基于ADAMS和MATLAB的空氣懸架系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究

徐 寧 詹長書

（東北林業(yè)大學(xué)）

1 空氣懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真模型

1.1 空氣彈簧特性試驗(yàn)

空氣彈簧特性試驗(yàn)主要包括靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)。本文用到的動(dòng)態(tài)特性是在正弦激勵(lì)條件下測得的力和位移曲線，經(jīng)處理后可得動(dòng)態(tài)剛度特性曲線[1，2]。將空氣彈簧固定在自行研制的振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上，通過安裝的位移、氣壓和拉壓力傳感器測量所需數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)使用的空氣彈簧是E7074型膜式空氣彈簧，試驗(yàn)臺(tái)可沿直線導(dǎo)軌做垂直運(yùn)動(dòng)。按照空氣彈簧特性試驗(yàn)的國家標(biāo)準(zhǔn) 《汽車懸架用空氣彈簧實(shí)驗(yàn)方法》（GB/T13061-1991）進(jìn)行試驗(yàn)，得到 E7074 型空氣彈簧在標(biāo)準(zhǔn)工作高度為400 mm，內(nèi)部氣壓分別為0.3 MPa、0.4 MPa和0.5 MPa時(shí)的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖1所示。

1.2 ADAMS/View中空氣彈簧模型

選擇在標(biāo)準(zhǔn)工作高度時(shí)彈簧內(nèi)部氣壓為0.4 MPa的動(dòng)態(tài)特性曲線作為仿真參考數(shù)據(jù)，將該曲線通過均方差值在0.5以下的四次方擬合函數(shù)擬合得到力和位移關(guān)系式[3]，再經(jīng)求導(dǎo)后得到動(dòng)態(tài)剛度特性曲線。ADAMS/View中默認(rèn)垂直向上為正方向、彈簧壓縮行程位移為負(fù)方向，與以往的定義正好相反。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ADAMS/View中生成多義線SPLINE_2，即得到如圖2所示空氣彈簧模型特性曲線。

1.3 ADAMS/View中空氣懸架模型

將復(fù)雜的空氣懸架振動(dòng)系統(tǒng)簡化為一個(gè)彈簧阻尼系統(tǒng)，排除橫擺振動(dòng)、側(cè)傾振動(dòng)及其他一些干擾振動(dòng)，只研究垂直方向的振動(dòng)，空氣懸架簡化模型.JHsus08以某貨車參數(shù)為參考對(duì)象，以彈簧阻尼器代替輪胎。表1為某貨車懸架質(zhì)量參數(shù)、減振器參數(shù)和輪胎特性參數(shù)。本文主要研究可通過沖、放氣來改變自身特性從而優(yōu)化懸架性能的半主動(dòng)空氣懸架，為了方便仿真與分析，將可沖、放氣的空氣彈簧簡化為一個(gè)被動(dòng)空氣彈簧和一個(gè)作動(dòng)器，即在懸架模型中用一個(gè)力來代替由控制器調(diào)節(jié)電磁閥使空氣彈簧進(jìn)行沖、放氣所增加或減少的那部分彈力，該力的值從控制器模型輸出到ADAMS的懸架模型中，力的表達(dá)式為

表1 2自由度1/4某貨車懸架模型參數(shù)

2 綜合控制器設(shè)計(jì)

為了利用更多懸架狀態(tài)反饋信號(hào)，更加智能的改善懸架性能，本文設(shè)計(jì)了一種綜合控制器。該綜合控制器將對(duì)車身加速度進(jìn)行直接控制的PID控制器和對(duì)懸架動(dòng)行程進(jìn)行直接控制的位置全狀態(tài)反饋控制器相結(jié)合，提高了懸架整體性能。

2.1 PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制原理是根據(jù)偏差變化調(diào)節(jié)控制量，偏差增大，控制量也增大，這是比例環(huán)節(jié)的作用；由于偏差一直存在，將其累加起來，加大控制量以消除偏差，這是積分環(huán)節(jié)的作用；微分環(huán)節(jié)起到預(yù)估作用，避免偏差振蕩[4，5]。本文采用傳統(tǒng)的PID控制器直接對(duì)車身加速度反饋偏差進(jìn)行控制，在Simulink環(huán)境中建立半主動(dòng)空氣懸架的PID控制器模型。

2.2 位置全狀態(tài)反饋控制器設(shè)計(jì)

