基于粒子群优化的主动稳定杆系统自抗扰控制_赵强.pdf

第 51 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.51 No.6June 2023华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）Journal of South China University of Technology（Natural Science Edition）基于粒子群优化的主动稳定杆系统自抗扰控制赵强1 刘传卫1 张娜2 朱宝全1 谢春丽1（1.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.黑龙江科技大学 电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022）摘要：为了提高车辆的抗侧倾能力，设计了液压马达驱动式主动稳定杆控制系统，提出了基于粒子群优化（PSO）算法的分层控制策略。上层自抗扰控制器（ADRC）计算出整车所需反侧倾力矩，整车所需要的反侧倾力矩经过分配器分配到前后轴，下层三闭环比例-积分-微分控制器（PID）接收到所要提供的反侧倾力矩后计算出控制电流输入到伺服阀，从而驱动马达输出轴旋转并通过稳定杆产生主动力矩，实现车辆的主动防侧倾控制。为了使控制器有更好的控制效果，采用PSO算法整体优化上、下层控制，优化后的ADRC和PID参数再输入到整车模型中，为了使仿真接近实际效果，把实验测得的横向稳定杆扭转刚度也代入到模型中。在C级路面上采用蛇形和双移线工况进行仿真，通过将PSO优化的自抗扰系统与被动系统、PID控制系统和未优化的自抗扰控制系统对比进行仿真验证。仿真数据表明：侧倾角的大小直接影响车辆侧倾稳定性，采用PSO算法优化的分层控制策略能显著降低车辆的侧倾角，有效抑制过度的车身侧倾运动带来的不稳定性；主动控制的稳定杆比传统被动式稳定杆能更好地给车辆提供所需要的反侧倾力矩，提高了车辆抗侧倾能力；优化后的ADRC控制器比被动系统和未优化的ADRC控制器有更好的主动控制效果，相同工况下侧倾角更小，抗侧倾能力更强，优化后的三闭环PID响应速度更快，有更佳的跟随性能。关键词：主动稳定杆；液压马达；自抗扰控制器；粒子群优化算法；侧倾稳定性中图分类号：U461文章编号：1000-565X（2023）06-0052-10车辆在行驶过程中受到侧向力的作用会发生侧倾运动，车身会发生侧向倾斜，过度的车身侧倾运动会对车辆的操纵稳定性、行驶平顺性和安全性带来一定的恶劣影响。为了提高车辆的抗侧倾能力，通常加装被动稳定杆来提高车辆的稳定性1。但传统的被动稳定杆调节能力有限，主动式稳定杆被提出，其根据车辆的不同工况实时输出车身所需要的抗侧倾力矩，提高了车辆抗侧倾能力2。主动稳定杆系统按照作动器的类型可以分为液压马达式、液压缸式、电机式。液压马达式或液压缸式主动稳定杆由本体、液压系统和控制系统三部分组成3；电动式主动稳定杆由无刷直流电机、减速机构和控制系统三部分组成4。以上各型虽然结构组成不同但是实现反侧倾作用的机理基本相同。采用适当的控制算法能增强主动稳定杆的反侧倾效果，赵韩等5以液压马达式主动稳定杆为研究doi：10.12141/j.issn.1000-565X.220535收稿日期：20220819基金项目：国家重点研发计划重点专项（2017YFC0803901）；黑龙江省重点研发计划项目（JD22A014）；黑龙江省自然科学基金资助项目（LH2021F002）Foundation items：Supported by the Key Projects of National Key Research&Development Program of China（2017YFC0803901），the Heilongjiang Province Key Research&Development Project（JD22A014）and the Natural Science Foundation of Heilongjiang Province（LH2021F002）作者简介：赵强（1971-），男，教授，博士生导师，主要从事车辆动力学及控制研究。