基于主動油氣懸架的某重型車平順性研究

樂文超， 時 巖, 彭安琪, 李守成

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

基于主動油氣懸架的某重型車平順性研究

樂文超， 時 巖, 彭安琪, 李守成

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

油氣懸架因其變剛度、變阻尼特性在重型車上得到了廣泛的應用，但常規的被動式油氣懸架不能根據路面條件進行實時調整以滿足整車平順性的要求。在常規油氣懸架的基礎上提出了一種主動控制方法，首先在AMSEim中建立油氣彈簧的數學模型，并通過試驗驗證模型的正確性，然后建立1/4主動油氣懸架的動力學方程，采用Fuzzy-PID 算法完成對電液伺服閥的控制，從而實現對主動油氣懸架輸出力的控制。通過AMESim和MATLAB/Simulink聯合仿真表明，該主動油氣懸架的性能明顯得到改善，與被動懸架相比降低了車身加速度，提高了車輛的平順性。

油氣懸架；主動控制；AMESim/Simulink聯合仿真；平順性

油氣懸架是車輛懸架中比較特殊的一種懸掛裝置，它與傳統的車輛被動懸架相比，具有載重量大、變剛度、變阻尼等性能[1]，一般在重型車輛中運用比較廣泛[2]。應用于重型車輛的油氣懸架不僅具有良好的隔振性[3]、平順性[4]以及操縱穩定性[5]，還可以調節車身高度提高車輛的行駛通過性[6]。然而，常規的被動油氣懸架不能根據外部路面的輸入而進行參數的調整，故油氣彈簧不能時刻處于最佳的工作狀態。為進一步改善被動油氣懸架的性能，采用主動控制的方法對油氣懸架的性能進行調節[7]對于提高整車的平順性是十分必要的。

車輛油氣懸架系統具有非線性、參數時變性以及模型不確定性的特點，利用傳統的PID控制，可以運用其運算量小、實時性好的優點，但存在參數整定方法耗時費力、控制效果欠佳[8]的缺點；模糊控制擅長處理高度非線性模型及不依賴于精確的數學模型[9]，但模糊控制的精度低，控制效果不能滿足需求。而采用自適應模糊PID控制則集中了兩者的優點，提高了控制系統的性能[10-12]。本文針對某重型車的油氣懸架，建立1/4懸架動力學模型，根據懸架的運動狀態，采用 Fuzzy-PID 方法設計了控制策略對電液伺服閥進行控制實現對油氣彈簧輸出力的調節，以提高在不同路面調節下的平順性。同時，本文也利用AMESim的液壓/機械系統的圖形化建模功能和Simulink良好的控制分析功能對液壓伺服系統進行聯合仿真，通過對多領域的聯合仿真，可以提高仿真精度。仿真結果表明，本文所用主動控制方法能使車身振動明顯減小，提高了懸架的減振效果。

1 重型車主動油氣懸架結構與工作原理

某重型車主動油氣懸架系統的結構如圖1所示，該系統由兩部分組成，左邊虛線部分為被動油氣懸架，右邊虛線部分為其控制部分，通過控制伺服閥的輸出油路直接連接到作動機構油氣彈簧的缸筒內。其中,mb為1/4車簧載質量;mw為非簧載質量;kt為輪胎剛度,ct為輪胎阻尼;Qv為外界油源向油氣彈簧輸入輸出的油液流量;zr為路面位移;zw為非簧載質量位移;zb為簧載質量位移。

該主動油氣懸架的工作原理：在路面激勵作用下，用簧載質量的垂直位移為反饋信號，建立按偏差負反饋的控制器，通過Fuzzy-PID調控電液伺服閥的輸出流量，電液伺服閥的輸出油路直接連接到作動機構油氣彈簧的缸筒內，實現油氣彈簧力的可控。

圖1 某重型車1/4主動油氣懸架動力學模型Fig.1 A quarter dynamic model of a heavy vehicle active hydro-pneumatic suspension

2 主動油氣懸架建模

2.1 油氣彈簧模型

本文研究的重型車油氣彈簧主要由蓄能器和液壓缸組成，液壓缸內安裝有阻尼孔和單向閥，其物理模型如圖2所示。該油氣彈簧通過油液傳遞壓力,以惰性氣體作為彈性介質，通過壓縮氣體起到緩和沖擊的作用(等同于傳統懸架的彈簧)，通過油液流過阻尼孔所產生的阻尼力衰減振動(等同于傳統懸架的減振器)，并且由于單向閥的開和閉,實現了油氣懸架復原行程阻尼力較大，以迅速衰減振動；壓縮行程阻尼力較小，以發揮氣彈簧的彈性。

