汽車動態底盤控制系統多模式垂向控制及實車驗證

張亮修， 吳光強， 魏新輝

(1.上海保隆汽車科技股份有限公司， 上海 201619； 2.同濟大學汽車學院， 上海 201804)

動態底盤控制(dynamic chassis control，DCC)系統亦稱自適應底盤控制系統，能夠針對路面行駛工況和駕駛員需求實現4個阻尼連續可調半主動懸架阻尼力的自適應可變調整，將汽車底盤調節成舒適、標準和運動3種模式，有效平衡汽車操穩性與舒適性技術難題，但目前中國對此系統尤其是控制策略缺乏足夠了解。

許多學者對半主動懸架控制方法開展了大量研究，主要有天棚控制[1]、最優控制[2]、滑模控制[3]、自適應控制[4]、模糊控制[5]、分數階控制[6]和模型預測控制[7]等。文獻[8-9]開展了阻尼可調半主動懸架的臺架和實車道路試驗。總體來言，現有研究多偏向理論，缺乏工程應用，尤其是針對多種模式可調的DCC系統，并未提出明確可行的控制策略，以及進行相應的實車驗證。為此，在研究經典天棚和地棚控制的基礎上，提出改進天棚控制策略，將其分別實施于DCC系統舒適、運動和標準3種模式的控制，自主完成DCC控制器的開發、匹配和標定，進行整車級的道路實車對比驗證，為DCC系統國產化提供參考。

1 半主動懸架1/4車輛建模

圖1為1/4車輛模型。圖1(a)為被動懸架，懸架剛度ks和阻尼系數cs為定值；圖1(b)為裝有阻尼可調減振器的半主動懸架，ud為減振器可控阻尼力，能夠根據實際行駛路況連續可調。

ms為簧上質量；mu為簧下質量；ks為彈簧剛度；cs為被動懸架阻尼系數；kt為輪胎垂向剛度；zs、zu和zg分別為簧上質量、簧下質量和路面輸入的垂向位移圖1 1/4車輛模型Fig.1 1/4 vehicle models

為便于后述控制策略描述，建立阻尼可調半主動懸架動力學方程如式(1)所示：

(1)

2 多模式垂向控制策略設計

針對DCC系統的3種不同的模式需求，采用3種不同的垂向控制策略，如圖2所示。

csky為理想天棚阻尼系數；cgrd為地棚阻尼系數；cmsky為對應天棚阻尼系數；cmv為可變阻尼虛擬系數圖2 半主動懸架垂向控制示意圖Fig.2 Vertical control diagram of semi-active suspension

2.1 天棚控制策略

天棚控制最早由Karnopp提出[1]，用于提升乘坐舒適性。之所以稱為天棚控制，是因為汽車簧上質量與慣性參考系之間具有天棚阻尼力，如圖2(a)所示，理想天棚阻尼力為

(2)

式(2)中，Fd,sky為理想天棚阻尼力；csky為理想天棚阻尼系數，csky>0。

(3)

式(3)中，ud,sky為實際天棚控制力；Fd,max和Fd,min分別為實際減振器最大作用力和最小作用力。

2.2 地棚控制策略

地棚控制與天棚控制相反，主要是控制輪胎垂向動載荷，提高車輛操穩性[10]，如圖2(b)所示，理想的地棚阻尼力為

(4)

式(4)中：Fd,grd為理想地棚阻尼力；cgrd為地棚阻尼系數，cgrd>0。

同樣，理想地棚阻尼力Fd,grd也難以實現，需要通過控制實際減振器的阻尼特性來模擬地棚控制效果，實際地棚控制力為

(5)

式(5)中：ud,grd為實際地棚控制力。

2.3 改進天棚控制策略

天棚控制作以提升車輛的平順性為主，但會影響車輛操縱穩定性，而地棚控制主要用于控制輪胎動載荷，忽略了車輛平順性。為了改善由天棚控制導致的車輪動載惡化，提出改進天棚控制策略[11]，如圖2(c)所示，理想的改進天棚阻尼力為

(6)

式(6)中：Fd,msky為理想的改進天棚阻尼力；cmsky和cmv分別為對應天棚阻尼系數和可變阻尼虛擬系數，且滿足cmsky>0、cmv>0。

為了得到改進天棚阻尼系統cmsky和cmv，首先基于全局最優的線性二次型調節器(LQR)方法得到對應主動懸架的最優主動阻尼力，然后通過最小化改進天棚控制阻尼力和LQR最優阻尼力之間的差值，得到改進天棚阻尼系數。

定義綜合描述車輛平順性和操穩性的性能指標：

wt(zu-zg)2+ru2]dt

(7)

式(7)中：T為積分時間；t表示對時間積分；wa、ws、wt分別為車身垂向振動加速度、懸架動行程和輪胎動位移的加權系數；r為控制輸入加權系數，用于限制控制量的抖動。

根據狀態方程[式(1)]，性能指標如式(8)所示：

(8)

式(8)中：W=diag[wa,ws,wt]；Q1=MTWM；Q2=MTWN；R1=NTWN+r。

(9)

式(9)中：P為正定矩陣。

求得的LQR反饋控制增益及最優控制力為

(10)

(11)

將改進天棚阻尼力[式(6)]以負反饋形式表示，即

Fd,msky=-Kmsky·z

(12)

