汪少華，陳 龍，孫曉強(qiáng)

(江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

懸架是車輛底盤系統(tǒng)中的重要部件，對車輛動(dòng)態(tài)性能具有重大影響，因此，提高懸架系統(tǒng)的性能具有重要的工程意義［1－2］.與傳統(tǒng)被動(dòng)懸架相比，半主動(dòng)空氣懸架不僅能夠?qū)崿F(xiàn)阻尼自適應(yīng)調(diào)節(jié)，而且能對車身高度進(jìn)行主動(dòng)控制，因而對于改善車輛在行駛過程中的乘坐舒適性、行駛安全性以及燃油經(jīng)濟(jì)性都具有重要作用，已成為汽車工程界的研究熱點(diǎn)［3－4］.

隨著空氣彈簧和可調(diào)阻尼減振器研究的日益成熟，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已成為實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)空氣懸架控制功能要求、提高半主動(dòng)空氣懸架自適應(yīng)能力的關(guān)鍵.對此，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量的研究工作，提出了多種針對半主動(dòng)空氣懸架的控制策略和控制方法.例如，王輝等［5］將自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用到半主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)的控制之中，取得了較好的效果.C.Graf等［6］基于天棚阻尼控制理論對半主動(dòng)空氣懸架的阻尼力進(jìn)行了控制，改善了車輛乘坐舒適性.H.Kim等［7］對空氣懸架的高度進(jìn)行了滑模自適應(yīng)控制，并通過仿真和實(shí)車試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有效性.

然而，綜合相關(guān)研究成果可以發(fā)現(xiàn)，相關(guān)研究主要集中在針對半主動(dòng)空氣懸架局部控制目標(biāo)進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，雖然達(dá)到了所需的控制效果，但是忽略了半主動(dòng)空氣懸架在控制過程中存在的高度與阻尼協(xié)調(diào)控制的問題.近年來，部分學(xué)者意識到這個(gè)問題，他們根據(jù)實(shí)車運(yùn)行工況設(shè)計(jì)了電控空氣懸架高度和阻尼控制模式，同時(shí)制定了相應(yīng)的模式控制策略，初步實(shí)現(xiàn)了空氣懸架與整車性能的良好匹配，但是沒有對模式切換控制系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，也沒有對模式間切換參數(shù)進(jìn)行深入研究［8－9］.

針對上述問題，筆者結(jié)合車輛實(shí)際行駛工況，提出將半主動(dòng)空氣懸架控制過程分解為高度和阻尼多種控制模式，同時(shí)基于車身高度切換優(yōu)先的控制原則將車身高度控制和阻尼自適應(yīng)調(diào)節(jié)解耦，采用邏輯判斷方法制定各模式間的切換規(guī)則.根據(jù)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和行駛通過性，確定各模式間的主要切換參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，基于Simulink/Stateflow進(jìn)行切換控制系統(tǒng)的建模和仿真，驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的切換控制系統(tǒng)的實(shí)際性能.

1 半主動(dòng)空氣懸架控制模式

1.1 高度控制模式

車身高度的調(diào)節(jié)主要是以提高車輛的通過性、操穩(wěn)性以及燃油經(jīng)濟(jì)性為目的.為了得到最佳的懸架性能，空氣懸架系統(tǒng)根據(jù)車速和路況變化自動(dòng)調(diào)節(jié)車身目標(biāo)高度.根據(jù)車輛實(shí)際行駛狀況，確定高度模式的切換依據(jù)主要為車速和路面，車身高度分高位、中位和低位3種模式.為了防止在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多次車身高度的切換，增加了持續(xù)時(shí)間這一判定條件，以提高車身高度調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性.車身高度控制策略如圖1所示.

圖1 車身高度控制策略

出于安全原因，轉(zhuǎn)向工況下車輛不能進(jìn)行底盤高度切換.因此，上述高度控制模式是針對車輛直線行駛工況提出的，若系統(tǒng)識別出車輛處于轉(zhuǎn)向工況，車身高度將不進(jìn)行調(diào)節(jié).

1.2 阻尼控制模式

由于空氣彈簧高度與剛度的耦合，隨著車身高度的調(diào)節(jié)，空氣彈簧的剛度會(huì)隨之改變，同時(shí)路面狀況、車速以及載荷也會(huì)發(fā)生實(shí)時(shí)變化，因此，半主動(dòng)空氣懸架的阻尼控制需要考慮2個(gè)方面:①與空氣彈簧剛度的匹配;②控制目標(biāo)的實(shí)時(shí)變化.例如，在車身高位模式下，路面較差，此時(shí)阻尼控制目標(biāo)為提高乘坐舒適性，而在車身低位模式下，由于車速較高，行駛安全性顯得更為重要，轉(zhuǎn)向工況下，自然是以提高車輛操穩(wěn)性為首要目標(biāo).

