汽车主动悬架控制策略的仿真

【摘 要】汽车悬架性能的好坏直接影响汽车行使的平顺性和操纵稳定性,为了克服被动悬架对汽车性能改善的限制,近年来出现了主动悬架系统.主动悬架能够根据工况变化,实时主动地调整和产生所需的悬架控制力,以抑制车身的振动,使悬架处于最优减振状态,达到同时改善汽车行驶平顺性和操纵稳定性的目的.

【关 键 词】主动悬架；模糊控制；PID控制；仿真

1引言

在悬架系统硬件设计不变的情况下,不同的控制规律会导致不同的控制效果；而且半主动悬架与全主动悬架相比仅仅是控制对象能量消耗方式不同,因此半主动悬架的控制律设计完全可以基于主动悬架的控制策略来进行,只需根据消耗能量的情况进行适当的修正.所以对主动悬架控制策略的设计与研究就显得更为有意义.

2主动悬架控制的力学模型

尽管各种悬架的结构不同,但研究来自不平路面激励引起车体的垂直振动都可用1/4车辆力学振动模型表示.这是因为,虽然模型没有包括汽车的整体几何信息,也无法用它来研究汽车俯仰角振动及侧倾角振动,但它包含了实际问题中的绝大部分基本特征.当考虑如下特点时,1/4悬架是最简单有效也最为适宜的模型：（1）在保持正确有效性的前提下,减少系统描述参数；（2）尽量减少系统运行参数的数量；（3）利于控制律的探索.如果车身的质量分配系数在0.8～1.2之间,则认为车身前后部的振动是相互独立的,即说明研究的车型纵向结构完全独立,前后轮完全解祸,在对称激励输入时我们就可建立代表四分之一车辆的二自由度模型.用这种模型进行分析时,求解容易,计算量小,且对于大波长、低频激励更有效,研究人员通常用其验征控制理论的正确有效性.

根据以上论述,建立如图1所示的1/4车辆模型.它由悬置质量、主弹簧、阻尼元件,主动作用力U、非悬置质量和弹性轮胎组成.二自由度系统有两个共振频率,外部激振频率一旦与车辆和车轴的固有频率一致就引发垂直共振.模型在原被动悬架系统模型的基础上加装了一个可以产生作用力U的动力装置.理论上这个动力装置产生的作用力根据需要可以在极短的时间范围内由零变化到无穷大,而实际上由于动力装置消耗功率的限制,总是控制它在一定的范围内连续变化.在实际的控制中还可以给有关控制参数（如车身加速度）设置闭值,只有在控制参数超过闽值时动力装置才开始工作,这样可以减少悬架系统的能耗.

图中的各参数表示为：Mt一轮胎质量（非悬置质量）,Ms一1/4车身质量（悬置质量）,Kt一轮胎刚度系数Ks一被动悬架刚度系数,Cs一被动悬架阻尼系数,Xr一路面的扰动输入,U一作动器的控制力,Xt一轮胎位移,Xs一车体位移.

3主动悬架控制器的设计

主动悬架控制的目的是为了达到汽车行驶平顺性和操纵安全性的要求,这一般是通过以下三个方面的改善来加以衡量,即车身垂直加速度,轮胎动载荷和悬架动行程.本文中取车身加速度为控制对象,以尽量减小车身加速度为目的,建立典型的按偏差控制的负反馈结构.其中e是偏差,即输出量与设定值之间的差；u是主动悬架控制力,作用于被控对象并引起输出量的变化.利用仿真软件MATLAB很容易构建出该PID的控制模型,具体PID控制的子模块实现如下图2所示：

4仿真建模及仿真结果分析

PID控制的主动悬架系统对于车身加速度峰值的改善非常显著,相对于被动悬架其改善的力度达到了50%左右,虽然在动挠度和动载荷方面其控制效果不太良好,但综合考虑的话,采用PID控制的主动悬架的性能还是要明显优于传统的被动悬架.

模糊控制虽然也能改善悬架的性能,其在动挠度和动载荷方面的控制效果优于PID控制的主动悬架,但我们可以看到在加速度这个最为重要的指标上其控制效果比不上PID控制,因此综合考虑的话,单纯使用模糊控制的主动悬架的整体控制效果比不上单纯的PID控制所取得的效果.

将模糊PID控制的仿真结果,与PID控制、模糊控制的结果相比较,容易看出,模糊PID控制在车身加速度这个最重要的性能指标远远优于其它三种控制策略,其对加速度的改善力度相对于被动悬架达到了65%左右,而且鲁棒性也要好于其它三种控制策略.因此,从车身加速度、悬架动挠度和车轮动载荷的这三个指标的综合考虑,模糊PID控制是这几种控制策略中最优的.

5结论

当前汽车工业得到迅猛的发展,汽车理论也越来越得到人们的重视.汽车悬架的主动控制技术是汽车动力学及汽车控制理论中的重要研究课题之一.论文就汽车的主动控制策略进行了一些研究,并且以桑塔纳后悬架单侧的结构参数为例在Windows98下用Matlab十Simulink进行仿真计算,仿真结果表明汽车的平顺性得到很大的改善,并且具有较好的稳定性.本论文在对汽车主动悬架的发展全面了解和掌握国内外大量同类研究的基础上,重点对主动悬架的控制理论、控制方法进行了比较深入的研究与探讨,取得了较好的研究成果.