车辆主动油气悬架系统分层控制策略的研究.pdf

2 0 1 3年 第 3 5卷 第 7期 汽车工程 A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 7 2 01 31 1 2 车辆主动油气悬架系统分层控制策略的研究 冯金芝 ， 谭辉 ， 郑松林 ， 喻凡 1 ． 上海理工大学， 机械工业汽车底盘机械零部件强度与可靠性评价重点实验室， 上海2 0 0 0 9 3 ； 2 ．上海 交通 大学， 振动 、 冲击 、 噪声 国家重点 实验室 ， 上海2 0 0 0 3 0 [ 摘要] 基于虚拟样机技术构建了工程车主动油气悬架控制系统的数字开发平台。针对工程车行驶路况的 不确定性、 部分参数的时变性和油气悬架系统的强非线性， 提出了有限带宽主动油气悬架系统分层控制策略， 并设 计了基于遗传算法的模糊 P I D上层力控制器和基于模型的下层电压控制器。将该控制算法集成到悬架控制系统数 字开发平台中进行联合仿真。结果表明， 所研制的有限带宽主动悬架分层控制器可显著改善车辆的行驶平顺性。 关键词 主动油气悬架 ； 联合仿真； 分层控制 ， A S t u d y o n t h e Hi e r a r c h i c a l C o n t r o l S t r a t e g y f o r Ac t i v e Hy d r o p n e u ma t i c S u s p e n s i o n S y s t e m o f Ve h i c l e s F e n g J i n z h i ，Ta n Hu i ，Zh e n g S o n g l i n ＆ Yu F a n 1 ． U n i v e n i t y o fS h a n g h a i f o r S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y ． Ma c h i n e r y I ndu s t ry K e y L a b o r a t o r y f o r Me c h a n i c a l S t r e n g t h＆ R e l i a b i l i t y E v a l u a t i o n ofA u t o C h a s s i s C o m p o n e n t s ， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ； 2 ． S h a n g h a i J i a o T o n g U n i v e i ty， S t a t e K e y L a b o r a t o ry of V i b r a t i o n ，S h o c k＆N o is e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 [ A b s t r a c t ] A d i g i t a l d e v e l o p me n t p l a t f o r m f o r t h e a c t i v e h y d r o p n e u m a t i c s u s p e n s i o n c o n t r o 1 ． s y s t e m o f a c o n s t r u c t i o n v e h i c l e i s b u i l t b a s e d o n v i r t u a l p r o t o t y p i n g t e c h no l o g y ．I n v i e w o f t h e u n c e r t a i n t y o f r o a d c o n d i t i o n s t h e c o n s t r u c t i o n v e h i c l e r u n s o n，t h e t i me v a r y i n g f e a t u r e o f s o me p a r a me t e r s a n d t h e h i g h n o n l i n e a r i t y o f h y d r o p n e u ma t i c s u s pe n s i o n s y s t e m ，a h i e r a r c h i c a l c o n t r o l s t r a t e gy for a c t i v e h y d r o - p n e u