闭环式电控空气悬架系统控制策略研究及验证

张旗 严天一 赵岩乐

摘要：  为提高车辆行驶平顺性及燃油经济性，本文主要对闭环式电控空气悬架系统控制策略进行研究。介绍了闭环式电控空气悬架系统的工作原理，利用Matlab/Simulink构建闭环式电控空气悬架系统整车动力学模型和Stateflow开发车身高度控制策略。对空气弹簧进行合理地充气和放气，在三种不同位置实现车身高度的实时调节。同时为验证所建闭环式电控空气悬架整车动力学模型的正确性及其控制策略的有效性，对其进行离线和硬件在环仿真。实验结果表明，在自动模式下，空气弹簧能够根据车速自动选择充放气，使车身达到合适的高度位置。在手动模式下，驾驶员能够自主设定悬架位置，从而提高了车辆行驶平顺性和燃油经济性;在两种模式下仿真结果相比，车身高度变化量总体趋势接近，验证了所开发控制策略的有效性。该研究对车辆行驶平顺性及燃油经济性的提高具有重要意义。

关键词：  闭环式电控空气悬架; 控制策略; 电子控制单元; 硬件在环仿真

中图分类号： U463.33文献标识码： A

作者简介：  张旗（1995-），男，硕士研究生，主要研究方向为汽车动态仿真与控制技术。

通信作者：  严天一（1970-），男，工学博士，教授，主要研究方向为车辆系统动力学及其控制技术。 Email： yan_7012@126.com

随着人们对车辆行驶平顺性及燃油经济性要求的不断提高，电控空气悬架在汽车上的应用越发普遍[1]。与传统的机械式悬架相比，电控空气悬架通过对空气弹簧充、放气实现车身高度的调节，从而提高车辆的通过性及燃油经济性。由于空气弹簧充、放气回路型式不同，有开环式电控空气悬架系统和闭环式电控空气悬架系统[2]，放气时，开环式电控空气悬架系统将空气弹簧的气体直接排入大气，造成能量消耗，并产生噪声。闭环式电控空气悬架系统其充、放气回路是封闭的，当空气弹簧需要充气时，气体介质来源于储气筒中的压缩气体。放气时，空气弹簧内具有一定压力的气体介质则被重新泵回至储气筒中，实现了气体介质的循环使用。闭环式电控空气悬架系统在工作过程中能量消耗大为减少，显著降低了噪声与振动[35]。针对悬架系统的控制策略，国内外已开展了相关研究。陈龙等人[6]提出一种基于阻尼多模式切换减振器的车辆半主动悬架及其控制方法;李海燕等人[7]提出了两种不同车身步进控制算法，得到各个车身高度的目标高度，利用比例积分微分控制（proportional-integral-derivative control，PID），控制器对电磁阀的电流信号占空比进行调节，解决了闭环空气悬架系统较大俯仰角问题;马志敏等人[8]利用AMEsim和Simulink建模，通过改变悬架刚度，改善车辆乘坐舒适性;关欣[9]针对车身高度调节中电控空气悬架充排气而产生的非线性特性，设计了模糊控制器，并与电控空气悬架系统模型进行联合仿真，消除了高度误差;P. K. Eskandary等人[10]提出一种新型空气悬架系统，其包括两个气室，通过控制两个气室中的气压，可同时改变悬架刚度和车身高度;D. Ha等人[11]提出一种基于闭环式电控空气悬架的高度传感器故障诊断算法和隔离算法，并进行仿真和车辆试验;Yang N[12]建立1/4车辆悬架刚度调节模型，并设计了PID控制策略，该控制器减小了簧载质量的垂直加速度，改善了行驶平顺性。因此，本文基于Matlab/Simulink，建立闭环式电控空气悬架系统整车动力学模型，利用Stateflow开发闭环式电控空气悬架系统车身高度控制策略，包括自动和手动两种模式，通过离线仿真与硬件在环仿真，验证了所开发控制策略的有效性。