E-mail：通信作者：刘传卫（1994-），男，硕士生，主要从事车辆动力学及控制研究。E-mail：第 6 期赵强 等：基于粒子群优化的主动稳定杆系统自抗扰控制对象，利用线性化反馈的滑模控制方法设计了其控制器，并在实车中进行不同工况实验；赵强等6设计了液压缸式主动稳定杆，采用卡尔曼滤波算法对车辆侧倾重要参数进行了最优估计，设计了线性二次高斯控制（LQG）最优控制算法抑制车身侧向运动；Meng等7采用开关磁阻电机驱动稳定杆，并采用有限元方法设计电机，控制电机达到目标转矩；李育龙8设计了比例-积分-微分控制器（PID）、滑模、前馈控制器，通过硬件在环试验台架验证了控制系统具有一定的防侧倾能力；Nguyen9-10为避免单输入信号的不稳定性，采用非线性双轨动力学模型并设计了双输入模糊控制器，有效提高了车辆的稳定性。主动稳定杆与其他总成集成控制的研究有：邱香等 11 对主动稳定杆与主动前轮转向协同进行研究，显著改善了汽车的侧倾稳定性和行驶平顺性；Hwang等 12 提出了一种在电动客车中可以让主动稳定杆变刚度的控制策略；李仲兴等 13 研究互联与非互联空气悬架在有无稳定杆情况下侧倾角刚度的变化；Staco等 14 先测量卡车行驶过程中的稳定杆应力数据，再将实验结果代入到稳定杆和弹簧疲劳分析中。以上学者在主动稳定杆控制上大多采用单闭环控制算法，包括线性化反馈的滑模控制、线性最优二次型控制算法等方法。单闭环控制的稳定杆作动器在复杂工况下适应性和抗干扰能力不佳，电机式稳定杆在重载荷极限工况下性能较弱，液压缸式稳定杆在初始阶段响应速度慢。本研究设计液压马达式主动稳定杆系统，并提出基于自抗扰控制的上、下层双闭环控制算法，采用粒子群算法优化自抗扰控制器参数来进一步提升系统抗干扰能力。研究首先建立包含主动稳定杆在内的整车模型及液压马达稳定杆系统模型，接着完成控制算法设计，进一步采用实验和仿真验证所提出稳定杆系统及其控制算法的性能。1主动式稳定杆车辆模型1.1整车动力学模型为更准确地设计和验证主动稳定杆系统，本文建立非线性14自由度汽车动力学模型，如图1所示，以车身的质心为坐标原点，车辆行驶的前方为X轴正方向，车辆行驶的前方的左侧为Y轴正方向，通过质心垂直向上为Z轴正方向8。采用牛顿-欧拉法建立车辆各自由度运动微分方程。纵向运动：m(v?x-vyr)+mshp?+mshrr?=(Fwxfl+Fwxfr)cos f-()Fwyfl+Fwyfrsin f+Fwxrl+Fwxrr（1）式中，m为整车整备质量，ms为整车簧上质量，vx为车辆质心纵向速度，vy为车辆质心侧向速度，Fwxi（i=fl，fr，rl，rr）为车辆4个轮胎的纵向力，Fwyi（i=fl，fr，rl，rr）为车辆4个轮胎的侧向力，hr为侧倾半径，hp为俯仰半径，r为横摆角速度，为俯仰角，为侧倾角，f为前轮转角。侧向运动：m(v?y-vxr)-mshr?+mshpr?=(Fwxfl+Fwxfr)sin f+()Fwyfl+Fwyfrcos f+Fwyrl+Fwyrr（2）车身垂向运动：ms(Z?b+g)=Fsfl+Fsfr+Fsrl+Fsrr（3）式中，Fsi（i=fl，fr，rl，rr）为车辆的悬架力，Zb为车身质心垂向位移，g为重力加速度。侧倾运动：(Ix+msh2r)?-Ixzr?-Ixy?-mshr(v?y+vxr)cos =msghrsin+df2()Fsfl-Fsfr+dr2()Fsrl-Fsrr（4）式中，Ix为车辆在X轴方向的转动惯量，Ixz、Ixy分别为车辆在XZ、XY轴的转动惯量，df、dr分别为车辆前轮轮距和后轮轮距。横摆运动：Izr?-Ixz?-Iyz?=lf()Fwxfl+Fwxfrsin f+()Fwyfl+Fwyfrcos f-lr()Fwyrl+Fwyrr+df2()Fwxfr-Fwxflcos f+()Fwyfl-Fwyfrsin f+dr2()Fwxrr-Fwxrl (5)式中，Iz为在Z轴的转动惯量，Iyz为在YZ轴的转动惯量，lf、lr分别为车辆质心至前、后轴的距离。