洪昊，陳秀萍，王孝鵬，吳龍

（1.三明學院機電工程學院，福建三明365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建三明365004；3.漳州理工職業(yè)學院，福建漳州363000）

基于PID控制器的麥弗遜懸架聯(lián)合仿真研究

洪昊1，2，陳秀萍3，王孝鵬1，2，吳龍1，2

（1.三明學院機電工程學院，福建三明365004；2.機械現(xiàn)代設(shè)計制造技術(shù)福建省高校工程研究中心，福建三明365004；3.漳州理工職業(yè)學院，福建漳州363000）

通過實驗測出磁流變阻尼器在不同電流作用下的力與速度關(guān)系的阻尼系數(shù)特征數(shù)據(jù)，將阻尼數(shù)據(jù)導入到麥弗遜懸架多體動力學模型中模擬真實懸架的工作狀態(tài)，計算簧載質(zhì)量速度及其變化率作為主動懸架控制的輸出量；半主動懸架采用PID控制器；在MATLAB搭建懸架系統(tǒng)聯(lián)合仿真模型，計算結(jié)果表明：采用PID控制器在各不同車速階段對改善懸架的總體性能有明顯作用，車身垂直加速度、懸架動行程、俯輪胎動行程在低頻階段改善突出，提升整車在不同車速范圍內(nèi)乘坐舒適特性。

磁流變阻尼器；麥弗遜懸架；路面模型；PID；聯(lián)合仿真

車輛在行駛過程中，整車的平順性與操縱穩(wěn)定性取決于懸架系統(tǒng)特性的調(diào)教。懸架是車身與車輪之間的傳力裝置，在整車的行駛過程中只有在特定的行駛條件下，被動懸架狀態(tài)才能達到最優(yōu)狀態(tài)，當路面的條件或者行駛的速度發(fā)生變化，懸架的最優(yōu)狀態(tài)會發(fā)生破壞，因此被動懸架的設(shè)計只能采取折中的方法進行解決。半主動懸架的核心是采用不同的控制策略對減震器的阻尼特性進行調(diào)節(jié)。純模糊控制系統(tǒng)具有不依賴系統(tǒng)的數(shù)模模型，魯棒性好，容錯能力強等優(yōu)點，但具有一定的穩(wěn)態(tài)誤差，經(jīng)典的PID控制策略可以較好消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，采用模糊PID復合控制策略，可以把兩種控制器的優(yōu)勢結(jié)合起來，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，獲得較好的控制效果。半主動懸架是近些年相關(guān)文獻研究的一個趨勢，相對于主動懸架，主要通過改變減震器的可變力輸出來控制整車的震動特性，其性能與主動懸架接近。相比主動懸架，其結(jié)構(gòu)簡單，能耗小[1-5]。本文通過建立麥弗遜主動懸架聯(lián)合仿真模型，采用模糊PID控制器對1/4整車模型進行仿真研究并與被動懸架的性能進行對比。

1麥弗遜模型

麥弗遜懸架多體動力模型的建立是聯(lián)合仿真的前提工作，其建模精度直接導致仿真結(jié)果與真實實驗的差距。

1.1磁流變阻尼器實驗

具有良好可調(diào)性能的磁流變阻尼器是半主動懸架系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一。磁流變液是一種在磁場控制下粘性發(fā)生明顯變化的特殊磁性流體，在一定磁場強度下，流體停止流動達到固化；當去掉外加磁場時，流體又恢復到原來的狀態(tài)，這種效應實現(xiàn)了磁流變液在液態(tài)和固態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，并且這種轉(zhuǎn)換是可逆的，因此具有廣闊的工程應用價值。實驗在西安交通大學振動與噪聲控制研究所振動室內(nèi)，現(xiàn)場如圖1所示。實驗中位移傳感器安裝在低頻振動實驗臺內(nèi)，壓力傳感器的一端通過螺桿固定在振動臺支架上，而另一端通過套管連接磁流變阻尼器的活塞桿，磁流變阻尼器的線圈導線經(jīng)中空活塞桿后再通過套管引出。

