??? 摘? 要： 以Freescale公司的MC9S08GB60A單片機(jī)為控制芯片，以YBL6891H型客車(chē)的1/4車(chē)輛模型為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了一種客車(chē)用空氣懸架的電子控制單元。該控制單元以車(chē)身垂直加速度的均方根為主要控制目標(biāo)，采用了模糊PID控制算法，并用MATLAB/SIMULINK對(duì)該模型進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，利用該控制系統(tǒng)能很好地抑制客車(chē)的振動(dòng)。?

??? 關(guān)鍵詞： 空氣懸架;? 模糊PID;? 單片機(jī);? MC9S08GB60A

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??? 電子控制空氣懸架（ECAS）以電子控制模塊為控制核心，對(duì)空氣懸架參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，能自動(dòng)控制車(chē)輛懸架的剛度、阻尼系數(shù)及車(chē)身高度等參數(shù)；汽車(chē)在各種路面、各種工況條件下能實(shí)現(xiàn)主動(dòng)調(diào)節(jié)、主動(dòng)控制，并增加了許多輔助功能（如故障診斷功能等）；可最大限度地提高汽車(chē)的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，可滿(mǎn)足現(xiàn)代汽車(chē)對(duì)乘坐舒適性、行駛安全性的更高要求。目前在歐洲一些國(guó)家的大型客車(chē)中已經(jīng)大量應(yīng)用。我國(guó)在20世紀(jì)50年代就對(duì)空氣彈簧進(jìn)行了研究，但是許多研究成果的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化率非常低，導(dǎo)致許多有價(jià)值的研究沒(méi)能繼續(xù)堅(jiān)持和深入下去，使我國(guó)汽車(chē)懸架技術(shù)的研究和應(yīng)用與歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家相比明顯落后。目前在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有汽車(chē)公司能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)出并向市場(chǎng)提供比較成熟的空氣懸架電子控制單元^[1]。因此，研究空氣懸架電子控制單元，盡快縮小與國(guó)外在電控空氣懸架系統(tǒng)應(yīng)用方面的差距，具有非常現(xiàn)實(shí)的意義。?

??? 本文以YBL6891H型客車(chē)為控制對(duì)象。該客車(chē)原本以車(chē)身高度為主要控制目標(biāo)，當(dāng)載荷改變時(shí)，車(chē)身高度維持在某一范圍內(nèi)不變，沒(méi)有真正地涉及到對(duì)客車(chē)行駛平順性的改善。本文以該客車(chē)的1/4車(chē)輛模型為基礎(chǔ)，采用模糊PID控制算法調(diào)節(jié)空氣彈簧的剛度，以降低車(chē)身垂直加速度為主要目標(biāo)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)客車(chē)行駛平順性的改善。采用Freescale公司的MC9S08GB60A單片機(jī)為控制芯片，設(shè)計(jì)了電子控制單元。?

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案?

??? 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中的虛線部分是兩自由度1/4車(chē)輛模型，控制系統(tǒng)的MCU采用了Freescale半導(dǎo)體公司的MC9S08GB60A，該處理器可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)電子產(chǎn)品。總體電路結(jié)構(gòu)由ECU、高度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器及其檢測(cè)電路、鍵盤(pán)（用于模式選擇以及手動(dòng)模式下的控制）、指示燈等電路組成。加速度傳感器檢測(cè)到的垂直加速度信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)產(chǎn)生控制信號(hào)，通過(guò)電磁閥控制空氣彈簧的剛度。剛度的調(diào)整通過(guò)對(duì)主附氣室之間的控制閥的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)。高度傳感器不斷地將客車(chē)的高度信號(hào)傳遞給單片機(jī)，而加速度的大小在一定程度上反映了路況信息，單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前的路況和車(chē)速，調(diào)整車(chē)身高度。一旦車(chē)身高度達(dá)到設(shè)定的最低或最高位置限值時(shí)，ECU將執(zhí)行保護(hù)，自動(dòng)結(jié)束調(diào)節(jié)。?

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1.1高度信號(hào)采集處理電路?

??? 高度檢測(cè)電路的工作原理為：車(chē)身高度－傳感器轉(zhuǎn)角－電感－脈沖信號(hào)周期。車(chē)身高度傳感器等效為一個(gè)可變電感與一個(gè)電阻串聯(lián)。車(chē)身上下振動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)擺桿上下轉(zhuǎn)動(dòng)，從而移動(dòng)鐵心，使電感值不斷變化。當(dāng)車(chē)身上升時(shí)，擺桿向上轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)值變大，當(dāng)車(chē)身下降時(shí)，擺桿向下轉(zhuǎn)動(dòng)，感應(yīng)值變小。圖2為高度檢測(cè)電路，高度傳感器的兩個(gè)端子分別接height1i和HCOM端。檢測(cè)電路的輸出為一串脈沖信號(hào)。用multisim10^[2]對(duì)傳感器檢測(cè)電路進(jìn)行了仿真，結(jié)果如圖3所示，圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)為高度傳感器的電感值分別為13mH、20mH、30mH時(shí)的高度信號(hào)。可見(jiàn)車(chē)身高度改變時(shí)，電感值也改變，而電感值的改變導(dǎo)致脈沖寬度的變化，因此單片機(jī)可根據(jù)脈沖的寬度獲取車(chē)身高度信息。?

