液罐车电动助力转向和主动悬架集成控制研究

曾建力，程海涛

(重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074)



液罐车电动助力转向和主动悬架集成控制研究

曾建力，程海涛

(重庆交通大学交通运输学院，重庆 400074)

摘要：根据汽车系统动力学原理，建立了三轴液罐车电动助力转向和主动悬架集成控制动力学模型。为了提高液罐车行驶的操纵稳定性，在MATLAB中建立PID控制的EPS控制器和模糊控制的ASS控制器，以及两者的集成控制系统，通过仿真分析不加控制、单独控制和集成控制的效果，结果表明：集成控制效果最优。

关键词：液罐车；电动助力转向；主动悬架；集成控制

0引言

目前，汽车底盘集成控制是保障汽车安全性的一项热门研究，特别是为了提高车辆操纵稳定性进行的电动助力转向(EPS)和主动悬架(ASS)的研究已日趋成熟。大都是通过建立汽车电动助力转向和主动悬架动力学模型，根据不同的控制策略设计转向和悬架的控制器，在MATLAB/Simulink中仿真分析验证控制器的有效性，研究的重点就是控制策略[1-3]。

针对液罐车电动助力转向和主动悬架集成控制的研究很少，主要是借鉴轿车集成控制的研究。但是，液罐车与一般轿车的结构和参数不同，由于液罐车在不同充液比下质心位置发生变化，车辆在水平道路转弯行驶和侧坡道路直线行驶时罐内液体晃动，严重影响液罐车的横向稳定性，对其转向和悬架系统提出了更高的要求。为了提高液罐车行驶过程中的操纵稳定性，作者采用PID控制和模糊控制对转向和悬架进行集成控制研究。

1液罐车集成动力学模型

1.1整车模型

根据液罐车的结构特点，建立六轮液罐车的动力学模

型[4-5]，图1为液罐车转向运动模型；图2为整车俯仰运动模型；图3为整车侧倾运动模型。液罐车悬架采用电动助力转向，悬架采用主动悬架，由阻尼、可控力和弹簧刚度组成。

整车的侧偏和横摆运动方程：

(1)

(2)

整车俯仰运动方程：

(3)

整车侧倾运动方程：

(4)

悬挂质量垂直运动方程：

(5)

非悬挂质量垂直运动方程：

(6)

其中：Fzi为悬架作用在车身上总的作用力,i=1，2，3，4，5，6；

(7)

式(1)—(7)中：m为液罐车整车质量;ms为悬挂质量;mi为非悬挂质量;v为行驶速度;β为质心侧偏角;ωr为横摆角速度;h为侧倾中心高度;φ为车身侧倾角;Iz、Iy和Ix分别为绕z、y和x轴的转动惯量;a和b1、b2分别为质心至前轴、第二轴和第三轴轴距;d为1/2轮距;θ为车身俯仰角;Zs为悬挂质量垂直位移;Zui为非悬挂质量垂直位移;Kui为前后轮胎刚度;Ksi为前、后悬架刚度;Ci为前、后悬架阻尼系数;Zi为前后轮胎垂直位移;Kaf(f=1，2，3)为前、后横向稳定杆角刚度;fi为主动悬架作动器作用力。

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1.2ASS模型

主动悬架在传统的被动悬架系统弹性元件、减振器和导向机构的基础上附加了一个可控作用力装置，这个装置由有源或无源控制的元件组成，提供一个可调力来克服悬架的振动。特别是在车辆制动或转向时，由于车辆惯性引起弹簧变形较大，主动悬架系统能够产生一个力克服惯性力的作用，减少车身位置的变化。液罐车1/6主动悬架模型见图4。

建立1/6主动悬架振动微分方程:

(8)

(9)

1.3EPS模型

所选液罐车采用齿轮齿条式转向器，电子控制单元(ECU)采集转矩传感器和车速信号，根据存储信息计算给出相应的电流来控制电动机，为转向齿轮提供合适的助力，实现电动助力转向。

假定液罐车前轮转角为δ，转向轴到前轮传动比为P1，那么转向小齿轮的转角为[6]：

δ1=P1δ

(10)

对转向小齿轮进行受力分析，可以得到其动力学方程：

(11)

1.4路面模型

采用滤波白噪声路面模型作为路面输入模型，用于时域仿真分析，路面不平度位移时域表达式为：

(12)其中： Zi(t)为路面位移；f0为下截止频率；G0为路面不平度系数； ω(t)是均值为0的Gauss白噪声。通常f0的取值在0.1 Hz左右，以保证所得的时域路面位移输入与实际路面谱一致[7]。