ma t i c s u s p e ns i o n s y s t e m wi t h f i ni t e b a n d wi d t h i s p r o p o s e d，a n d t h e g e n e t i c a l g o ri t h m b a s e d f u z z y P I D f o r c e c o n t r o l l e r i n u p p e r l a y e r a n d t h e mo d e l b a s e d v o l t a g e c o n t r o l l e r i n b o t t o m l a y e r a r e d e s i g n e d ．T h e c o n t r o l a l g o ri t h ms d e v e l o p e d a r e i n t e g r a t e d i n t o t h e d i g i t a l d e v e l o p me n t p l a tf o r m for s u s p e n s i o n c o n t r o l s y s t e m a n d a c o s i mu l a t i o n i s c o n d u c t e d ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e h i e r ． a r c h i c a l c o n t r o l l e rs d e v e l o p e d for a c t i v e s u s p e n s i o n wi t h fi n i t e b a n d wi d t h c a n s i gn i fi c a n t l y i mp r o v e t h e r i d e c o mf o r t o f v e hi c 1 e s - Ke ywo r d sa c t i ve hy d r o - pn e u m a t i c s u s pe n s i o n；c o- s i mul a t i o n；h i e r a r c hi c a l c o nt r o 1 日 IJ吾 样机技术和联合仿真技术 ， 建立 了主动油气悬架数 字化开发平 台， 在该平台上对 主动油气悬架控制系 统的开发进行了研究 。 主动油气 悬架多用 于军用 车辆和工 程机械 车 辆， 考虑 到 其行 驶路况的 不 确定 性、 部分 参数的 时 变 1 整车多体系统动力学模型 性和油气悬架系统的强非线性 ， 本文中研究了 有限带宽主动油气悬架系统上下层控制策略。为了 基于多体动力学理论建立了具有较高精度的车 最大程度地反映实际车辆的动力学本质， 应用虚拟 辆动力学模型， 包括油气悬架系统、 轮胎模型和路面 国家“ 十二五” 8 6 3重大项 目 2 0 1 1 A A 1 1 A 2 6 5 2 0 1 2 A A 1 1 0 7 0 1 、 国家 自然科学基金项 目 5 0 8 7 5 1 7 3 、 上海市科委科研计 划项目 1 1 1 4 0 5 0 2 0 0 0 和上海汽车工业科技发展基金 1 1 0 4 资助。 原稿收到日期为 2 0 1 2年 9月4 E t ， 修改稿收到日期为2 0 1 3年 1月 1 1 E t 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 7期 模型 ， 并进行了实车道路试验验证 J 。 油气悬架系统采用油气弹簧， 其刚度和阻尼的 非线性特性通过台架静态和动态的特性试验来确 定。采用 的 U A轮胎模型考虑 了轮胎的垂 向、 纵 向 和外倾力学特性 ， 可模拟纵向和侧向联合滑动的工 况， 完全满足汽车平顺性动力学仿真的要求 。本 文中通过考虑前 、 后轮距滞后和左 、 右轮迹相关的特 性建立随机路面模 型f 。以车速为 1 5 m ／ s的 D级 随机路面 卵石路 为例， 根据 D级随机路面的空间 功率谱上下限值， 计算出设定车速下的时间功率谱 上下限值， 如图 1 所示。路面模型可体现出实际路 面的随机统计特性 ， 为进行车辆平顺 性和操纵稳定 性的研究提供有效 的激励输入。 寇 稍 整 褥 唇 频率／ H z 图 1 D级路面位移功率谱密度 2 控制策略 主动油气悬架结构复杂， 须仔细研究才能保证 上层控制策略的准确实现 。而在众多关 于主动悬架 控制算法的研究中 ， 重点主要集 中在上层控制策略 上， 忽略 了执行 机构 的动 态特性 对控 制精 度 的影 响 J 。