基于模型參考的混合懸架多模式切換控制研究

汪若塵 馬曉煒 丁仁凱 孟祥鵬 陳 龍

(江蘇大學汽車工程研究院，鎮(zhèn)江212013)

基于模型參考的混合懸架多模式切換控制研究

汪若塵 馬曉煒 丁仁凱 孟祥鵬 陳 龍

(江蘇大學汽車工程研究院，鎮(zhèn)江212013)

混合懸架在單一控制模式下的舒適性、安全性和饋能性存在相互制約問題，本文基于模型參考的方式設計了一種混合懸架多模式切換控制方法，確定了各模式之間切換規(guī)則來控制直線電機和可調(diào)阻尼進行切換。然后基于Simulink/Stateflow進行了1/4混合懸架的切換控制系統(tǒng)的設計和仿真，并進行了快速原型試驗論證。仿真試驗結(jié)果表明:混合懸架多模式切換控制模型可以有效地進行切換并達到切換目標，提高混合懸架的綜合性能。

混合懸架;能量回收;多模式切換;動態(tài)建模

引言

混合懸架由并聯(lián)的直線電機、彈簧、可調(diào)阻尼器，連接簧上和簧下質(zhì)量組成，從結(jié)構(gòu)來說是混合的。就控制而言，直線電機既可以作為電動機改善動態(tài)性能，又可以作為發(fā)電機將振動能量回收。因此，如何對混合懸架進行控制并進行能量回收是眾多學者和本文研究的重點［1－4］。

針對模式切換的動態(tài)建模過程，當前主要研究對象依舊為混合動力汽車、航空發(fā)動機和汽車發(fā)動機。國內(nèi)尹安東等［5］、王慶年等［6］、秦大同等［7］都對混合動力汽車不同工作模式切換的動態(tài)特性及其穩(wěn)定性進行了深入研究，將混雜理論融入模式切換研究。但目前對于混合懸架模式切換的動態(tài)分析還鮮有研究。

除各個工作模式的有效切換外，單一模式下直線電機主動控制或者能量回收也是研究重點。DAVID等［8］提出了一種基于電磁懸架的車輛動力學性能和節(jié)能特性的雙目標控制結(jié)構(gòu)，以期實現(xiàn)車輛動力學性能和節(jié)能特性的平衡。陳宏偉［9］提出了一種節(jié)能型主動懸架系統(tǒng)，采用無刷永磁直線電機作動器，研究了直線電機式主動懸架的動態(tài)性能以及饋能性能。PIRES等［10］研究了懸架振動能量回饋與動力學控制的矛盾關(guān)系，但只研究單一模式下的懸架性能和能量回收，并未考慮利用模式切換來提高饋能效率。

為準確描述混合懸架模式切換系統(tǒng)中存在的動態(tài)特性，本文利用混雜自動機模型描述連續(xù)動態(tài)過程和離散事件以及兩者之間相互耦合關(guān)系。并使用以有限狀態(tài)機(FSM)為理論基礎的 Simulink/ Stateflow模塊建立切換控制系統(tǒng)。采用基于模型參考自適應控制方法，把自適應控制部分改進為自適應模式切換，對混合懸架進行多模式切換控制。本控制方法利用被動參考懸架模型提供實時汽車參考性能指標，并與切換條件比較，控制混合懸架在安全性模式、舒適性模式、綜合性能模式、被動饋能模式4種工作模式中切換，在不同模式下調(diào)節(jié)控制方法，呈現(xiàn)混合懸架的不同特性。最后通過仿真和試驗探究該混合懸架被動饋能模式和主動控制模式切換的有效性和汽車動態(tài)性能改良，以及在被動饋能模式下的能量回收狀況。

1 混合懸架動態(tài)模型

混合懸架動態(tài)模型是實現(xiàn)控制懸架工作模式切換和能量回收的基礎和關(guān)鍵。為了準確描述混合懸架動態(tài)模型，結(jié)合混雜自動機模型，對其進行描述以及建模。

1.1 混合懸架多模式切換過程分析

混合懸架多模式切換系統(tǒng)的主要控制目標是能夠準確、快速地在各個模式之間進行切換，以滿足整車的綜合性能和能量回收要求。圖1為1/4混合懸架結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出，系統(tǒng)主要由直線電機、可調(diào)阻尼器、彈簧、路面?zhèn)鞲衅骱虴CU組成。