因此，結(jié)合半主動(dòng)空氣懸架高度和阻尼的控制特點(diǎn)，確定阻尼控制模式為4種:① 車身高位下的阻尼控制;②車身中位下的阻尼控制;③ 車身低位下的阻尼控制;④ 轉(zhuǎn)向工況下的阻尼控制.針對車身高度控制與阻尼控制之間的耦合問題，提出基于高度調(diào)節(jié)優(yōu)先的高度和阻尼協(xié)調(diào)控制機(jī)制，通過先進(jìn)行高度調(diào)節(jié)再進(jìn)行阻尼控制，以此實(shí)現(xiàn)高度和阻尼控制的解耦.綜上所述，半主動(dòng)空氣懸架高度與阻尼協(xié)調(diào)控制過程如圖2所示.

圖2 半主動(dòng)空氣懸架高度與阻尼協(xié)調(diào)控制過程

2 多模式切換控制描述

2.1 控制模式及模式切換過程的描述

根據(jù)切換系統(tǒng)理論，控制模式的切換可以用有向圖C={M，E}來表示，其中:M為控制模式的集合;E={e=(i，j):mi，mj∈M}為控制模式變遷(離散事件)的集合，e=(i，j)表示使控制模式mi變遷到mj的離散事件.

根據(jù)半主動(dòng)空氣懸架高度與阻尼的實(shí)際調(diào)節(jié)過程，半主動(dòng)空氣懸架的控制模式分為

式中:m1，m2，m3分別為直線行駛工況下的車身低位、中位和高位控制模式;m4為轉(zhuǎn)向工況模式.

控制模式的切換過程描述如下:在初始時(shí)刻t0時(shí)，控制模式為mi，在離散事件e=(i，j)發(fā)生之前，(x)=f(x，m，t);t，遵循連續(xù)動(dòng)態(tài)行為ii在1時(shí)刻離散事件e=(i，j)發(fā)生，控制模式變遷為mj，即離散事件e=(i，j)的發(fā)生導(dǎo)致控制模式從mi變遷為mj，此后系統(tǒng)將遵循新控制模式下的連續(xù)動(dòng)態(tài)行為(x)=fj(x，mj，t).因此，控制模式的切換過程可用圖3表示.

圖3 控制模式的切換過程

2.2 模式切換規(guī)則的描述

控制模式的切換規(guī)則采用邏輯判斷方法，通過判斷一系列離散事件是否發(fā)生來決定系統(tǒng)應(yīng)工作在哪種控制模式［10］.具體切換規(guī)則如下:

1)當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角δ大于轉(zhuǎn)向工況下的臨界轉(zhuǎn)角δ0，系統(tǒng)判定此時(shí)車輛處于轉(zhuǎn)向工況下，系統(tǒng)進(jìn)入轉(zhuǎn)向工況控制模式m4;當(dāng)前輪轉(zhuǎn)角δ小于轉(zhuǎn)向工況下的臨界轉(zhuǎn)角δ0，系統(tǒng)判定此時(shí)車輛處于直線行駛工況，系統(tǒng)進(jìn)入直線行駛工況下的系統(tǒng)控制.

2)當(dāng)車輛行駛速度v達(dá)到進(jìn)入車身低位模式下的臨界速度v1，且持續(xù)時(shí)間t大于判定時(shí)間th，系統(tǒng)判定車輛是以較高的速度行駛在良好路面上，為了提高車輛燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性，車身降低一定高度，進(jìn)入車身低位控制模式m1.

3)當(dāng)車輛行駛速度v低于臨界速度v1，同時(shí)懸架動(dòng)行程fd的均方根值RMSfd小于較差路面的最低均方根值RMSfd0，且持續(xù)時(shí)間t大于th，系統(tǒng)判定車輛是以中等速度行駛在較好的路面上，為了提高此工況下的車輛綜合性能，進(jìn)入車身中位控制模式m2.

4)當(dāng)懸架動(dòng)行程fd的均方根值大于較差路面的最低均方根值RMSfd0，且持續(xù)時(shí)間t大于th，系統(tǒng)判定車輛是以較低的速度行駛在較差的路面上，為了提高車輛通過性，車身升高一定的高度，進(jìn)入車身高位控制模式m3.