因此本文中研究了主动油气悬 架上下层控 制器 基于遗传算法控制参数 自学 习的模糊 P I D主 动悬架上层力控制器和基于非线性油气悬架模型的 下层电压控制器。上层控制器根据车辆动力学状态 输人计算出期望控制力， 然后传递给下层控制器转 化成控制电压信号； 电压信号经过功率放大模块转 变成比例方向阀所需要的控制电流， 从而实现油气 悬架系统有限带宽的主动控制。 2 ． 1 联合模糊 P I D上层控制器 主动油气悬架上层力控制器主要由基于遗传算 法参数自学习的模糊 P I D控制策略实现 利用 P I D 控制迅速衰减车身垂向振动； 利用模糊控制策略衰 减车身俯仰振动 ， 同时通过调整加权因子在一定 程 度上减小车身垂 向振动加速度 ； 考虑执行机构的响 应频率和控制需要 ， 对控制力输 出进行二阶低通滤 波； 利用遗传算法获取上层控制器参数最优可行域。 以车身垂向加速度为控制 目标 ， 主动油气悬架 前后 P I D控制器输出 M m 、 P I D r 分别为 r fd 一 f J 一 f d t 一 l l 1 r M 胁 rd 一 I rd 一 d r rd 一 0 2 式中 、 分别为理想 的前 、 后轴 中心处垂 向加 速度， 取值为 0 ； ， 、 分别为前后轴中心处的振动 加速度 ； f 、 K 。 f ， r 分别表示 比例 、 积分和 微分因子。 模糊控制输入 主要用于减小车身俯仰振动 并在一定程度上减小车身垂向加速度。4个悬架处 的控制输入 u 为 u G i 1 ， 2， 3 ， 4 3 式中 为模糊推理输 出变量 ； G 为模糊控制 器的 增益。对于 ， 输入变量 和 ／3 分别设为 1 ， c 1 ， 0 K 1 ／ 7 1 4 2 ， c 2 ， 0 K 2 三 2 5 式 中 0和 0分别为俯仰角和俯仰角速度 ； z 和 三 分 别为每一油气悬架与车身联结处的垂向位移和速 度； K 1 f 、 ， 2 f 、 K l i 和 K 2 加权因子； 叼 1 、 叼 2 为比例因子。 本文中输入输出模糊变量 的隶属 函数形状均采 用容易计算的三角形分布， 如图2所示。模糊控制 疃 井 皓 1 ． 0 输入空间 a 输入变量崩， 输出空间 b 输出变量y 图2 输入和输出变量的隶属函数 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N o ． 7 冯金芝， 等 车辆主动油气悬架系统分层控制策略的研究 6 0 1 规则见表 1 。采用 Ma m d a n i 法进行模糊 推理 ， 采用 加权平均法的特例质心法去模糊化 。 表 1 模糊控制规则 卢1 7 NB Ns ZD Ps PB NB PB P B Ps Ps ZD Ns PB Ps Ps Z0 Ns 卢 2 Z D P s Z D Z 0 N S Ns PS PS Z0 NS Ns NB P B zo Ns Ns NB NB 由于有限带宽主动油气悬架工作频率限制在 6 H z以下 ， 因此还须采用低通滤 波器 去除上层控制 器输出力控制信号中的高频成分， 即上层控制器输 出力控制信号经过一个低通滤波器后再送往下层控 制器进行控制。本文中采用 的二阶低通滤波器的传 递函数为 G s O d 6 式中 0 9 为角频率， tO 2 f ,f为截止频率 6 H z ； 为输出信号与输人信号间的相位延迟， 取值为0 ． 7 。 P I D控制器的比例系数 、 积分系数 K 微分 系数 f ， r ， 以及隶属 函数论域元 素 、 和 。 、1 9 ／ 的取值均由遗传算法优化确定。采用串联二 进制映射编码法将被优化参数的所有信息融人编码 中， 然后确定适应度函数。所选取的适应度 函数 m a x f v a l 为 m a x f v a l l___ 7 1 r m8 6 r2 r ms 0 式中 Y E S 为车身垂向振动加速度的均方根值， n n s 0 为车身俯仰振动角加速度的均方根值， 和 分别为 和 0的均方根值的加权系数。运 行遗传算法程序时的交叉率取值为 0 ． 4 5 0 ． 9 5 ， 变 异率取值为 0 ． 0 0 1～ 0 ． 1 。 2 ． 2 基于模型的下层控制器 主动油气悬架下层控制器将上层控制器输 出的 期望控制力转化成 比例方向电磁阀所需的控制 电 压， 比例方向电磁阀通过调节进出油气弹簧液压油 流量实现上层控制器输出的期望控制力。本文中通 过研究油气弹簧的非线性本质和比例方向电磁阀的 动态特性设计下层控制器。 油气弹簧工作原理如图3 所示。