反饋狀態變量z與x之間滿足

z=Hx

(13)

將式(13)代入式(11)，得到以x為反饋狀態變量的改進天棚阻尼力：

Fd,msky=-Kmsky·H·x

(14)

對比式(11)、式(14)，改進天棚控制增益Kmsky可以通過最小化式(15)范數[12]得

(15)

則改進天棚阻尼控制增益為

(16)

ud,msky=

(17)

式(17)中：ud,msky為實際改進天棚控制力。

2.4 多模式垂向控制策略實施

對于舒適模式，主要以提高舒適性為目的，采用經典的天棚控制；對于運動模式，主要以提高操穩性為目的，采用地棚控制；而對于標準模式，則采用改進天棚控制策略，同時兼顧舒適性和操穩性。

天棚阻尼系數和地棚阻尼系數在大量仿真數據基礎上選定，通過綜合比較不同阻尼系數時的車輛振動響應量均方根值，取天棚阻尼系數csky=2 500，地棚阻尼系數cgrd=3 000。改進天棚控制增益是通過最小化LQR最優主動阻尼力和改進天棚控制阻尼力之間的差值得到，改進天棚阻尼系數為cmsky=2 125，cmv=120。

式(3)、式(5)、式(17)所述阻尼控制力需轉化為電流信號才能作為DCC實際控制器的輸出。圖3為通過減振器臺架試驗實測的阻尼特性曲線，在阻尼力已知時，結合減振器相對運動速度通過插值就可獲得對應的控制電流。

I為控制電流圖3 減振器阻尼特性Fig.3 Damper characteristics of shock absorber

3 結果驗證

3.1 仿真驗證

基于Carsim/Simulink搭建聯合仿真平臺，分別在A、B、C三級路面，車速依次為30、60、90、120 km/h。為便于結果分析，3種模式下的結果分別用舒適、標準、運動表示。

圖4 B級路面振動響應量均方根值Fig.4 RMS value of vibration response under level B pavement

圖4為B級路面不同車速下的振動響應量均方根值。由圖4(a)可知，與標準模式相比，舒適模式下的車身垂向加速度較小，而運動模式下的數值較大。由圖4(b)可知，運動模式時輪胎動載荷最小，其次是標準模式，而舒適模式下的輪胎動載荷最大。分析其原因為：舒適模式采用經典天棚控制，僅以車身垂向速度為反饋狀態量，故車身垂向加速度較小，而輪胎動載荷較大；運動模式采用地棚控制，以輪胎垂向速度為反饋狀態量，故輪胎動載荷較小，而車身垂向加速度較大；標準模式采用改進天棚控制，同時把車身垂向速度和懸架相對運動速度作為反饋狀態量，其控制效果介于舒適模式和運動模式之間。總的來看，隨著車速的升高，振動響應量的均方根數值呈上升態勢。

圖5為車速90 km/h時在不同路面等級下的振動響應量均方根值，從圖5可以看出，隨著路面等級的升高(A～C級)，振動響應量的均方根數值均呈上升態勢。

3.2 實車驗證

自主完成DCC控制器開發、匹配和標定，并與原車自帶控制器和被動減振器進行控制效果對比。圖6為試驗車輛和自主研發控制器實物圖。

3.2.1 隨機路面工況

試驗車輛分別以40、60、80 km/h駛過試驗路段，表1為80 km/h時的加權加速度均方根值。從表1可以看出，自主研發控制器的控制效果明顯優于被動減振器和原車控制器，其中在標準模式下與原車控制器相比，駕駛員座椅面和后排座椅面的數值分別減小了8.93%、11.79%。

圖5 在不同路面等級下的振動響應量均方根值Fig.5 Root mean square value of vibration response under different road levels

圖6 試驗車輛和自主研發控制器Fig.6 Test vehicle and self-developed controller

3.2.2 減速帶工況

試驗車輛分別以20、40、60 km/h通過指定減速帶。根據國家標準《汽車平順性試驗方法》(GB/T 4970—2009)，減速帶工況(脈沖輸入)下的行駛評價指標用最大(絕對值)加速度響應來表示，即

(18)

按照式(18)計算不同車速和不同模式下的行駛評價指標，結果如表2～表4所示，與原車控制器相比，在自主研發控制器作用下，車輛不同測量位置的最大(絕對值)加速度響應值都明顯減小，其中在標準模式下，車速為60 km/h時，駕駛員座椅面和后排座椅面的數值分別減小了8.29%、9.02%。故在減速帶工況驗證了控制策略和所研發控制器軟、硬件的可行性。

4 結論

(1)設計了針對DCC多種模式的垂向控制策略，自主完成控制器的開發、匹配和標定，進行了整車級的道路實車對比驗證，為DCC系統國產化提供參考。

(2)建立了半主動懸架1/4車輛模型，研究經典天棚和地棚控制算法，并在此基礎上提出改進天棚控制策略，將其分別實施于動態底盤控制系統的舒適、運動和標準3種模式。

表1 隨機路面工況車速80 km/h時加權加速度均方根值

表2 減速帶工況定量統計結果(舒適模式)

表3 減速帶工況定量統計結果(標準模式)

表4 減速帶工況定量統計結果(運動模式)

(3)仿真和實車道路驗證結果表明，所提出的控制方案滿足DCC系統多種模式可調的需求，并在某些模式下明顯優于被動減振器和原車控制器。