车辆液压主动悬挂控制系统稳定性控制方法研究_韩乐.pdf

o 车辆液压主动悬挂控制系统稳定性控制方法研究韩 乐（咸阳职业技术学院 汽车学院，陕西 咸阳）摘 要：车辆液压主动悬挂系统能够实现大功率强负载的带载运动，针对车辆在运动过程中液压主动悬挂系统的稳定性控制问题，在液压主动悬挂系统的结构和运动学模型基础上，设计了液压主动悬挂系统的位置观测模型和动态控制节点状态观测器，利用设计 控制器来实现液压主动悬挂控制系统各控制节点的协调运行，最后在车辆液压主动悬挂控制系统实验台架中进行硬件在环试验，通过调节不同的性能控制参数，不断优化车辆液压主动悬挂控制系统的稳定性，实验结果表明，设计的稳定性控制方法能够提升系统的响应速度和稳定性。关键词：液压主动悬挂系统；带载运动；位置观测模型；控制器；硬件在环试验中图分类号：文献标志码：文章编号：（）o oo o o o oo （o o oo，oo o，）：o o o o o oo o o o o o o，o o o o，oo oo o oo o o o o ，oo o oo oo o oo o o o oo ，oo o o oo o oo，o o oo oo o，oo o o o o ：o；o；oo oo o；oo；oo（）收稿日期：基金项目：咸阳职业技术学院科研基金（）作者简介：韩乐（），男，陕西西安人，讲师，硕士，主要研究方向为车辆先进控制技术，新能源汽车电子控制。引言车辆的悬挂系统是整车的重要组成部分，其性能的优良决定了车辆的安全和驾驶体验，其实质是一个在车架与车轮之间传递力的一个装置。随着汽车电子技术的快速发展，车辆的悬挂系统由传统的悬挂技术发展成为现代的独立主动式电控悬挂系统，而液压独立悬挂系统由于其具有超强的带载能力、性能优良、精度高获得了大量的实际工程应用。液压独立悬挂系统是一种通过流液阀体和活塞杆等装置来控制悬挂液压缸从而驱动车辆运动的机电液装置。液压独立悬挂系统一般分为两种类型，流量控制型和压力控制型，其实质都是通过采集各种传感器信号，对电信号进行识别优化后，进行相关逻辑的判断后，发出系统驱动的指令从而驱动相应的执行器进行动作。液压悬挂系统具有非常强的非线性特征，因此需要在不同的工况下都能具备快速的响应能力，在针对非线性特征时难以实现系统精确的建模和系统参数的识别，需要借助先进的控制算法来实现悬挂系统的协调稳定性控制。其中，主要的控制算法有阻尼控制、模型预测控制、自适应控制、模糊控制以及域控制。本文在液压主动悬挂系统的结构和运动学模型基础上，通过设计系统各个控制节点的观测器以及采用 算法来提升整个车辆液压主动悬挂系统的稳定性能，并通过硬件在环实验验证控制算法的合理性和可靠性，最后通过分析实验结果证明了采用的控制方法能够提升整个系统的快速响应能力，提高液压独立悬挂控制系统的稳定性。液压气动与密封年第期 悬挂系统运动学分析车辆的液压悬挂系统是一个非常关键的系统部件，能够实时调节轮距以及准确控制作动器，实现复杂路况的纵向载荷轮胎支撑力的优化分配。传统的液压悬挂系统只是单纯的动态调节机械液压式悬挂系统，现代的电控式液压主动悬挂系统具有非常复杂的机电液设计，其主要由铰接装置、悬挂臂、悬挂液压缸、阀体、轮轴、油泵以及电控单元等构成，其液压悬挂系统如图 所示。图 液压悬挂系统结构针对车辆液压主动悬挂系统的运动学分析，将主要的运动着力点集中在作动器上，采用横纵向的二自由度平面机构，其运动学方程如下所示。