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货运车辆主动悬架适应性能优化控制研究

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第35卷第9期 文章编号:1006—9348(2018)09—0131—05 计算机仿真 2018年9月 货运车辆主动悬架适应性能优化控制研究 候玉波,牛志刚,李一君。王志同 (太原理工大学机械工程学院.山西太原030024) 摘要:馈能主动悬架在减振的过程中,复杂的路面输入对其平顺性和馈能效率有较大影响,为改善这种状况,采用了模糊 PID控制策略。选择某微型纯电动物流货车的馈能主动悬架为研究对象,建立1/4车辆悬架动力学数学模型和电机数学模 型。利用MATLAB/Simulink软件对馈能主动悬架模型在路面激励下的工作状态进行仿真,以悬架动行程和悬架动行程变化 率作为输入,通过模糊控制器的输出在线调整PID控制器的三个参数,使馈能主动悬架能适应复杂的路面状况。结果表明: 与传统的PID控制相比,模糊PID控制的车身垂直加速度、悬架动行程和轮胎动位移都有明显的改善。同时馈能效率也得到 了提高,验证了控制策略的有效性。 关键词:馈能悬架;控制策略;平顺性;馈能效率;仿真分析 中图分类号:TP391.9 文献标识码:B Research on Adaptive Performance Optimization Control of Freight Vehicle Active Suspension HOU Yu-bo,NIU Zhi-gang,LI Yi-jun,WANG Zhi-tong (College of Mechanical Engineeirng,Taiyuan University of Technology,Taiyuan Shanxi 030024,China) ABSTRACT:In the process of energy—regenerative active suspension damping,the complex pavement input has a great influence on its smoothness and energy-regenerative eficifency.In order to improve this situation,the fuzzy PID control strategy is adopted.A mathematical model of 1/4 vehicle suspension dynamics and mathematical model of mo— tots is established by selecting the energy-regenerative active suspension of a miniature pure electic lrogistics truck. The working state of the energy-regenerative active suspension model under the road excitation is simulated by MAT- LAB/Simulink software,and the change rate of the suspension stoke and trhe suspension stroke is taken as input. The output of het fuzzy controller is used to adjust the PID controller of three parameters,SO that the energy—regenera- tive active suspension can be adapted to the complex road conditions.The resuhs show that,compared with the tradi— tional PID control,the fuzzy PID control improves the vertical acceleration,suspension stroke and tire displacement obviously,meanwhile,the energy—regenerative eficifency is improved,and the effectiveness of the contolr strategy is veriifed. KEYWORDS:Energy-regenerative suspension;Control strategy;Smoothness;Enery-regeneratigve efficiency;Sim— ulation analysis 1 引言 馈能悬架能够将原本传统减振器耗掉的能量转化为电 能储存并且再利用。增加主动悬架能量供给,馈能型车辆主 动悬架技术的发展已受到广泛的关注…。车辆主动悬架能 够根据行驶状态和外界干扰的变化自动地在车架和车桥之 由于传统的液压减振器存在结构复杂、效率低、易泄露 等缺点,而采用电机式馈能悬架回收悬架振动能量,并对馈 能悬架进行主动控制[3],此时电机既可作为电动机又可作为 发电机,所以电机具有结构简单,控制灵活,回收能量,可靠 性强等诸多优点_4],更好地达到平顺性和节能的目的。 