電控懸架理論及關(guān)鍵技術(shù)研究1

1、 碩士研究生課程論文電控懸架理論及關(guān)鍵技術(shù)研究課程名稱：汽車電子與控制技術(shù)任課教師：XXX學(xué)生姓名：XXX年 級：2013級學(xué)生編號：XXX專 業(yè)：車輛工程時 間：2014年1月10日電控懸架理論及關(guān)鍵技術(shù)研究摘要：本文首先對電控懸架概念、結(jié)構(gòu)原理及分類做出簡要概述。針對電控懸架系統(tǒng)，建立了基于PID 控制的仿真模型。通過仿真，對比了空氣懸架的簧載質(zhì)量振動加速度、車輪動載荷以及懸架的動行程的動態(tài)變化。利用MATLAB實時工具xPc Target，實現(xiàn)電控懸架的硬件在環(huán)實時仿真。關(guān)鍵詞：電控懸架；PID 控制；硬件在環(huán) Study on the Theory and Key Technology

2、 of Electronic Control SuspensionAbstract: This paper first makes a brief overview of the concept, structure and classification of electronic control suspension. For the electronically controlled air suspension systems, one simulation model is established which based on PID control strategy. Through

3、 the simulation, we compare the dynamic changes of the sprung mass vibration acceleration, the dynamic wheel load and the suspension travel for air suspension.Key Words: ECAS；PID control；Hardware in the Loop目錄1 研究目的和意義.42 ECAS國內(nèi)外發(fā)展概況.5 2.1 國外發(fā)展概況.5 2.2 國內(nèi)發(fā)展概況.63 ECAS的主要結(jié)構(gòu)及其工作原理.6 3.1 ECAS的主要結(jié)構(gòu)6 3.2

4、電子控制空氣懸架的工作原理.8 3.3 ECAS的主要功能及其實現(xiàn)94 ECAS仿真模型的建立.10 4.1 ECAS動力學(xué)模型的建立.11 4.2 路面激勵模型12 4.3 PID控制器參數(shù)的調(diào)整.14 4.4 PID控制器的設(shè)計.155 電控半主動懸架硬件在環(huán)仿真.17 5.1 硬件在環(huán)的實現(xiàn)形式.17 5.2 硬件在環(huán)仿真試驗臺結(jié)構(gòu)及原理18 5.3 xPC Target.19 5.4 PC-818L數(shù)據(jù)采集板卡20 5.5 建立Simulink電控半主動懸架硬件在環(huán)仿真模型.20結(jié) 論.22參考文獻22隨著人們對車輛乘坐舒適性要求的提高和我國汽車懸架技術(shù)的發(fā)展，以及系統(tǒng)應(yīng)用的推廣和車輛

5、控制技術(shù)的發(fā)展，電子控制懸架逐漸取代傳統(tǒng)的機械控制的懸架，電子控制懸架系統(tǒng)應(yīng)運而生。電子控制空氣懸架ECAS(Electronically Controlled Air Suspension)可以顯著提高車輛乘坐舒適性、行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，毫無疑問，ECTS這一先進的懸架系統(tǒng)在汽車上的應(yīng)用將越來越普及。1 研究目的和意義懸架系統(tǒng)影響汽車的平順性、操縱穩(wěn)定性、輪胎接地性等主要性能。帶有機械式高度調(diào)節(jié)的空氣懸架系統(tǒng)是根據(jù)載荷變化來調(diào)節(jié)懸架剛度，使車身高度保持不變，但它不能根據(jù)汽車操縱穩(wěn)定性和行駛平順性指標(biāo)綜合考慮控制因素來調(diào)節(jié)懸架剛度。隨著汽車技術(shù)的進步及人們對車輛乘坐舒適性要求的提高，研究電

6、子控制空氣懸架系統(tǒng)(ECAS)成了汽車工程師們關(guān)注的課題。在國外，ECAS已在客車、重型汽車上得到廣泛的應(yīng)用，高檔轎車上也開始應(yīng)用，國內(nèi)近幾年才開始研究，但仍未見具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的ECAS成熟產(chǎn)品，電子控制空氣懸架系統(tǒng)整套電控系統(tǒng)均是從國外進口，其成本占整個系統(tǒng)的30%左右，大大削弱了國內(nèi)電子控制空氣懸架系統(tǒng)車輛企業(yè)在國際舞臺上競爭能力。主要原因是ECAS的設(shè)計理論還不夠深入，尤其是對空氣懸架與整車匹配、空氣彈簧設(shè)計和懸架控制理論與技術(shù)等方面，除此之外，電控空氣懸架的剛度、阻尼多級甚至無級可調(diào)、控制的智能集成化技術(shù)也是懸架技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。因此，開展車輛ECAS設(shè)計理論與關(guān)鍵技術(shù)研究，提

7、高車輛的操縱穩(wěn)定性、操縱輕便性、行駛平順性和安全性等綜合性能，這不僅具有重要的工程意義，而且具有重要的學(xué)術(shù)價值。電子控制空氣懸架系統(tǒng)的研究在國內(nèi)還處于起步階段，對空氣懸架的控制必然經(jīng)歷控制對象由簡單到復(fù)雜、控制參數(shù)由少到多的發(fā)展過程，其技術(shù)只能通過消化吸收再提高。預(yù)測電子控制空氣懸架系統(tǒng)在國內(nèi)市場的推廣次序是高級車輛、重型汽車、高檔轎車，故優(yōu)先選擇高級車輛電子控制空氣懸架系統(tǒng)，對其車身高度的控制、可調(diào)阻尼減振器的控制以及空氣彈簧充放氣的控制策略等關(guān)鍵技術(shù)進行重點研究。在項目支撐的條件下，結(jié)合多學(xué)科、多領(lǐng)域，對電子控制空氣懸架系統(tǒng)進行深入的研究，最終實現(xiàn)電子控制空氣懸架系統(tǒng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化，使得電子