實驗方法：實驗中，將磁流變阻尼器垂直安裝，一端固定在臺架上，另一端由配備了電測系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)的低頻振動臺實現(xiàn)簡諧運動。實驗室內(nèi)溫度保持在常溫狀態(tài)；行程變化范圍是0.01～0.04 m；速度變化范圍是0.063（0.02π）～0.38（0.12π）m/s。磁流變阻尼器的初始位置大致在阻尼器行程的中間。實驗中使用的磁流變液為重慶儀表材料研究所生產(chǎn)的MRF-01K型磁流變液，其密度為2.65 g/cm3；零場粘度（γ=14/s，20℃）為0.6 Pa·s；工作溫度范圍在-20～100℃之間。圖2為a= 0.02，f=2 Hz時輸入不同電流情況下的阻尼力與速度關(guān)系圖。

圖1磁流變阻尼器試驗臺

圖2阻尼力與速度的關(guān)系曲

1.2懸架模型

基于聯(lián)合仿真的大多文獻在模型建立存在如下問題：1）采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)模擬懸架運動特征，此模型能較好的反映懸架的垂直震動特性，但不能反映懸架的實際運行狀態(tài)且忽略了車輪的側(cè)性運動；2）懸架的下控制臂與轉(zhuǎn)向橫拉桿與地面進行相互約束，彈簧減震器直接與車身或地面直接連接；正確應為與車身進行約束，在車身與彈簧減震器之間添加無質(zhì)量的虛部件，此模型雖然具有懸架模型的多體形式，且能反映懸架的K&C特性，但車身與車輪之間相對（懸架動行程）與真情況不符；本文通過ADAMS軟件建立麥弗遜懸架模型，在減震器上下安裝點分別建立安裝部件，下安裝點部件虛部件與轉(zhuǎn)向節(jié)固定連接，上安裝點部件與車身胡克副連接，上安裝點部件與下安裝點部件圓柱副連接，轉(zhuǎn)向橫拉桿與下控制臂與車身分別為球副與旋轉(zhuǎn)副連接。同時在減震器上下安裝點之間建立主動力函數(shù)，在測試試驗臺建立路面輸入函數(shù)模擬B級路面不同車速段的輸入；將實驗測得的磁流變液阻尼器特性曲線輸入到麥弗遜懸架中，建立好的麥弗遜懸架模型主視與側(cè)視圖如圖3所示。

圖3麥弗遜主動懸架模型

建立車身速度、加速度、懸架動行程及車輪側(cè)向滑移量狀態(tài)輸出函數(shù)如下：

建立懸架主動力、路面狀態(tài)輸入函數(shù)如下：

2路面模型

對懸架性能分析時需要輸入路面模型。根據(jù)國家標準將公路等級分為8種，在不同的路段測量，很難得到兩個完全相同的路面輪廓曲線。通常是把測量得到的大量路面不平度隨機數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到路面功率譜密度。產(chǎn)生隨機路面不平度時間輪廓有兩種方法，由白噪聲通過一個積分器產(chǎn)生或者有白噪聲通過一個成型濾波器產(chǎn)生。路面時域模型可用如下公式（1）描述；根據(jù)公式建立B級路面不同車速的仿真模型如圖4所示，B級路面不同車速的垂直位移計算結(jié)果如圖5所示。

式中：q(t)為路面隨激勵；w(t)為積分白噪聲；f0為時間頻率；Gq為路面不平度系數(shù)；V為汽車行駛速度。

圖4 B級路面不同車速時域仿真模型

圖5 B級路面各車速垂向位移

3 PID控制器設(shè)計

PID控制具有調(diào)節(jié)原理簡單，參數(shù)容易整定和實用性強等優(yōu)點，其控制規(guī)律如公式（2)所示：

圖6 PID控制器

4仿真分析

導通ADAMS與MATLAB軟件之間通信，其狀態(tài)函數(shù)如圖7所示；對路面及PID控制器進行封裝，建立ADAMS主動懸架聯(lián)合仿真模型如圖8所示。在B級路面上車輛分別以20、40、60、80 km/h的速度直線行駛，計算主被動懸架的車身加速度、懸架動行程、車輪側(cè)向滑移量。主被動懸架計算結(jié)果如圖9～11所示，仿真步長為0.005 s，仿真時間為10 s。

圖7通信狀態(tài)函數(shù)

圖8聯(lián)合仿真模型

從計算結(jié)果可以看出，主動懸架相對于被動懸架在性能上整體都有所提升。在各不同車速階段，車身垂直加速度，懸架動行程，輪胎動位移性能均有改善，其中車身垂向加速度改善尤為突出，在全速范圍內(nèi)改善車輛行駛的乘坐舒適性。隨著車速的增加，懸架動行程及側(cè)向滑移量少有改善，增加整車行駛過程中的操作穩(wěn)定性。各個速度段的懸架性能參數(shù)變化如表1所示。

