电液伺服主动悬架的车身位姿稳定系统

摘  要

　　悬架系统是车辆重要组成部分，其性能好坏直接影响到车辆行驶平顺性、通过性以及操纵稳定性。特种车辆对悬架系统有着更高的性能需求，尤其是应急救援车辆有时需要在行进中作业，对保持车身位姿平稳有着特殊要求，传统悬架系统难以达到这个目标。主动悬架可以实时控制车身位姿，使车身成为一个惯性稳定平台以完成上述情况对车身位姿稳定控制的要求。

　　本文结合国家重点研发项目“高机动应急救援车辆(含消防车辆)专用底盘及悬挂关键技术研究”(项目编号：2016YFC0802902)和吉林省汽车产业发展专项资金项目“轿车惯性调控主动悬架研制开发”(项目编号：20112330)，聚焦特种应急救援车辆行进中需要保持车身位姿平稳的问题，主要对主动悬架系统作动器的伺服控制和车身姿态稳定自抗扰控制进行系统深入的研究，主要研究工作如下：

　　(1) 建立了基于非对称液压缸作动器的 1/4 主动悬架非线性模型，针对不同工况建立了阀控非对称缸非线性模型。通过对弹簧和减振器非线性环节的分析，建立了 1/4 主动悬架非线性模型。根据多组实验数据，通过参数辨识获得相对准确的模型参数。

　　(2) 设计了主动悬架系统作动器的伺服控制器。根据分数阶微积分定义和分数阶系统原理，以 Oustaloup 近似法针对辨识后的作动器模型设计了分数阶 PID伺服控制器。提出了并行自适应克隆选择算法用于分数阶 PID 参数整定。

　　(3) 设计了主动悬架系统车身姿态稳定自抗扰控制器。根据自抗扰控制器特性，通过设计虚拟控制量的方法解决了车身姿态稳定控制系统的多输入多输出耦合问题，对解耦后的垂向位移、俯仰角和侧倾角三个控制通道分别设计了位移-速度(或角度-角速度)双环自抗扰控制器。通过仿真验证了该控制算法的解耦效果和位姿稳定性控制效果。

　　(4) 对主动悬架作动器位移输出饱和的问题进行了研究。针对路面冲击造成的作动器位移输出饱和，在分析该问题传统处理方法的基础上设计了虚拟限位块控制策略。针对坡路起伏造成的作动器位移输出饱和，提出了估计坡路包络线方法，分别对垂向稳定控制器和俯仰稳定控制器进行改进。通过仿真分析验证了所提出改进方法的有效性。

　　(5) 基于一汽集团“奔腾”牌轿车悬架制作了主动悬架试验样车，并进行了车身位姿稳定控制的路面试验。以脉冲输入路面和起伏障碍路面两种路面输入作为实验条件，应用本文提出的位移-速度(或角度-角速度)双环自抗扰解耦控制器，对主动悬架试验样车进行了越障试验，并通过比较同一试验样车的被动悬架越障试验结果，验证了双环自抗扰解耦控制器的控制效果。

　　关键词：主动悬架 位姿稳定控制 自抗扰解耦控制 分数 PID 控制 克隆选择算法

Abstract

　　The suspension is one of the important assembly of a vehicle, and its performance has a direct impact on ride comfort and handling stability.Special vehicles have higher performance requirement on suspension systems, especially emergency rescue vehicles need to operate while moving sometimes, which have special requirement on stability of the vehicle attitude. It is hard to achieve the target for conventional suspension system. Active suspension system could control the vehicle attitude in real-time, so that the vehicle body becomes an inertial stabilization platform to satisfy the situation on the vehicle attitude stabilization control requirements.