8、控制空氣懸架系統(tǒng)的主要性能應(yīng)達到國際先進水平，以滿足國內(nèi)和國際市場競爭的需要。2 ECAS國內(nèi)外發(fā)展概況2.1 國外發(fā)展概況1908年George Bancroft申報了第一個汽車懸架上空氣彈簧的專利，1910年美國首先在普爾曼車上使用空氣彈簧，隨后英、法等國加大了研究與應(yīng)用。由于空氣彈簧剛度與阻尼匹配比較困難，加之彈簧密封件容易損壞，維修復(fù)雜，使得空氣彈簧一度發(fā)展緩慢。1986年Toyoto 公司在Soarer和LEXUSLS400GT3車前后懸架上均采用EACS系統(tǒng)并且其剛度可在“軟”和“硬”之間調(diào)節(jié)，4個減振器可以在“軟”、“中”和“硬”之間調(diào)節(jié)，從而使懸架剛度和阻尼最優(yōu)配合，抑制車身姿

9、態(tài)變化。后來福特公司在Continental Mark 車型上成功推出了ECAS系統(tǒng)。 隨后ECAS系統(tǒng)高速發(fā)展，美國的Ford，德國的Benz、Man、Audi，瑞典的Volvo，法國的雷諾，日本的豐田、尼桑、日野、三菱等相繼采用ECAS系統(tǒng)。 據(jù)統(tǒng)計，2006 年僅在歐洲市場，就有55萬輛車采用空氣懸架。目前，國外豪華汽車上多數(shù)已經(jīng)配備了相應(yīng)的ECAS系統(tǒng)，如美國的林肯、凱迪拉克凱雷德，德國的Benz300SE、奧迪A6 Quattro、大眾Phaeton、BMW7系列，英國的路虎-發(fā)現(xiàn)3、勞斯萊斯Ghost，意大利的保時捷Cayenne Turbo S，韓國的起亞-霸銳和現(xiàn)代Rohens

10、 等。在高速客車和豪華城市客車上的使用率已達到100%，在中、重型貨車以及掛車上也超過80%，在一些特種車輛（如儀表車、救護車及集裝箱運輸車）上，空氣懸架幾乎成了唯一選擇。目前汽車工業(yè)發(fā)達國家已形成幾大空氣懸架和空氣彈簧生產(chǎn)廠家，如美國的WABCO 、NEWAY、RIDEWELL、FIRESTONE、GOOD YEAR和德國的 SAY、BPW等。在實際應(yīng)用方面， 高效的空氣懸架供給系統(tǒng)和控制系統(tǒng)一直是研究的重點。 美國的WABCO公司在這方面無疑走在世界前列，其良好的控制性能贏得了大眾、尼桑、三菱、五十鈴、日野、中國一汽、中國重汽、鄭州宇通，廈門金龍等大批世界各地企業(yè)的青睞。最新數(shù)據(jù)顯示，目前

11、WABCO電子控制空氣懸架系統(tǒng)僅在歐洲市場每年銷售超過20萬套。2008年，WABCO公司為奧迪A8轎車配備了具有突破性的懸架電子控制系統(tǒng)及創(chuàng)新性的高效空氣供給系統(tǒng)。該空氣懸掛系統(tǒng)的電子控制單元以FlexRayTM技術(shù)為特色，是車載控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的重大突破。2010年，WABCO公司為勞斯萊斯最新豪華車型Ghost開發(fā)了包括空氣懸架、主動側(cè)傾控制系統(tǒng)及電子可調(diào)減振裝置的電控空氣懸架系統(tǒng)。2012年德國漢諾威商用車博覽會，WABCO展示了最新電子掛車空氣懸架控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種融合。智能掛車程序。與 OptilevelTM技術(shù)的全新ECAS系統(tǒng)，這是全球掛車市場上的首個集傳統(tǒng)懸架功能與電子懸

12、架功能于一身的系統(tǒng)。2.2 國內(nèi)發(fā)展概況我國對空氣彈簧進行研究始于20世紀(jì)50年代，1957年，長春汽車研究所與化工部橡膠工業(yè)研究所合作制造出我國第一輛裝有空氣懸架的載重汽車，而后又設(shè)計了公共汽車、無軌電車以及軌道車輛等。20世紀(jì)90年代，國內(nèi)客車廠紛紛從國外購置空氣懸架，發(fā)展大致經(jīng)歷了。引進國外空氣懸架的整車引進國外空氣懸架系統(tǒng)自主研發(fā)空氣懸架系統(tǒng)，3個階段。據(jù)統(tǒng)計，2005年在全國銷售的8萬多輛大、中型客車中，配制空氣懸架的客車已占總量的8%左右。近年來，為滿足市場需要，國內(nèi)已有一些企業(yè)正在開發(fā)生產(chǎn)空氣懸架及零部件。這類企業(yè)主要有上?？坡囕v部件系統(tǒng)有限公司、東風(fēng)汽車懸架彈簧有限公司等。這

