基于半主動(dòng)空氣懸架的重型車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定性控制研究

劉彥峰　何鋒　陳海虹　韓雪　陳江生

摘 要：建立基于半主動(dòng)空氣懸架的重型車(chē)輛半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型，作為防側(cè)翻控制的基礎(chǔ)模型，采用模糊控制策略控制空氣懸架剛度，改變車(chē)輛的側(cè)傾剛度，實(shí)現(xiàn)重型車(chē)輛的防側(cè)翻控制。仿真結(jié)果表明，基于模糊控制的半主動(dòng)空氣懸架能夠優(yōu)化車(chē)身側(cè)傾角及側(cè)翻因子，在保障重型車(chē)輛轉(zhuǎn)向能力的同時(shí)，有效的提高重型車(chē)輛的防側(cè)翻能力。

關(guān)鍵詞：重型車(chē)輛；半主動(dòng)空氣懸架；側(cè)翻；模糊控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.09.175

0 引言

重型車(chē)輛作為大型運(yùn)輸工具，裝載貨物質(zhì)量大、種類(lèi)繁多，并且車(chē)輛自身質(zhì)心高，在行駛過(guò)程中，易發(fā)生側(cè)翻危險(xiǎn)，造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，引起交通擁堵等問(wèn)題，一些運(yùn)送危險(xiǎn)物品的車(chē)輛發(fā)生側(cè)翻還會(huì)引起環(huán)境污染等問(wèn)題。因此，對(duì)重型車(chē)輛的側(cè)翻穩(wěn)定性控制的研究意義重大。

目前，車(chē)輛防側(cè)翻的方法主要有車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警和主動(dòng)防側(cè)翻控制。車(chē)輛側(cè)翻預(yù)警根據(jù)當(dāng)前車(chē)輛行駛狀況及駕駛意圖，預(yù)測(cè)車(chē)輛的側(cè)翻穩(wěn)定性，提前給出預(yù)警，但由于駕駛員的反映及機(jī)械操縱需要時(shí)間，因此，預(yù)警系統(tǒng)不能有效的防止車(chē)輛側(cè)翻。主動(dòng)防側(cè)翻控制通過(guò)車(chē)輛底盤(pán)控制系統(tǒng)，如主動(dòng)轉(zhuǎn)向控制、制動(dòng)控制、主動(dòng)/半主動(dòng)懸架控制[1-2]等，控制車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的防側(cè)翻控制。主動(dòng)/半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)可根據(jù)車(chē)身側(cè)傾狀況調(diào)整參數(shù)，產(chǎn)生防側(cè)傾力矩，對(duì)車(chē)輛的轉(zhuǎn)向能力和運(yùn)行軌跡影響不大。Westhuizen[1]采用油氣半主動(dòng)懸架，褚端峰[2]采用磁流變半主動(dòng)懸架，一定程度上實(shí)現(xiàn)防側(cè)翻控制。相對(duì)的，電控空氣懸架已廣泛應(yīng)用于豪華汽車(chē)、大型客車(chē)和重型貨車(chē)[3]，對(duì)空氣懸架的研究主要集中在車(chē)身高度的調(diào)節(jié)[4]、行駛平順性、道路友好性等方面[5]。

本文建立四自由度的車(chē)輛側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型及半主動(dòng)空氣懸架模型，設(shè)計(jì)模糊控制策略計(jì)算期望空氣改變量，采用電磁閥控制左右兩側(cè)空氣空氣彈簧充放氣，改變空氣懸架剛度，抑制車(chē)身側(cè)傾角。

1 半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型

1.1 半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型

依據(jù)車(chē)輛實(shí)際情況，考慮車(chē)輛側(cè)傾、橫擺及垂向運(yùn)動(dòng)的耦合關(guān)系，建立如圖1所示的半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)模型作如下假設(shè)：模型以前輪轉(zhuǎn)角、路面為輸入，勻速行駛；忽略動(dòng)載荷變化引起的輪胎特性變化及輪胎回正力矩；非簧載質(zhì)量相對(duì)于簧載質(zhì)量比重較小，且均假設(shè)為剛體。

半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型為：

1.2 半主動(dòng)空氣懸架模型

圖2為半主動(dòng)空氣懸架模型示意圖，三位三通電磁閥控制空氣彈簧充放氣，實(shí)現(xiàn)空氣懸架剛度調(diào)節(jié)。對(duì)模型作如下假設(shè)：忽略氣路損耗，電磁閥的響應(yīng)時(shí)間；氣體變化過(guò)程為絕熱過(guò)程。

空氣彈簧的數(shù)學(xué)模型為：

該模型忽略了空氣彈簧工作中有效承載面積及體積變化的非線性，簡(jiǎn)化建模。

1.3 側(cè)翻因子

橫向載荷轉(zhuǎn)移率（LTR）反映載荷轉(zhuǎn)移程度，可以作為判定車(chē)輛側(cè)翻危險(xiǎn)程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，定義橫向載荷轉(zhuǎn)移率（LTR）為：

2 防側(cè)翻控制設(shè)計(jì)

2.1 防側(cè)翻控制策略

基于空氣懸架的重型車(chē)輛防側(cè)翻控制策略的目的是利用半主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)控制車(chē)身側(cè)傾，防止因車(chē)身側(cè)傾角過(guò)大而導(dǎo)致的車(chē)輛側(cè)翻，控制示意圖如圖3所示。

