路狀況和行駛狀態(tài)與之相適應(yīng)，從而保證汽車行駛的平順性、操縱的穩(wěn)定性和乘坐舒適性。1 系統(tǒng)模型建立1.1 主動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)模型建立汽車懸架模型是進(jìn)行性能分析和系統(tǒng)設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)。車輛的模型可簡(jiǎn)可繁，從2自由度的1/4車模型到復(fù)雜的7自由度整車模型都可以用來(lái)設(shè)計(jì)懸架。1/4車模型是設(shè)計(jì)汽車可控懸架控制規(guī)律最基本的模型3。如

5、果對(duì)主動(dòng)懸架進(jìn)行細(xì)致的研究，能夠準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)懸架參數(shù)對(duì)車輛性能的影響，就需建立精確的整車模型。但精確的的大模型建立較為復(fù)雜且各部件聯(lián)系又較為緊密不能夠使問題得到迅速而有效的解決。盡管各種懸架結(jié)構(gòu)不同，但研究來(lái)自不平路面激勵(lì)引起車體的垂直振動(dòng)都可用1/4車輛力學(xué)振動(dòng)模型表示。這是由于，雖然1/4車模型沒有包括汽車的整體幾何信息，也無(wú)法用它來(lái)研究汽車俯仰角振動(dòng)和側(cè)傾角振動(dòng)，但它包含了實(shí)際問題中的絕大部分基本特征，如負(fù)載變化和懸架系統(tǒng)受力信息等，我們研究的主要是根據(jù)不同路面情況引起的車體垂直振動(dòng)。因此，可建立二自由度的1/4車模型進(jìn)行問題的分析。圖1所示為1/4車模型。 A 圖1 主動(dòng)懸架兩自由度1/

6、4車模型 目前對(duì)車輛主動(dòng)懸架控制策略的研究都是建立在懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，但由于精確的數(shù)學(xué)模型不易建立4。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者大都選擇建立1/4車的主動(dòng)懸架機(jī)械模型，在此基礎(chǔ)上生成車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程。在此動(dòng)力學(xué)方程上與PID控制結(jié)合起來(lái)，提高控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和魯棒性。將其與被動(dòng)懸架相比有效地降低了車身加速度、輪胎的相對(duì)動(dòng)載荷，提高了汽車的操縱穩(wěn)定性與乘坐舒適性。1/4車模型的動(dòng)力學(xué)特性可由微分方程描述為式（1）。 （1）在式中：是主動(dòng)力輸入；輪胎質(zhì)量（簧下質(zhì)量）；是1/4車身質(zhì)量（簧上質(zhì)量）；發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量；輪胎剛度系數(shù)；被動(dòng)懸架剛度系數(shù)；被動(dòng)懸架阻尼系數(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)底座剛度系數(shù)；發(fā)動(dòng)機(jī)底座阻

7、尼系數(shù)；路面輸入；輪胎位移；車身位移；發(fā)動(dòng)機(jī)位移。1.2 車輛仿真模型的建立 主動(dòng)懸架通常指懸架系統(tǒng)能根據(jù)汽車載荷、行駛速度、路面狀況等行駛條件的變化產(chǎn)生主動(dòng)控制達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)懸架剛度的目的5。主動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)必須結(jié)合車輛運(yùn)行的實(shí)際情況，因此，依據(jù)1/4車模型的動(dòng)力學(xué)特性，定義主動(dòng)懸架的控制策略可知在進(jìn)行車輛的仿真研究時(shí)其主要研究的控制對(duì)象為車身垂直加速度，由式1的1/4車系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，在Simulink中可建立其仿真模型，如圖2所示。圖2 車輛仿真模型1.3 路面輸入模型路面的隨機(jī)輸入對(duì)懸架在時(shí)域或頻域內(nèi)的性能起著決定作用6。當(dāng)車輛行駛在路面上時(shí)，路面的不平度使其產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，即路面不平度與

8、垂直位移功率譜、垂直速度功率譜和垂直加速度的譜密度共同作用相關(guān)，它們都與路面的粗糙度及車速成正比。當(dāng)頻率指數(shù)恒定時(shí)，可建立積分白噪聲的隨機(jī)路面輪廓?？捎檬?2)描述。 （2）式中：；為單位白噪聲。應(yīng)用MATLAB/Simulink可以構(gòu)建路面的隨機(jī)輸入，并在模型中的示波器中顯示路面的不平度，如圖3所示。 （a）積分白噪聲隨機(jī)路面模型 （b）顯示器顯示的路面輪廓曲線圖3 路面隨機(jī)輸入模型2 MATLAB/Simulink控制模型的建立2.1 主動(dòng)懸架PID控制器的設(shè)計(jì) 對(duì)主動(dòng)懸架的控制是為了使汽車行駛的平順性和操縱安全性更好，通常由3個(gè)方面的性能改善來(lái)作為評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)7，即車身垂直加速度，輪胎動(dòng)載荷