圖2 油氣懸架物理模型Fig.2 Physical model of hydro-pneuatic suspension

當活塞桿受到位移激勵信號的作用時, 忽略油液的可壓縮性和溫度變化，蓄能器內氣體瞬時壓力Pg由氣體絕熱方程得到：

(1)

式中，Pg0、Vg0分別為蓄能器在平衡位置處的氣體壓力與體積；Vg為蓄能器瞬時氣體體積；n為氣體多變指數。

假設油氣彈簧壓縮行程位移z為正，蓄能器瞬時氣體體積可表示為

Vg=Vg0-Acz

(2)

式中，Ac為活塞有效面積。

在油氣彈簧系統中，節流孔(阻尼孔和單向閥)是產生阻尼力的主要結構。根據薄壁小孔理論[13]，阻尼閥兩端壓力差可以表示為

ΔPdamper=

(3)

式中，ρ為油液密度，Cd為流量系數，S1為阻尼孔面積，S2為單向閥面積，為激勵信號的速度。

油氣懸架系統的受力一般由三部分組成：阻尼力、彈性力、摩擦力。通常情況下，油氣彈簧工作時活塞與油缸壁之間潤滑良好，因此摩擦力可以忽略。油缸中油液對活塞的作用力F可表示如下:

F=PcAc

(4)

式中，Pc為液壓缸內油壓，并且Pc=Pg+ΔPdamper。

根據油氣彈簧的數學模型及圖2油氣彈簧的物理模型圖，利用AMESim建立其等效仿真模型如圖3所示。

圖3 AEMSim油氣彈簧模型Fig.3 The AMESim model of hydro-pneumatic spring

為驗證上述油氣彈簧模型建立的正確性，對油氣彈簧進行臺架性能試驗，并且與仿真結果對比。臺架試驗如圖4所示，其中①為液壓缸，②為蓄能器，③為龍門架，④為液壓作動器。

圖4 油氣彈簧特性臺架試驗Fig.4 Bench test of the characteristics of hydro-pneumatic suspension

臺架試驗包括靜態特性試驗和動態特性試驗，靜態試驗是指在一定初始充氣壓力下油氣彈簧在靜止狀態時測得F和z之間的關系；動態性試驗是采用正弦激勵信號作用于活塞桿，測得F和z之間的關系。圖5為油氣彈簧的靜特性仿真與試驗曲線，圖6為在正弦激勵(頻率為1.25 Hz，振幅為30 mm)條件下，油氣彈簧的動態特性仿真與試驗曲線。由圖5～6可見,試驗結果和仿真結果的吻合程度較好,說明了建立的油氣彈簧數學模型是正確的。

圖5 油氣彈簧的靜態特性Fig.5 Static characteristics of hydro-pneumatic spring

圖6 油氣彈簧的動態特性Fig.6 Dynamic characteristics of hydro-pneumatic spring

2.2 主動油氣彈簧非線性模型

主動油氣懸架受到路面激勵時，其相對于被動油氣懸架通過阻尼閥的流量為Qv+Ac，蓄能器瞬時氣體體積可表示:

(5)

因此，根據式(5)可以得出油氣彈簧的輸出力為

(6)

整理式(1)～式(6)，并根據圖1的動力學模型，可得油液對活塞桿的作用力F與激勵信號z之間的關系可以表示為

(7)

3 模糊PID控制器的設計

把PID控制策略引入Fuzzy控制器，構成Fuzzy-PID復合控制，是改善模糊控制器穩態性能的一種途徑。目前這種復合控制器有多種構成形式，但其基本原理相同。本文選用的是如圖7所示的Fuzzy-PID。

圖7 Fuzzy-PID控制器結構圖Fig.7 Structure diagram of Fuzzy-PID controller

由圖7可知，本文建立的 Fuzzy-PID 的被控對象是電液伺服閥，以簧載質量的垂直位移為反饋信號，建立按偏差負反饋的控制器。Fuzzy-PID的仿真模型如圖8所示。

圖8 Fuzzy-PID的Simulink模型Fig.8 The Simulink model of Fuzzy-PID

本文的Fuzzy-PID采用如下公式對Kp、Ki、Kd參數進行調整：

Kp=kp0+kp；Ki=ki0+ki；Kd=kd0+kd

其中，kp、ki、kd是模糊控制器的輸出量，kp0、ki0、kd0是初

始參數。

主動懸架的Fuzzy-PID控制的輸入量為懸掛缸的高度偏差e和高度偏差變化量ec,輸出為三個調整值Kp、Ki、Kd，控制器中設定e和ec的論域均為[-6,6]，Kp、Ki、Kd的論域均為[-10,10]。其中，兩個輸入e,ec和三個輸出Kp、Ki、Kd均定義為7個模糊子集PB(正大)PM(正中)PS(正小)Z(零)NS(負小)NM(負中)NB(負大)。三個輸出變量的隸屬函數同輸入誤差和誤差變化率相同，都用梯形隸屬函數。