13、些企業(yè)已經(jīng)開發(fā)了中型客車、大型客車、客車前獨立懸架、重型載貨汽車等共8個平臺近90 個品種的全空氣懸架系統(tǒng)產(chǎn)品。2002年8月，我國實現(xiàn)中巴 ，氣囊全空氣懸架裝車試驗并通過國家檢測中心（襄陽汽車試驗場）多項性能試驗，開始批量裝車上市。2003年12月，我國研制出第一套大巴用獨立懸架全空氣懸架系統(tǒng)。2004年12月，我國完成重卡6x4 產(chǎn)品配套的首臺雙驅(qū)動橋8氣囊空氣懸架產(chǎn)品試制。2006年，我國自主研發(fā)的大中型旅游客車、一級踏步的公交車空氣懸架系統(tǒng)遠銷馬來西亞、印度、埃及，澳大利亞等國。2010年，空氣懸架在國內(nèi)客車上的使用率已經(jīng)達到10%。雖然我國已經(jīng)擁有重汽HOWO-A7、 重汽SCANI

14、A、東風(fēng)天龍、解放J6、華菱星凱馬、東風(fēng)EQ6850KR、蘇州金龍KLQ6128Q、海格A80等大批自主品牌的空氣懸架系統(tǒng)汽車，在空氣懸架的研發(fā)與應(yīng)用方面取得了很大的進步，但我國仍處于ECAS的起步階段，ECAS系統(tǒng)的控制策略和控制器的國產(chǎn)化道路還有很長的路要走。3 ECAS的主要結(jié)構(gòu)及其工作原理3.1 ECAS的主要結(jié)構(gòu)ECAS系統(tǒng)概括其組成是由電子控制單元(ECU)，高度控制電磁閥，車身高度傳感器(加速度、速度等其它傳感器)，空氣彈簧，可調(diào)阻尼減振器，空氣壓縮機，導(dǎo)向傳力機構(gòu)等組成，其主要零部件的功能如下：（1）電子控制單元電子控制單元(ECU)通常安裝在駕駛室或者電氣倉內(nèi)，可實現(xiàn)不同高度

15、值、阻尼值或剛度值的管理和儲存，控制包括正常高度在內(nèi)的多個車輛高度，ECU負責(zé)與診斷工具進行數(shù)據(jù)交換，同時監(jiān)測系統(tǒng)所有部件的操作，檢測并儲存系統(tǒng)故障。（2）空氣彈簧空氣彈簧是空氣懸架中最為關(guān)鍵的部分，空氣彈簧的性能直接決定著整個空氣懸架的性能。按照結(jié)構(gòu)特點，空氣彈簧可以分為囊式和膜式兩大類。囊式空氣彈簧結(jié)構(gòu)相對簡單，制造方便，但剛度較高，因而常用于大型客車、無軌電車和載貨汽車，并且常配有輔助氣室以降低彈簧剛度。膜式空氣彈簧剛度小，適合于用作轎車懸架，但其載荷能力小。（3）可調(diào)阻尼減振器電子控制懸架系統(tǒng)中常用變阻尼減振器系統(tǒng)。該系統(tǒng)相對于使用普通空氣減振器系統(tǒng)有許多優(yōu)點，其中最大的優(yōu)點就是重量輕

16、，阻尼系數(shù)可根據(jù)外部條件由電子調(diào)節(jié)。大多數(shù)使用變阻尼減振器的系統(tǒng)是根據(jù)汽車行駛狀況或行駛狀況加上駕駛員選擇的運行模式來調(diào)節(jié)控制的，而有的則只根據(jù)駕駛員操作開關(guān)來調(diào)節(jié)控制。（4）空氣壓縮機空氣壓縮機用來產(chǎn)生提供車身高度、剛度調(diào)節(jié)所需的壓縮空氣?？諝鈮嚎s機一般采用單缸活塞式結(jié)構(gòu)，直流電動機帶動空氣壓縮機工作，從壓縮機中出來的壓縮空氣進入干燥器，經(jīng)干燥器后被送到高度控制電磁閥，由電磁閥來控制懸架空氣彈簧的充氣量，空氣室的壓力由調(diào)壓閥實行控制，排氣閥打開時，空氣彈簧內(nèi)的壓縮空氣從排氣閥排入大氣，同時將干燥器中的水分帶走。當(dāng)車內(nèi)乘客人數(shù)或汽車載荷增加時，車身高度降低，車高傳感器給出的信號將與控制裝置內(nèi)存

17、貯的車高量不符，控制裝置會發(fā)出指令，啟動空氣壓縮機，打開高度控制電磁閥，給空氣彈簧主氣室充氣，直到車高達到規(guī)定的高度為止。當(dāng)車內(nèi)乘客人數(shù)或汽車載荷減少時，車身高度上升，在電子控制裝置的控制下，打開高度控制電磁閥，空氣彈簧主氣室的氣體通過高度控制電磁閥，空氣管路，排氣閥排出，車身下降。（5）電磁閥電磁閥通常安裝在車架或車架橫梁上。ECAS電磁閥是高度集成化和模塊化的設(shè)計。取決于不同的配置，在通用的外部殼體內(nèi)可以布置不同數(shù)量的電磁閥部件。ECAS組合電磁閥可大大節(jié)省了零部件數(shù)量和安裝空間以及裝配費用。為了降低排氣噪聲，電磁閥排氣口帶有消音器。（6）車身高度傳感器高度傳感器的外形看起來與機械高度閥相

