车辆悬架系统与电动助力转向系统的集成控制

崔晓利^{1, 2}，杨  岳¹，袁传义³

(1. 中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙，410075；

2. 湖南工学院 机械工程系，湖南 衡阳，421002；

3. 江苏大学 汽车与交通工程学院，江苏 镇江，212013)

摘  要：在建立悬架和转向系统整车动力学模型的基础上，分析主动悬架系统与电动助力转向系统性能之间的相互关系及协调机理，提出调整双系统控制参数的联合优化方法，对主动悬架系统进行自校正控制，对电动助力转向系统进行PID控制，研究集成系统结构参数和控制参数的耦合问题。仿真结果表明，与不加控制、单系统控制相比，集成控制下车辆转向助力效果增强，反应车辆姿态的质心加速度、横摆角速度、车身侧倾角等都有明显提高，车辆的行驶平顺性和操纵稳定性均得到明显加强，整车性能得到提高。

关键词：主动悬架；电动助力转向；集成控制；联合优化

中图分类号：TP29；U463.4          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2009)06-1593-06

Integrated control on vehicle suspension system and electric power steering system

CUI Xiao-li^{1, 2}, YANG Yue¹_, YUAN Chuan-yi³

(1. School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China;

2. Department of Mechanical Engineering, Hunan Institute of Technology, Hengyang 421002, China;

3. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

Abstract: Based on the dynamic model of vehicle suspension and steering, the relationship and harmony mechanism between active suspension system and electric power steering were analyzed. In order to study the coupling relationship of integrated system’s structure and control parameters, a combined optimize strategy to adjust parameters of two systems was proposed. The controller of active suspension system was designed using self-tuning control and the electric power steering system was designed using PID control. The simulation results show that compared with no control or single control system, integrated control can improve the controllability and stability, ride comfort, maneuverability and safety of vehicle.

Key words: active suspension; electric power steering; integrated control; combined optimize

随着对车辆操纵稳定性和行驶平顺性的要求越来越高，传统的被动悬架已无法兼顾平顺性与安全性的要求。目前，对车辆上集成技术研究较多的是防抱死制动系统(ABS)、驱动防滑转系统(ASR)和自适应巡航系统(ACC)的总成研究^[1-4]，而将主动悬架系统(ASS)和电动助力转向(EPS)进行集成控制的研究较少^[5-7]。悬架作为减振保稳部件，对车辆行驶的平稳性极其重要。动力转向可减少疲劳，提高路感，增加高速安全性，因此，作为底盘集成系统重要组成的悬架与转向的协调控制显得尤为重要^[8-10]。为此，本文作者对ASS+EPS的集成控制进行研究，提出对双系统的集成优化策略。

1  集成动力学模型

由于车辆行驶平顺性与悬架系统密切相关，操纵稳定性与转向系统和悬架系统紧密相联，因此，在综合考虑ASS和EPS性能指标的基础上，建立了主动悬架系统与电动助力转向系统的集成控制模型^[11]，模型示意图如图1~3所示。

图1  集成模型俯视图

Fig.1  Planform of integrated model

图2  集成模型侧视图

Fig.2  Side elevation of integrated model

图3  集成模型后视图

Fig.3  Backsight map of integrated model

1.1  整车模型

考虑侧倾影响的转向模型为：

1.2  道路模型

通常采用一阶滤波白噪声作为路面输入模型：

1.3  整车系统状态方程

综合式(1)~(6)，取系统的状态变量为

2  集成控制策略

系统工程中一个重要原则是：各个子系统性能简单相加并不能达到整体性能优化的目的，对于车辆多系统控制也是如此。车辆不同的行驶状态对悬架有不同的要求，一般行驶时需要悬架较软以求舒适感，急转弯或制动时又需要悬架较硬以求稳定性。为协调二者的矛盾，引入集成控制的概念(如图4所示)^[12]。控制子系统A虽然可使其性能a大幅度上升，但性能b受控制A的影响有所降低；同理，控制子系统B也是如此。因此，单纯把系统A和B组合在一起，它们各自性能a和b的向量和(A＋B)比单个控制的效果可能还小，为此，提出集成控制(A×B)的思想用于协调子系统间的相互矛盾，以达到提高整车性能的目的^[13]。