对馈能主动悬架的控制.其实主要是控制策略的选择。 传统PID控制策略的参数不能随着被控对象输入变化而作 间产生主动力,减弱路面传来的振动冲击,提高车辆行驶平 顺性和操纵稳定性[2]。 相应的调整[5]:模糊控制基于经验设计特殊的模糊规则,不 基金项目:山西省经济和信息化委员会技术创新项目(CX2014—45) 收稿日期:2017—05—31修回日期:2017—07—17 需要建立精确数学模型。具有较强的适应性和自我调整 性_6];但是模糊控制的精度较差,不能准确控制目标。本文 一1 3】一 模糊PID控制策略结合上述两种控制策略.它既保持了模糊 控制算法不依赖精确模型、控制灵活快速的优点.又结合了 根据图2的模型得到的动力学微分方程如下 m6 x + x6一 )一F=0 (I) PID控制算法静态误差小的优势 ,利用独特的模糊控制规 则,PID的参数进行自我调整,对馈能主动悬架中的主动力 进行良好的控制,最终达到平顺性和节能性。 m…x — (戈6一 )+ ( 一 )+F=0 (2) 式中,m 、m 分别为悬挂质量(车身质量)、非悬挂质量(车轮 质量); 、 、 分别为车身垂直位移、车轮垂直位移、路面 垂直输入; 、K分别为弹簧刚度、轮胎刚度;,为馈能主动悬 架的主动力。 2.3路面输入模型 2馈能悬架的工作原理及数学模型的建立 2.1馈能悬架的工作原理 馈能主动悬架采用的是滚珠丝杠和旋转电机组成减振 器的馈能装置。当车辆行驶在不平路面时。馈能悬架将簧载 分析悬架的振动首先考虑的就是路面输入,采用滤波白 噪声的输入来产生路面不平度时间轮廓.其时域数学模型 为… 互 (£):一2 ̄fox (£)+2 ̄rn。 ∞(£) (3) 质量和非簧载质量之间的直线运动转变为由旋转电机带动 滚珠丝杠机构进行直线运动_8]。此时旋转电机根据控制指令 输出主动控制力,处于发电或制动状态,利用电机的转矩产 生主动力来抑制或衰减车身的振动:同时滚珠丝杠和旋转电 机通过能量转换装置能够将振动能量进行回收。馈能主动 悬架丁作原理如图1。 式中 为下截止频率;rt。为参考空间频率;Go为路面不平度 系数; 。为车速;to 为高斯白噪声的时域信号; (£)为路面 谱的时域信号。 2.4电机数学模型 模糊PID控制器最终输出量作为电压信号 输入电机 模型,电机输出作用力F作用于滚珠丝杠上。则电机的数学 模型为 :月 +£ nf +E (4) (5) (6) E=Bl F=Bli 图1 馈能主动悬架工作原理图 式中:U、E、i、R、L、V分别为电机的输入电压、电机电动势、内 阻、电流、电感、电机转速。B、1分别为电机的磁场强度、线圈 由于滚珠与丝杠和螺母间存在滚动摩擦,对馈能主动的 研究会产生影响.但是它们之间的摩擦系数只有滑动摩擦的 1/50左右,一般取值在0.001左右,相比于研究的馈能悬架 的主动力就显得很小.为了简化研究,在建模的过程中忽略 滚珠与丝杠和螺母间的摩擦。 2.2馈能主动悬架数学模型的建立 为了便于研究悬架系统阻尼对车辆振动频率响应的影 响 。将汽车化简为2自由度I/4车辆模型『I引,馈能主动悬 架模型如图2。 切割磁场的有效长度。选定电机后B、f为常数。 2.5 馈能主动悬架馈能效率 在悬架的馈能过程中,电流i在U的作用下不断地流入 和流出蓄电池.则蓄电池的功率就是馈能悬架的功率。设蓄 电池的瞬时功率为P,当P>0时,蓄电池放电,此时悬架耗 能,记为P耗;当P<0时,蓄电池充电,记为P克,此时悬架馈 能。 根据上式(4)得 P:Ui:Ei+i2R+Li_dt Ⅱf (7) 式(7)中的 为电路中的电机的瞬时功率,当Ei>0时,则 1 表示此时电机为电动机状态:当Ei<0时,则表示此时电机 为发电机状态。 R为电路中电阻发热所消耗的功率,它的 数值始终为正,即电阻始终在耗能。Li di为电感的瞬时功  率,当Li di>O则表示电感中存储的磁场能增加,当 di,<0,则表示电感中存储的磁场能减少。 设悬架的馈能效率为蓄电池消耗的功率比蓄电池充电 . l 的功率,记为叩,则 叩= (8) 图2 1/4馈能主动悬架示意图 一132一 3 馈能主动悬架模糊PID控制器设计 馈能主动悬架模糊PID控制器采用两输入三输出的控 为了更好地调整PID控制参数。参考专家经验的知识库 建立模糊PID的模糊规则,推断出e、ec、△ 、Ak 和Ak 之间 制量,悬架动行程%一 和悬架动行程变化率x 一x 作为模 糊PID控制器的输入变量,输出变量通过模糊PID控制器后 由电机输出主动力,。馈能主动悬架模糊PID控制原理图如 图3。 图3 馈能主动悬架模糊PID控制原理图 令e:‰一 ,ec=x6一 ,先将精确的输入量e和ec转 化成模糊的语言值E和EC进行输入,然后根据模糊规则进 行模糊推理,得到输出的语言变量△ 、△ ,和△ ,最后再 将AK △Kt和△%通过解模糊化得到准确的输出变量△ △ 和△ ,完成对电机输出馈能悬架主动力F的有效控制。 3.1模糊语言的设计 模糊控制器的语言变量有5个:悬架动行程e,悬架动行 程变化率ec,和PID控制器的三个修正值△J} △ 和△ 。其 中,悬架动行程P和悬架动行程变化率ec作为输入变量,△ 。