9、及懸架動(dòng)行程。國(guó)外學(xué)者對(duì)懸架系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)都已進(jìn)行了大量的研究工作，Thoresson8和Baumal9都以車輛的垂直方向加速度為目標(biāo)，進(jìn)行懸架參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。本次研究也選取車身垂直加速度為控制對(duì)象，以減小車身加速度為目標(biāo)，建立PID控制器使主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)接近理想狀態(tài)即車身垂直加速度為零值。依據(jù)這一目標(biāo)可得到傳遞函數(shù)的偏差為，即輸出量與目標(biāo)值0之間的差，車速是主動(dòng)懸架控制力，是作用于被控對(duì)象懸架并引起輸出量的變化，于是構(gòu)建PID控制模型如圖4所示。 圖4 PID控制模塊 PID控制模塊根據(jù)采集的信號(hào)輸入量按照程序內(nèi)置的算法對(duì)懸架系統(tǒng)發(fā)出控制指令，以便對(duì)懸架的3個(gè)參數(shù)指標(biāo)作出相應(yīng)的控制。本

10、文PID參數(shù)的整定采用湊試法。根據(jù)、三個(gè)參數(shù)在系統(tǒng)中的作用，經(jīng)多次試湊調(diào)整可以得到較理想的仿真曲線，三個(gè)參數(shù)的參考值為：，。2.2 懸架系統(tǒng)仿真建模分析 主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的仿真模型是在Simulink環(huán)境中構(gòu)建的，整個(gè)仿真系統(tǒng)包括懸架模型、隨機(jī)路面輸入模擬模型和已經(jīng)封裝好的控制器（被動(dòng)、PID）模型及它們的連接，圖5所示是整個(gè)控制系統(tǒng)的整體模型。圖5 主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)模型在圖5中，Car部分是懸架系統(tǒng)的模型；Noise是擾動(dòng)輸入即隨機(jī)路面。為了分析所設(shè)計(jì)的PID控制系統(tǒng)的合理性，在本文中選取B級(jí)路面和等級(jí)較差些的D級(jí)路面作為擾動(dòng)輸入。系統(tǒng)模型由兩種控制策略組成，即由被動(dòng)控制策略和PID控制策略

11、。這兩種控制策略分別由兩個(gè)子模塊分別實(shí)現(xiàn)，將兩個(gè)子模塊分別連接到一個(gè)控制開關(guān)（Multiport_Switch）的各對(duì)應(yīng)端口上，由內(nèi)部程序控制變量Ctr1_type選定其中一個(gè)端口，每個(gè)端口對(duì)應(yīng)一種控制策略，這樣就可由控制策略計(jì)算出相應(yīng)的控制力U。3 主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真和結(jié)果分析 在我國(guó)的公路等級(jí)路面面譜中大多為B級(jí)和C級(jí)這兩種路面。在進(jìn)行控制系統(tǒng)的性能仿真時(shí)選取這兩種路面作為隨機(jī)擾動(dòng)輸入，車速選擇為10。并對(duì)兩種控制策略進(jìn)行仿真分析。當(dāng)將Ctr1_type置為1時(shí)，輸出，此時(shí)采用被動(dòng)控制策略，可得到圖6、7所示的B級(jí)和D級(jí)路面下車身加速度的仿真結(jié)果圖。采用PID控制策略時(shí)，相應(yīng)的B級(jí)和D級(jí)路面

12、下車身加速度的仿真結(jié)果圖如圖8和圖9所示。 圖6 B級(jí)路面下車身加速度曲線 圖7 D 級(jí)路面下車身加速度曲線圖8 B級(jí)路面下車身加速度曲線 圖9 D 級(jí)路面下車身加速度曲線在圖6和7中可看出，在B級(jí)路面輸入下車身加速度變化范圍在之間；D級(jí)路面輸入下車身加速度變化范圍在之間。在圖8和9中，在B級(jí)路面輸入下車身加速度變化范圍在之間；D級(jí)路面輸入下車身加速度變化范圍在之間。PID控制使得懸架性能指標(biāo)得到改善。為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的性能是否符合平順性標(biāo)準(zhǔn)，將加速度進(jìn)行了均方根的運(yùn)算其結(jié)果如表1所示。 表1 車身加速度的均方根值B級(jí)路面衰減率D級(jí)路面衰減率被動(dòng)控制0.21280.8651PI

13、D控制0.185612.78%0.673222.18%從表1中可以看出，主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)對(duì)車輛的平順性能也有較好的改善，在B級(jí)路面下，車身加速度均方根值經(jīng)過PID運(yùn)算后可以降低12.78%；在D級(jí)路面下，可降低22.18%。以上所得到的數(shù)值基本在人對(duì)振動(dòng)感覺的舒適范圍之內(nèi)。但在D級(jí)路面狀態(tài)下由于路面等級(jí)較差在上面行駛時(shí)振動(dòng)感較強(qiáng)烈，擾動(dòng)性較大通過主動(dòng)控制器后車身振動(dòng)得到很好改善，因此改善狀況也較大。參考文獻(xiàn)1喻凡,張勇超.饋能型車輛主動(dòng)懸架技術(shù)J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào).2010,41(1):1-52劉棟,唐焱,顧慧芽.汽車主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的發(fā)展研究J.液壓氣動(dòng)與密封.2010,(5):21-243孟杰

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