18、似，它們的安裝方式和安裝位置完全相同，通常布置在車架上。傳感器內(nèi)部包含線圈和樞軸，當(dāng)車橋與車身之間的距離發(fā)生變化時，高度橫擺桿轉(zhuǎn)動并帶動相應(yīng)的電樞在線圈中上下直線運動，造成線圈的感應(yīng)系數(shù)變化，ECU檢測此感應(yīng)系數(shù)的變化并將其轉(zhuǎn)換成高度數(shù)字信號。3.2 電子控制空氣懸架的工作原理電子控制空氣懸架它是由電子控制單元(ECU)、高度傳感器、電磁閥、空氣彈簧、速度傳感器、減震器、車高升降控制鍵盤等組成，其最大的特點是在四個輪子處用充有壓縮空氣的空氣彈簧代替了傳統(tǒng)的螺旋彈簧，并配備了電子控制裝置、電子控制單元能夠根據(jù)車輛的行駛狀態(tài)，自動調(diào)節(jié)車身高度、剛度或阻尼等參數(shù)，其結(jié)構(gòu)如圖3.1。圖3.1 ECAS

19、的主要零部件ECTS的基本工作原理是高度、加速度等信號傳感器負責(zé)檢測車身高度(車架和車橋間的距離)、加速度的變化，并將整車高度變化、加速度變化轉(zhuǎn)換為電子信號，轉(zhuǎn)換后的電子信號經(jīng)過放大濾波等信號處理過程后傳遞給電子控制單元(ECU)，ECU內(nèi)部保存若干指標(biāo)高度或是參考加速度、二級可調(diào)阻尼值，這些參考值與彈簧的舒適性、駕駛安全性和應(yīng)用規(guī)范保持一致。車速在不同的行駛條件下由ECU自動執(zhí)行相應(yīng)的指標(biāo)高度，或是調(diào)節(jié)到相應(yīng)的剛度。ECU通過比較信號傳感器檢測結(jié)果和內(nèi)部存放的參考值，通過電磁閥對空氣彈簧進行充放氣，從而達到調(diào)節(jié)剛度或高度的目的，保證車輛行駛平順性和操作穩(wěn)定性。除高度、加速度信息外，ECU還接

20、受其它的輸入信息，如車速信息、制動信息、車門信息和供氣壓力信息等，ECU綜合這些輸入信息，判斷當(dāng)前車輛狀態(tài)，按照其內(nèi)部的控制邏輯，激發(fā)電磁閥工作，通過電磁閥控制空氣彈簧的進出氣等過程，當(dāng)然也可以由駕駛員手動控制。圖3.2 電控空氣懸架示意圖a1.控制器(ECU) 2.電磁閥 3.車身高度傳感器 4.空氣彈簧 5.控制終端6.可調(diào)阻尼減振器 7.空氣壓縮機 8.速度傳感器 9.后軸 10.前軸圖3.3 電控空氣懸架示意圖b3.3 ECAS的主要功能及其實現(xiàn)ECAS的功能主要有以下幾個方面：（1）抗后坐控制通過車速、加速度等傳感器進行信號檢測，當(dāng)車速低于20km/h且加速度大時，ECU通過電磁閥對

21、后空氣懸架進行充氣，后懸架高度趨于不變，減振器阻尼力到達高值，從而抵抗汽車起步時車身后坐。（2）抗側(cè)傾控制由裝在轉(zhuǎn)向軸的光電式傳感器檢測轉(zhuǎn)向盤的操作情況，急轉(zhuǎn)彎時，ECU通過電磁閥對側(cè)懸架進行充氣，側(cè)懸架高度趨于不變，減振器阻尼到達高值，以抵抗車身側(cè)傾。（3）抗點頭控制在車速高于60km小時緊急制動，ECU通過電磁閥對前懸架進行充氣，前懸架高度趨于不變，減振器阻尼到達高值，以抵抗車身前部下沖。（4）車速感應(yīng)控制當(dāng)車速大于60km小時，ECU通過電磁閥對空氣彈簧進行放氣，以降低車身高度，減少風(fēng)阻，從而提高高速行時操縱穩(wěn)定性。（5）前、后關(guān)聯(lián)控制車速在40-60km/h范圍內(nèi)時，若前輪車高傳感器檢

22、測出路面有小凸起，則在后輪越過該凸起之前，系統(tǒng)將對后懸架充氣，使得高度趨于不變，減振器阻尼力達到低值，從而提高汽車乘坐舒適性。（6）車身高度控制和駐車控制車高控制是指汽車的高度可根據(jù)人員數(shù)量和載荷大小自動調(diào)整。自動高度調(diào)整不僅可以保持汽車平穩(wěn)地行駛，而且減小了車前燈光線角度的變化(如前照燈的光線向上，則會使迎面開來的汽車產(chǎn)生眩目)。當(dāng)在惡劣路面上行駛時，控制空氣彈簧動行程在固定的范圍內(nèi)，防止車體與車架發(fā)生剛性撞擊。當(dāng)汽車高速行駛時，降低車高會減小空氣阻力，保證行駛穩(wěn)定性。車高控制可采用對4個車輪或僅對2個后輪實行控制，ECU根據(jù)車高傳感器信號判斷汽車的高度，如果檢測到車高過低，則控制高度控制閥