、 Ak 和Ak 作为输出变量。悬架动行程e和悬架动行程变化 率ec的基本论域分别为[一6,6],[一3,3];△J} Ak 和△ 的 基本论域分别为[一20,20],[一5,5],[一0.1,0.1]。变量e、 ec、ak △ 和△ 都采用7个模糊子集描述,即{NB(负大); NM(负中);NS(负小);ZO(零);PS(正小);PM(正中); PB(正大)}。 3.2 隶属度函数的设计 在MATLAB中建立模糊控制隶属度函数,并对输入和输 出变量的隶属度函数进行设计,文中的各输入、输出量隶属 度函数均选用三角形,如图4所示。 图4 各输入、输出隶属度函数 3.3 设计模糊控制规则 的关系,得出表中所示的调整修正PID控制器△ 、Ak。和△ 的模糊规则,其三者的模糊控制规则见表1、表2和表3。 表1 AKp模糊控制规则表 3.4模糊PID控制清晰化方法 模糊PID控制输出量的清晰化,就是将模糊集合最终化 为具体清晰的数值,再作为被控对象的输入,文中采用的清 晰化方法为面积中心法。 一133— 4馈能主动悬架仿真分析 4.1仿真模型 馈能悬架在MATLAB/Simulink中搭建的系统模型如图 5。 图7悬架动行程 图5馈能主动悬架模糊PID控制仿真模型 04 模糊控制器首先将车身位移做模糊化运算,再对照上面 的模糊规则进行模糊推理。最后对输出结果的模糊变量做清 晰化处理,从而就可得到比例、积分和微分的调整系数△ 、 AK.和△ ,代入下式计算 = +△ (9) 誊 需 窭 鬻 Ki= +△ . (10) (11) Kd=Kdo+AKd 其中, 。、Ki。和 。是模糊PID设置的初值; 、K。和K 是调 整后最终的结果。 4.2仿真结果分析 2 3 4 时问『窖 为了改善馈能主动悬架的平顺性和馈能效率,设计了基 于模糊PID馈能主动悬架性能优化控制器,并以模糊PID控 制策略进行MATLAB/Simulink仿真分析。 4.2.1 平顺性和操纵稳定性仿真分析 图8轮胎动位移 运用均方根值进行比较。基于模糊PID控制的馈能主动悬架 相比于被动悬架。车身加速度、悬架动行程和轮胎动位移分 以B级路面滤波白噪声模型为输入。车身垂直加速度、 别下降了60.87%、18.65%、33.12%,车辆的平顺性和操纵 稳定性得到了较大的提高。相比于PID控制的馈能主动悬 架。车身加速度、悬架动行程和轮胎动位移分别下降了22. 42%、14.29%和17.97%,车辆的平顺性和操纵稳定性也有 悬架动行程、轮胎动位移为输出,对馈能悬架模型进行仿真。 被动悬架、PID控制的主动悬架和模糊PID控制的主动悬架 输出的仿真参数结果对比如图6、图7和图8。 明显的改善。馈能主动悬架性能见表4。 表4馈能主动悬架性能 鼎 蓦 删 1lIIl 亦 * 4.2.2馈能效率仿真分析 0 l 2 3 4 电机在馈能悬架中有不同的作用,有前面可知,电机既 可作为电动机又可作为发电机.抑制车身振动的同时还可产 时阃,s 图6车身垂直加速度 生电能。当电机内的瞬时功率为正时,此时作为电动机使 用,当电机内的瞬时功率为负时,此时作为发电机使用。当 —134一 蓄电池的瞬时功率为正时,蓄电池放电,悬架耗能;当蓄电池 每、*霄曾鳖霉越 终上所述,相比于PID控制策略,模糊PID控制策略既 J^巴并霄营t爨脚鞭 能保证车辆平顺性和操纵稳定性的提高,又有较高的馈能效 的瞬时功率为负时,蓄电池充电,悬架馈能。电机瞬时功率 和蓄电池瞬时功率仿真曲线如图9和图1O。 时阅/s 图9电机瞬时功率 l50o 时间,a 圈lO蓄电池瞬时功率 运用均方根值进行比较。PID控制的馈能主动悬架中, 电动机的瞬时功率为123.59W,发电机的瞬时功率为472. 71W:蓄电池的输出瞬时功率为456.68W,充电瞬时功率为 167.o7w.馈能效率为36.58%。而模糊PID控制的馈能主 动悬架中.电动机的瞬时功率为155.71W,发电机的瞬时功 率为503.31W,蓄电池的输出瞬时功率为282.89W,充电瞬 时功率为189.11W,馈能效率为66.85%,相比于laiD控制馈 能效率提高了约30%,实现了更加节能的目的。馈能主动悬 架的馈能指标见表5。 表5馈能主动悬架馈能指标 均方根值 馈能指标 PID控制  ̄]PIPIDD控制 控制 率。啪  葶i o 姗 5结论 1)以馈能主动悬架为控制对象,运用模糊PID控制策略 解决了被控对象没有精确的数学模型和不能改变固定参数 的问题。模糊控制以悬架动行程和悬架动行程变化率作为 输入,通过模糊控制器的输出在线调整PID控制器的三个参 数,使馈能主动悬架能适应复杂的路面状况。 2)通过和被动悬架以及PID控制的馈能悬架进行对比 分析可知,以B级路面为输入,输出的车身加速度、悬架动行 程和轮胎动位移分别下降了22.42%、14.29%和17.97%.汽 车的平顺性和操纵稳定性得到了改善。 3)通过对馈能主动悬架的滚珠丝杠旋转电机在B级路 面上仿真分析计算可知。模糊PID控制相对于PID控制的馈 能主动悬架的馈能效率要高约30%,有效提高了纯电动物流 货车的经济性。 参考文献: [1]喻凡,张勇超.馈能型车辆主动悬架技术[J].农业机械学报, 2010,41(1):1—6. 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