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(xué)交通與車輛工程學(xué)院，山東淄博 255049;2.山東安博科技機(jī)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(biāo)，傳統(tǒng)的被動懸架由于不能根據(jù)行駛路況自動調(diào)節(jié)空氣懸架高度，所以已經(jīng)不能滿足人們的要求，主動空氣懸架系統(tǒng)可以根據(jù)路面條件實(shí)時調(diào)整狀態(tài)，其可以產(chǎn)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(biāo)，驗(yàn)證了經(jīng)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(jī)等)、執(zhí)行元件(空氣彈簧、減振器)、產(chǎn)生力及力矩的作動器( 油缸、步進(jìn)電動機(jī)、電磁鐵等)[3]。主動空氣懸架的工作原理是：傳感器實(shí)時采集車輛狀態(tài)量，采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，經(jīng)過ECU處理，控制相應(yīng)電磁閥的開閉，進(jìn)而控制氣缸內(nèi)壓力，產(chǎn)生主動控制力，調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)使性能達(dá)到最優(yōu)。

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

圖1 二自由度1/4主動空氣懸架系統(tǒng)模型

圖1中ms為非簧載質(zhì)量，mt為簧載質(zhì)量，F(xiàn)a為控制器主動控制力，kt為輪胎剛度，ks為懸架系統(tǒng)剛度，cs為懸架系統(tǒng)阻尼系數(shù)，q為路面位移函數(shù)，xt為懸架等效非簧載質(zhì)量的垂向位移，xs為懸架系統(tǒng)簧載質(zhì)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(tǒng)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(jī)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(jī)路面模型如圖2所示。

圖2 濾波白噪聲法隨機(jī)路面模型

路面不平度可以劃分為A—H8個等級，當(dāng)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(jù)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(shù)。

表1 仿真參數(shù)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(yīng)PID控制1/4懸架模型圖

4 仿真結(jié)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(biāo)，比較經(jīng)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?？諝鈶壹芟到y(tǒng)振動對比曲線如圖6所示。

圖6 空氣懸架系統(tǒng)振動各指標(biāo)對比曲線

各評價指標(biāo)均方根值對比見表2。

表2 各評價指標(biāo)均方根值對比

從圖6可以看出，經(jīng)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(jīng)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(jīng)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(jié)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(jié)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(shù)為基礎(chǔ)，借助MATLAB Simulink 平臺仿真，仿真結(jié)果中三項指標(biāo)均體現(xiàn)了重型汽車行駛平順性有了很大改善，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模糊PID控制的主動空氣懸架系統(tǒng)的優(yōu)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(yàn)的研究提供了理論支撐。