23、，向空氣彈簧主氣室內(nèi)充氣，使車高增加。當(dāng)需要車高降低時，則使空氣彈簧主氣室向外排氣。當(dāng)汽車處于駐車控制模式時，為了使車身外觀平衡，保持良好的駐車姿勢，當(dāng)點火開關(guān)關(guān)閉后，ECU即發(fā)出指令，使車身高度處于的低控制模式。（7）過載保護(Overload Protection)過載保護是通過在ECU中設(shè)置氣囊的保護氣壓(最大允許氣壓)，一旦空氣彈簧中的氣壓超過了此設(shè)定值，空氣彈簧將被放氣，整車高度降低并壓到空氣彈簧中的緩沖塊。如果要恢復(fù)到正常操作狀態(tài)，必須將過載的貨物卸掉，直到氣壓可低于保護氣壓。當(dāng)發(fā)動機重新啟動后，車輛將恢復(fù)正常狀態(tài)。4 ECAS仿真模型的建立建立汽車懸架的力學(xué)模型是進行性能分析和系

24、統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)。懸架系統(tǒng)作為一個復(fù)雜的多自由度“質(zhì)量-剛度-阻尼”振動系統(tǒng)，對其動力學(xué)特性進行精確的描述和分析是非常困難的。但是，長期以來的大量研究表明，根據(jù)研究內(nèi)容的出發(fā)點不同，分析的側(cè)重點和研究的目的不同，可采取的簡化方法建立不同的系統(tǒng)力學(xué)模型，這樣既達到簡化研究對象，方便分析計算目的，又達到突出問題本質(zhì)，滿足分析計算正確、有效性的效果。盡管各種懸架的結(jié)構(gòu)不同，但研究來自不平路面激勵引起車體的垂直振動都可用l/4車輛力學(xué)模型來表示。這是因為，雖然四分之一車體模型沒有包括汽車的整體幾何信息，也無法用它來研究汽車俯仰角振動及側(cè)傾角振動，但它包含了實際問題中的絕大部分基本特征，例如負載變化和懸架系

25、統(tǒng)受力的信息等。當(dāng)考慮如下特點時，四分之一懸架是最簡單有效也最為適宜的模型：(l)在保持正確有效性的前提下，減少系統(tǒng)描述參數(shù)；(2)盡量減少系統(tǒng)運行參數(shù)的數(shù)量；(3)有利于控制規(guī)律的探索。如果車身的質(zhì)量分配系數(shù)在0.8-1.2之間，則認為車身前后部分的振動是相互獨立的，即說明研究的車型縱向結(jié)構(gòu)完全獨立，前后輪完全解耦合，在對稱激勵輸入時我們就可以建立代表四分之一車輛的二自由度的模型。用這種模型進行分析時，求解容易，計算量小，且對于大波長、低頻更加有效，研究人員通常用其驗證控制理論的正確有效性。4.1 ECAS動力學(xué)模型的建立盡管各種懸架的結(jié)構(gòu)不同，但研究來自不平路面激勵引起車體的垂直振動都可用

26、l/4車輛力學(xué)模型來表示。1/4汽車模型結(jié)構(gòu)簡單，但它包含了汽車平順性分析的主要特征，所以在懸架控制策略的研究中被廣泛采用。本文即采用二自由度l/4車輛模型，見圖4.1。圖4.1 二自由度1/4車輛模型根據(jù)牛頓第二定律，模型的運動學(xué)微分方程為：式中代表輪胎徑向剛度， 為空氣彈簧剛度(剛度可調(diào))，它是氣囊內(nèi)壓力的非線性連續(xù)函數(shù)， 為減振器阻尼系數(shù)，分別代表非簧載質(zhì)量和簧載質(zhì)量，分別表示路面激勵、非簧載質(zhì)量位移以及簧載質(zhì)量位移。根據(jù)亞星牌YBL6891H大客車基本數(shù)據(jù)為懸架試驗臺的部分參數(shù)，見表4-1。表4-1 二自由度車輛模型部分參數(shù)根據(jù)式(4.1)和MATLAB中simulink仿真模塊建立的

27、仿真模型如4.2所示：圖4.2 二自由度1/4半主動懸架仿真模型4.2 路面激勵模型汽車在實際使用環(huán)境中受到許多外界干擾的影響，如路面不平度、側(cè)向風(fēng)等。本文只考慮路面不平度的影響。路面干擾輸入基本上可以分為兩類：隨機路面輸入和確定性路面輸入。隨機路面輸入是用其統(tǒng)計特性描述，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)將公路等級分為8級。而確定性輸入則用來描述車輛所遇到的明顯凸起、凹坑等激勵。分析懸架在時域內(nèi)的動態(tài)特性，需要進一步把路面不平度在頻域內(nèi)的性能轉(zhuǎn)化為在時域內(nèi)的時間序列。本仿真是利用白噪聲通過一階積分的方法來產(chǎn)生隨機輪廓。當(dāng)車速為定值時，速度時域功率譜即為白躁聲信號，譜密度為常數(shù) 。于是，路面輪廓可由譜密度為 的白躁

