基于模糊PID的汽車液壓伺服主動懸架控制系統(tǒng)

李軍偉, 曲　燕

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

基于模糊PID的汽車液壓伺服主動懸架控制系統(tǒng)

李軍偉, 曲燕

(山東理工大學(xué) 交通與車輛工程學(xué)院， 山東淄博 255049)

摘要：在詳細(xì)分析汽車液壓主動懸架中液壓伺服系統(tǒng)非線性特性的基礎(chǔ)上，建立了1/4汽車懸架非線性系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型.針對具有高度非線性的閥控非對稱液壓缸系統(tǒng)，設(shè)計了模糊PID控制器，使PID控制器的控制參數(shù)能隨著系統(tǒng)運行狀態(tài)的變化而自動調(diào)整. 對比分析了相同路面輸入激勵下主動懸架與被動懸架的控制效果.仿真結(jié)果表明，與被動懸架相比，主動懸架能有效降低車身加速度和輪胎動載荷，該系統(tǒng)能有效改善汽車的平順性和安全性.

關(guān)鍵詞：液壓伺服控制；汽車主動懸架；模糊PID；

汽車懸架是影響車輛行駛平順性、操縱穩(wěn)定性的重要部件.從工作機理出發(fā)，懸架可分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架.與前兩種相比較，主動懸架能夠根據(jù)車輛行駛的工況和載荷等情況產(chǎn)生施加在車身的主動力，控制汽車在路面激勵下的車身加速度、懸架動撓度、車輪動載荷等影響汽車性能的關(guān)鍵指標(biāo),使車輛的整體行駛性能達(dá)到最佳.

液壓主動懸架就是在被動懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加裝一個可以產(chǎn)生液壓作用力的液壓伺服系統(tǒng).該系統(tǒng)由液壓油源、單桿液壓缸和液壓伺服閥組成.單桿非對稱液壓缸具有占用工作空間小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，但是由于非對稱缸兩腔活塞面積的非對稱性，使液壓缸正向和反向的運動特性呈現(xiàn)非線性，同時系統(tǒng)中多數(shù)參數(shù)具有不確定性和時變性[1-3]，這給傳統(tǒng)依賴系統(tǒng)模型的控制方法應(yīng)用帶來了很大的難度.常規(guī)PID因其結(jié)構(gòu)簡單、魯棒性好、工作可靠、調(diào)整方便而成為廣泛應(yīng)用的控制技術(shù)之一.但是由于其控制參數(shù)不能自動調(diào)整，對于控制非線性時變系統(tǒng)來說，常規(guī)PID就顯得不甚理想[4].模糊控制是一種基于規(guī)則的控制，它基于現(xiàn)場操作人員的控制經(jīng)驗或相關(guān)專家的知識，在設(shè)計中不需要建立被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，設(shè)計簡單，便于應(yīng)用[5-6].本文采用的模糊PID就是把常規(guī)PID控制和模糊控制結(jié)合起來，根據(jù)系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過模糊算法在線調(diào)整PID的控制參數(shù).在建立1/4汽車液壓主動懸架動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，采用模糊PID控制策略對系統(tǒng)進行控制，充分利用模糊PID控制的優(yōu)點以達(dá)到良好的控制效果.

1 系統(tǒng)模型

1.1 懸架模型

汽車是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，需根據(jù)側(cè)重點的不同，對實際車輛模型進行簡化. 汽車懸架系統(tǒng)主要研究來自不平路面激勵引起的汽車振動.在通常情況下，一般都簡化成彈簧阻尼器的形式，采用二自由度 1/4 車輛模型，如圖1所示.

圖1　1/4車輛懸架模型

在汽車行駛速度恒定的情況下，根據(jù)牛頓第二定律可建立圖1所示的1/4車輛懸架模型在其平衡點的動力學(xué)方程

(1)

(2)

1.2 伺服閥流量方程

汽車液壓主動懸架中的控制力F是由閥控液壓缸裝置產(chǎn)生的，該裝置由電液伺服閥和單桿液壓缸組成，如圖2所示.伺服閥的供油壓力和回油壓力分別用Ps和Pr表示，假定系統(tǒng)回油壓力為零，xv表示伺服閥閥芯的位移，P1和P2分別表示液壓缸上腔和下腔的壓力，Q1和Q2分別表示液壓缸上、下兩腔的流量.

