基于模糊控制的電磁閥式阻尼連續可調懸架性能仿真研究

谷玉川 張晗 王祥 邱昱

摘要：自主研制了外置電磁閥式阻尼連續可調減振器系統（External solenoid-actuated shock absorber， ESSA），以ESSA樣機為基礎研究了ESSA半主動懸架系統的控制算法。首先，闡述了ESSA系統結構及工作原理;然后，通過臺架試驗得到了ESSA的阻尼力-速度-電流關系曲線。最后，基于Matlab/Simulink設計了ESSA半主動懸架模糊控制器，并在CarSim環境中搭建了整車動力學模型，結合ESSA阻尼力map圖，進行了Matlab/Simulink與CarSim的聯合仿真試驗。試驗結果表明：研制的ESSA半主動懸架系統的各項指標均優于傳統懸架系統。

關鍵詞：電磁閥式減振器;半主動懸架;模糊控制;數字仿真

中圖分類號：U461.99 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）03-0001-04

0 引言

阻尼連續可調懸架系統的核心零部件是阻尼可變減振器系統，通過布置在車身、車輪的傳感器實時采集車輛行駛狀態，結合控制算法對可調減振器的阻尼力進行實時調節，能夠顯著提高車輛的操控性、平順性。

阻尼連續可調減振器及其相關技術在國外高端車型已經得到了應用，具有相對成熟的研究成果[1-3]。但是，阻尼連續可調減振器及其控制系統在我國仍未得到廣泛應用，相關的技術研究工作均由院校等科研機構開展，如郭孔輝院士團隊[4-6]對閥控阻尼可調減振器的工作原理進行了分析，并研究了閥控阻尼可調減振器的控制算法，通過道路試驗驗證了所研制的閥控減振器系統功能。陳無畏教授[7-9]團隊提出了基于功能分配協調的汽車閥控減振器與ESP的集成控制器。陳龍[10]等建立多狀態切換的阻尼可調減振器仿真模型，結合臺架試驗驗證了模型的有效性。黎劍鋒[11]等研制了一種基于電液比例閥控式半主動減振器，進行了樣機試制與臺架試驗。

本文自主研制了一種外置電磁閥式阻尼連續可調減振器系統（External solenoid-actuated shock absorber，ESSA），搭建了基于Matlab/Simulink與CarSim的聯合仿真模型，研究了ESSA懸架的半主動控制算法及性能表現。

1 ESSA半主動懸架系統工作原理

ESSA半主動懸架系統架構如圖1所示，車身與車輪均布置有加速度傳感器實時采集加速度信號，結合車速、方向盤轉角、油門等信號作為輸入信號發動給控制器，控制算法根據車輛的行駛信號進行ESSA的阻尼力控制。

顯而易見，ESSA是半主動懸架系統中的核心執行元件，與傳統減振器相比，ESSA具有一個外置的電磁閥與一個中間油腔，結構如圖2所示。外置電磁閥由一個比例電磁閥與一個溢流閥組合而成，控制器通過控制算法輸出不同的電流控制比例電磁閥中的閥芯位置，從而改變了比例電磁閥閥片開度，閥片的油液流通量得到控制，實現阻尼力的實時調節。中間油腔則是布置在儲油腔與工作腔之間，中間腔室通過常通節流孔與工作腔的伸張行程腔室相連接;電磁閥組件的進油孔與中間腔相通，出油孔則與儲油腔相通。

當減振器處于壓縮行程時，一部分油液從底閥流至儲油腔，另一部分油液則通過活塞閥流至工作腔中的有桿腔，亦即伸張行程腔室，再經由中間油腔與工作腔的有桿腔之間的常通孔流入中間腔，進入電磁閥組件總成。當比例電磁閥關閉時，油液從電磁閥組件中的單向溢流閥流至儲油缸;當比例電磁閥通電導通時，壓力未達到溢流閥開閥壓力時，油液經由比例流量閥回流至儲油腔，此時，根據不同電流的大小，比例流量閥開度也不盡相同，從而達到調節阻尼力大小的目的;當壓力達到溢流閥開閥壓力時，油液從溢流閥流入儲油缸。伸張行程工作原理與壓縮行程大致相似，不再贅述。

根據ESSA工作原理，研制出ESSA樣機進行了臺架測試。采集試驗過程中不同電流、不同行程正弦激勵下的減振器阻尼力值，形成ESSA阻尼特性map如圖3所示。

2 系統模型

2.1 車輛動力學模型

CarSim是專業的車輛動力學仿真軟件，可以實現整車操縱穩定性、行駛平順性、制動性能、動力經濟性的仿真試驗，同時，也被廣泛應用于汽車控制系統的開發過程中。本文利用CarSim建立了某SUV車型的整車動力學模型，用于ESSA系統的算法開發仿真試驗，仿真模型界面如圖4所示。

2.2 路面模型

路面模型采用濾波白噪聲法，對一均值為零的高斯白噪聲經過變換得到模擬的路面位移信息，由式（1）計算得到的某B級路面位移如圖5所示。

式（1）中：xr為路面位移;f0為下截止頻率;n0為參考空間頻率;Gq（n0）為路面不平度系數;u為車速;wt為均值為零的高斯白噪聲。

3 控制策略

模糊控制是一種需要依靠專家先驗知識的控制方法，模糊控制規則需要根據先驗知識進行編制。一般而言，模糊控制算法設計分為控制器結構選擇、輸入變量模糊化、模糊規則制定、控制變量解模糊化幾個步驟。控制器建模時可將車輛簡化為一個如文獻[12]中圖1所示的四分之一模型。