圖1 混合懸架結(jié)構(gòu)Fig．1 Hybrid suspension structure

根據(jù)模式切換系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，混合懸架多模式切換過程可概括描述為:將ECU計算出的參考車身加速度、參考輪胎動位移分別與相應的參考閾值比較，根據(jù)切換策略(表1)進入合適的工作模式。表1中，(Zu－Zr)和分別為ECU根據(jù)路面輸入計算出的輪胎動位移和車身垂直加速度;(Zu－Zr)1和為所設定的閾值。ECU發(fā)出控制信號，直線電機調(diào)節(jié)為電動機模式或發(fā)電機模式，可調(diào)阻尼器調(diào)至相應阻尼。

表1 切換策略Tab．1 Sw itching strategy

車身垂直加速度直觀體現(xiàn)了乘坐舒適性，輪胎動位移直觀體現(xiàn)了汽車抓地能力，即安全性能。因此制定控制策略時將這2個參數(shù)作為模式切換的閾值。車身垂直加速度和輪胎動位移受車速和路面兩個因素影響，在定車輛定速仿真與試驗時，只受路面不平度等級的影響。

仿真后得知懸架在A級路面行駛時，車身垂直加速度和輪胎動位移均較小，在D級路面行駛時兩者均較大，B、C級路面行駛時會交替產(chǎn)生車身加速度和輪胎動位移較大的問題。因此設定合適的閾值使得仿真時懸架在A級路面行駛時進入被動饋能模式進行能量回收;在B級、C級路面行駛時進入舒適性模式或者安全性模式，利用天棚或者地棚控制改善其車身垂直加速度或者輪胎動位移;在D級路面行駛時進入綜合性能模式，采用天棚地棚混合控制改善其動態(tài)性能。

1.2 多模式切換系統(tǒng)描述

由混合懸架多模式切換過程可以看出，整個運行過程可以劃分為4個離散的工作模式，即舒適性模式、安全性模式、被動饋能模式、綜合性能模式。各個模式下，連續(xù)變量(如車身加速度和輪胎動位移)為典型的連續(xù)動態(tài)過程，為了達到控制目標，系統(tǒng)又必須在各個工作模式之間切換且驅(qū)動工作模式切換的為典型離散事件(如可調(diào)阻尼器狀態(tài)和直線電機工作模式)。因此，整個過程中既包含連續(xù)動態(tài)過程，又存在離散事件，可以歸納為混雜系統(tǒng)。

混雜自動機模型(Hybrid automation model)是描述混雜系統(tǒng)的常用工具，本文利用它對混合懸架進行如下描述:混合懸架多模式切換系統(tǒng)包括4個狀態(tài):q1、q2、q3、q4。

(2)連續(xù)輸入變量:{Zr，F(xiàn)M}，其中Zr為路面位移，F(xiàn)M為電機主動輸出力。離散輸入變量{c，M}，其中c為可調(diào)阻尼器應該選取的模式，M為直線電機應該工作的類型。

(4)不變集合

(5)離散狀態(tài)模式之間的離散事件集合:對于懸架系統(tǒng)的4個工作模式有12個可能切換的離散事件，其切換關(guān)系如圖2所示。

圖2 離散事件及其切換關(guān)系Fig．2 Discrete events and switching relation

(6)容許輸入域，定義輸入作用域來確定輸入值范圍。在該系統(tǒng)中路面輸入Zr和直線電機主動輸出力FM都有一定的容許取值范圍?；旌蠎壹苣Ｊ角袚Q的主要工作路面為A～D級路面，因此路面輸入Zr的取值范圍為－0.3～0.3m，直線電機輸出力的范圍為－500～500 N。

1.3 混合懸架動態(tài)數(shù)學模型

為實現(xiàn)有效切換模式，在對模式切換過程中的混雜動力學行為分析的基礎上，應結(jié)合其物理模型建立其動態(tài)數(shù)學模型，便于進行整個系統(tǒng)的控制策略設計。混合懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 混合懸架模型Fig．3 Hybrid suspension model