1闭环式电控空气悬架系统工作原理与建模

1.1闭环式电控空气悬架系统工作原理

闭环式电控空气悬架系统的充、放气回路是封闭的，当车身需要升高时，储存于储气筒中的压缩空气源经换向阀2、电动气泵、换向阀1，并经过组合电磁阀进入相应空气弹簧内，实现升高车身的目的。当其达到控制策略中设定的车身高度阈值时，关闭相应换向阀、电磁阀，并停止电动气泵工作，充气结束;当车身高度需

要降低时，空气弹簧内具有一定压力的气体介质经组合电磁阀、换向阀1、电动气泵、空气干燥器、换向阀2，重新回到储气筒中，车身高度逐渐降低，且达到控制策略中设定的车身高度阈值时，相应换向阀、电磁阀及电动气泵等停止工作，空气弹簧放气动作结束。当压力传感器检测到储气筒压力不足时，外部气体可经过换气阀、换向阀1、电动气泵、空气干燥器及换向阀2进入储气筒，使其压力达到可为空气弹簧充、放气的要求[1315]。闭环式电控空气悬架系统工作原理如图1所示。

2電控空气悬架系统控制策略开发

2.1电控空气悬架系统控制策略

本文采用Stateflow开发闭环电控空气悬架车身高度控制策略，所开发的控制策略包括两种模式，其中自动模式下，要求车辆能够根据不同的车速自动调节空气弹簧进行充放气，从而改变悬架高度。手动模式下，驾驶员可以自行设定悬架高度。

2.2自动模式子模块

自动模式下，设定当车速v<60 km/h时，悬架处于高位，当60 km/h≤v≤90 km/h，悬架处于中位，当90 km/h

2.3手动模式子模块

手动模式下，驾驶员可以自主设定悬架位置，当M_Mode等于0时，悬架处于高位;当M_Mode等于1时，悬架处于中位;当M_Mode等于2时，悬架处于低位。当车身实际高度小于期望高度时，储气筒对空气弹簧充气，当车身实际高度大于期望高度时，空气弹簧放气。手动模式控制策略如图5所示，手动模式下高位控制策略如图6所示，中位和低位的控制策略与高位类似。

3离线仿真及硬件在环仿真试验

3.1离线仿真

为验证所建闭环式电控空气悬架整车动力学模型的正确性及其控制策略的有效性，对其进行离线仿真，整车动力学模型主要参数[19]如表1所示。

1）在自动模式下进行离线仿真。设定仿真车速，自动模式车速信号如图7所示，在自动模式下输出左前车身高度，自动模式车身高度结果如图8所示。

由图7和图8可以看出，在0～20 s内，车速从0上升到60 km/h，此时储气筒对空气弹簧进行充气，悬架达到高位，车身高度稳定在40 mm左右;在20～80 s内，车速在60～90 km/h，此时空气弹簧先进行放气，悬架达到中位，车身高度稳定在0 mm左右;在80～100 s内，车速上升到120 km/h，空气弹簧放气直到悬架达到低位，车身高度稳定在-40 mm左右。离线仿真结果表明，自动模式下空气弹簧能够根据车速自动选择充放气，从而使车身达到合适高度。

2）手动模式下离线仿真。设定M_Mode参数，手动模式M_Mode参数如图9所示，手动模式下输出左前车身高度，手动模式车身高度结果如图10所示。

由图9和图10可以看出，在0～30 s内，M_Mode等于0，此时储气筒对空气弹簧进行充气，悬架达到高位，车身高度稳定在40 mm左右;在30～60 s内，M_Mode等于1，此时空气弹簧先进行放气，悬架达到中位，车身高度稳定在0 mm左右;在60～100 s内，M_Mode等于2，空气弹簧放气直到悬架达到低位，车身高度稳定在-40 mm左右。