　　This dissertation is funded by National Key Technologies R&D Program “Key Technology Research on Special Chassis and Suspension for High-mobility Emergency Rescue Vehicle (Including Fire Fighting Vehicle)” (Project Number: 2016YFC0802902) and the Special funds of Automobile Industry in Jilin Province for the project “Research and Development of Inertial Control Technology for Car Active Suspension” (Project Number: 20112330). The methods to keep stability of the vehicle attitude for special vehicles are conducted research in depth, a servo controller for active suspension actuator and a set of active disturbance rejection controllers (ADRC) for the vehicle attitude stability control are designed, the main work is as follows:

　　(1) The dynamic model of valve controlled asymmetric hydraulic cylinder and the nonlinear model of 1/4 active suspension are built. The dynamic model of valve controlled asymmetric hydraulic cylinder is built on different working conditions. The nonlinear model of 1/4 active suspension is built with nonlinear parts of spring and shock absorber. Then, the relative accurate model parameters are obtained by the method of parameter identification with multiple experimental data.

　　(2) A servo controller for active suspension actuator is designed. According to definition of fractional order calculus and theory of fractional order system, an Oustaloup recursive approximation (ORA) fractional order PID (FOPID) controller is designed as the servo controller for active suspension actuator. Then,the parallel adaptive clonal selection algorithm (PACSA) is proposed to tuning the FOPID parameters.

　　(3) A set of ADRC for the vehicle attitude stability control is designed. The problem of multi-input multi-output (MIMO) coupling of vehicle attitude stability control system is solved by setting virtual control variables, according to the features of ADRC. And the displacement-velocity (or angle-angular velocity) dual-loop ADRC is designed for decoupled vertical, pitching and rolling control channels. Then the decoupling effects of this control method and the vehicle attitude stability control performance are verified by simulation research.

　　(4) The problem of displacement output saturation of active suspension actuator is studied. In order to solve the problem of actuator displacement output saturation caused by the impact of road surface, the control strategy of virtual limit block is designed on the basis of analyzing the traditional processing method of the problem. In order to solve the problem of actuator displacement output saturation caused by rise and fall of the slope road, a method is proposed to estimate slope envelope, the improvements of the vertical stability controller and pitch stabilization controller are designed respectively based on the method.The effectiveness of the proposed method is verified by simulation analysis for two conditions of actuator displacement output saturation.

　　(5) The prototype of active suspension vehicle is built based on the suspension of FAW “Besturn” car, the road experiments are carried out to verify the vehicle attitude control. With the experimental conditions of pulse input road and uneven terrain, the performance of vehicle attitude control using displacement-velocity (or angle-angular velocity) dual-loop decoupling ADRC which proposed in this dissertation is verified and compared with the passive suspension set of the same vehicle.

　　Keywords: active suspension, attitude stability control, active disturbance rejection control, fractional order PID controller, clonal selection algorithm.

　　车辆悬架系统将车身与车轮弹性连接，起到支撑车身、隔离振动并保证车轮持续接地等作用，是车辆重要组成部分。悬架性能好坏直接影响到车辆行驶的舒适性和安全性，因此车辆悬架一直是车辆工程的主要研究领域之一。随着人们对车辆行驶性能的追求，对车辆隔振能力的要求也逐渐提高。悬架的主动隔振技术在近年来得到了广泛关注和深入研究，一些研究成果也在汽车产业中得到了应用。

　　汽车的普及加快了工业化进程和产业结构优化，并推动了生产方式的变迁和生产率的提高[1]。随着汽车在各行各业的广泛应用，不同领域多样化的需求不断给汽车产业和车辆工程技术带来新的挑战。特种车辆对悬架系统有着特定的性能需求，尤其是一些应急救援车辆有时为了提高救援效率，需要在行进中实施救援作业，要求悬架系统能够在车辆行驶中保持车身位姿稳定。这需要悬架系统具备实时调节车身位姿的功能，传统悬架系统难以达到这个目标。主动悬架可以实时控制车身位姿，使车身成为一个惯性稳定平台以完成上述情况对车身位姿稳定控制的要求。

