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1、考虑 EPS 与 ESP 耦合作用的 ECAS 系统控制策略 陈黎卿 郑爽 曹恺 安徽农业大学工学院 摘 要： 为提升汽车在不同工况下的行驶平顺性, 提出了一种考虑电动助力转向系统与汽车电子稳定系统耦合作用的电控空气悬架 (ECAS) 控制策略。首先建立基于Matlab/Simulink 的 10 自由度整车模型, 分析了 ESP 和 EPS 对 ECAS 平顺性的影响规律;接着设计了基于粒子群算法的电控空气悬架系统 PID 控制器;最后搭建了基于 NI-PXI 实时控制器的电控空气悬架控制器硬件在环试验平台。试验结果表明:在路面附着系数 0.7、车速 50km/h 下的单移线工况下, 与无控
2、制时相比, 所提出的控制系统使整车侧倾角峰值由 0.031rad 降低到 0.021rad, 俯仰角峰值降低了 16%, 质心垂向加速度均方根值也减小了 32.91%。关键词： 电控空气悬架; 耦合; 粒子群优化算法; 硬件在环试验; 作者简介：陈黎卿, 教授, 博士, E-mail:。收稿日期：2016 年 11 月 25 日基金：国家自然科学基金 (51305004) 资助Control Strategy for Electronically Controlled Air Suspension System with Consideration of the Coupling Betwee
3、n EPS and ESPChen Liqing Zheng Shuang Cao Kai College of Engineering, Anhui Agricultural University; Abstract： For improving the ride comfort of vehicle under various operating conditions, a control strategy for electrically-controlled air suspension (ECAS) is proposed with consideration of the coup
4、ling of electric power steering system and electronic stability system.Firstly, a 10 DOF vehicle model is set up with Matlab/Simulink, and the effects of ESP and EPS on the ride comfort of ECAS is analyzed.Then, a PID controller of ECAS is designed based on particle swarm algorithm.Finally, a hardwa
5、re-in-the-loop test platform for ECAS controller is built based on NI-PXI real-time controller.The test results show that under a road adhesion coefficient of 0.7 and a vehicle speed of 50 km/h, the control system proposed can reduce the peak roll angle from 0.031 rad to 0.021 rad, with the peak pit
6、ching angle and the mean square root of vertical acceleration of mass center lowering by 16% and 32.91% respectively, compared with that without control.Keyword： ECAS; coupling; PSO algorithm; hardware-in-the-loop test; Received： 2016 年 11 月 25 日前言随着汽车工业的快速发展, 汽车的舒适性能越来越受到人们的关注, 电控空气悬架系统 (electronic
7、ally controlled air suspension, ECAS) 由于可调节刚度和阻尼特性, 能很好改善汽车的平顺性, 故在汽车上的使用越来越广泛。文献1中设计了一种基于滑模控制算法的控制器来调节电控空气悬架系统的簧上质量质心高度和车身的侧倾角和俯仰角。文献2中开发了单个车轮电控空气悬架系统 PID 控制器。文献3中提出一种能对气体质量流量进行自适应调节的电控空气悬架神经网络 PID 控制方法。文献4中建立了针对不同车辆运行状态的多个局部线性固定模型, 并采用自适应控制方法调节最佳阻尼力。文献5中根据空气弹簧刚度试验, 建立了 1/2 汽车垂向振动模型, 依据天棚控制和地棚控制特点,
8、 设计了汽车磁流变减振器半主动空气悬架综合控制策略。文献6中基于单神经元自调整增益算法, 对 ECAS 设计了神经网络 PID 自适应高度调节控制器。综上所述, 针对电控空气悬架系统控制策略研究已经取得了较多的成果, 但因为整车电控系统逐渐增加, 相互之间的耦合作用对于各自的控制具有一定的影响, 如 ESP 和 EPS 系统对电控空气悬架就具有耦合特性7, 因此需要进一步的研究。本文中建立了 10 自由度整车模型, 在此基础上探讨 ESP, EPS 与 ECAS 的耦合作用, 并开展电控空气悬架控制策略研究。1 整车数学模型1.1 电控空气悬架系统模型文中讨论的电控空气悬架主要由膜式空气弹簧和