3.2硬件在环仿真

为进一步验证利用Stateflow开发的车身高度控制策略的有效性，并与离线仿真进行对比，对控制策略进行硬件在环试验。首先在上位机中利用Matlab/Simulink和Vehicle Network Toolbox建立整车动力学硬件在环仿真模型，并利用电动气泵、组合阀、储气筒、空气悬架电子控制单元、Kvaser Leaf Light v2通讯模块等搭建硬件在环试验系统。闭环式电控空气悬架硬件在环仿真试验系统如图11所示。

闭环式电控空气悬架系统电子控制单元以恩智浦公司16位MC9S12XDT512单片机为主控芯片，该芯片包含512 kB Flash，20 kB RAM，4kB EEPROM，内部结构集成6个SCI，3个CAN通信，8位、10位精度可选的A/D模块，PWM及ECT模块。该电子控制单元主要由最小系统、电源模块、电动气泵驱动模块、电磁阀驱动模块、模拟量输入保护模块、CAN通讯模块等组成。电磁阀驱动模块和电动气泵驱动模块选用NUD3112芯片，其中电磁阀是由该芯片直接驱动，电动气泵由于工作时电流较大，用NUD3112芯片驱动继电器，从而实现对电动气泵的控制。电源模块选用TLE4284DV33和TLE4284DV50，它们可将12 V电压分别转换为33 V和50 V电压，最大输出电流达到800 mA，满足控制器功率需求。模拟量输入模块采用BAT54S芯片实现对模拟量信号的限压保护，利用其钳位功能防止输入信号过压，影响主控芯片的正常使用。CAN通讯模块选用TJA1050芯片高速CAN收发器，为了提高通信的抗干扰能力及可靠性，CAN总线两端接有120 Ω终端电阻，电源与地之间接有滤波电容[20]。

对闭环式电控空气悬架系统车身高度控制策略进行硬件在环仿真试验，并与离线仿真进行对比，仿真工况与离线仿真时工况一致，自动模式离线仿真与硬件在环试验结果如图12所示，手动模式离线仿真与硬件在环试验结果如图13所示。

由图12和图13可以看出，在自动模式和手动模式下，硬件在环仿真结果与离线仿真结果相比，车身高度变化量总体趋势接近，表明所构建的闭环式电控空气悬架系统模型的正确性及开发的车身高度控制策略的有效性。

4结束语

本文利用Matlab/Simulink搭建闭环式电控空气悬架系统整车动力学模型，采用Stateflow开发车身高度控制策略，对自动模式及手动模式进行了离线仿真。自动模式下，车速从0增加到120 km/h，车身高度从40 mm下降到-40 mm;手动模式下，驾驶员可自主设定车身高度，实验数据表明所开发控制策略的有效性。最后设计了闭环式电控空气悬架系统车身高度电子控制单元及其硬件在环仿真试验系统，通过硬件在环仿真与离线仿真结果对比，進一步验证了开发控制策略的有效性。另外，为实验研究的进一步完善，仍需从实车试验中提取相关的实验数据。

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Abstract：   In order to improve vehicle ride comfort and fuel economy， this paper mainly studies the control strategy of closed-loop electronic control air suspension system. The working principle of the closed-loop electronically controlled air suspension system is introduced. The vehicle dynamic model of the closed-loop electronically controlled air suspension system is constructed by using Matlab/Simulink， and the body height control strategy is developed by Stateflow. The air spring is inflated and deflated reasonably to realize the real-time adjustment of body height in three different positions. At the same time， in order to verify the correctness of the vehicle dynamics model and the effectiveness of the control strategy， off-line and hardware-in-the-loop simulation are carried out. The experimental results show that， in the automatic mode， the air spring can automatically select the charging and discharging according to the vehicle speed to make the body reach the appropriate height position. In the manual mode， the driver can set the suspension position independently， which improves the ride comfort and fuel economy of the vehicle; In comparison of the simulation results in the two modes， the overall trend of the body height change is similar， which verifies the effectiveness of the control strategy developed. The research is of great significance to the improvement of vehicle ride comfort and fuel economy.

Key words： closed loop electronically controlled air suspension; control strategy; electronic control unit; hardware-in-the-loop simulation