3.1 模糊控制器結構選擇

模糊系統的結構選擇通常指的是確定模糊控制器的輸入、輸出變量，根據不同的被控系統，由于輸出、輸出變量及其數量的不同，模糊控制器的復雜程度也不盡相同。對于ESSA懸架系統而言，采用車身速度誤差e、車身速度誤差變化率，亦即車身加速度誤差ec作為控制變量，ESSA的可調阻尼力Fd為輸出變量，記為u。

選定輸入、輸出變量后，則需要對輸入、輸出變量的基本論域進行確定。以傳統懸架模型為擬被控對象，進行不同工況下的仿真試驗，得出e與ec作為控制輸入變量，以上其、下限作為輸入變量論域的邊界;以理想控制的實際控制力的上、下限作為輸出變量的論域。因此，通過離線仿真得出e的基本論域為[-0.1， 0.1]m/s，ec的基本論域為[-1， 1]m/s2，u的基本論域定為[-500，500]N。

3.2 變量的模糊化

模糊變量的模糊化過程就是采用人類所熟知的定性語言例如“大、中、小、快、中、慢”等對定量的數據進行描述，。本文選擇常用的模糊語言“正大（PB）、正中（PM）、正小（PS）、零（ZE）、負小（NS）、負中（NM）、負大（NB）”描述輸入輸出變量，因此，輸入變量對應的模糊集合E={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，EC={NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，輸出變量對應的模糊集合U={S，M，B}。

假設輸入變量e的模糊集合論域定義為{-n，-n+1，…，0，n-1，n}，n即為模糊語言的層級，表示輸入變量在[0，e]區間內的層級，n取為3，則E的模糊論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，EC的模糊論域同理;U的模糊論域則可以取為{0，1，2}。則根據量化因子與比例因子的定義如式（2）至（4）所，可以得到量化因子ke=30，kec=3，ku=250。

確定模糊論域之后，選擇模糊隸屬度函數，隸屬度函數多種多樣，但是常用的隸屬度函數只有三角隸屬度函數、高斯隸屬度函數與梯形隸屬度函數三種，本文采用三角隸屬度函數，其解析表達式如式（5）所示：

3.3 模糊規則

模糊規則是以語言對被控對象特征進行合理描述的過程，需要深厚的先驗知識進行歸納總結。通常，模糊規則語句的呈現形式為：if E is NB and EC is NB，then U is PB，此模糊語句表達的含義為如果輸入變量E為負大，并且輸入變量EC也為負大，則輸出變量U為正大。根據模糊規則確定的輸出關系曲面如圖6所示。

3.4 解模糊化

經過模糊推理得到的控制量還處于模糊論域之中，不能為實際的被控系統所用，因此，需要將其轉化到基本論域范疇，這個過程即為解模糊化。解模糊化的方法也有多種，例如最大隸屬度函數法、中位法、重心法等，其中，重心法由于能夠使得控制量的輸出更為平滑而得到了廣泛的應用，因此，本文采用重心法，其解析表達式如式（6）所示：

（6）

4 仿真試驗

仿真利用到的是某一款SUV車型技術參數，如表1所示。選定車速60km/h下的B級路面勻速行駛、單脈沖路面行駛工況做為仿真條件，考察了四個車輪、各個車輪所對應的車身質量點、質心位置等的加速度指標。本文以左前車身加速度、左前車輪動載荷為例進行示例分析說明。

通過圖7、圖8可以看出，B級路面直線行駛工況時，在車身共振峰值頻率、車輪共振峰值頻率處，配置了模糊控制的ESSA懸架指標明顯優于被動懸架系統;在兩個峰值頻率之間的過渡頻段內，兩個系統的指標幅值差別較小。

通過圖9、圖10可以看出，單脈沖路面行駛工況下，配置了模糊控制的ESSA懸架的車身位移幅值明顯小于傳統懸架系統，同時，沖擊衰減的時間也比傳統懸架時間少;而對于車輪位移指標，ESSA懸架在峰值處也略小于傳統懸架系統，對沖擊產生的余振衰減也優于傳統懸架系統。

5 結語

本文自主設計開發了一種ESSA系統，并進行了電磁閥減振器本體的臺架試驗，獲得了ESSA的阻尼力-速度-電流的關系曲線，基于CarSim搭建了某SUV車型整車動力學模型，利用MATLAB/Simulink設計了一種模糊控制器，基于CarSim與MATLAB/Simulink進行了ESSA的整車動力學聯合仿真試驗，仿真試驗結果表明配置模糊控制器的ESSA系統在振動衰減與沖擊衰減方面均明顯優于傳統懸架系統。

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Abstract：A vehicular external solenoid-actuated shock absorber（ESSA） was developmented independently， then the semi-suspension control method based on ESSA was analyzed. Firstly， the system structure and working principle of the ESSA was described. Then， the characteristic curve of ESSA was tested by test bench， the damping characteristics with different current and velocity were also obtained by bench test. Lastly， the fuzzy controller was designed in MATLAB/Simulink， and a full vehicle dynamical model was constructed in CarSim， the co-simulation carried out by MATLAB/Simulink and CarSim. The simulation results showed that the performance of ESSA was better than the passive suspension system.

Key words：solenoid-actuated shock absorber;semi-active suspension;fuzzy control;digital simulation