液罐車電動助力轉向和主動懸架集成控制研究

曾建力，程海濤

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

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液罐車電動助力轉向和主動懸架集成控制研究

曾建力，程海濤

(重慶交通大學交通運輸學院，重慶 400074)

摘要：根據汽車系統動力學原理，建立了三軸液罐車電動助力轉向和主動懸架集成控制動力學模型。為了提高液罐車行駛的操縱穩定性，在MATLAB中建立PID控制的EPS控制器和模糊控制的ASS控制器，以及兩者的集成控制系統，通過仿真分析不加控制、單獨控制和集成控制的效果，結果表明：集成控制效果最優。

關鍵詞：液罐車；電動助力轉向；主動懸架；集成控制

0引言

目前，汽車底盤集成控制是保障汽車安全性的一項熱門研究，特別是為了提高車輛操縱穩定性進行的電動助力轉向(EPS)和主動懸架(ASS)的研究已日趨成熟。大都是通過建立汽車電動助力轉向和主動懸架動力學模型，根據不同的控制策略設計轉向和懸架的控制器，在MATLAB/Simulink中仿真分析驗證控制器的有效性，研究的重點就是控制策略[1-3]。

針對液罐車電動助力轉向和主動懸架集成控制的研究很少，主要是借鑒轎車集成控制的研究。但是，液罐車與一般轎車的結構和參數不同，由于液罐車在不同充液比下質心位置發生變化，車輛在水平道路轉彎行駛和側坡道路直線行駛時罐內液體晃動，嚴重影響液罐車的橫向穩定性，對其轉向和懸架系統提出了更高的要求。為了提高液罐車行駛過程中的操縱穩定性，作者采用PID控制和模糊控制對轉向和懸架進行集成控制研究。

1液罐車集成動力學模型

1.1整車模型

根據液罐車的結構特點，建立六輪液罐車的動力學模

型[4-5]，圖1為液罐車轉向運動模型；圖2為整車俯仰運動模型；圖3為整車側傾運動模型。液罐車懸架采用電動助力轉向，懸架采用主動懸架，由阻尼、可控力和彈簧剛度組成。

整車的側偏和橫擺運動方程：

(1)

(2)

整車俯仰運動方程：

(3)

整車側傾運動方程：

(4)

懸掛質量垂直運動方程：

(5)

非懸掛質量垂直運動方程：

(6)

其中：Fzi為懸架作用在車身上總的作用力,i=1，2，3，4，5，6；

(7)

式(1)—(7)中：m為液罐車整車質量;ms為懸掛質量;mi為非懸掛質量;v為行駛速度;β為質心側偏角;ωr為橫擺角速度;h為側傾中心高度;φ為車身側傾角;Iz、Iy和Ix分別為繞z、y和x軸的轉動慣量;a和b1、b2分別為質心至前軸、第二軸和第三軸軸距;d為1/2輪距;θ為車身俯仰角;Zs為懸掛質量垂直位移;Zui為非懸掛質量垂直位移;Kui為前后輪胎剛度;Ksi為前、后懸架剛度;Ci為前、后懸架阻尼系數;Zi為前后輪胎垂直位移;Kaf(f=1，2，3)為前、后橫向穩定桿角剛度;fi為主動懸架作動器作用力。

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1.2ASS模型

主動懸架在傳統的被動懸架系統彈性元件、減振器和導向機構的基礎上附加了一個可控作用力裝置，這個裝置由有源或無源控制的元件組成，提供一個可調力來克服懸架的振動。特別是在車輛制動或轉向時，由于車輛慣性引起彈簧變形較大，主動懸架系統能夠產生一個力克服慣性力的作用，減少車身位置的變化。液罐車1/6主動懸架模型見圖4。

建立1/6主動懸架振動微分方程:

(8)

(9)

1.3EPS模型

所選液罐車采用齒輪齒條式轉向器，電子控制單元(ECU)采集轉矩傳感器和車速信號，根據存儲信息計算給出相應的電流來控制電動機，為轉向齒輪提供合適的助力，實現電動助力轉向。

假定液罐車前輪轉角為δ，轉向軸到前輪傳動比為P1，那么轉向小齒輪的轉角為[6]：

δ1=P1δ

(10)

對轉向小齒輪進行受力分析，可以得到其動力學方程：

(11)

1.4路面模型

采用濾波白噪聲路面模型作為路面輸入模型，用于時域仿真分析，路面不平度位移時域表達式為：

(12)其中： Zi(t)為路面位移；f0為下截止頻率；G0為路面不平度系數； ω(t)是均值為0的Gauss白噪聲。通常f0的取值在0.1 Hz左右，以保證所得的時域路面位移輸入與實際路面譜一致[7]。