圖9車身垂向加速度

圖10懸掛動行程

圖11車輪側(cè)向滑移量

表1性能均方根值對比如表

圖12～13為車身加速度、懸架動行程的功率譜曲線。其從功率譜曲線可以看出，整車運行過程中，主動懸架的幅值相對被動懸架都較小，同時可以看出，振幅最大值都出現(xiàn)在頻率較小處，低頻路面輸入信息對整車的震動特性較大，懸架動行程在高頻路面激勵下車輪的震動得到較好的抑制。

圖12車身加速度功率譜

圖13懸掛動行程度功率譜

5結(jié)論

本文通過建立麥弗遜主動懸架聯(lián)合仿真模型，采用PID復控制器對阻尼力進行控制，分析懸架在各個不同車速段的車速加速度，懸架動行程及車輪側(cè)向滑移量特性，可得出如下結(jié)論：

（1）車身的垂直加速度、懸架動行程及車輪側(cè)向滑移量在全速范圍內(nèi)均有改善，車身垂向加速度提升尤為明顯，提升整車乘坐舒適性與操穩(wěn)性；

（2）車身的垂直加速度、懸架動行程功率譜幅值在全頻段相對被動懸架幅值都較小；低頻狀態(tài)時對懸架性能的影響顯著；

[1］楊禮康．基于磁流變技術(shù)的車輛半主動懸掛系統(tǒng)理論與試驗研究［D］．杭州：浙江大學，2003．

［2］唐志橋．二分之一車輛懸架系統(tǒng)的動力學仿真研究［J］．公路與汽運，2015，166（1）：5－8．

［3］劉靜．帶天棚阻尼的1／2車輛主動懸架仿真研究［J］．公路與汽運，2015，166（3）：15－20．

［4］張潔．公路車輛與橋梁耦合振動分析研究［D］．成都：西南交通大學，2007．

［5］H ROVAT D．Optimalactive suspensions for 3d vehicule models［C］//Proc of the American Control Conference，1991 （2）：1534～1541．

［6］喻凡，林逸．汽車系統(tǒng)動力學［M］．北京：機械工業(yè)出版社，2012．171－172．

［7］周兵，趙保華．汽車主動懸架自適應模糊PID控制仿真研究［J］．湖南大學學報（自然科學版），2009，36（12）：27－30．

［8］張昆，習文輝，鄧文華，等．基于CarSim－Simulink聯(lián)合仿的整車半主動懸架模糊控制仿真研究［J］．昆明理工大學學報，2015，40（1）：39－44．

（責任編輯：朱聯(lián)九）

Co-simulation Research of Macpherson Suspension Based on PID Controller

HONG Hao1,2，CHEN Xiu-ping3，WANG Xiao-peng1,2，WU Long1,2

(1.School of Mechanical&Electronic Engineering,Sanming University,Sanming 365004,China; 2.Engineering Research Center in Fujian Province University for Modern Mechanical Design and Manufacturing Technology,Sanming 365004,China; 3.Zhangzhou Institute of Technology Vocational College,Zhangzhou 363000,China)

MRFdamperdamping characteristic dataatdifferentcurrent roleof force and velocity ismeasured through experiment.The real state of suspension ofwork is simulated by importing data into McPherson suspension dampingmulti-body dynamicsmodel.Sprungmassvelocity and its rateof changeas theactivesuspension controloutputiscalculated.PID controller isadopted in semi-active suspension,suspension systeMco-simulationmodelisbuiltin MATLAB.The resultsshow that:theuse ofPID controller in variousstagesofvehicle speed playsa significantrole in order to improve theoverallperformanceof the suspension,Verticalbody acceleration,suspension dynamic travel,overlooking the tiredynamic strokeare improved prominently in the low frequencies,which canenhance thecharacteristicofvehicle-riding coMfortin differentspeed ranges.

MRF damper;Macpherson suspension;roadmodel;PID;co-simulation

U 463.33

A

1673-4343（2016）06-0051-06

10．14098／j．cn35－1288／z．2016．06．009

2016-07-15

福建省省屬高?？蒲袑ｍ椈?JK2014048)

洪昊，男，福建福鼎人，實驗師。主要研究方向：車輛系統(tǒng)動力學及控制、汽車NVH分析與控制。