基于模糊控制的電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)懸架性能仿真研究

谷玉川 張晗 王祥 邱昱

摘要：自主研制了外置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器系統(tǒng)（External solenoid-actuated shock absorber， ESSA），以ESSA樣機(jī)為基礎(chǔ)研究了ESSA半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制算法。首先，闡述了ESSA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理;然后，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)得到了ESSA的阻尼力-速度-電流關(guān)系曲線。最后，基于Matlab/Simulink設(shè)計(jì)了ESSA半主動(dòng)懸架模糊控制器，并在CarSim環(huán)境中搭建了整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合ESSA阻尼力map圖，進(jìn)行了Matlab/Simulink與CarSim的聯(lián)合仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：研制的ESSA半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：電磁閥式減振器;半主動(dòng)懸架;模糊控制;數(shù)字仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：U461.99 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）03-0001-04

0 引言

阻尼連續(xù)可調(diào)懸架系統(tǒng)的核心零部件是阻尼可變減振器系統(tǒng)，通過(guò)布置在車(chē)身、車(chē)輪的傳感器實(shí)時(shí)采集車(chē)輛行駛狀態(tài)，結(jié)合控制算法對(duì)可調(diào)減振器的阻尼力進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，能夠顯著提高車(chē)輛的操控性、平順性。

阻尼連續(xù)可調(diào)減振器及其相關(guān)技術(shù)在國(guó)外高端車(chē)型已經(jīng)得到了應(yīng)用，具有相對(duì)成熟的研究成果[1-3]。但是，阻尼連續(xù)可調(diào)減振器及其控制系統(tǒng)在我國(guó)仍未得到廣泛應(yīng)用，相關(guān)的技術(shù)研究工作均由院校等科研機(jī)構(gòu)開(kāi)展，如郭孔輝院士團(tuán)隊(duì)[4-6]對(duì)閥控阻尼可調(diào)減振器的工作原理進(jìn)行了分析，并研究了閥控阻尼可調(diào)減振器的控制算法，通過(guò)道路試驗(yàn)驗(yàn)證了所研制的閥控減振器系統(tǒng)功能。陳無(wú)畏教授[7-9]團(tuán)隊(duì)提出了基于功能分配協(xié)調(diào)的汽車(chē)閥控減振器與ESP的集成控制器。陳龍[10]等建立多狀態(tài)切換的阻尼可調(diào)減振器仿真模型，結(jié)合臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性。黎劍鋒[11]等研制了一種基于電液比例閥控式半主動(dòng)減振器，進(jìn)行了樣機(jī)試制與臺(tái)架試驗(yàn)。

本文自主研制了一種外置電磁閥式阻尼連續(xù)可調(diào)減振器系統(tǒng)（External solenoid-actuated shock absorber，ESSA），搭建了基于Matlab/Simulink與CarSim的聯(lián)合仿真模型，研究了ESSA懸架的半主動(dòng)控制算法及性能表現(xiàn)。

1 ESSA半主動(dòng)懸架系統(tǒng)工作原理

ESSA半主動(dòng)懸架系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，車(chē)身與車(chē)輪均布置有加速度傳感器實(shí)時(shí)采集加速度信號(hào)，結(jié)合車(chē)速、方向盤(pán)轉(zhuǎn)角、油門(mén)等信號(hào)作為輸入信號(hào)發(fā)動(dòng)給控制器，控制算法根據(jù)車(chē)輛的行駛信號(hào)進(jìn)行ESSA的阻尼力控制。

顯而易見(jiàn)，ESSA是半主動(dòng)懸架系統(tǒng)中的核心執(zhí)行元件，與傳統(tǒng)減振器相比，ESSA具有一個(gè)外置的電磁閥與一個(gè)中間油腔，結(jié)構(gòu)如圖2所示。外置電磁閥由一個(gè)比例電磁閥與一個(gè)溢流閥組合而成，控制器通過(guò)控制算法輸出不同的電流控制比例電磁閥中的閥芯位置，從而改變了比例電磁閥閥片開(kāi)度，閥片的油液流通量得到控制，實(shí)現(xiàn)阻尼力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。中間油腔則是布置在儲(chǔ)油腔與工作腔之間，中間腔室通過(guò)常通節(jié)流孔與工作腔的伸張行程腔室相連接;電磁閥組件的進(jìn)油孔與中間腔相通，出油孔則與儲(chǔ)油腔相通。