1.5液罐車質心位置

液罐車發生側傾時，整車質心位置也發生變化[8]。設車輛縱向為x軸，橫向為y軸，垂向為z軸，則整車質心距y軸的距離a為：

(13)

而液罐車質心高度h為：

(14)

其中:m1為液罐車整備質量;m2為液體質量;m為整車質量;Ix為液體截面對x軸的慣性矩;S為液體截面面積;α為液面與水平面夾角;h1是空載時整車質心高度;h2是罐體中心到地面高度。

2集成控制策略

EPS系統根據轉矩傳感器和車速傳感器的信號來控制助力電機的助力大小，輸入為方向盤轉角δ和路面白噪聲ω(t)， 輸出為前輪轉角δ1、橫擺角速度ωr和轉向盤轉矩Th，選用PID控制來控制助力電壓。而ASS系統通過汽車各個部位的傳感器采集車輛的運動狀態、實時參數和外部輸入變化，控制執行機構調整懸架控制力，其輸出為車身側傾角φ、車身質心加

3仿真與結果分析

在MATLAB/Simulink中運用PID控制和模糊控制集成控制策略進行仿真，采用4階Runge-Kutta法，計算步長0.01。設車速v=60 km/h，轉向盤轉角階躍輸入為30°，采用上述的濾波白噪聲路面。假定行駛過程中各車輪處路面干擾輸入互不相干，仿真結果見圖6—10。

圖6所示為前輪轉角在3種不同控制條件下的表現情況，前輪轉角體現了前輪對方向盤角階躍輸入的響應，可以看出集成控制的轉向助力效果最佳，且達到穩態值的用時最短。圖7體現的是車輛在垂直方向上的加速度曲線，因為文中主要對車輛橫向穩定性進行控制，所以集成控制對車身垂直加速度作用不明顯。從圖8可以看出：單獨控制和集成控制時車身橫擺加速度均有減小，集成控制的峰值與不加控制相比從1.53減小到1.26 °/s2，減小了17.6%。而圖9和圖10分別為橫擺角速度和車身側傾角的變化，可以看出:集成控制與不加控制和單獨控制的曲線出現了交替和重疊，但是在t=2.5 s之前集成控制的峰值明顯更小，比起不加控制的峰值分別減少了25.6%和32.4%。總體看來，采用集成控制使車輛橫向操縱穩定性有了明顯的提高。

4結束語

在建立三軸液罐車動力學模型、EPS和ASS控制模型的基礎上，在Matlab/Simulink中設計了PID控制和模糊控制的集成控制器，對電動助力轉向和主動懸架的輸入、輸出變量進行控制。仿真結果表明：該集成控制器有效降低了前輪轉角、車身橫擺角速度、橫擺加速度和車身側傾角，從而使液罐車的操縱穩定性得到改善。

參考文獻:

【1】崔曉利,楊岳,袁傳義.車輛懸架系統與電動助力轉向系統的集成控制[J].中南大學學報(自然科學版),2009,40(6):1594-1598.

【2】魏俊生.汽車電控懸架和電動助力轉向協調控制研究[D].重慶:重慶大學,2008.

【3】汪少華,陳龍,袁傳義.車輛半主動懸架與助力轉向集成控制的仿真研究[J].汽車工程,2009,31(11):1066-1069.

【4】趙君卿，王其東.汽車電動助力轉向與主動懸架集成控制及其仿真[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2005,28(3):234-237.

【5】胡曉明,李萬莉,孫麗,等.液體晃動降低半掛液罐車行駛穩定性[J].農業工程學報,2013,29(6):49-58.

【6】王啟瑞,劉立強,陳無畏.基于隨機次優控制的汽車電動助力轉向與主動懸架集成控制[J].中國機械工程,2005,16(8):743-747.

【7】喻凡.車輛動力學及其控制[M].北京：機械工業出版社,2005:109-110.

【8】張漢國,丁輝.液罐車橫向穩定性計算與分析[J].重型汽車,1999(4):10-11.

Study on Integrated Control of Electric Power Steering and Active Suspension System of a Tank Truck

ZENG Jianli，CHENG Haitao

(Traffic and Transportation Institute, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

Keywords:Tank truck；Electric power steering(EPS)；Active suspension system(ASS)；Integrated control

Abstract:According to the principle of vehicle dynamics, an integrated control dynamic model of electric power steering (EPS) and active suspension system (ASS) of a three axis tank truck was established. In order to improve the driving operation stability of tank truck, PID controlled EPS controller and fuzzy controlled ASS controller were established in MATLAB, and the integrated control system was built. Simulation analyses in MATLAB/ simulink were done.The results show that the integrated control is better than no control and independent control.

收稿日期：2015-12-18

作者簡介：曾建力(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為車輛與交通安全。E-mail：pypzjl@sina.cn。

中圖分類號:U469.6+1

文獻標志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)03-023-04