28、聲通過積分器產(chǎn)生，即： （4.2）式中， ；單位白噪聲仿真分析時，選取國家標(biāo)準(zhǔn)B級路面，其路面不平度系數(shù)為 ，參考空間頻率 ，車速為v=20m/s時，利用Matlab+simulink+Toolbox仿真軟件可以構(gòu)造出積分白躁聲模型，如圖4.3所示。圖4.3 積分白噪聲隨機路面模型由上述仿真模型所產(chǎn)生的隨機路面輪廓如4.4圖所示：圖4.4 積分白噪聲路面4.3 PID控制器參數(shù)的調(diào)整在控制系統(tǒng)中， 是比例增益系數(shù)，其控制效果是減小響應(yīng)曲線的上升時間及靜態(tài)誤差，但單純的比例校正是有差調(diào)節(jié)，無法做到消除靜態(tài)誤差，故一般不會單獨使用。是積分增益系數(shù)，其控制效果是消除靜態(tài)誤差，積分校正是無差調(diào)節(jié);但它

29、會延長過渡過程時間，增大超調(diào)量，甚至影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，不建議單獨使用。是微分增益系數(shù)，其控制效果是增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，減小過渡過程時間，降低超調(diào)量。采用PID控制策略時，、和三個參數(shù)對系統(tǒng)的控制效果起決定性作用，所以我們主要精力用在尋找最佳的、和參數(shù)值，即進行PID參數(shù)的整定，從而使空氣懸架的PID控制達到預(yù)定要求。根據(jù)經(jīng)驗可知，各參數(shù)與性能指標(biāo)之間的關(guān)系不是絕對的，只是表示一定范圍內(nèi)的相對關(guān)系。、和三個參數(shù)之間還有互相影響，一個參數(shù)變了，另外兩個參數(shù)控制效果也會改變。因此，實際應(yīng)用中，根據(jù)實際控制響應(yīng)曲線調(diào)整這三個參數(shù)，使控制效果更好的滿足性能指標(biāo)的要求，達到控制目標(biāo)。關(guān)于PID參數(shù)整定，人們

30、總結(jié)出了許多經(jīng)驗圖表和公式，比較著名的理論方法有根軌跡法、頻率整定法、最優(yōu)化法。而實用方法則有擴充臨界比例法，擴充響應(yīng)曲線法，歸一參數(shù)整定法，優(yōu)選法，湊試法等。由于是在Matlab環(huán)境下進行設(shè)計與仿真，而該軟件具有強大的圖形功能，方便的可視化操作，所以我們只需以經(jīng)驗公式做定性參考，然后直接根據(jù)仿真曲線來選擇PID參數(shù)。依據(jù)空氣懸架系統(tǒng)性能指標(biāo)要求和一些基本的整定參數(shù)的經(jīng)驗，選擇不同的PID參數(shù)進行仿真，最終確定滿意的參數(shù)。這樣既直觀方便、計算量小，又便于調(diào)整與改進。在本文中我們使用湊試法整定PID參數(shù)。在湊試時，可參考上述比例系數(shù)，積分系數(shù)，微分系數(shù)對控制過程的影響趨勢，根據(jù)經(jīng)驗公式和空氣懸架

31、系統(tǒng)的特性對參數(shù)實行如下整定。它分以下幾步：(l)首先整定比例部分。即先將和設(shè)為0，然后由小變大逐步改變，同時觀察系統(tǒng)響應(yīng)，直到控制系統(tǒng)得到反映快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線.由于此時系統(tǒng)仍有靜差，且靜差仍在一個較大的范圍內(nèi)，所以單用比例調(diào)節(jié)器還不能達到目的，進入下一步調(diào)節(jié)。(2)加入積分環(huán)節(jié)，整定積分系數(shù)。首先置為一個較小的值，并將第一步整定得到的略微縮小，然后逐步增大，觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線，使系統(tǒng)在保持良好動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。在此過程中，可根據(jù)響應(yīng)曲線的好壞反復(fù)改變和，以期得到滿意的控制過程與控制參數(shù)。使用比例積分調(diào)節(jié)器消除了靜差，但動態(tài)過程經(jīng)反復(fù)調(diào)整仍不能滿意，需要加以微分環(huán)節(jié)。(3)加入

32、微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分調(diào)節(jié)器。微分系統(tǒng)的整定方法同第二步，在前面整定的基礎(chǔ)上逐步增大，同時相應(yīng)地微幅改變和，逐步湊試，以獲得滿意的調(diào)節(jié)效果和控制參數(shù)。根據(jù)以上整定規(guī)則，經(jīng)過仔細地調(diào)整，得到PID三個參數(shù)值如下：=820；=2；=104.4 PID控制器的設(shè)計懸架連接車架與車軸，承受作用在車輪與車身之間的作用力。當(dāng)汽車在不平路面上行駛時，由于工況變化(如加速、制動和轉(zhuǎn)彎)、車輛本身參數(shù)變化(如載人或載貨的多少引起車身質(zhì)量的變化、輪胎氣壓等引起輪胎剛度的變化)等，使乘員或貨物所處的振動環(huán)境是多變不確定的。因此，懸架系統(tǒng)的設(shè)計與分析應(yīng)考慮基本性能要求(良好的乘坐舒適性與輪胎接地性、保持懸架動行程

33、在允許范圍內(nèi)以免撞擊限位塊)。圖4.5 PID控制系統(tǒng)仿真模型在控制系統(tǒng)中，選取簧載質(zhì)量加速度()和懸架動行程()以及推導(dǎo)得到的輪胎動載荷為測量量，空氣彈簧的剛度為控制輸出量。利用仿真軟件MATLAB很容易構(gòu)建出該PID的仿真模型在白躁聲作為路面激勵下控制系統(tǒng)仿真模型框圖見圖4.5?；谝呀?jīng)建立的模型和控制策略，使用MATLAB+SIMULINK軟件對模糊控制半主動空氣懸架系統(tǒng)和被動空氣懸架系統(tǒng)進行計算機仿真，采樣周期為10ms，分別對車身垂直加速度、懸架動行程、車輪動載荷進行仿真分析。在仿真中，本文采用了亞星牌YBL6891H型大客車滿載時的基本數(shù)據(jù)。其仿真結(jié)果見圖4.6至圖4.8。圖4.6