　　本文结合国家重点研发项目“高机动应急救援车辆(含消防车辆)专用底盘及悬挂关键技术研究”(项目编号：2016YFC0802902)和吉林省汽车产业发展专项资金项目“轿车惯性调控主动悬架研制开发”(项目编号：20112330)，主要针对高机动应急救援车辆行进中车身位姿稳定性控制问题，通过分数阶 PID 控制方法和自抗扰控制方法分别对主动悬架系统的电液伺服作动器控制和车身位姿稳定控制开展研究,并针对主动悬架作动器位移输出饱和提出改进方案。

　　主动悬架思想早在上世纪 70 年代就已经提出，但由于种种原因，时至今日仍然没有在量产车中得到广泛的应用。本节结合汽车悬架系统的分类及主动悬架系统的发展对汽车主动悬架系统研究现状进行综述。

　　车辆悬架是连接车身和车轮的机械装置，主要由弹簧、减振器、主动悬架作动器以及导向机构等组成[2]。车辆的悬架系统能够缓冲、吸收由路面不平引起的车身振动，同时能够传递车轮与路面之间的驱动力和制动力，当车辆行驶的工况发生改变时，悬架系统也能够承受各个方向上产生的惯性力。性能良好的悬架系统可以使车辆在复杂路面环境下仍能保持良好的工作状态，在保证车辆行驶平顺性和安全性的同时使车辆保持理想的行驶速度[3]。车辆悬架系统主要分为被动悬架，主动悬架和半主动悬架三种基本类型[4]。

　　被动悬架由支撑车身并抵抗冲击的弹簧，吸收振动的减振器和限制悬架运动的导向机构组成，在参数设计合理的前提下可以有效吸收地面冲击。图车辆的实际工况复杂多变，若实际工况偏离设计工况越大，则被动悬架的效果越差。一般在汽车设计之初就把汽车定型为运动型、舒适型、越野型等不同产品，因此汽车悬架的设计就是一个折中妥协的过程。主动悬架则是在被动悬架的基础上增加了作动器来提供额外能量输入，安装于车身的传感器实时采集车辆行驶信息，根据路况的不同实时调节作动器输入能量大小，使车辆的悬架系统满足不同工况要求。但主动悬架能耗高，成本高，并没有广泛应用于成本敏感的民用车型中。能够实时调节悬架减振器阻尼或弹簧刚度而不向悬架系统输入额外能量的半主动悬架成为了悬架研究的另一个热点。半主动悬架相比主动悬架有能耗低的优势，且半主动悬架能够达到半波近似主动悬架的控制规律[5]，成本和能耗的降低为半主动悬架的普及奠定了基础。