9、电磁阀式减振器构成, 由文献8可得式中:F 为空气弹簧的弹簧力;p 为终了状态气体压力;p 0为初始状态气体压力;p a为大气压力;V 为终了状态空气弹簧有效容积;V 0为初始状态空气弹簧有效容积; 为有效容积随高度的变化率;A 为终了状态空气弹簧有效面积;A 0为初始状态空气弹簧有效面积;A z为有效面积随高度的变化率;z si为悬架垂直位移, i=1, 2, 3, 4;zui为非悬架质量垂直位移。通过台架试验, 可得电磁阀式减振器阻尼力与控制电流的关系, 对不同通电时间下阻尼与控制电流的曲线进行拟合可得式中:F c为阻尼力;I 为电流; 1 5为拟合系数。1.2 电动助力转向系统模型为便于
10、分析, 将前轮和转向机构转向轴进行简化, 如图 1 所示, 转向系统动力学方程如下9-10:图 1 电动助力转向系统数学模型 下载原图式中: k为转向盘转角; c为输出轴转角;K s为扭杆刚性系数;T d, Jk和 Bk分别为转向盘转矩、转动惯量和阻尼; m为助力电机转角; 为横摆角速度; 为质心侧偏角; 为前轮转角;v x为纵向车速;a 为前轴到质心的水平距离;G m为电机到转向轴的传动比;G p为转向轴到前轮的传动比;J c和 Bc分别为转向轴转动惯量和阻尼系数;T a为电机助力转矩;T r为作用于转向轮的阻力矩;d f为前轮拖距;k 1为前轮侧偏刚度。对于直流电机:式中:U 和 I 为电
11、机端电压和电流;L 和 R 为电机电感和电阻;K b和 Ka为电机反电动势常数和转矩常数;J m和 Bm为电机转动惯量和阻尼系数。1.3 ESP 模型采用线性 2 自由度车辆模型计算车辆转向行驶时的理想横摆角速度和理想质心侧偏角:假设在车轮未抱死时, 左侧车轮需要制动器提供的制动力矩为式中:R 为轮胎滚动半径;m 为整车质量; 为前轮转角;v x为纵向车速;k 1和 k2为前后轮侧偏刚度;b 为后轴到质心的水平距离;K 为稳定性因数;g 为重力加速度;d 为 1/2 轮距;I z为车辆横摆转动惯量; 为路面最大附着系数;l 为轴距;F zi为轮胎垂直载荷同理可得右侧前后轮制动力和所需制动力矩。
12、1.4 整车系统模型建立包括车体的纵向、侧向、垂直、横摆、侧倾和俯仰 6 个自由度和 4 个车轮的垂直振动自由度的 10 自由度非线性动力学模型, 如图 2 所示。图 2 整车运动模型 下载原图纵向运动:侧向运动:横摆运动:侧倾运动:俯仰运动:车身垂向运动:车轮垂向运动:式中:F ui为轮胎垂直作用力;F si为悬架作用力;F ai为 4 个车轮的附加垂直载荷。式中:m s为悬挂质量;m ui为非悬挂质量 (轮 i 处) ; 为前轮转角;h 和 h1为簧上质量质心与侧倾中心和俯仰中心的高度差; 和 为车身俯仰角和侧倾角;v y为侧向车速;C D为空气阻力系数;A x为迎风面积; 为横摆角速度;
13、I x和 Iy为车身侧倾和俯仰的转动惯量;z s为汽车质心垂向位移;z g为路面垂向位移输入;c si为悬架阻尼;k ti为轮胎刚度;F xi和 Fyi为汽车车轮所受纵向侧向力 (i=1, 2, 3, 4) 。综合以上公式, 采用 Matlab/Simulink 软件构建 10 自由度汽车动力学模型, 如图 3 所示。图 3 整车动力学仿真模型 下载原图2 EPS 和 ESP 对 ECAS 性能影响分析EPS 和 ESP 系统起作用时会引起车身垂直载荷的偏移, 进而影响 ECAS 系统对整车的控制。为清晰观察其对悬架性能和整车状态的影响, 进行如下工况仿真。(1) 转向工况, B 级路面, 车
14、速为 15m/s, 设置了波峰分别为 10, 20 和30Nm、波宽为 0.6s 的转向盘转矩三角波输入, 进行对比仿真, 结果如图 4 所示。图 4 转向盘转矩对悬架系统的影响 下载原图由图 4 可知:随着转向盘转矩的增大, 整车侧倾角逐渐变大。3 种转矩下的侧倾角峰值分别为 0.018, 0.081 和 0.122rad, 相比于转矩为 10Nm 时的侧倾角大小分别递增了 0.063 和 0.104rad。图 4 (b) 中质心垂向加速度为局部放大图, 在转向盘输入转矩为 10, 20 和 30Nm 时, 算得的质心垂向加速度均方根值分别为 0.121, 0.129 和 0.142m/s,
15、 可见转向盘转矩变大, 质心振动越明显, 对舒适性影响越大, 此时需增加外侧的空气悬架阻尼, 以抑制车身向该侧倾斜。(2) 制动工况, B 级路面, 车速为 15m/s, 在车轮制动力矩分别为 250, 350 和450Nm, 仿真结果如图 5 所示。图 5 制动力矩对悬架系统的影响 下载原图由图 5 (a) 可知, 随着汽车制动力矩的增加, 俯仰角增大。而由图 5 (b) 可见, 当汽车制动力矩增加时, 其质心垂向加速度在最初呈现略微减小趋势, 随后差异越发明显。(3) 转向制动工况, B 级白噪声路面, 车速为 15m/s, 转向盘转矩在 0.3s 时刻由 0 阶跃至 20Nm, 车轮制动
16、力矩在 1.5s 时刻由 0 阶跃至 350Nm, 仿真结果如图 6 所示。由图 6 可知, 在 1.5s 时刻, 转向与制动工况同时出现, 汽车侧倾角急剧减小, 此时由于制动力矩的施加, 车辆发生俯仰现象, 其俯仰角急剧增加到达峰值后经过一定的波动而渐趋稳定。而侧倾角的减小说明制动时, 车辆各车轮所承受载荷的转移改变了车身原本的垂向动力学特征, 图 6 (c) 表达了车轮垂直载荷分布关系, 图中曲线出现两次分叉现象, 分别在 0.3s 时转向的介入和 1.5 s 时刻制动的产生所导致的左右轮与前后轴间的载荷偏移。3 电控空气悬架控制策略3.1 控制策略制定由仿真分析可知, 在转向、制动和转向制动等典型工况下, EPS 和 ESP 系统工作将会不同程度地影响车身侧倾、俯仰和垂直振动加速度等性能, 据此制定ECAS 的控制方案如下:图 6 转向和制动对悬架系统的影响 下载原图(1) T