通过建立油气 弹簧非线性数学模型 9 ] ， 得出期望控制力 F与所需 流量 g 。 的关系 q 。 0 F k 1 8 k 2 8 8 ； 8 8。 一’i 1 式中p g 0 和 分别为初始充气压力和体积， A 。 为主 活塞的有效面积， n为气体多变指数 通常取 1 1 ． 4 ， C 为阻尼器阻尼系数， 悬架拉伸行程和压缩 行程 的取值分别为 6 ． 5 k N m ／ s 和 2 ． 5 k N m ／ s 。 图 3 油气弹簧工作原理图 阀 图4 为比例方向阀的结构， 假设油源系统能够 提供足够高和平稳的压力P ， 并且回油压力较小可 以忽略， 即P 0 。在进 口和 出口压力差 固定的情况 下 ， 阀的流量特性 g 。 s 和控制 电压 s 的关系可 简化成一 阶动态关系 k ， g s s 9 S4 - b 2 式中 。 与进 出口的压力差有关 ， 设在允许 的变化范 围内二者为线性关系； 比 为阀相应延迟时问常数。 因此期望控制力 F与 比例方 向阀需 要 的控制 电压 关系可描述为 图4 比例方向阀结构图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 汽车工程 2 0 1 3年 第 3 5卷 第 7期 Fk 1 8k 2 6 k b 1 1 0 所建立的油气悬架下层力控制器算法见图 5 。 图5 基于模型的主动油气悬架下层控制器 3 联合仿真系统设计 车辆系统属于复杂的非线性 系统 ， 行驶时受到 3个方 向的输 入， 各方 向所表现 的运 动响应特性相 互作用 、 相互耦合 ， 简化的质量块模型不能充分反映 车辆动力学的真实特性， 应用这种模型很难获得满 意的控制算法。基于多体系统动力学理论 的虚拟样 机技术和联合仿真技术可在数字化开发平 台环境下 实现对悬架控制系统的开发 ， 较真实地 反映车辆 的 动力学与控制本质 ， 从而实现对车辆主动油气悬架 控制规律 的研究 ， 也可对车辆系统参 数进行广泛的 研究和优化。本文中基于已有的车辆多体系统动力 模型 ， 通过利用数据接 口设计 ， 与在 Ma t l a b ／ S i m u l i n k 环境下搭建的控制模块进行联结， 集成为图6所示 的主动油气悬架控制器主程序模块， 进行闭环控制 系统的联合仿真。 车辆动力学模型 图 6 车辆主动油气悬架控制器主程序 4 联合仿真结果分析 利用建立的车辆主动油气悬架数字开发虚拟环 境 ， 以 D级 4轮随机路面输入为激励 ， 设定 车速为 1 5 r n ／ s ， 分别进行被动悬架和主动油气悬架两种不 同 车辆悬架系统配置的仿真试验。图7和图8分别为 装有主动油气悬架控制系统和被动悬架 系统车辆 的 车身垂 向振动加速度和俯仰振动角加速度 的频域对 比结果 。由图可见 ， 所设 计的主动油气悬架 系统可 明显降低低频 6 H z 以下 的车身垂向振动加速度和 俯仰振动角加速度， 及其功率谱密度峰值。表 2给 出了被动悬 架与主 动悬 架系统性 能参 数 的均方根 值 ， 与被动悬架系统相 比， 主动悬架系统 的车身垂 向 振动加速度均方根值 降低 了 3 6 ％ ， 俯仰振 动角加速 度均方根值降低了3 8 ％， 轮胎动载荷降低约 3 ％， 可 保证悬架动行程在实际车辆的允许工作空间内。综 上所述 ， 本文中所设计的主动油气悬架 系统不仅可 以在所期望的频率范围内有效地降低车身垂向振动 加速度和俯仰振动角加速度， 还可以降低轮胎动载 荷 ， 改善轮胎附着性能。 毫 稍 整 槲 霎 频率／ H z 图7 车身质心垂向振动加速度功率谱密度 图8 车身俯仰振动角加速度功率谱密度 Z H ／ ∞ 厂 p B j 一 ＼ 黼 料 器 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3 V o 1 ． 3 5 N 0 ． 7 冯金芝 ， 等 车辆主动油气悬架系统分层控制策略的研究 表 2 悬架系统性能指标均方根值 比较 评价指标 被 动悬架 主动悬架 车身垂向振动加速度／ m s 5 ． 4 9 9 3 ． 5 1 9 俯仰振动角加速度／ r a d s 一 2 4 ． 0 0 2 2 ． 4 8 前左轮胎动载荷／ k N 3 ． 9 8 7 3 ． 8 5 1 前右轮胎动载荷／ k N 3 ． 9 8 7 3 ． 8 2 4 后左轮胎动载荷／ k N 3 ． 9 8 2 3 ． 8 5 7 后右轮胎动载荷／ k N 4 ． 0 o 1 3 ． 8 6 o 前左悬架 动行程／ m 0 ． O 2 9 0 ． 