圖2 閥控液壓伺服系統(tǒng)

圖2中各物理量的方向以箭頭所示方向為正.伺服閥的流量方程為

(3)

(4)

(5)

(6)

式中：Cd為節(jié)流窗口的流量系數(shù);w為伺服閥節(jié)流窗口的面積梯度;xv為閥芯位移;ρ為油液密度.

1.3 伺服閥輸入方程

伺服閥輸入方程所描述的是輸入給伺服閥控制線圈的電流iv與閥芯位移xv的關(guān)系.在一般情況下，該方程可簡化為一階慣性環(huán)節(jié),即

(7)

式中，τ為時間常數(shù).

1.4 液壓油缸流量連續(xù)性方程

在考慮到液壓油缸的泄漏流量和油液的體積壓縮流量后，液壓油缸上、下兩腔的流量連續(xù)性方程分別為

(8)

(9)

V1=V10+A1(xs-xt)

(10)

V2=V20-A2(xs-xt)

(11)

式中:Cic為液壓油缸的內(nèi)部泄漏系數(shù);V1、V2分別為液壓油缸上、下腔的容積;V10、V20分別為液壓油缸上、下腔的初始容積;A1為液壓油缸上腔活塞的有效面積;A2為液壓油缸下腔活塞的有效面積;βe為液壓油等效體積彈性模數(shù).

液壓油缸的驅(qū)動力為

F=A1p1-A2p2

(12)

式(1)～(12)構(gòu)成了汽車液壓主動懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型.從上述方程可以看出，該電液伺服系統(tǒng)為一非線性系統(tǒng)，由于系統(tǒng)溫度的變化，將導(dǎo)致油液密度ρ的變化，同時將影響Cd和Cv的數(shù)值.因此該系統(tǒng)是一個非線性的時變系統(tǒng)，采用一般的線性控制方法難以勝任.

2 模糊自整定PID控制器設(shè)計

模糊自整定PID控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示，給定量與反饋量的差值e及差值的變化率ec為模糊控制器的輸入量，將它們模糊化后得到模糊量E及EC，根據(jù)控制規(guī)則由模糊推理和解模糊后可得到3個修正參數(shù)ΔKp、ΔKi、ΔKd，3個修正參數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)的不同運行狀態(tài)自動調(diào)整，從而實現(xiàn)PID控制參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)整.模糊自適應(yīng)整定PID控制系統(tǒng)為雙輸入三輸出的系統(tǒng)，本文選取期望車身位移和實際車身位移的偏差e及其變化率ec作為輸入變量，輸出變量分別為ΔKp、ΔKi、ΔKd.

模糊PID控制器的控制參數(shù)為

Kp=Kp0+ΔKp

(13)

Ki=Ki0+ΔKi

(14)

Kd=Kd0+ΔKd

(15)

式中：Kp、Ki和Kd為模糊PID控制器的控制參數(shù)；Kp0、Ki0和Kd0為PID控制器整定后的參數(shù).

偏差量e和其變化量ec的隸屬函數(shù)如圖4所示.ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬度函數(shù)如圖5所示. 具體的模糊推理規(guī)則見表1.

圖3　轉(zhuǎn)速環(huán)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

圖4 e和ec的隸屬函數(shù)

圖5 ΔKp、ΔKi、ΔKd的隸屬函數(shù)

EECNBNSZEPSPBNBPBNBPSPBNBNBPBNBNBPSNSNBZEZEPSNSPBNBZEPBNSNBPSNSNBZEZENSNSPSZEZEPBNBZEPSNSNSZEZENSNSPSNSNBPBZEPSPSNBZEZEZEZENSPSZENSPSZENBPBZEPBZEZEPBNBPSPBNBPBPBNBPBPSNBPBPB

模糊推理方法選用最常用且比較簡單的Mamdani型推理方法，推理完成后，采用重心法解模糊，求取ΔKp、ΔKi、ΔKd的精確值，并與PID控制器的Kp、Ki、Kd一起調(diào)節(jié)系統(tǒng)[7].