在對精確量進行模糊化后，根據各量的模糊集和隸屬函數，采用MAX-MIN模糊推理可以分別推導出模糊輸出變量Kp、Ki和Kd的模糊規則表。模糊控制規則的建立采用經驗歸納法，Kp、Ki和Kd自整定的模糊控制規則[14]，見表1。

表1 Kp、Ki、Kd的模糊控制Tab.1 Fuzzy control of Kp, Kiand Kd

根據表1的模糊規則推理出的模糊輸出量，通過反模糊化即可得到PID三參數的實際精確量，從而實現對PID的在線調整。

4 主動油氣懸架聯合仿真

為驗證本文所采用的控制算法有效性，利用MATLAB/Simulink與AMESim對其進行聯合仿真分析，如圖9所示，其控制模型如圖8所示，采用一個濾波白噪聲作為路面輸入模型，即：

(8)

式中，G0為路面不平度系數；u為車速；f0為下截止頻率；w(t) 為期望值為零的高斯白噪聲。重型車仿真輸入參數如表2所示。

圖9 主動油氣懸架仿真模型Fig.9 The simulation model of active hydro-pneumatic suspension

將主動油氣懸架同被動油氣懸架在相同的路面輸入條件下做仿真分析。圖10為路面隨機輸入位移曲線，圖11為主動油氣懸架的簧載質量的加速度仿真結果，圖12為被動油氣彈簧的簧載質量加速度仿真結果，圖13為兩者簧載質量的位移仿真結果，圖14和圖15分別為路面激勵下的被動和主動油氣懸架的車身加速度功率譜密度(PSD)結果。

表2 重型車仿真輸入參數Tab.2 Heavy vehicle simulation input parameters

圖10 路面隨機輸入Fig.10Roadrandominput圖11 被動懸架的車身加速度Fig.11Bodyaccelerationofpassivesuspension圖12 主動懸架的車身加速度Fig.12Bodyaccelerationofactivesuspension

圖13 主動、被動懸架的車身位移Fig.13Bodydisplacementofactiveandpassivesuspension圖14 被動懸架車身加速度PSDFig.14BodyaccelerationPSDofpassivesuspension圖15 主動懸架車身加速度PSDFig.15BodyaccelerationPSDofactivesuspension

由圖10～13可以看出，主動控制的油氣懸架簧載質量的位移與加速度優于被動懸架。經過計算，簧載質量的加速度均方根植由被動懸架的0.16 g降為0.13 g，主動控制的油氣懸架的車身峰值加速度明顯減小；從圖14和圖15的車身加速度PSD圖可以看出，主動懸架的振動峰值在3.5 Hz處較被動懸架下降明顯。

3 結 論

本文針對某重型車的油氣懸架，從建模與驗證出發，建立了油氣懸架非線性模型。融合模糊控制與PID控制的優點，設計模糊PID控制器，并利用MATLAB / Simulink 與 AMESim 的聯合仿真，研究其對主動油氣懸架的控制效果。仿真結果表明，有主動控制的油氣懸架簧載質量的加速度均方根植較被動油氣懸架低約19%，并且通過車身加速度PSD圖對比，驗證了本文所設計的主動控制方法能有效的改善車輛的平順性，提高車輛的舒適性。

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Study on ride comfort of a heavy vehicle based on active hydro-pneumatic suspension

YUE Wenchao, SHI Yan, PENG Anqi, LI Shoucheng

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Because of the variable stiffness and damping characteristics of the hydro-pneumatic suspension, it has been widely used in heavy vehicles. The conventional hydro-pneumatic suspension cannot be adjusted to fulfill the requirements of vehicle ride comfort based on road conditions. In this work, an active control method was proposed based on conventional hydro-pneumatic suspension. After modeling and experimental validation of the hydro-pneumatic spring, a quarter dynamic model of vehicle active hydro-pneumatic suspension was established and then Fuzzy-PID was used to control the active hydro-pneumatic suspension. It was co-simulated with AMESim and MATLAB. The simulation results show that the vehicle acceleration is reduced obviously and the ride comfort characteristics are improved comparing with passive suspension.

hydro-pneumatic suspension; active control; AMESim/Simulink co-simulation; ride comfort

江蘇省自然科學基金項目(BK20130757)

2015-08-28 修改稿收到日期：2015-11-30

樂文超 男，碩士生，1990年生

李守成 男，研究員，1957年生

U461.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2016.24.029