徐 寧 詹長書

（東北林業(yè)大學(xué)）

1 空氣懸架系統(tǒng)動力學(xué)仿真模型

1.1 空氣彈簧特性試驗

空氣彈簧特性試驗主要包括靜態(tài)特性和動態(tài)特性試驗。本文用到的動態(tài)特性是在正弦激勵條件下測得的力和位移曲線，經(jīng)處理后可得動態(tài)剛度特性曲線[1，2]。將空氣彈簧固定在自行研制的振動試驗臺上，通過安裝的位移、氣壓和拉壓力傳感器測量所需數(shù)據(jù)。

試驗使用的空氣彈簧是E7074型膜式空氣彈簧，試驗臺可沿直線導(dǎo)軌做垂直運動。按照空氣彈簧特性試驗的國家標(biāo)準(zhǔn) 《汽車懸架用空氣彈簧實驗方法》（GB/T13061-1991）進(jìn)行試驗，得到 E7074 型空氣彈簧在標(biāo)準(zhǔn)工作高度為400 mm，內(nèi)部氣壓分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa時的動態(tài)特性曲線如圖1所示。

1.2 ADAMS/View中空氣彈簧模型

選擇在標(biāo)準(zhǔn)工作高度時彈簧內(nèi)部氣壓為0.4 MPa的動態(tài)特性曲線作為仿真參考數(shù)據(jù)，將該曲線通過均方差值在0.5以下的四次方擬合函數(shù)擬合得到力和位移關(guān)系式[3]，再經(jīng)求導(dǎo)后得到動態(tài)剛度特性曲線。ADAMS/View中默認(rèn)垂直向上為正方向、彈簧壓縮行程位移為負(fù)方向，與以往的定義正好相反。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ADAMS/View中生成多義線SPLINE_2，即得到如圖2所示空氣彈簧模型特性曲線。

1.3 ADAMS/View中空氣懸架模型

將復(fù)雜的空氣懸架振動系統(tǒng)簡化為一個彈簧阻尼系統(tǒng)，排除橫擺振動、側(cè)傾振動及其他一些干擾振動，只研究垂直方向的振動，空氣懸架簡化模型.JHsus08以某貨車參數(shù)為參考對象，以彈簧阻尼器代替輪胎。表1為某貨車懸架質(zhì)量參數(shù)、減振器參數(shù)和輪胎特性參數(shù)。本文主要研究可通過沖、放氣來改變自身特性從而優(yōu)化懸架性能的半主動空氣懸架，為了方便仿真與分析，將可沖、放氣的空氣彈簧簡化為一個被動空氣彈簧和一個作動器，即在懸架模型中用一個力來代替由控制器調(diào)節(jié)電磁閥使空氣彈簧進(jìn)行沖、放氣所增加或減少的那部分彈力，該力的值從控制器模型輸出到ADAMS的懸架模型中，力的表達(dá)式為

表1 2自由度1/4某貨車懸架模型參數(shù)

2 綜合控制器設(shè)計

為了利用更多懸架狀態(tài)反饋信號，更加智能的改善懸架性能，本文設(shè)計了一種綜合控制器。該綜合控制器將對車身加速度進(jìn)行直接控制的PID控制器和對懸架動行程進(jìn)行直接控制的位置全狀態(tài)反饋控制器相結(jié)合，提高了懸架整體性能。

2.1 PID控制器設(shè)計

PID控制原理是根據(jù)偏差變化調(diào)節(jié)控制量，偏差增大，控制量也增大，這是比例環(huán)節(jié)的作用；由于偏差一直存在，將其累加起來，加大控制量以消除偏差，這是積分環(huán)節(jié)的作用；微分環(huán)節(jié)起到預(yù)估作用，避免偏差振蕩[4，5]。本文采用傳統(tǒng)的PID控制器直接對車身加速度反饋偏差進(jìn)行控制，在Simulink環(huán)境中建立半主動空氣懸架的PID控制器模型。