俯仰运动：(Iy+msh2p)?-Iyzr?-Ixy?+mshp(v?x-vyr)cos =msghpsin +()Fsrl+Fsrrlr-()Fsfl+Fsfrlf（6）式中，Iy为车辆在Y轴方向的转动惯量。4个车轮的旋转运动：|Iwfl?fl=Tfl-FwxflR-fFwzflRIwfr?fr=Tfr-FwxfrR-fFwzfrRIwrl?rl=Trl-FwxrlR-fFwzrlRIwrr?rr=Trr-FwxrrR-fFwzrrR（7）式中：Iwi（i=fl，fr，rl，rr）为车辆车轮的转动惯量；i53第 51 卷华 南 理 工 大 学 学 报（自 然 科 学 版）（i=fl，fr，rl，rr）为车辆车轮的滚动角速度；Ti（i=fl，fr，rl，rr）为车辆行驶的驱动力矩；f为车辆行驶的滚动阻力系数；Fwzi（i=fl，fr，rl，rr）为车辆4个轮胎的垂向力；R为车辆车轮滚动半径。4个车轮的垂向运动：|mwfl()Z?wfl+g=Fwzfl-Fsflmwfr()Z?wfr+g=Fwzfr-Fsfrmwrl()Z?wrl+g=Fwzrl-Fsrlmwrr()Z?wrr+g=Fwzrr-Fsrr（8）式中：mwi（i=fl，fr，rl，rr）为车辆4个车轮处的簧下质量；Zwi（i=fl，fr，rl，rr）为车辆的4个车轮处中心垂向位移。悬架力计算：|Fsfl=msglr2l+Ksfl(Zwfl-Zbfl)+Csfl(Z?wfl-Z?bfl)-MASBfdfFsfr=msglr2l+Ksfr(Zwfr-Zbfr)+Csfr(Z?wfr-Z?bfr)-MASBfdfFsrl=msglf2l+Ksrl(Zwrl-Zbrl)+Csrl(Z?wrl-Z?brl)-MASBrdrFsrr=msglf2l+Ksrr(Zwrr-Zbrr)+Csrr(Z?wrr-Z?brr)-MASBrdr（9）式中：l为车辆轴距；Ksi（i=fl，fr，rl，rr）为车辆4个悬架的刚度；Csi（i=fl，fr，rl，rr）为4个轮胎的阻尼；Zbi（i=fl，fr，rl，rr）为车身质心位移；MASBi（i=f，r）为前、后轴反侧倾力矩，这两个力矩就是由本研究设计的主动式稳定杆来实现，即在车辆的前后轴上分别安装主动式稳定杆系统，对前后轴的侧倾进行独立调节，且均采用摆动式液压马达加减速机构来实现，如图1所示。图中，i（i=fl，fr，rl，rr）为轮胎侧偏角，Fbari（i=ll，ii）为稳定杆作用于车身的力，Fwyli、Fwyri为两侧轮胎侧向力，Fwzli、Fwzri为两侧轮胎垂向力，Zwii为右边车轮中心垂向位移，Zqii为地面给车轮的位移。1.2双叶片液压马达主动稳定杆系统模型系统如图 2 所示，主要由左稳定杆、右稳定杆、液压马达和减速机构组成。当车辆发生侧倾时，高压油驱动液压马达将力矩通过减速机构传递到稳定杆上，通过稳定杆给车辆一个反侧倾力矩来抑制车辆的侧倾运动，从而提高车辆的行驶平顺性和侧倾稳定性。主动稳定杆产生的系统所需的时变反侧倾力矩是由控制器通过伺服阀控制液压马达实时调节输出的转矩产生的。图 3示出了双叶片摆动式液压马达、伺服阀等构成的阀控液压马达系统模型。高压油从A腔进油，从B腔回油，A腔油压大于B腔，在压差作用下叶片顺时针转动；反之，当高压油从B腔进油，从A腔回油，在反向压差作用下叶片逆时针转动15。设负载压力p=p1-p2，ps=p1+p2，p0=0，则p1=()ps+p2，p2=()ps-p2。式中，p1为液图114自由度整车动力学模型Fig.114 Dynamics model of DOF vehicle左稳定杆稳定杆杆长减速机构液压马达稳定杆力臂长度右稳定杆 图2液压马达式主动稳定杆Fig.2Hydraulic motor type active stabilizer bar54第 6 期赵强 等：基于粒子群优化的主