當(dāng)減振器處于壓縮行程時(shí)，一部分油液從底閥流至儲(chǔ)油腔，另一部分油液則通過(guò)活塞閥流至工作腔中的有桿腔，亦即伸張行程腔室，再經(jīng)由中間油腔與工作腔的有桿腔之間的常通孔流入中間腔，進(jìn)入電磁閥組件總成。當(dāng)比例電磁閥關(guān)閉時(shí)，油液從電磁閥組件中的單向溢流閥流至儲(chǔ)油缸;當(dāng)比例電磁閥通電導(dǎo)通時(shí)，壓力未達(dá)到溢流閥開(kāi)閥壓力時(shí)，油液經(jīng)由比例流量閥回流至儲(chǔ)油腔，此時(shí)，根據(jù)不同電流的大小，比例流量閥開(kāi)度也不盡相同，從而達(dá)到調(diào)節(jié)阻尼力大小的目的;當(dāng)壓力達(dá)到溢流閥開(kāi)閥壓力時(shí)，油液從溢流閥流入儲(chǔ)油缸。伸張行程工作原理與壓縮行程大致相似，不再贅述。

根據(jù)ESSA工作原理，研制出ESSA樣機(jī)進(jìn)行了臺(tái)架測(cè)試。采集試驗(yàn)過(guò)程中不同電流、不同行程正弦激勵(lì)下的減振器阻尼力值，形成ESSA阻尼特性map如圖3所示。

2 系統(tǒng)模型

2.1 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型

CarSim是專(zhuān)業(yè)的車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件，可以實(shí)現(xiàn)整車(chē)操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、制動(dòng)性能、動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性的仿真試驗(yàn)，同時(shí)，也被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)控制系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中。本文利用CarSim建立了某SUV車(chē)型的整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，用于ESSA系統(tǒng)的算法開(kāi)發(fā)仿真試驗(yàn)，仿真模型界面如圖4所示。

2.2 路面模型

路面模型采用濾波白噪聲法，對(duì)一均值為零的高斯白噪聲經(jīng)過(guò)變換得到模擬的路面位移信息，由式（1）計(jì)算得到的某B級(jí)路面位移如圖5所示。

式（1）中：xr為路面位移;f0為下截止頻率;n0為參考空間頻率;Gq（n0）為路面不平度系數(shù);u為車(chē)速;wt為均值為零的高斯白噪聲。

3 控制策略

模糊控制是一種需要依靠專(zhuān)家先驗(yàn)知識(shí)的控制方法，模糊控制規(guī)則需要根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行編制。一般而言，模糊控制算法設(shè)計(jì)分為控制器結(jié)構(gòu)選擇、輸入變量模糊化、模糊規(guī)則制定、控制變量解模糊化幾個(gè)步驟?？刂破鹘r(shí)可將車(chē)輛簡(jiǎn)化為一個(gè)如文獻(xiàn)[12]中圖1所示的四分之一模型。

3.1 模糊控制器結(jié)構(gòu)選擇

模糊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇通常指的是確定模糊控制器的輸入、輸出變量，根據(jù)不同的被控系統(tǒng)，由于輸出、輸出變量及其數(shù)量的不同，模糊控制器的復(fù)雜程度也不盡相同。對(duì)于ESSA懸架系統(tǒng)而言，采用車(chē)身速度誤差e、車(chē)身速度誤差變化率，亦即車(chē)身加速度誤差ec作為控制變量，ESSA的可調(diào)阻尼力Fd為輸出變量，記為u。

選定輸入、輸出變量后，則需要對(duì)輸入、輸出變量的基本論域進(jìn)行確定。以傳統(tǒng)懸架模型為擬被控對(duì)象，進(jìn)行不同工況下的仿真試驗(yàn)，得出e與ec作為控制輸入變量，以上其、下限作為輸入變量論域的邊界;以理想控制的實(shí)際控制力的上、下限作為輸出變量的論域。因此，通過(guò)離線仿真得出e的基本論域?yàn)閇-0.1， 0.1]m/s，ec的基本論域?yàn)閇-1， 1]m/s2，u的基本論域定為[-500，500]N。

3.2 變量的模糊化

模糊變量的模糊化過(guò)程就是采用人類(lèi)所熟知的定性語(yǔ)言例如“大、中、小、快、中、慢”等對(duì)定量的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述，。本文選擇常用的模糊語(yǔ)言“正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZE）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）”描述輸入輸出變量，因此，輸入變量對(duì)應(yīng)的模糊集合E={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，EC={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，輸出變量對(duì)應(yīng)的模糊集合U={S，M，B}。

假設(shè)輸入變量e的模糊集合論域定義為{-n，-n+1，…，0，n-1，n}，n即為模糊語(yǔ)言的層級(jí)，表示輸入變量在[0，e]區(qū)間內(nèi)的層級(jí)，n取為3，則E的模糊論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}，EC的模糊論域同理;U的模糊論域則可以取為{0，1，2}。則根據(jù)量化因子與比例因子的定義如式（2）至（4）所，可以得到量化因子ke=30，kec=3，ku=250。