根據(jù)上述切換規(guī)則，可以列出如表1所示的系統(tǒng)控制模式切換時(shí)所用到的邏輯判斷值.

表1 控制模式切換時(shí)的邏輯判斷值

結(jié)合4種控制模式及所設(shè)計(jì)的切換規(guī)則，半主動(dòng)空氣懸架的整體模式切換控制過程可用圖4表示，系統(tǒng)默認(rèn)的初始狀態(tài)為車身中位模式，系統(tǒng)啟動(dòng)后便根據(jù)實(shí)際的行駛工況進(jìn)行控制模式的最優(yōu)實(shí)時(shí)調(diào)整.

圖4 半主動(dòng)空氣懸架的整體模式切換過程

3 切換參數(shù)的確定

切換參數(shù)的確定是否合理直接影響所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)對車輛實(shí)際運(yùn)行工況的跟蹤性能，目前，針對這一問題的研究相對較少.筆者考慮通過結(jié)合車身高度的調(diào)節(jié)目標(biāo)以及車輛行駛動(dòng)態(tài)性能，對進(jìn)入車輛低位模式的臨界車速以及進(jìn)入車身高位模式的臨界路面進(jìn)行研究.

3.1 進(jìn)入車身低位模式的臨界車速

當(dāng)車輛高速行駛時(shí)，空氣阻力急劇增加，為了提高操縱穩(wěn)定性，降低風(fēng)阻，裝有空氣懸架的車輛可通過對空氣彈簧進(jìn)行放氣來降低車身高度.

在汽車正常行駛工況下，空氣阻力Fw是與氣流相對速度的動(dòng)壓力成正比，即

式中:CD為空氣阻力系數(shù);ρ為空氣密度，ρ=1.2258 N·s2·m－4;A為迎風(fēng)面積，即汽車行駛方向的投影面積.

只討論無風(fēng)條件下的汽車運(yùn)動(dòng)，所以vr即為汽車行駛速度va，va的計(jì)量單位以km·h－1，A的計(jì)量單位以m2計(jì)，則空氣阻力可表示為

除了空氣阻力，汽車所受的行駛阻力主要為滾動(dòng)阻力，滾動(dòng)阻力Fμ可表示為滾動(dòng)阻力系數(shù)μ與車輪負(fù)荷W的乘積，即

式中:車輪負(fù)荷比較容易確定，而滾動(dòng)阻力系數(shù)與路面的種類、行駛車速以及輪胎的構(gòu)造、材料、氣壓等有關(guān)，采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式估算［11］:

所以滾動(dòng)阻力可以表達(dá)為

以某高級轎車為例，利用數(shù)值仿真定量解析滾動(dòng)阻力與空氣阻力隨車速的變化趨勢以及二者之間的關(guān)系.該車參數(shù):W=18000 N;CD=0.3;A=2 m2.仿真結(jié)果如圖5所示.

圖5 空氣阻力與滾動(dòng)阻力間的關(guān)系

從圖5可以看出，當(dāng)車速為90 km·h－1時(shí)，空氣阻力逐漸增大到與滾動(dòng)阻力相當(dāng)，隨著車速的繼續(xù)增加，空氣阻力將超過滾動(dòng)阻力并以較快的速度繼續(xù)增長.當(dāng)車輛在空氣阻力和滾動(dòng)阻力大致相當(dāng)?shù)乃俣认陆档蛙嚿砀叨?，既不?huì)影響車輛的通過性，同時(shí)可以有效降低風(fēng)阻，提高車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性和操縱穩(wěn)定性.因此，確定進(jìn)入車身低位控制模式的臨界車速為90 km·h－1.

3.2 進(jìn)入車身高位模式的臨界路面

路面的好壞是影響車身高度切換的另一個(gè)重要依據(jù)，路面好壞對車輛最直接的影響之一就是懸架動(dòng)行程，同時(shí)由于懸架動(dòng)行程只是車輛垂向運(yùn)動(dòng)的一個(gè)性能評價(jià)指標(biāo)，因此只需建立車輛1/4懸架模型，如圖6所示，便可探究懸架動(dòng)行程與路面的直接關(guān)系.

圖6 車輛懸架1/4模型

根據(jù)牛頓力學(xué)，得到系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程為

式中:ms為簧載質(zhì)量;zs為簧載質(zhì)量垂直位移;mu為非簧載質(zhì)量;zu為非簧載質(zhì)量垂直位移;k為懸架彈簧剛度;c為懸架阻尼系數(shù);kt為輪胎剛度;q為路面垂直振動(dòng)輸入.