3 系統(tǒng)仿真分析

本文采用某車型的參數(shù)進行仿真，其主要參數(shù)見表2.

表2 仿真參數(shù)

路面輸入如圖6所示.在該路面輸入激勵下，仿真得到被動懸架與主動懸架的車身垂直加速度、懸架變形和輪胎動載荷曲線如圖7～圖9所示.

圖6　路面輸入曲線

圖7 車身加速度曲線

圖8　懸架變形曲線

圖9　輪胎動載荷曲線

從仿真結(jié)果可以看出，被動懸架車身加速度大約在-5.3～6m/s2之間變化，同時加速度有較大幅度的波動，這不利于汽車的行駛平順性.主動懸架車身加速度大約在-4.5～4.2 m/s2之間變化，加速度能快速向0值收斂.與被動懸架相比，主動懸架降低了車身加速度，減小了車輛的垂向振動，有利于汽車行駛的平順性.

被動懸架動撓度大約在-0.088～0.075 m之間變化，而且懸架動撓度有較大幅度的波動，這不利于汽車的行駛平順性；主動懸架的動撓度大約在-0.085～0.039 m之間變化，同時能快速收斂于0.雖然主動懸架動撓度與被動懸架撓度相比沒有明顯減小，但其波動程度明顯減小，有利于汽車的行駛平順性.

被動懸架輪胎動載荷大約在-1 915 ～1 600N之間變化，而且輪胎動載荷有較大幅度的波動；主動懸架輪胎動載荷大約在-1 750 ～1 300N之間變化，同時輪胎動載荷的值能向0快速趨近，其波動程度明顯減小，這有利于汽車的操縱穩(wěn)定性.

4結(jié)束語

本文在建立1/4汽車懸架數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析并建立了汽車液壓主動懸架中的閥控非對稱液壓缸的非線性模型.針對這種具有高度非線性的系統(tǒng)，采用模糊PID的控制策略提高系統(tǒng)的控制性能.仿真結(jié)果表明，與被動懸架相比，主動懸架的車身加速度由原來的-5.3～6m/s2減小到-4.5～4.2 m/s2、輪胎動載荷由原來的-1 915 ～1 600N減小到-1 750～1 300N，同時懸架動撓度也由原來的-0.088～0.075m減小到-0.085～0.039m，該系統(tǒng)能有效地改善汽車的平順性和安全性.

參考文獻 :

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[7] 劉金琨. 先進PID控制MATLAB仿真[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2005.

(編輯：郝秀清)

收稿日期：2014-09-09

作者簡介：李軍偉，男， ljwhitt@163.com

文章編號：1672-6197(2015)02-0005-04

中圖分類號：U270.1

文獻標(biāo)志碼：A

Controlsystemofvehiclehydraulicservo
activesuspensionsbasedonfuzzyPID

LIJun-wei，QUYan

(SchoolofTransportationandVehicleEngineering,ShandongUniversityofTechnology,Zibo255049,China)

Abstract:The quarter-car active suspensionnonlinearmodel isbuild, based on the analyses of the hydraulic servo control system involving the nonlinear characteristics used in vehicle active suspension. According to the high nonlinear characteristics of asymmetrical cylindercontrolled by symmetricalvalve, the fuzzy PID controlleris designed and the controller's parameters can be regulated with the running states of the control system. For the same road input, the controlled effect is compared between active and passive suspension. The simulation results show that the body vertical acceleration and wheel dynamic load are improved in active suspension compared with passive suspension.The ride performance and handling stability can be improvedby the control system.

Key words:hydraulic servo control;vehicle active suspension;fuzzy PIDcontrol