　　电液伺服主动悬架的车身位姿稳定系统：

主动悬架试验样车

双横臂独立悬架总成

车架三维图

液压缸三维图

主动悬架控制系统外层控制器(车身位姿稳定控制)结构

目 录

　　摘 要
　　Abstract
　　目 录
　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 研究背景
　　　　1.2 汽车主动悬架系统研究现状
　　　　　　1.2.1 汽车悬架系统概述
　　　　　　　　1.2.1.1 汽车悬架系统分类
　　　　　　　　1.2.1.2 主动悬架发展过程
　　　　　　1.2.2 主动悬架控制技术研究现状
　　　　1.3 位姿稳定控制研究现状
　　　　　　1.3.1 车身位姿稳定控制研究现状
　　　　　　1.3.2 其它典型稳定控制研究现状
　　　　　　　　1.3.2.1 云台稳定控制研究现状
　　　　　　　　1.3.2.2 坦克主炮稳定器研究现状
　　　　1.4 相关研究中存在的主要问题
　　　　1.5 本文主要研究内容
　　　　1.6 论文章节安排
　　第 2 章 基于并行自适应克隆选择算法的悬架作动器分数阶控制
　　　　2.1 引言
　　　　2.2 悬架及作动器建模
　　　　　　2.2.1 动力学模型推导
　　　　　　　　2.2.1.1 四分之一悬架系统建模
　　　　　　　　2.2.1.2 作动器建模
　　　　　　2.2.2 模型辨识
　　　　　　　　2.2.2.1 待辨识参数
　　　　　　　　2.2.2.2 辨识方法
　　　　　　　　2.2.2.3 模型验证
　　　　2.3 作动器的伺服控制器设计
　　　　　　2.3.1 分数阶 PID 控制器设计
　　　　　　　　2.3.1.1 分数阶微积分及分数阶 PID 控制器
　　　　　　　　2.3.1.2 分数阶 PID 控制的 Oustaloup 近似
　　　　　　2.3.2 并行自适应克隆选择算法
　　　　　　　　2.3.2.1 基本概念
　　　　　　　　2.3.2.2 关键算子
　　　　　　　　2.3.2.3 算法流程
　　　　2.4 主动悬架作动器仿真分析
　　　　　　2.4.1 控制器参数整定
　　　　　　2.4.2 分数阶 PID 控制器跟踪效果分析
　　本章小结
　　第 3 章 基于双环自抗扰解耦技术的车身位姿稳定控制研究
　　　　3.1 引言
　　　　3.2 整车模型的建立与解耦
　　　　　　3.2.1 整车 7 自由度主动悬架系统建模
　　　　　　3.2.2 车身控制解耦
　　　　3.3 自抗扰控制器简介
　　　　　　3.3.1 跟踪微分器
　　　　　　3.3.2 扩张状态观测器
　　　　　　3.3.3 非线性控制律
　　　　3.4 车身垂向稳定控制器的设计
　　　　　　3.4.1 速度环控制器设计
　　　　　　3.4.2 位移环控制器设计
　　　　　　3.4.3 车身垂向稳定双环自抗扰控制器的整合
　　　　3.5 车身俯仰侧倾姿态稳定控制器设计
　　　　　　3.5.1 角速度环控制器设计
　　　　　　3.5.2 角度环控制器设计
　　　　　　3.5.3 车身姿态稳定双环自抗扰控制器的整合
　　　　3.6 车身位姿稳定控制的仿真分析
　　　　　　3.6.1 四轮相关路面输入建模
　　　　　　3.6.2 整车主动悬架系统的仿真模型设计
　　　　　　3.6.3 仿真结果及分析
　　　　　　　　3.6.3.1 自抗扰控制器的解耦效果分析
　　　　　　　　3.6.3.2 车身位姿稳定控制效果分析
　　　　本章小结
　　第 4 章 作动器位移输出饱和问题的改进
　　　　4.1 引言
　　　　4.2 路面冲击造成作动器位移输出饱和的改进
　　　　　　4.2.1 悬架行程超限问题的传统处理方法分析
　　　　　　4.2.2 虚拟限位块控制策略
　　　　　　4.2.3 虚拟限位块在车身位姿稳定控制中的应用
　　　　4.3 坡路起伏造成作动器位移输出饱和的改进
　　　　　　4.3.1 垂向稳定控制器的改进
　　　　　　4.3.2 俯仰稳定控制器的改进
　　　　　　4.3.3 改进后控制效果分析
　　　　本章小结
　　第 5 章 试验样车的制作与实车试验
　　　　5.1 引言
　　　　5.2 试验样车的设计与制作
　　　　　　5.2.1 机械与液压系统
　　　　　　5.2.2 电气与控制系统
　　　　5.3 试验结果
　　　　　　5.3.1 脉冲输入试验
　　　　　　5.3.2 通过起伏障碍路面试验
　　　　本章小结
　　第 6 章 结论与展望
　　　　6.1 本文完成的主要工作
　　　　6.2 今后工作展望
　　参考文献
　　作者简介及在学期间所取得的科研成果
　　致谢

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