位置全狀態(tài)反饋控制器直接對(duì)懸架動(dòng)行程的反饋偏差進(jìn)行控制，主要由位置回路、速度回路和加速度回路組成?？刂破鲗⒏鶕?jù)位置傳感器傳來的信號(hào)與給定值求得的偏差來調(diào)節(jié)被控量，偏差增大控制量也增大；速度負(fù)反饋校正在提高系統(tǒng)固有頻率的同時(shí)也降低了系統(tǒng)的增益和阻尼；加速度負(fù)反饋校正可以在保證穩(wěn)定性的前提下提高系統(tǒng)阻尼。因此，通過調(diào)整外部位置回路增益系數(shù)Ke、速度負(fù)反饋系數(shù)Kfv和加速度負(fù)反饋系數(shù)Kfa，可取得較好的控制效果。

位置全狀態(tài)反饋控制規(guī)律為：

式中，u（t）為控制器控制量；e（t）為反饋偏差；Ke為位置回路增益系數(shù)；Kfv為速度反饋系數(shù)；Kfa為加速度反饋系數(shù)。

2.3 綜合控制器模型

將PID控制器與位置全狀態(tài)反饋控制器連接起來，給每個(gè)控制器一個(gè)增益系數(shù)Gain1和Gain2，通過調(diào)節(jié)增益系數(shù)和控制器內(nèi)部參數(shù)，改善空氣懸架系統(tǒng)性能。綜合控制器模型如圖3所示，其中，kp、ki、kd分別為PID控制器的比例、積分和微分系數(shù)；k1為傳感器放大系數(shù)，此處為1；k2、k3、k4分別為位置全狀態(tài)反饋控制器的位置回路增益系數(shù)、速度反饋系數(shù)和加速度反饋系數(shù)；Gain1和Gain2是2個(gè)控制器的分配系數(shù)。

3 聯(lián)合仿真和結(jié)果分析

首先在ADAMS中建立5個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)變量，通過ADAMS/Controls模塊的接口定義控制力kzl和路面lm為輸入變量，車身加速度a、輪胎動(dòng)載荷lt和懸架動(dòng)行程xj為輸出變量。定義輸入輸出變量后，在MATLAB中激活A(yù)DAMS子程序，將控制器模型、路面模型與ADAMS子模塊相連接[6，7]，進(jìn)行聯(lián)合仿真。聯(lián)合仿真時(shí)間為6 s，仿真相對(duì)誤差為0.001，聯(lián)合仿真模型如圖4所示。

聯(lián)合仿真中增益系數(shù)Gain1和Gain2時(shí)既不能消耗太多能量又要根據(jù)實(shí)際需要。兩者全為0時(shí)是被動(dòng)控制，某一個(gè)為0時(shí)是單獨(dú)的PID控制或位置全狀態(tài)反饋控制，都不為0時(shí)是綜合控制。綜合控制時(shí)對(duì)控制效果的調(diào)節(jié)主要取決于2個(gè)增益的比值和大小，在0～1之間時(shí)，優(yōu)化百分比會(huì)大致按比例縮小，都為1時(shí)控制效果較好，但此時(shí)能耗也比增益在0～1之間時(shí)要高，增益系數(shù)越大，能耗越高且控制效果不規(guī)律，因此應(yīng)盡量采用較小的增益系數(shù)以獲得較好的控制效果。表2給出了增益系數(shù)Gain1和Gain2在幾個(gè)典型數(shù)值上的懸架性能指標(biāo)均方根值。

表2 空氣懸架性能指標(biāo)均方根值

圖5～圖7是Gain1和Gain2分別為1.6和1.1時(shí)的仿真結(jié)果對(duì)比，與被動(dòng)控制相比，本文采用的綜合控制器將車身垂直加速度和懸架動(dòng)行程均方根值顯著降低，改善了懸架性能。

4 結(jié)束語

經(jīng)過對(duì)空氣彈簧彈性特性的試驗(yàn)研究，在ADAMS中建立了2自由度1/4某貨車空氣懸架模型，在MATLAB環(huán)境下設(shè)計(jì)了一種綜合控制器，通過聯(lián)合仿真對(duì)隨機(jī)激勵(lì)下的空氣懸架模型進(jìn)行了半主動(dòng)綜合控制。研究結(jié)果表明，綜合控制器能夠有效改善汽車行駛平順性，并可根據(jù)實(shí)際情況通過增益系數(shù)的調(diào)節(jié)得到需要的控制效果。

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