0 3 2 前 右悬架 动行程／ m 0 ． 0 3 0 0 ． 0 3 2 后左 悬架 动行程／ m 0 ． 0 3 0 0 ． O 3 1 后右悬架动行程／ m 0 ． 0 2 9 0 ． 0 3 2 为进一步验证所设计的主动油气悬架系统的鲁 棒性， 还进行了斜坡道路激励输入虚拟试验。图 9 为虚拟试验中所采用的斜坡形状 斜率为 1 ／ 7 5 ， 高 度为 1 0 0 ram。车辆行驶速度为 1 5 m ／ s 。图 1 0和 图 1 1 分别为装有主动油气悬架系统和装有被动悬架 系统的车辆， 在通过斜坡道路时的车身垂向振动加 速度和俯仰振动角加速度的时间历程。在车辆受到 路面凸起物激励时， 装有本文中所设计的主动油气 悬架系统可有效衰减车身质心垂向振动加速度和俯 仰振动角加速度的峰值， 能够迅速衰减来 自道路的 突然冲击， 从而保证乘坐舒适性。 { 越 惶 邑 景 长度， m 图9 斜坡路面输入截面 时间／ s 图 1 0 车身质心垂向振动加速度 娅 5 结论 时间／ s 图 1 1 车身俯仰振动角加速度 在充分考虑油气弹簧的非线性力学特性的前提 下， 提出了有限带宽主动油气悬架系统分层控制策 略， 设计了基于遗传算法的模糊 P I D上层力控制器 和基于模型的下层电压控制器。在 M a tl a b ／ S i m u l i n k 环境下实现控制算法， 建立起相应的控制单元。基 于虚拟样机技术和联合仿真技术， 搭建了主动油气 悬架控制系统数字化开发平 台。进行 了车速为 1 5 m ／ s 的 D级4轮随机路面激励输入和斜坡道路激 励输入的仿真试验， 结果表明， 所设计的主动油气悬 架分层控制器可有效改善车辆的行驶平顺性和乘坐 舒适性。 参考文献 [ 1 ] C a o D o n g p u ， R a k h e j a S u b h a s h ， S u C h u n - Y i ．R o l l a n d P i t c h - p l a n e C o u p l e d Hy d r o p n e u m a t i c S u s p e n s i o n [ J ] ．V e h i c l e S y s t e m D y n m- i c s ， 2 0 1 0， 4 8 3 3 6 1 - 3 8 6 ． [ 2 ] 李小伟， 史俊武， 张建武． 主动油气悬架反馈线性化及 P I D控制 [ J ] ． 上海交通大学学报， 2 0 o ， 4 3 1 0 1 5 2 1 1 5 2 5 ． [ 3 ] 冯金芝， 喻凡． 基于联合仿真技术车辆有限带宽主动悬架控制 系统[ J ] ． 上海交通大学学报， 2 0 0 6 ， 4 0 6 9 5 2 9 5 7 ． [ 4 ] 王树凤， 郝秀成， 柴山， 等． 五轴转向重型汽车转向性能的研究 [ J ] ． 汽车工程， 2 0 0 8 ， 3 0 2 1 6 7 1 6 9 ． [ 5 ] 陈杰平 ， 陈无畏 ， 祝辉 ， 等． 基于 M a fl a h ／ S i mu l i n k的随机路 面建 模与不平度仿真[ J ] ． 农业机械学报， 2 0 1 0 ， 4 3 3 1 1 1 5 ． [ 6 ] N g u y e n L e H o a ， H o n g K e u m S h i k ， P a r k S e o n g h n i l ． R 0 a d F r e q u e n c y A d a p t i v e C o n t r o l f o r S e mi A c t i v e S u s p e n s i o n S y s t e m s [ J ] ．I n t e r - n a t i o n a l J o u r n a l o f C o n t r o l ， Au t o m a t i o n a n d S y s t e m， 2 0 1 0， 8 5 1 0 2 9-1 0 3 8 ． [ 7 ] 赵玉壮． 油气悬架非线性特性及其阻尼控制策略研究[ D ] ． 北 京 北京理工大学 ， 2 0 1 1 ． [ 8 ] 曾沽如， 谷正气， 李伟平， 等． 基于遗传算法的半主动悬架模糊 P I D控制研究[ J ] ． 汽车工程， 2 0 1 0 ， 3 2 5 4 2 9 4 3 3 ． [ 9 ] 庄德军． 主动油气悬架车辆垂向与侧向动力学性能研究[ D] ． 上海 上海交通大学 ， 2 0 0 6 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m