為準確反映模式切換中可調(diào)阻尼器和直線電機的數(shù)學關(guān)系，建立混合懸架動態(tài)動力學方程

其中

式中 FM——直線電機、可調(diào)阻尼器和彈簧所結(jié)合產(chǎn)生的懸架控制力

cs——懸架阻尼

k1、k2——輪胎和懸架剛度

Zs、Zu——簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量位移

ms、mu——簧上質(zhì)量和簧下質(zhì)量

2 模式切換控制策略

2.1 基于模型參考的模式切換

懸架系統(tǒng)模式切換的控制策略常將某幾個實際輸出信號例如車速、車身加速度均方根、持續(xù)時間等(本文為車身加速度和輪胎動位移)與切換閾值相比較，且將比較信號轉(zhuǎn)換為邏輯變量信號輸入到切換系統(tǒng)，切換系統(tǒng)判斷并輸出帶有控制策略的邏輯信號［9－10］。但在模式切換時，具體采用多長時間內(nèi)的輸入信號均方根往往需要靠經(jīng)驗公式或大量的實驗來確定，對模式切換的設計過程帶來較大的難度。

而且如果以實際混合懸架模型的動力學性能進行實時判斷，前一刻懸架切換至舒適性模式改善了舒適性性能指標，下一刻卻因為舒適性性能指標達標而切換到其他工作模式，此問題會導致系統(tǒng)切換的紊亂。

為解決該問題，本文采用一種類似于“基于模型參考的自適應控制”的控制方法，且命名為“基于模型參考的多模式切換控制”。該控制方法以混合懸架為對象，在控制器中建立一個與混合懸架所有懸架參數(shù)完全一樣的被動懸架理論模型，作為動力學性能參考目標，并將其在不同車速不同路面的動力學性能與參考閾值相比較，利用比較結(jié)果操控真正的混合懸架進行模式切換，使實際混合懸架滿足切換控制要求。兩者對比如圖4所示，圖4b為本文所采用的控制方法。

圖4 基于模型參考的2種控制方式對比Fig．4 Comparison of two controlmodes based on model reference

2.2 穩(wěn)定性控制策略設計

將仿真得到的被動懸架模型在B級路面和C級路面行駛的車身垂直加速度均方根和輪胎動位移均方根取兩者平均數(shù)作為切換策略的閾值，仿真試驗證實此閾值正好使得本懸架在A級路面進入被動饋能模式，B、C級路面時進入舒適性模式或者安全性模式，D級路面進入綜合性能模式，4種模式和4種路面一一對應起來。具體公式為

利用Simulink進行仿真測試，可有效進行模式切換且切換時機較為合適。根據(jù)ECU計算的實時車身加速度、輪胎動位移與相應閾值進行比較來控制切換。如果只利用這2個條件進行切換，系統(tǒng)可能在2個模式之間來回跳躍，則系統(tǒng)會陷入紊亂。為解決此問題，增加了一個系統(tǒng)穩(wěn)定模塊，如圖5所示。

其原理是在切換控制器和懸架控制裝置中加了一個用邏輯關(guān)系組成的穩(wěn)定模塊，其邏輯過程如圖6所示。Zn表示第n個輸入值，k表示穩(wěn)定判斷次數(shù)。

圖5 系統(tǒng)穩(wěn)定模塊Fig．5 System stabilitymodule

具體控制流程如下:

(1)將等效于混合懸架被動模式的被動懸架作為參考對象，收集ECU計算的實時車身加速度和輪胎動位移。

圖6 穩(wěn)定控制原理流程圖Fig．6 Flow chart of stability control principle

圖7 模式切換控制流程Fig．7 Mode switching control flow

(2)將收集的實時車身加速度和輪胎動位移直接與切換閾值相比較，確定實時的最佳工作模式。該步驟后切換系統(tǒng)將工作模式的輸出信號轉(zhuǎn)換為邏輯變量，并將邏輯變量輸入系統(tǒng)穩(wěn)定判斷模塊，如圖7所示。

(3)利用系統(tǒng)穩(wěn)定性判斷模塊檢測輸入的邏輯變量是否具有一定的穩(wěn)定性，如能夠保持10次輸入均不變，則可以將該邏輯變量輸出到混合懸架的阻尼和直線電機選擇模塊，控制混合懸架進行一次模式切換，否則從新計數(shù)。