34、 車身垂直加速度圖4.7 車身動行程圖4.8 車身動載荷然而硬件在環(huán)仿真技術(shù)只是用于ABS、發(fā)動機、CVT等，而應(yīng)用于汽車電控懸架上的則很少，因而對于電控懸架的控制器的設(shè)計僅是在計算機上來進行仿真。對于汽車電子控制系統(tǒng)的開發(fā)而言，硬件在環(huán)仿真是目前最具有實際意義的一種仿真手段。本課題將電控懸架與硬件在環(huán)仿真技術(shù)相結(jié)合，將實車硬件嵌入仿真系統(tǒng)進行實時動態(tài)仿真，這可以方便靈活地對懸架系統(tǒng)進行不同要求的實驗、設(shè)置，可以對控制器的參數(shù)進行實時調(diào)整，獲得最優(yōu)控制效果，這可以縮短研究周期。并且通過對電控空氣懸架與硬件在環(huán)仿真技術(shù)結(jié)合的研究，使得其對于實際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義和工程價值。5 電控半主動懸架

35、硬件在環(huán)仿真5.1 硬件在環(huán)的實現(xiàn)形式由于軟件仿真存在仿真實用性差、仿真條件過于理想等難以克服的缺點，而物理仿真成本過高，在進行控制系統(tǒng)的開發(fā)時，可以采用部分硬件實物代替仿真模型，以降低試驗成本、縮短開發(fā)周期。采用硬件在環(huán)仿真技術(shù)開發(fā)電控系統(tǒng)還可以現(xiàn)危險和極端工況下的測試，并且測試可以多次重復(fù)進行，靈活性強。硬件在環(huán)仿真對計算機的運算速度與信號輸入的實時性有較高的要求，目前，常用的仿真實現(xiàn)形式有三種：dSPACE系統(tǒng)、ADRTS系統(tǒng)和基于MATLAB Real-time Windows Target模塊自行構(gòu)建。(1)dSPACE系統(tǒng)dSPACE實時系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分構(gòu)成，其中硬件部分包括

36、核心處理器、輸入/輸出接口等，具有高速運算能力;軟件系統(tǒng)主要是代碼生成與調(diào)試。dSPACE系統(tǒng)是一套高度集成的系統(tǒng)，產(chǎn)品設(shè)計、數(shù)學(xué)分析、實時仿真與試驗結(jié)果監(jiān)控都可以在dSPACE實時系統(tǒng)中實現(xiàn)。為了適用大多數(shù)用戶的需求，dSPACE硬件系統(tǒng)可以選擇多種處理器與輸入/輸出接口，因而應(yīng)用十分廣泛。MATLAB對dSPACE系統(tǒng)的支持非常強大，可以方便的進行聯(lián)合仿真研究。(2)ADRTS系統(tǒng)ADRTS是ADI公司為硬件在環(huán)仿真開發(fā)的實時動態(tài)仿真系統(tǒng)，該系統(tǒng)由專用處理器和高速輸入/輸出口組成。在進行硬件在環(huán)仿真時，數(shù)據(jù)的傳輸與通訊是通過VME總線實現(xiàn)的，輸入/輸出的連接是通過PIR接口實現(xiàn)的。與dSP

37、ACE系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)集成度較低，并且需要利用上位機軟件自行設(shè)計仿真模型。(3)MATLAB/Real-time Windows Target模塊Real-time Workshop模塊是MATLAB為實現(xiàn)實吋控制而開發(fā)的專用工具箱，是MATLAB對建模仿真工具包Simulink的重要補充。RTW支持快速原型化目標(biāo)設(shè)計和嵌入式目標(biāo)設(shè)計，它可以直接從Simulink的模型中產(chǎn)生可移植的代碼，同時還支持基于仿真模型的調(diào)試。Real-time Windows Target模塊是基于RTW框架結(jié)構(gòu)的附屬模塊，它可以應(yīng)用一個實時內(nèi)核將個人電腦或工作站變成實時系統(tǒng)。由于實時內(nèi)核運行在CPU的最高優(yōu)先級，因

38、而仿真時效率很高，可以滿足實時性系統(tǒng)的要求。Real-time Windows Target支持多種板卡設(shè)備，因而無需購買復(fù)雜的專用系統(tǒng)，只需安裝相關(guān)的板卡與軟件，就可以方便的搭建硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)，成本低廉，使用方便。5.2 硬件在環(huán)仿真試驗臺結(jié)構(gòu)及原理在汽車電控半主動懸架仿真臺架試驗系統(tǒng)中，通過Simulink所提供的已有模塊構(gòu)造出電控懸架的仿真控制器模型，再添加I/O模塊，通過外接接口和真實的汽車懸架相連接調(diào)用RTW中的xPC Target模塊把仿真模型轉(zhuǎn)化成C代碼，經(jīng)編譯后生成可執(zhí)行文件，然后下載到目標(biāo)機中，進行硬件在環(huán)仿真。信號是從真實的加速度傳感器獲得，通過研華PCL-818L高