2.2 位置全狀態(tài)反饋控制器設(shè)計

位置全狀態(tài)反饋控制器直接對懸架動行程的反饋偏差進(jìn)行控制，主要由位置回路、速度回路和加速度回路組成?？刂破鲗⒏鶕?jù)位置傳感器傳來的信號與給定值求得的偏差來調(diào)節(jié)被控量，偏差增大控制量也增大；速度負(fù)反饋校正在提高系統(tǒng)固有頻率的同時也降低了系統(tǒng)的增益和阻尼；加速度負(fù)反饋校正可以在保證穩(wěn)定性的前提下提高系統(tǒng)阻尼。因此，通過調(diào)整外部位置回路增益系數(shù)Ke、速度負(fù)反饋系數(shù)Kfv和加速度負(fù)反饋系數(shù)Kfa，可取得較好的控制效果。

位置全狀態(tài)反饋控制規(guī)律為：

式中，u（t）為控制器控制量；e（t）為反饋偏差；Ke為位置回路增益系數(shù)；Kfv為速度反饋系數(shù)；Kfa為加速度反饋系數(shù)。

2.3 綜合控制器模型

將PID控制器與位置全狀態(tài)反饋控制器連接起來，給每個控制器一個增益系數(shù)Gain1和Gain2，通過調(diào)節(jié)增益系數(shù)和控制器內(nèi)部參數(shù)，改善空氣懸架系統(tǒng)性能。綜合控制器模型如圖3所示，其中，kp、ki、kd分別為PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)；k1為傳感器放大系數(shù)，此處為1；k2、k3、k4分別為位置全狀態(tài)反饋控制器的位置回路增益系數(shù)、速度反饋系數(shù)和加速度反饋系數(shù)；Gain1和Gain2是2個控制器的分配系數(shù)。

3 聯(lián)合仿真和結(jié)果分析

首先在ADAMS中建立5個系統(tǒng)狀態(tài)變量，通過ADAMS/Controls模塊的接口定義控制力kzl和路面lm為輸入變量，車身加速度a、輪胎動載荷lt和懸架動行程xj為輸出變量。定義輸入輸出變量后，在MATLAB中激活A(yù)DAMS子程序，將控制器模型、路面模型與ADAMS子模塊相連接[6，7]，進(jìn)行聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真時間為6 s，仿真相對誤差為0.001，聯(lián)合仿真模型如圖4所示。

聯(lián)合仿真中增益系數(shù)Gain1和Gain2時既不能消耗太多能量又要根據(jù)實際需要。兩者全為0時是被動控制，某一個為0時是單獨的PID控制或位置全狀態(tài)反饋控制，都不為0時是綜合控制。綜合控制時對控制效果的調(diào)節(jié)主要取決于2個增益的比值和大小，在0～1之間時，優(yōu)化百分比會大致按比例縮小，都為1時控制效果較好，但此時能耗也比增益在0～1之間時要高，增益系數(shù)越大，能耗越高且控制效果不規(guī)律，因此應(yīng)盡量采用較小的增益系數(shù)以獲得較好的控制效果。表2給出了增益系數(shù)Gain1和Gain2在幾個典型數(shù)值上的懸架性能指標(biāo)均方根值。

表2 空氣懸架性能指標(biāo)均方根值

圖5～圖7是Gain1和Gain2分別為1.6和1.1時的仿真結(jié)果對比，與被動控制相比，本文采用的綜合控制器將車身垂直加速度和懸架動行程均方根值顯著降低，改善了懸架性能。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對空氣彈簧彈性特性的試驗研究，在ADAMS中建立了2自由度1/4某貨車空氣懸架模型，在MATLAB環(huán)境下設(shè)計了一種綜合控制器，通過聯(lián)合仿真對隨機激勵下的空氣懸架模型進(jìn)行了半主動綜合控制。研究結(jié)果表明，綜合控制器能夠有效改善汽車行駛平順性，并可根據(jù)實際情況通過增益系數(shù)的調(diào)節(jié)得到需要的控制效果。

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