此種模式切換略去了時間這一個不易確定閾值的輸入對象，使得建立的模型適應性更強，切換更加準確。

3 模式切換仿真分析

3.1 Simulink/Stateflow切換控制系統(tǒng)建模

通過對混合懸架實際運行工況進行分析，確定了混合懸架的工作模式和切換規(guī)則，在此基礎上，為模擬混合懸架在模式切換過程中的汽車動力學性能，將切換模型和懸架模型結(jié)合起來，綜合上文敘述的其他模塊，建立了基于多模式切換的混合懸架控制模型，包括路面與車速輸入模塊、混合懸架模塊、被動懸架模塊、阻尼和直線電機模式選擇模塊、參考閾值模塊、懸架模式切換模塊、系統(tǒng)穩(wěn)定時間判斷模塊一共7個模塊。驗證混合懸架系統(tǒng)是否滿足切換控制要求。

首先驗證懸架模式切換模塊的準確性和有效性。將圖8、9所示的車身加速度和輪胎動位移和相應閾值指標輸入。

圖8 輪胎動位移閾值和輸入Fig．8 Threshold and input of tire dynamic displacement

系統(tǒng)經(jīng)歷仿真得到的輸出信號如圖10所示，不同的直線電機工作信號輸出與阻尼模式判斷信號輸出可以完整組成4種不同模式的工作需要。

仿真對多個模式下的切換進行了試驗，由于篇幅原因，本文列舉的是主動到被動的變化，其他模式的變化均為主動控制和主動控制之間的變化，其他主動控制論文也描述的較多，因此本文由于篇幅原因只描述了一種主動到被動的切換情況。

表2為某1/4懸架模型主要參數(shù)，表3為仿真工況參數(shù)。

圖9 車身垂直加速度閾值和輸入Fig．9 Threshold and input of body acceleration

圖10 模式信號輸出Fig．10 Mode signal output

表2 懸架模型主要參數(shù)Tab．2 Main parameters of suspension model

表3 仿真工況參數(shù)Tab．3 Param eters of simulation condition

3.2 仿真結(jié)果分析

為測試切換系統(tǒng)模式切換的有效性和單個模式下控制策略的有效性。暫列出模擬仿真車輛在第10秒時從C級路面行駛至B級路面時的20 s仿真的結(jié)果，驗證懸架切換模型的有效性和懸架動力學性能的變化，仿真結(jié)果如圖11、12和表4所示。

由圖11、12和表4可得:

圖11 車身垂直加速度時域響應Fig．11 Time domain response of body acceleration

圖12 輪胎動位移時域響應Fig．12 Time domain response of tire dynamic displacement

表4 各時間段仿真結(jié)果Tab．4 Simulation results for each time period

(1)此混合懸架模型可以實現(xiàn)主動模式到被動模式的相互切換，且能按照控制要求改善其舒適性，饋能性等性能。

(2)模式切換模型變化特點:①路面變化的時刻，模式切換的時刻，車身動力學性能受控制得以改善的時刻并非同一時刻，具體時間差受路面、車速、切換控制策略影響。例如路面在第10秒變化，模式切換開始于第10.8秒，而懸架動態(tài)性能改善約在第11秒后。②驗證了該懸架可以在合理的情況下切換到被動饋能模式下，將直線電機瞬時功率在饋能模式時間段上積分可得通過在B級路面30 m/s的車速下20 s可以回收24.41 J的能量。約回收計算得出的前20 s主動控制所消耗能量的1/2。理想情況下如果B級路面路程是C級路面路程的兩倍，則該混合懸架在能耗的數(shù)值上基本可以實現(xiàn)自供能。③在切換舒適性模式過程中，車身加速度均方根改善了17.53%，輪胎動位移均方根基本不變，滿足控制要求。

4 多模式切換系統(tǒng)的快速原型試驗

為驗證基于模型參考的多模式切換控制方法的有效性和可行性，除了離線仿真，本文進一步考慮實際控制時，信號的轉(zhuǎn)換，硬件的連接也會對實際控制效果產(chǎn)生影響，所以需要建立控制器快速原型和實際混合懸架的半實物仿真試驗系統(tǒng)，對整個控制進行更接近于實際對象的功能驗證。本文采用的是由德國dSPACE公司開發(fā)的基于dSPACE軟硬件系統(tǒng)的快速原型設計方法與仿真的解決方案。主要器材及其試驗結(jié)構(gòu)布置示意圖如圖13、14所示。圖13中包括單通道液壓伺服系統(tǒng)、1/4混合懸架系統(tǒng)、加速度傳感器、位移傳感器、dSPACE單元、Rapidpro單元、LMS信號采集系統(tǒng)、連接線材和步進電機(對可調(diào)阻尼進行驅(qū)動)等。