在Matlab/Simulink中建立仿真模型，以前文分析空氣阻力與滾動(dòng)阻力關(guān)系的同一型轎車為例，相關(guān)參數(shù):ms=450 kg;mu=60 kg;k=15 kN·m－1;c=1460 N·s·m－1;kt=192000 N·m－1.車輛正常行駛的路面大多在D級以上，因此，對于車輛需要提升底盤高度的路面，可以認(rèn)為其等級在E級及E級以下，如車輛處于越野工況，所以仿真采用的路面輸入分別為C級和E級路面，車速為36 km·h－1，仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7 懸架動(dòng)行程仿真結(jié)果

從圖7可以看出，車輛行駛在E級路面上的懸架動(dòng)行程絕對值要明顯高于C級路面，通過進(jìn)一步計(jì)算可得，E級路面上懸架動(dòng)行程均方根值為0.035，而C級路面上為0.009，由此確定表征該車輛進(jìn)入車身高位模式的臨界路面的懸架動(dòng)行程均方根值為0.035.即當(dāng)懸架動(dòng)行程均方根值大于0.035時(shí)，系統(tǒng)判定此時(shí)車輛可以進(jìn)入車身高位控制模式.

4 切換控制系統(tǒng)的建模與仿真

4.1 切換控制系統(tǒng)建模

通過對半主動(dòng)空氣懸架實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行分析，確定了半主動(dòng)空氣懸架的控制模式及控制規(guī)則，同時(shí)進(jìn)行了模式間主要切換參數(shù)的確定，在此基礎(chǔ)上，為了構(gòu)造一個(gè)能夠滿足半主動(dòng)空氣懸架模式動(dòng)態(tài)切換的控制系統(tǒng)，建立了基于多模式切換的半主動(dòng)空氣懸架控制模型，如圖8所示.

圖8 半主動(dòng)空氣懸架多模式切換控制模型

切換控制系統(tǒng)通過Simulink/Stateflow進(jìn)行建模，在半主動(dòng)空氣懸架多模式切換控制系統(tǒng)中，實(shí)際輸入與系統(tǒng)輸入的關(guān)系如表2所示，系統(tǒng)輸出與控制器的選擇關(guān)系如表3所示.

表2 實(shí)際輸入與系統(tǒng)輸入關(guān)系

表3 系統(tǒng)輸出與控制器的選擇關(guān)系

根據(jù)表2，3所示的系統(tǒng)工作變量關(guān)系，設(shè)計(jì)出切換控制系統(tǒng)的Stateflow模型如圖9所示.

圖9 切換控制系統(tǒng)Stateflow模型

4.2 切換控制系統(tǒng)的仿真

為了驗(yàn)證所建立的半主動(dòng)空氣懸架切換控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和有效性，將如圖10所示的前輪轉(zhuǎn)角信號、車速信號、懸架動(dòng)行程信號以及相應(yīng)的工況變化持續(xù)時(shí)間信號作為切換控制系統(tǒng)的輸入，系統(tǒng)經(jīng)仿真得到的輸出信號如圖11所示.

圖10 系統(tǒng)輸入信號

圖11 系統(tǒng)輸出信號

從圖10，11可以看出，基于 Simulink/Stateflow建立的半主動(dòng)空氣懸架切換控制系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確地根據(jù)相應(yīng)的輸入信號進(jìn)行控制模式的切換.例如，當(dāng)車速輸入信號為0，懸架動(dòng)行程信號為1，持續(xù)時(shí)間信號為0，前輪轉(zhuǎn)角信號為1時(shí)，表明車輛是以較高的車速直線行駛在良好的路面上，系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)入車身低位控制模式，此時(shí)控制輸出結(jié)果為control=1，control1=2，系統(tǒng)選擇車身低位控制器，符合控制要求.

5 結(jié)論

1)提出了符合車輛實(shí)際運(yùn)行工況的車身高度和阻尼控制模式和控制策略，基于邏輯判斷方法制定了模式間切換控制規(guī)則.

2)針對車身高度控制和阻尼自適應(yīng)調(diào)節(jié)之間的耦合問題，提出了基于車身高度切換優(yōu)先的控制原則，實(shí)現(xiàn)了二者之間的解耦.

3)基于Simulink/Stateflow進(jìn)行了切換控制系統(tǒng)實(shí)際性能的仿真，仿真結(jié)果表明:所設(shè)計(jì)的多模式切換控制系統(tǒng)符合系統(tǒng)控制要求，下一步將在有效的切換控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行局部控制器的設(shè)計(jì).

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