图4  集成控制概念示意图

Fig.4  Sketch map of integrated control method

图5所示为状态变量耦合的集成控制原理图。图中，系统的输入为转向盘转角θ_h和路面白噪声W(t)，输出为：横摆角速度ω_r，车身侧倾角，车身质心垂直加速度，及悬架的动挠度Z_ui-Z_si和轮胎的动载荷K_ui(Z_i-Z_ui)。作为EPS控制后的输出，前轮转角δ可视为ASS系统的一个外部干扰输入，它影响引起车身水平方向振动的前轮胎侧偏力。在此，提出调整双系统控制参数的联合优化方法，通过对EPS的助力电压U进行PID控制，修正助力，改善横摆角速度的响应，提高转向灵敏度；运用自校正控制器根据反馈的状态变量控制主动悬架系统，改善质心垂直加速度和悬架动挠度响应，提高车辆的行驶平顺性。

图5  集成控制原理图

Fig.5  Integrated control principle diagram

3  仿真计算与结果

在MATLAB/SIMULINK环境下，对不加控制、单系统控制和集成控制3种不同的状况进行仿真，采用4阶Runge-Kutta法，计算步长为0.01。仿真选用某轻型汽车，设汽车以v=20 m/s驶过不平度系数G_q(n₀)为5×10^-6 m³/周的路面，转向盘转角输入为30?的阶跃信号，输入信号采用路面高斯白噪声。假定转向行驶过程中各车轮处路面干扰输入互不相干^[14-15]，则仿真结果如图6~13和表1所示。

1—不加控制；2—EPS单独控制；3—集成控制

图6  不同控制条件下的转向盘操纵转矩

Fig.6  Steering wheel torque under different control conditions

1—不加控制；2—EPS单独控制；3—集成控制

图7  不同控制条件下的前轮转角

Fig.7  Front wheel steering angle under different control conditions

1—不加控制；2—悬架单独控制；3—集成控制

图8  不同控制条件下的质心侧偏角

Fig.8  Center of mass slip angle under different control conditions

1—不加控制；2—悬架单独控制；3—集成控制

图9  不同控制条件下的车身横摆角速度

Fig.9  Yaw rate velocity under different control conditions

1—不加控制；2—悬架单独控制；3—集成控制

图10  不同控制条件下的车身侧倾角

Fig.10  Rolling angle under different control conditions

1—不加控制；2—悬架单独控制；3—集成控制

图11  不同控制条件下的车身垂直加速度

Fig.11  Bouncing acceleration under different control conditions

1—不加控制；2—悬架单独控制；3—集成控制

图12  不同控制条件下的车身俯仰角

Fig.12  Pitching angle under different control conditions

1—不加控制；2—悬架单独控制；3—集成控制

图13  不同控制条件下的前轮悬架动挠度

Fig.13  Front suspension deflection under different control conditions

表1  不加控制/单独控制/集成控制仿真计算结果

Table 1  No control/ASS separate control /integrated control simulate results

图6和图7所示分别为转向盘操纵转矩与前轮转角在3种不同的控制情况下，对方向盘角阶跃输入的响应。可见，集成控制下转向盘操纵转矩的稳态值最小，前轮转角的峰值和稳态值均最小，且到达稳态时反应时间最短，而采用EPS单独PID助力控制次之，说明集成控制转向助力效果更好。

由图8~10可见，单独悬架控制和集成控制的质心侧偏角、横摆角速度、车身侧倾角的幅值均比不加控制时的要小，且变化趋势趋缓。从表1可见：集成控制的质心侧偏角、横摆角速度、车身侧倾角的峰值与不加控制相比时分别减小了17.16%，9.54%和11.60%，标准差减小了42.37%，36.15%和38.85%。表明转向过程中操纵稳定性有了明显提高，集成控制性能最好，单独悬架控制次之。

从图11~13可见：与不加控制时相比，集成控制后，车身垂直加速度、车身俯仰角、前轮悬架动挠度的峰值减小27.34%，34.18%和7.22%，标准差减小26.15%，12.97%和25.25%。不难看出，车辆的行驶平顺性也得到提高，悬架动挠度、车轮动载荷没有明显变化。

4  结  论

a. 集成控制与不加控制、单独控制系统相比，转向助力效果、操纵稳定性最好，集成控制抑制了车身的垂直运动、俯仰、侧倾等姿态的变化，车辆的行驶平顺性最优。

b. 本文设计的集成控制策略，使整车综合性能得到了提高，控制方法有效，从而为车辆集成控制的实车试验提供了参考依据。

参考文献：

[1] 崔海峰, 刘昭度, 吴利军, 等. 基于ABS/ASR集成控制系统的汽车坡道起步辅助装置[J]. 农机化研究, 2006(8): 193-195.