|（）o（）|（）其中，、分别表示悬挂液压缸横向作用力、悬挂臂摆动力以及悬挂液压缸纵向作用力；，分别表示悬挂臂横纵向角、悬挂液压缸偏移角、悬挂液压缸横纵向受力角；，分别表示悬挂液压缸铰接点与原点距离以及轮轴距（见图）。图 液压悬挂系统运动学表 液压悬挂系统性能参数名称数值液压缸行程 液压缸半径 活塞杆长度 外荷负载 活塞面积 悬挂系统状态观测车辆液压悬挂系统是由传感器、电控单元和执行器组成的一个时变系统，在获取道路路感过程中，利用感知整车姿态来控制轮轴位置。为了实现车辆底盘的良好性能以及能够面对更多复杂的路况，通常需要对该非线性控制系统构建多节点的状态观测器，建立分布式的主动控制闭环状态观测器需要将路感信息进行传递，从而通过设计合适的传递函数，计算位移量和压力值，其中，负责位置的最优化监测，将会通过对比例换向阀进行线性化的输出，在以位置控制的局部状态观测器中经过一定的逻辑运算和参数校正，输出此时的位移和倾角。然而，对于压力计算，对悬挂系统液压缸的压力控制可以将液压源看作是恒压状态，利用液体的流量和阀体的压力模型来估算液压缸的压力控制参数。针对阀体的状态估计需要分析阀体的频率和液压缸的频率，在分析大量的电液伺服系统阀体的固有频率特性，为了降低死区带来的影响，可以通过构建较为简单的惯性环节来作为阀体的传递函数，液压悬挂系统状态观测器如图 所示。图 液压悬挂系统状态观测器 o 悬挂系统稳定性控制液压悬挂系统的稳定性控制的最优化方法是在各个控制节点协调运行状态下，根据采集到的力矩和目标位移，作相应的逻辑判断，输出控制阀体的开关命令，随后驱动相关执行器的动作。在设计液压悬挂系统的控制架构过程中，优化设计液压悬挂系统的输入、逻辑控制以及输出处理。通过识别液压悬挂负载力矩和目标位移，在输入信号端做相应的增益处理，将信号进行放大处理，在设定的增益参数上设置成可标定属性，经过一系列的逻辑运算和离散化处理后，输入到状态方程中求解最优解。其中，将液压悬挂缸的目标位移输出到 控制器中，结合状态观测器得到的最优状态，计算出阀体的开关状态指令，最后综合所有逻辑输出值进行输出最优化处理，与此同时，对输出的反馈校正环节也加以优化，液压悬挂系统稳定性控制结构如图 所示。图 液压悬挂系统稳定性控制结构 控制器（o）就是线性二次型调节器，是一种典型的闭环最优控制器，能够实时地获取状态线性化反馈的最优控制律。在本文作为车辆液压悬挂系统稳定性控制的核心算法，正好利用了构建的悬挂系统运动学模型和动态控制节点的状态观测，能够实时的获取各个节点的控制规律，通过算法的优化和在线反馈校正的调整，能够输出最优解，从而驱动液压悬挂系统悬挂液压缸和其他的执行器。在整个车辆液压悬挂控制系统控制信号流中，分别有液压压力的计算模块、位移计算模块、转速计算模块，在悬挂系统位移传感器、力矩传感器、压力传感器等采集到车辆的状态信息后，输出到电控系统中间层，通过液压压力计算模块、位移计算模块、转速计算模块等计算模块计算出相应的动量和控制律，随后输出电信号，进入构建的稳定性控制器中做相应的控制逻辑，实现车辆液压悬挂系统的稳定性控制，整个系统的信号数据控制流如图 所示。图 液压悬挂系统稳定性控制数据流 实验验证控制算法的可行性和可靠性需要通过实验数据进行验证，为了验证所设计的 稳定性控制器的有效性，构建了车辆液压悬挂系统硬件在环实验环境，主要由悬挂臂、液压悬挂缸、驱动器、电控单元、供电装置、测试硬件以及上位机等软硬件构成。采集了悬挂液压缸在不同运行频率下的位移状态，实验环境如图 所示，实验结果如图 所示。