1.5液罐车质心位置

液罐车发生侧倾时，整车质心位置也发生变化[8]。设车辆纵向为x轴，横向为y轴，垂向为z轴，则整车质心距y轴的距离a为：

(13)

而液罐车质心高度h为：

(14)

其中:m1为液罐车整备质量;m2为液体质量;m为整车质量;Ix为液体截面对x轴的惯性矩;S为液体截面面积;α为液面与水平面夹角;h1是空载时整车质心高度;h2是罐体中心到地面高度。

2集成控制策略

EPS系统根据转矩传感器和车速传感器的信号来控制助力电机的助力大小，输入为方向盘转角δ和路面白噪声ω(t)， 输出为前轮转角δ1、横摆角速度ωr和转向盘转矩Th，选用PID控制来控制助力电压。而ASS系统通过汽车各个部位的传感器采集车辆的运动状态、实时参数和外部输入变化，控制执行机构调整悬架控制力，其输出为车身侧倾角φ、车身质心加

3仿真与结果分析

在MATLAB/Simulink中运用PID控制和模糊控制集成控制策略进行仿真，采用4阶Runge-Kutta法，计算步长0.01。设车速v=60 km/h，转向盘转角阶跃输入为30°，采用上述的滤波白噪声路面。假定行驶过程中各车轮处路面干扰输入互不相干，仿真结果见图6—10。

图6所示为前轮转角在3种不同控制条件下的表现情况，前轮转角体现了前轮对方向盘角阶跃输入的响应，可以看出集成控制的转向助力效果最佳，且达到稳态值的用时最短。图7体现的是车辆在垂直方向上的加速度曲线，因为文中主要对车辆横向稳定性进行控制，所以集成控制对车身垂直加速度作用不明显。从图8可以看出：单独控制和集成控制时车身横摆加速度均有减小，集成控制的峰值与不加控制相比从1.53减小到1.26 °/s2，减小了17.6%。而图9和图10分别为横摆角速度和车身侧倾角的变化，可以看出:集成控制与不加控制和单独控制的曲线出现了交替和重叠，但是在t=2.5 s之前集成控制的峰值明显更小，比起不加控制的峰值分别减少了25.6%和32.4%。总体看来，采用集成控制使车辆横向操纵稳定性有了明显的提高。

4结束语

在建立三轴液罐车动力学模型、EPS和ASS控制模型的基础上，在Matlab/Simulink中设计了PID控制和模糊控制的集成控制器，对电动助力转向和主动悬架的输入、输出变量进行控制。仿真结果表明：该集成控制器有效降低了前轮转角、车身横摆角速度、横摆加速度和车身侧倾角，从而使液罐车的操纵稳定性得到改善。

参考文献:

【1】崔晓利,杨岳,袁传义.车辆悬架系统与电动助力转向系统的集成控制[J].中南大学学报(自然科学版),2009,40(6):1594-1598.

【2】魏俊生.汽车电控悬架和电动助力转向协调控制研究[D].重庆:重庆大学,2008.

【3】汪少华,陈龙,袁传义.车辆半主动悬架与助力转向集成控制的仿真研究[J].汽车工程,2009,31(11):1066-1069.

【4】赵君卿，王其东.汽车电动助力转向与主动悬架集成控制及其仿真[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(3):234-237.

【5】胡晓明,李万莉,孙丽,等.液体晃动降低半挂液罐车行驶稳定性[J].农业工程学报,2013,29(6):49-58.

【6】王启瑞,刘立强,陈无畏.基于随机次优控制的汽车电动助力转向与主动悬架集成控制[J].中国机械工程,2005,16(8):743-747.

【7】喻凡.车辆动力学及其控制[M].北京：机械工业出版社,2005:109-110.

【8】张汉国,丁辉.液罐车横向稳定性计算与分析[J].重型汽车,1999(4):10-11.

Study on Integrated Control of Electric Power Steering and Active Suspension System of a Tank Truck

ZENG Jianli，CHENG Haitao

(Traffic and Transportation Institute, Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)

Keywords:Tank truck；Electric power steering(EPS)；Active suspension system(ASS)；Integrated control

Abstract:According to the principle of vehicle dynamics, an integrated control dynamic model of electric power steering (EPS) and active suspension system (ASS) of a three axis tank truck was established. In order to improve the driving operation stability of tank truck, PID controlled EPS controller and fuzzy controlled ASS controller were established in MATLAB, and the integrated control system was built. Simulation analyses in MATLAB/ simulink were done.The results show that the integrated control is better than no control and independent control.

收稿日期：2015-12-18

作者简介：曾建力(1991—)，男，硕士研究生，研究方向为车辆与交通安全。E-mail：pypzjl@sina.cn。

中图分类号:U469.6+1

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)03-023-04