ECU根據(jù)側(cè)傾角傳感器和橫向加速度傳感器實(shí)時(shí)采集的動(dòng)態(tài)側(cè)傾角及橫向加速度信號(hào)，計(jì)算動(dòng)態(tài)橫向載荷轉(zhuǎn)移率LTR。若橫向載荷轉(zhuǎn)移率的絕對(duì)值|LTR|超過(guò)預(yù)設(shè)的橫向載荷轉(zhuǎn)移率閾值|LTR|th時(shí)，調(diào)用模糊控制器分別計(jì)算左右懸架空氣彈簧內(nèi)部氣體期望的變化量，對(duì)空氣彈簧快速充、放氣，調(diào)整空氣懸架的剛度，生成與側(cè)傾運(yùn)動(dòng)相反的側(cè)傾力矩，抑制車(chē)輛側(cè)傾角。

2.2 模糊控制器設(shè)計(jì)

模糊控制不依賴(lài)于被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，適用于非線性、滯后、模型不完全系統(tǒng)的控制，因此，采用雙輸入單輸出模糊控制器。模糊控制器以車(chē)輛的側(cè)傾角Φ及側(cè)傾角的變化率dΦ/dt為輸入變量e、ec，空氣懸架充氣量mqi為輸出變量u。

輸入、輸出變量的基本論域?yàn)椋害?[?0.08，0.08]rad、dΦ/dt=[?0.5，0.5]rad/s、mqi=[?0.008，0.008]kg。輸入變量的隸屬度函數(shù)論域設(shè)為[?1，1]，輸出變量的隸屬度函數(shù)論域設(shè)為[-1，1]，量化因子分別為：Ke=12.5、Kec=2、Ku=0.008，輸入輸出變量的模糊語(yǔ)言變量均設(shè)為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)小（NS）、零（ZE）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB）7個(gè)等級(jí)。

車(chē)身側(cè)傾時(shí)，左右懸架的行程方向相反，需根據(jù)不同懸架分別設(shè)計(jì)的模糊控制規(guī)則（見(jiàn)表1、2）。

模糊控制能夠解決空氣懸架建模中的線性化假設(shè)，容易控制，魯棒性好。

3 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)所設(shè)計(jì)的模糊控制器，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建控制系統(tǒng)模型，建立基于模糊控制的半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型。以C級(jí)路面和前輪轉(zhuǎn)角為模型的輸入信號(hào)，前輪轉(zhuǎn)角分別采用圖4所示J-turn和Fish-hook工況，分別對(duì)被動(dòng)空氣懸架、模糊控制空氣懸架的半車(chē)側(cè)傾動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。

3.1 J-turn工況下的仿真

在MATLAB/Simulink中，以J-turn工況為轉(zhuǎn)向輸入，車(chē)速60km/h，分別對(duì)被動(dòng)空氣懸架、模糊控制空氣懸架的半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。

由圖5可知，與被動(dòng)空氣懸架相比，通過(guò)模糊控制，車(chē)輛的側(cè)翻因子|LTR|的最大值由0.547下降到0.535，下降了2.19%，車(chē)輛的側(cè)傾角Φ的峰值由4.277°下降到3.224°，下降了24.91%，側(cè)翻因子及側(cè)傾角明顯得到降低。

3.2 Fish-Hook工況下的仿真

在MATLAB/Simulink中，以Fish-Hook工況作為轉(zhuǎn)向輸入，車(chē)速60km/h，分別對(duì)被動(dòng)空氣懸架、模糊控制空氣懸架的半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

由圖中6可知，通過(guò)模糊控制，車(chē)輛的側(cè)翻因子|LTR|的最大值由0.571下降到0.560，下降了1.75%，車(chē)輛的側(cè)傾角Φ的最大值由4.123°下降到3.320°，下降了19.48%。Fish-hook工況主要反映車(chē)輛在緊急避障過(guò)程中，車(chē)身的側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)結(jié)果表明，在連續(xù)轉(zhuǎn)向的情況下，車(chē)身側(cè)傾角及側(cè)翻因子也能得到較好的控制。

4 結(jié)論

建立半主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)模型及重型車(chē)輛半車(chē)側(cè)翻動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)模型仿真分析重型車(chē)輛運(yùn)動(dòng)耦合關(guān)系，為防側(cè)翻控制策略提供基礎(chǔ)數(shù)學(xué)模型；

基于模糊控制的半主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)控制效果好，可以有效減小J-turn、Fish-hook工況下的車(chē)身側(cè)傾角，降低側(cè)翻因子值，提高車(chē)輛側(cè)翻穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Westhuizen S F V D， Els P S. Slow active suspension control for rollover prevention[J].Journal of Terramechanics， 2013，50（01）：29-36.

[2]褚端峰，李剛炎.半主動(dòng)懸架汽車(chē)防側(cè)翻控制的研究[J].汽車(chē)工程，2012（05）：399-402+432.

[3]黃啟科，麻友良，王保華.汽車(chē)電控空氣懸架發(fā)展與研究現(xiàn)狀綜述[J].湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2013（02）：27-33.

[4]Height and Leveling Control of Automotive Air Suspension System Using Sliding Mode Approach

[5]趙晶，何鋒，王浩宇，鄒俊輝.基于道路友好性的重型汽車(chē)半主動(dòng)空氣懸架聯(lián)合仿真[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2011（10）：36-40.