圖13 主要試驗器材Fig．13 Main test equipments

利用單通道液壓伺服系統(tǒng)加載C級到B級路面的路面信號，具體是將Simulink模型中所產(chǎn)生的路面譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為．csv格式的文件導入到試驗臺的終端微機，即可以讓激振頭按給定路面工況進行輸入。進行試驗，在檢測軟件上輸出車身垂直加速度和輪胎動位移。試驗數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比如圖15和圖16所示。

由圖15、16可以看出試驗與仿真得出的車身垂直加速度和輪胎動位移結(jié)果較為一致。穩(wěn)定在被動模式下試驗得出的車身垂直加速度均方根值和輪胎動位移均方根為1.900 m/s2、0.006 m，相較于仿真值1.771 m/s2、0.006 3 m，相對誤差為 7.3%和4.8%，考慮到信號轉(zhuǎn)換和硬件連接對試驗效果的影響，結(jié)果基本吻合。同時在10 s附近試驗懸架也進行了有效的模式切換，驗證了模型的正確性和控制策略的有效性。

圖14 試驗結(jié)構(gòu)布置示意圖Fig．14 Schematic diagram of test structure layout

圖15 車身垂直加速度試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比Fig．15 Comparison of test and simulation results for body acceleration

圖16 輪胎動位移試驗結(jié)果與仿真結(jié)果對比圖Fig．16 Comparison of test and simulation results for tire dynamic displacement

5 結(jié)論

(1)研究了混合懸架的多模式切換控制過程，建立了基于模型參考的多模式切換控制系統(tǒng)，使混合懸架可以在多種模式下自動切換。

(2)提出并設定了控制系統(tǒng)的主要切換參數(shù)，使得混合懸架針對不同路面能夠切換到合適的工作模式，仿真試驗表明模式切換使混合懸架在C級路面的動態(tài)性能改善，在B級路面上有效地進行能量回收。

(3)進行了快速原型臺架試驗，對懸架進行試驗研究，車身垂直加速度均方根和輪胎動位移均方根較仿真結(jié)果相對誤差為7.3%和4.8%，與仿真結(jié)果基本吻合，驗證了仿真結(jié)果的正確性。

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Multi-mode Sw itching Control System for Hybrid Suspension Based on Model Reference

WANG Ruochen MA Xiaowei DING Renkai MENG Xiangpeng CHEN Long
(Automotive Engineering Research Institute，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Due to the mutual restricted problem among comfort，safety，energy-regeneration in single controlmode，the hybrid suspension with four working modes was designed and the switching strategy based onmodel referencewas generated to control linearmotor and adjustable damping to switch．Comfort model，safemodel，combine model and passive energy recycle model were proposed to solve the above problems．And the body acceleration and tire dynamic displacement were used as the threshold of these four switchingmodes．In this system，the hybrid suspension with linearmotor and three stages adjustable damping was taken as the research object．First of all，control strategies in differentmodeswere changed through the use of multi-mode switching to improve the control effect．Then in order to reduce energy consumption and recover energy，the appropriate damping values in differentmodeswere selected and the linearmotor was used as a generator．And based on Simulink/Stateflow，the switching control system of 1/4 hybrid suspension was designed and simulated，and a complete simulation process from road switching，mode selection，mode switching to the changing of suspension model parameters was constructed．And a rapid prototype experiment was carried out．The experimental study on dynamic performance and energy feedback capability of hybrid suspension was based on dSPACE development model．The corresponding control strategy was designed and the results indicated that the root mean square value of the body acceleration and the rootmean square value of the tire dynamic displacement were compared with the simulation results．Multi-mode switching controlmodel of the hybrid suspension can effectively switch and reach the switching target，help hybrid suspension with energy recovery and improve the comprehensive performance of the hybrid suspension．

hybrid suspension;energy-regeneration;multi-mode switching;dynamic modeling

U463.33

A

1000-1298(2017)07-0353-08

2016-10-25

2017-02-06

國家自然科學基金項目(51575240)、江蘇省教育廳自然科學基金重大項目(15KJA460005)和鎮(zhèn)江市工業(yè)支撐項目(GY2015029)

汪若塵(1977—)，男，教授，博士生導師，主要從事車輛動態(tài)性能模擬與控制研究，E-mail:wrc@ujs．edu．cn

10．6041/j．issn．1000-1298．2017．07．045