39、速數(shù)據(jù)采集卡采集獲得，然后經(jīng)過電控懸架的控制器模型進行分析，把輸出控制量轉(zhuǎn)化成電信號通過RS-232輸入到執(zhí)行器步進電機電路，以此來驅(qū)動步進電機，實現(xiàn)減振器和空氣彈簧在“軟”、“運動”、“硬”三種狀態(tài)之間切換，實現(xiàn)完整的電控懸架硬件在環(huán)實時仿真試驗。為驗證所設(shè)計的空氣懸架控制器及其控制策略，將電控懸架的硬件實物接入試驗臺架系統(tǒng)的回路中，搭建四分之一車輛電控懸架試驗系統(tǒng)，其中試驗臺架所對應(yīng)的四分之一汽車懸架系統(tǒng)參數(shù)可調(diào)(如車身質(zhì)量、懸架彈簧剛度輪胎剛度等懸架系統(tǒng)參數(shù))，從而進行硬件在環(huán)仿真試驗(HIL)?；贛ATLAB/Simulink、RTW、xPC Target的硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如

40、圖1-1所示：電控半主動懸架硬件部分主要包括懸架所有的實際硬件，包括各種傳感器、執(zhí)行器和ECU，由于條件有限，本次試驗的ECU可由目標(biāo)機來代替，即可將代碼經(jīng)過編譯直接下載到目標(biāo)機中，以此來替代ECU。加速度傳感器：用來測量車身垂向加速度，主要由壓電陶瓷盤和膜片組成。根據(jù)壓電陶瓷的特性，它們將產(chǎn)生與其彎曲率成正比變化的電荷。這些電荷由傳感器內(nèi)的電子電路轉(zhuǎn)換成與加速率成正比例的電壓。其輸出靜態(tài)電壓是2.5V上下，有正負之分，1.4V電壓對應(yīng)于1g的加速度。步進電機式懸架控制執(zhí)行器：這種執(zhí)行器是由步進電機驅(qū)動，步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蛘呔€位移的開環(huán)控制元步進電機件，其輸入量為可計數(shù)脈沖，

41、輸出量為電機旋轉(zhuǎn)的角度。其優(yōu)點是能獲得快速的響應(yīng)和準(zhǔn)確的控制。步進電機式懸架控制執(zhí)行器可以直接接收來自計算機的數(shù)字信號。步進電機驅(qū)動系統(tǒng)一般由控制機，步進電機、功率驅(qū)動器等構(gòu)成?？刂泼}沖信號是由目標(biāo)機通過RS232輸出，經(jīng)由步進電機驅(qū)動電源以后來驅(qū)動步進電機。步進電機的驅(qū)動電源：驅(qū)動電源采用+24V電壓驅(qū)動，分配器使用集成度較高的CMOS單片電路LCB502，振蕩器由T065和集成電路組成。電路所需電源由三端穩(wěn)壓器SW7805供給。功放部分由兩只中功率管3DX203和一只大功率管3DD15D組成。本文所研究的硬件在環(huán)仿真中，由于在Simulink I/O模塊中有相應(yīng)的PCL-81SL數(shù)據(jù)采集卡

42、的刀D模塊，無需自行編寫CMEX的S函數(shù)，從而節(jié)省了很多編程工作。PCL-81SL數(shù)據(jù)采集卡具有很高的采樣速度，連接真實的電控懸架上的各種傳感器輸出的真實信號。測量時，傳感器安裝在懸架的相應(yīng)位置，由專門電源供電。圖5-1 硬件在環(huán)實時仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)5.3 xPC TargetxPC Target(xPC目標(biāo))是MathWorks公司提供和發(fā)行的一個基于RTW的實時仿真和開發(fā)平臺，支持ISA和PCI類型的I/O口。用戶使用xPC Target只需安裝相關(guān)的軟件、編譯器和I/O口，就可將一個Intel80x86/Pentium PC機作為實時系統(tǒng)，來實現(xiàn)控制系統(tǒng)快速原型化(RPC)，硬件在環(huán)中的測試

43、和配備實時系統(tǒng)的功能。xPC目標(biāo)的硬件系統(tǒng)配置靈活，支持任何臺式PC機、工控機等作為實時目標(biāo)系統(tǒng)，支持超過150種標(biāo)準(zhǔn)的FO板卡，用戶還可通過編寫MEXS函數(shù)來擴展FO驅(qū)動設(shè)備。宿主機可通過RS232串口或TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議與目標(biāo)機進行通信。本文采用RS232串口連接，圖1-2為xPC Target環(huán)境。圖5-2 xPC Target環(huán)境5.4 PC-818L數(shù)據(jù)采集板卡數(shù)據(jù)采集卡采用的是研華公司生產(chǎn)的PCL- 818L板卡，PCL-818L在xPC Target系統(tǒng)里可以找到相應(yīng)的模塊，PCL-818L是為IBM或其他兼容計算機設(shè)計的一款高性能、高速多功能數(shù)據(jù)采集卡。具有12位A/D分辨率，最高達100kS/s的采樣率，16通道單端或8通道差分輸入，單極性或雙極性模擬量輸入范圍，可編程的增益設(shè)置：x0.5，xl，x2，x4，x8，輸入范圍：±10V、±5V、±2.5V、±l.25V、±0.625V、0-10V、0-5V、0-2.5V、0-1.25V。5.5 建立Simulink電控半主動懸架硬件在環(huán)仿真模型在應(yīng)用程序執(zhí)行時