CUI Hai-feng, LIU Zhao-du, WU Li-jun, et al. Hill-start assist system based on integrated control system of ABS/ASR for car[J]. Research on Agriculture Mechanization, 2006(8): 193-195.

[2] MA Yue-feng, LIU Zhao-du, QI Zhi-quan, et al. Adaptive noise cancellation method used for wheel speed signal of integrate ABS/ASR system[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2006, 15(2): 144-147.

[3] 齐志权, 刘昭度, 时开斌, 等. 基于汽车ABS/ASR/ACC集成化系统的ABS参考车速确定方法的研究[J]. 汽车工程, 2003, 25(6): 617-620.

QI Zhi-quan, LIU Zhao-du, SHI Kai-bin, et al. Determination of vehicle reference speed for ABS based on an ABS/ASR/ACC integrated system[J]. Automotive Engineering, 2003, 25(6): 617-620.

[4] 张景波, 刘昭度, 齐志权, 等. 基于信息融合技术的ABS/ASR/ACC系统仿真[J]. 计算机仿真, 2004, 21(6): 155-158.

ZHANG Jing-bo, LIU Zhao-du, QI Zhi-quan, et al. Simulation of ABS/ASR/ACC integrated system based on information fusion technology[J]. Computer Simulation, 2004, 21(6): 155-158.

[5] 袁传义, 陈 龙, 江浩斌, 等. 主动悬架与电动助力转向系统模糊集成控制[J]. 江苏大学学报: 自然科学版, 2007, 28(1): 29-32.
YUAN Chuan-yi, CHEN Long, JIANG Hao-bin, et al. Fuzzy integrated control of active suspension and electrical power steering system[J]. Journal of Jiangsu University: Natural Science Edition, 2007, 28(1): 29-32.

[6] 王其东, 姜武华, 陈无畏, 等. 主动悬架和电动助力转向系统机械与控制参数集成优化[J]. 机械工程学报, 2008, 44(8): 67-72.
WANG Qi-dong, JIANG Wu-hua, CHEN Wu-wei, et al. Simultaneous optimization of mechanical and control parameters for integrated control system of active suspension and electric power steering[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2008, 44(8): 67-72.

[7] Harada M, Harada H. Analysis of lateral stability with Integrated control of suspension and steering system[J]. JSAE Review, 1999, 20(4): 465-471.

[8] Tanaka H, Inoue H, Iwata H. Development of a vehicle integrated control system[C]//Proceeding of the XXIV FISITA Congress. London, 1992: 63-72.

[9] Wallentowitz H. Integrated of chassis and traction control systems[C]//Proceeding of AVEC’92. Yokohama, 1992: 1-7.

[10] Sato S, Inoue H, Tabata M, et al. Integrated chassis control system for improved vehicle dynamics[C]//Proceeding of AVEC’92. Yokohama, 1992: 413-418.

[11] Yoshimura T, Emoto Y. Steering and suspension system of a full car model using fuzzy reasoning based on single input rule modules[J]. Int J Vehicle Autonomous Systems, 2003, 1(2): 237-246.

[12] 庄继德. 汽车电子控制系统工程[M]. 北京: 北京理工大学出版社, 1998.

ZHUANG Ji-de. Engineering of automotive electronic control system[M]. Beijing: Beijing Institute of Technology Press, 1998.

[13] Ghoneim Y A, Lin W C, Sidlosky D M, et al. Integrated chassis control system to enhance vehicle stability[J]. International Journal of Vehicle Design, 2000, 23(1): 124-144.

[14] 徐 凯. 基于LMS模糊/PD算法的转向与悬架系统集成控制研究[D]. 镇江: 江苏大学汽车与交通工程学院, 2006.
XU Kai. Study of integrated control on steering and suspension system based on LMS fuzzy/PD algorithm[D]. Zhenjiang: School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, 2006.

[15] 汤晓燕, 刘少军, 王 刚. 深海采矿升沉补偿系统建模及其模糊控制仿真[J]. 中南大学学报: 自然科学版, 2008, 39(1): 128-130.
TANG Xiao-yan, LIU Shao-jun, WANG gang. Modeling of heave compensation system for deep-ocean mining and its simulation of fuzzy logical control[J]. Journal of Central South University: Science and Technology, 2008, 39(1): 128-130.

收稿日期：2009-02-11；修回日期：2009-07-15

基金项目：湖南省科技厅计划项目(2008GK3038)；湖南省自然科学基金资助项目(09JJ3112)

通信作者：崔晓利(1962-)，女，湖南衡阳人，教授，博士研究生，从事车辆动态性能模拟与控制研究；电话：13973468260；E-mail: l618c@163.com