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        基于模糊PID控制重型汽車主動空氣懸架仿真分析

        2021-05-31 07:00:12周雅倩魯力群孫法軍王毅孫萌李輝
        汽車零部件 2021年5期
        關(guān)鍵詞:重型汽車方根值平順

        周雅倩,魯力群,孫法軍,王毅 ,孫萌,李輝

        (1.山東理工大學(xué)交通與車輛工程學(xué)院,山東淄博 255049;2.山東安博科技機(jī)械科技股份有限公司,山東淄博 255202)

        0 引言

        汽車平順性是汽車行駛性能的重要指標(biāo),傳統(tǒng)的被動懸架由于不能根據(jù)行駛路況自動調(diào)節(jié)空氣懸架高度,所以已經(jīng)不能滿足人們的要求,主動空氣懸架系統(tǒng)可以根據(jù)路面條件實(shí)時調(diào)整狀態(tài),其可以產(chǎn)生任意大小方向的作用力,來抵消路面對懸架的不良振動影響[1-3]。重型汽車對于行駛平順性具有較高的要求,本文作者以重型汽車為研究對象,以車身垂直加速度、懸架動行程、輪胎動載荷為評價指標(biāo),驗(yàn)證了經(jīng)過模糊PID控制之后重型汽車行駛平順性有較大提高[4-6]。

        1 重型汽車主動空氣懸架模型建立

        主動空氣懸架通常主要包括以下幾部分:各種傳感器和控制單元ECU、動力源(液壓泵、空氣壓縮機(jī)等)、執(zhí)行元件(空氣彈簧、減振器)、產(chǎn)生力及力矩的作動器( 油缸、步進(jìn)電動機(jī)、電磁鐵等)[3]。主動空氣懸架的工作原理是:傳感器實(shí)時采集車輛狀態(tài)量,采用模糊自適應(yīng)PID控制算法,經(jīng)過ECU處理,控制相應(yīng)電磁閥的開閉,進(jìn)而控制氣缸內(nèi)壓力,產(chǎn)生主動控制力,調(diào)節(jié)系統(tǒng)狀態(tài)使性能達(dá)到最優(yōu)。

        建立兩自由度1/4車體主動空氣懸架系統(tǒng)模型,所做二自由度1/4車體主動空氣懸架系統(tǒng)模型如圖1所示[1]。

        圖1 二自由度1/4主動空氣懸架系統(tǒng)模型

        圖1中ms為非簧載質(zhì)量,mt為簧載質(zhì)量,F(xiàn)a為控制器主動控制力,kt為輪胎剛度,ks為懸架系統(tǒng)剛度,cs為懸架系統(tǒng)阻尼系數(shù),q為路面位移函數(shù),xt為懸架等效非簧載質(zhì)量的垂向位移,xs為懸架系統(tǒng)簧載質(zhì)量的垂向位移。

        分別以ms、mt為研究對象,由牛頓第二定律可以建立兩自由度主動空氣懸架系統(tǒng)模型振動微分方程:

        (1)

        (2)

        2 路面激勵模型的建立

        基于濾波白噪聲法建立隨機(jī)路面激勵模型,可得到

        (3)

        式中:f=vn,v為車速,m/s;Gq(n0)為路面功率譜密度;S(t)為高斯白噪聲。

        在MATLAB Simulink中搭建隨機(jī)路面模型如圖2所示。

        圖2 濾波白噪聲法隨機(jī)路面模型

        路面不平度可以劃分為A—H8個等級,當(dāng)公式(3)中n0=0.1 m-1時,選用略有較有起伏的C級路面,C級路面功率譜密度G2(n)=256×10-6m3,C級路面模擬車速30 km/h,C級路面不平度時域曲線如圖3所示。

        圖3 C級路面不平度時域曲線

        3 建模與仿真

        根據(jù)公式(1)的微分方程在MATLAB Simulink中搭建模型,表1是基于某重型汽車中后橋懸架的部分參數(shù)。

        表1 仿真參數(shù)值

        圖4為PID控制器。

        圖4 模糊PID控制器

        圖5為模糊PID控制1/4主動空氣懸架模型圖。

        圖5 模糊自適應(yīng)PID控制1/4懸架模型圖

        4 仿真結(jié)果分析

        以車身的垂直加速度(SMA)、懸架動行程(DTD)、輪胎動變形(SWS)為評價指標(biāo),比較經(jīng)過模糊PID控制后以及無控制的空氣懸架曲線變化,仿真時間為50 s。空氣懸架系統(tǒng)振動對比曲線如圖6所示。

        圖6 空氣懸架系統(tǒng)振動各指標(biāo)對比曲線

        各評價指標(biāo)均方根值對比見表2。

        表2 各評價指標(biāo)均方根值對比

        從圖6可以看出,經(jīng)過模糊PID控制之后的車身垂直加速度(SMA)、懸架動行程(DTD)、輪胎動變形(SWS)相比較無控制的空氣懸架都有所改善,說明經(jīng)過模糊PID控制之后能提高重型汽車的行駛平順性。從表2可以看出,經(jīng)過模糊控制之后,車身垂直加速度平順性提升了約22.3%,懸架動行程平順性提高了約17.8%,輪胎動變形平順性提高了約10.5%。從表中均方根值對比最終可以得出結(jié)論,模糊PID控制對于改善重型汽車行駛平順性有非常大的作用。

        5 結(jié)束語

        文中通過建立路面激勵模型以及建立二自由度1/4主動空氣懸架模型,以重型汽車中后橋參數(shù)為基礎(chǔ),借助MATLAB Simulink 平臺仿真,仿真結(jié)果中三項(xiàng)指標(biāo)均體現(xiàn)了重型汽車行駛平順性有了很大改善,實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模糊PID控制的主動空氣懸架系統(tǒng)的優(yōu)越性,一定程度上為以后重型汽車中后橋主動空氣懸架臺架試驗(yàn)的研究提供了理論支撐。

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