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车辆半主动悬架和电动助力转向集成控制的研究与实现

牛礼民  
【摘要】: 悬架是车辆底盘系统中重要的减振部件,对车辆的行驶平顺性影响甚大,半主动悬架(SAS)因具有阻尼可控、能显著提高悬架性能、成本较低等优点而成为电控悬架的主要发展方向。电动助力转向(EPS)具有节能、安全、环保等优点,对改善车辆的驾驶轻便性、提高车辆的操纵稳定性和安全性有重要作用,已成为乘用车动力转向系统的主流技术。半主动悬架和电动助力转向分别属于车辆底盘系统中的行驶系子系统和转向系子系统,共同影响底盘的动力学性能,所以有关改进悬架结构和助力转向特性的研究一直是车辆工程领域的热点。 目前对半主动悬架和电动助力转向各个单独子系统的控制技术已较为成熟,所以应从底盘系统的集成控制上进一步改善车辆的综合性能。由于悬架子系统与转向子系统之间的耦合影响,使得对各单独系统采用简单的组合控制并不能获得最优的整体性能,所以对悬架和转向这二者的集成控制便显得非常必要。因此,本文在分析了半主动悬架和电动助力转向之间的相互关系、协调机理及对整车动力学控制的作用基础上,基于分层递阶和多智能体理论,对SAS与EPS的集成控制系统进行理论和试验研究: 首先,对半主动悬架、电动助力转向和汽车集成控制的研究现状进行概述,阐述了集成控制中使用的各种控制策略,建立了转向工况下的集成系统模型,分析了SAS和EPS之间的相互作用、协调机理以及对车辆性能的影响。 第二,改变传统的整体设计和集中控制的开发方法,引入人工智能研究领域的多智能体技术,提出了半主动悬架与电动助力转向的协调控制系统原理,构造了悬架、转向智能体以及SAS与EPS协同框架和集成控制系统,对各智能体的控制策略进行了研究,构架了基于分层递阶控制的车辆底盘集成控制模型,提出一种新的通过智能体智能行为提高汽车动态自适应性的控制策略。 第三,为验证所提控制策略的有效性和可行性,在MATLAB环境下联合AMESim软件对悬架和转向进行集成控制建模,机械系统模型在AMESim建立,控制系统在Simulink建立,依据多智能体构架对各个智能体进行了分层连接,建立多智能体系统的集成系统控制模型并进行联合仿真,为集成控制器的设计和样车路试提供依据。 第四,基于嵌入式操纵系统ARM对多智能体集成控制器进行了软硬件实现,包括系统输入信号的采集处理、控制策略、输出信号的控制等各功能模块的实现。对悬架智能体的车身加速度信号进行模糊控制,对转向智能体的助力电压进行PID反馈控制;最后由系统智能体对SAS和EPS的结构参数和控制参数进行查询推理协调,调节减振器阻尼、提供助力适应不同的工况,实现悬架和转向的智能协调控制。 最后,对样车原减振器进行改进,通过改变节流口开度来调节减振器阻尼,研制出可调阻尼减振器并进行了台架试验,得到减振器的特性曲线和控制关系。随后进行SAS与EPS集成控制的实车道路试验,分析了试验结果。 研究表明,试验与计算结果基本吻合,且开发的多智能体集成控制器运行可靠,控制策略有效可行;多智能体技术的应用较好地协调了悬架、转向这两个子系统的相互影响。与悬架转向集成系统的自适应模糊控制相比,多智能体集成控制的车身质心加速度和横摆角速度都有较大幅度下降,其中表征行驶平顺性的车身质心加速度峰值下降6.48%,标准差降低7.37%;表征操纵稳定性的横摆角速度峰值降低10.59%,标准差下降30.15%;表征车体姿态变化的车身侧倾角峰值下降10.06%,标准差降低21.24%;表征操纵轻便性的转向盘操纵转矩峰值降低18.10%,标准差下降30.38%。因此,说明采用多智能体理论对底盘的悬架和转向进行集成控制效果显著,车辆的行驶平顺性和操纵稳定性得到进一步明显改善;系统智能体较好地协调了悬架智能体和转向智能体,从理论上和技术上比自适应模糊集成控制更好地实现协调控制要求,改善了车辆平顺性和操稳性之间的矛盾,提高了行驶安全性,为底盘大系统的综合控制提供了有效的研究方法。


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