確定模糊論域之后，選擇模糊隸屬度函數(shù)，隸屬度函數(shù)多種多樣，但是常用的隸屬度函數(shù)只有三角隸屬度函數(shù)、高斯隸屬度函數(shù)與梯形隸屬度函數(shù)三種，本文采用三角隸屬度函數(shù)，其解析表達(dá)式如式（5）所示：

3.3 模糊規(guī)則

模糊規(guī)則是以語(yǔ)言對(duì)被控對(duì)象特征進(jìn)行合理描述的過(guò)程，需要深厚的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行歸納總結(jié)。通常，模糊規(guī)則語(yǔ)句的呈現(xiàn)形式為：if E is NB and EC is NB，then U is PB，此模糊語(yǔ)句表達(dá)的含義為如果輸入變量E為負(fù)大，并且輸入變量EC也為負(fù)大，則輸出變量U為正大。根據(jù)模糊規(guī)則確定的輸出關(guān)系曲面如圖6所示。

3.4 解模糊化

經(jīng)過(guò)模糊推理得到的控制量還處于模糊論域之中，不能為實(shí)際的被控系統(tǒng)所用，因此，需要將其轉(zhuǎn)化到基本論域范疇，這個(gè)過(guò)程即為解模糊化。解模糊化的方法也有多種，例如最大隸屬度函數(shù)法、中位法、重心法等，其中，重心法由于能夠使得控制量的輸出更為平滑而得到了廣泛的應(yīng)用，因此，本文采用重心法，其解析表達(dá)式如式（6）所示：

（6）

4 仿真試驗(yàn)

仿真利用到的是某一款SUV車(chē)型技術(shù)參數(shù)，如表1所示。選定車(chē)速60km/h下的B級(jí)路面勻速行駛、單脈沖路面行駛工況做為仿真條件，考察了四個(gè)車(chē)輪、各個(gè)車(chē)輪所對(duì)應(yīng)的車(chē)身質(zhì)量點(diǎn)、質(zhì)心位置等的加速度指標(biāo)。本文以左前車(chē)身加速度、左前車(chē)輪動(dòng)載荷為例進(jìn)行示例分析說(shuō)明。

通過(guò)圖7、圖8可以看出，B級(jí)路面直線行駛工況時(shí)，在車(chē)身共振峰值頻率、車(chē)輪共振峰值頻率處，配置了模糊控制的ESSA懸架指標(biāo)明顯優(yōu)于被動(dòng)懸架系統(tǒng);在兩個(gè)峰值頻率之間的過(guò)渡頻段內(nèi)，兩個(gè)系統(tǒng)的指標(biāo)幅值差別較小。

通過(guò)圖9、圖10可以看出，單脈沖路面行駛工況下，配置了模糊控制的ESSA懸架的車(chē)身位移幅值明顯小于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)，同時(shí)，沖擊衰減的時(shí)間也比傳統(tǒng)懸架時(shí)間少;而對(duì)于車(chē)輪位移指標(biāo)，ESSA懸架在峰值處也略小于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)，對(duì)沖擊產(chǎn)生的余振衰減也優(yōu)于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種ESSA系統(tǒng)，并進(jìn)行了電磁閥減振器本體的臺(tái)架試驗(yàn)，獲得了ESSA的阻尼力-速度-電流的關(guān)系曲線，基于CarSim搭建了某SUV車(chē)型整車(chē)動(dòng)力學(xué)模型，利用MATLAB/Simulink設(shè)計(jì)了一種模糊控制器，基于CarSim與MATLAB/Simulink進(jìn)行了ESSA的整車(chē)動(dòng)力學(xué)聯(lián)合仿真試驗(yàn)，仿真試驗(yàn)結(jié)果表明配置模糊控制器的ESSA系統(tǒng)在振動(dòng)衰減與沖擊衰減方面均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)懸架系統(tǒng)。

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Abstract：A vehicular external solenoid-actuated shock absorber（ESSA） was developmented independently， then the semi-suspension control method based on ESSA was analyzed. Firstly， the system structure and working principle of the ESSA was described. Then， the characteristic curve of ESSA was tested by test bench， the damping characteristics with different current and velocity were also obtained by bench test. Lastly， the fuzzy controller was designed in MATLAB/Simulink， and a full vehicle dynamical model was constructed in CarSim， the co-simulation carried out by MATLAB/Simulink and CarSim. The simulation results showed that the performance of ESSA was better than the passive suspension system.

Key words：solenoid-actuated shock absorber;semi-active suspension;fuzzy control;digital simulation