图 液压独立悬挂系统实验环境图 悬挂缸体位移实验结果车辆的液压悬挂系统主要是由电控单元控制各个电磁阀的通断实现执行器的协调动作的，在设计的 测试方案时，通过调节各个控制节点的运行频率观测（下转第 页）o 结束语汽车循环球式液压助力转向装置是汽车稳定转向操控性能的关键，本文针对装置的稳定性问题，通过对循环球式液压助力转向装置进行参数优化配置，采用动态规划算法进行稳定性控制，最后在构建的硬件在环实验环境中验证了优化设计方法的可靠性和准确性。参考文献 姚一珂，杨世文，岳喜凯 基于 的汽车液压限位卸载转向系统的设计及仿真 液压气动与密封，（）：王立，段慧琪，崔富华，等 商用车循环球液压助力转向器手力特性曲线调试案例分析 新技术新工艺，（）：莫以为，孙洋洋，黄伟 循环球式液压助力转向系统建模仿真分析 机床与液压，（）：，苗立东，夏长高，高翔 循环球式液压助力转向系统分析 江苏大学学报（自然科学版），（）：胡林，唐岚，李亚，等 液压助力转向器性能台架试验设计与验证 农业装备与车辆工程，（）：刘帆 汽车循环球式转向器动力特性分析与检测设备开发 杭州：杭州电子科技大学，刘荣，童亮，马彬，等 复合电源系统能量管理实验研究 实验技术与管理，（）：龚进，陈保卫，龚俊，等 基于动态规划的挖掘机混合动力系统优化与试验 机械设计与研究，（）：刘大龙 基于动态规划的冗余机械臂液压驱动系统能量优化 中国工程机械学报，（）：，引用本文：仙阿曼 汽车循环球式液压助力转向装置优化设计 液压气动与密封，（）：o o oo o ，（）：（上接第 页）执行机构的位移特征，从图 可以看出吗，在实验的初始阶段，位移一直在增加，随着加载的阶跃扰动信号，开始出现位移突变，随着 控制器的介入，在实验的后阶段，整个悬挂缸的位移在线性增加，稳定性得到了提升，系统的响应也非常迅速，没有出现超调的现象。结束语车辆液压悬挂系统是一个时变非线性的综合电控系统，面对强耦合大负载的机械特性，其稳定性的协调控制变得非常重要。本文在车辆液压悬挂系统的结构基础上，通过对其进行动力学分析，设计动态控制节点状态观测器，利用 控制器作为液压悬挂系统的稳定性控制器，实现控制节点间的协调稳定运行。最后在构建的硬件在环实验台架中对控制算法进行验证，实验结果表明采用的控制方法能够实现液压悬挂系统的稳定性控制目标，整个控制系统未出现超调和失控的现象。参考文献 徐国英，薛大兵，姚新民，等 车辆悬挂系统的研究现状和发展前景 农业装备与车辆工程，（）：朱小明，石世豪，杨丽红 模块式半挂车悬挂系统优化研究 液压气动与密封，（）：王志勇，刘凯凯，乔居斌，等 基于 o 的电控液压悬挂系统的仿真分析 机床与液压，（）：杨建伟，黄强，李伟，等 基于加速度阻尼控制的半主动悬挂研究 铁道学报，（）：张聚，刘江，王槊华 汽车悬挂系统显式模型预测控制 信息与控制，（）：赵永强，何长安 基于神经网络自适应控制的主动悬挂系统 计算机仿真，（）：雒琦 基于磁流变阻尼器的半主动悬挂系统模糊控制策略 机械研究与应用，（）：彭志召，张进秋，张雨，等 车辆半主动悬挂的频域控制算法 装甲兵工程学院学报，（）：刘国，戴松贵，竺辉 水平纵移桥架液压悬挂系统设计与均载性能分析 中国工程机械学报，（）：陈扬，陈忱，吴春慧 液压悬挂系统管路防破安全阀的分析和比较 液压气动与密封，（）：刘惠超，孔庆忠 基于 的倒立摆 控制方法的研究 机械工程与自动化，（）：引用本文：韩乐 车辆液压主动悬挂控制系统稳定性控制方法研究 液压气动与密封，（）：，o oo o o o oo ，（）：，