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1.2 電磁閥驅(qū)動(dòng)電路?

??? 驅(qū)動(dòng)芯片采用安森美半導(dǎo)體提供的集成式繼電器驅(qū)動(dòng)器NUD3124。其集成設(shè)計(jì)可以明顯地簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并且降低成本，替代傳統(tǒng)的分立元件解決方案(如雙極型晶體管加續(xù)流二極管)。每片NUD3124有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器，適合用于驅(qū)動(dòng)繼電器等感性負(fù)載，其驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，在信號(hào)的輸入端用光電耦合器進(jìn)行了電氣隔離，增強(qiáng)了電路的可靠性和抗干擾能力。?

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2控制策略設(shè)計(jì)?

2.1 1/4車(chē)輛模型?

??? 根據(jù)牛頓第二定律，得YBL6891H型客車(chē)的1/4車(chē)輛模型系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為:?

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式中，簧載質(zhì)量m₁=1 718kg，非簧載質(zhì)量m₂=300kg，輪胎剛度為k₁=9.5×10⁵N·m^-1，減振器等效阻尼為c=9 358N·m·s^-1,k₂為空氣彈簧的剛度，x₀為路面激勵(lì)，x₁為非簧載質(zhì)量位移，ｘ₂為簧載質(zhì)量位移。?

2.2 懸架的模糊自適應(yīng)PID控制算法?

??? 模糊自適應(yīng)控制器與常規(guī)PID控制器一起組成模糊自適應(yīng)PID(FAPID)控制器。模糊自適應(yīng)控制器(FAC)的輸出即為PID控制器的輸入。控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。為實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)身加速度的控制，設(shè)計(jì)了一個(gè)模糊PID控制器,其最終參數(shù)：K_P為比例系數(shù)，K_I為積分作用系數(shù), K_D為微分作用系數(shù)。應(yīng)用模糊集合理論建立參數(shù)K_P、K_I、K_D與系統(tǒng)誤差e和誤差變化率de之間的關(guān)系，并用模糊控制器根據(jù)不同的e和de在線自整定PID參數(shù)，這是該控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。而K_P、K_I、K_D的計(jì)算公式分別為：K_P=K_PS+uK_PX；K_I=K_IS+uK_IX;K_D=K_DS+uK_DX。其中，K_PS、K_IS、K_DS為初始整定參數(shù)，K_PX、K_IX、K_DX為修正系數(shù)，u為調(diào)整系數(shù)。所以只需建立系數(shù)u和誤差e和誤差變化率de之間的關(guān)系^[3]。?

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??? 選用車(chē)身垂直加速度均方根及其變化率為模糊輸入語(yǔ)言變量e和de，系數(shù)u為輸出語(yǔ)言變量。三個(gè)變量均模糊劃分為7個(gè)模糊子集{NB，NM，NS，NULL，PS，PM，PB}，構(gòu)建一個(gè)二維模糊控制器，綜合車(chē)身垂直加速度均方根、均方根變化量以及路面擾動(dòng)輸入的情況，定義兩個(gè)輸入變量的基本論域分別是(0，0.6)和(-60，60)，相應(yīng)的模糊論域均為(-3，3)，模糊輸出論域?yàn)?-0.4，0.4)，三個(gè)變量的隸屬度函數(shù)均采用三角形函數(shù)。?

??? 下面設(shè)計(jì)u的模糊控制規(guī)則表。確定控制量變化的原則是：當(dāng)誤差大或小時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主要出發(fā)點(diǎn)。誤差為正時(shí)與誤差為負(fù)時(shí)相類(lèi)似，相應(yīng)的符號(hào)都要變化。因此，按模糊控制原理設(shè)計(jì)出u的模糊調(diào)整規(guī)則如表1所示。?

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2.3 軟件設(shè)計(jì)和控制算法實(shí)現(xiàn)?

??? 單片機(jī)的軟件采用C語(yǔ)言編寫(xiě)，軟件的整體結(jié)構(gòu)采用模塊化的方式，總流程如圖6所示。主要的子程序有高度數(shù)據(jù)綜合、通信信息處理、控制信號(hào)生成等。捕捉檢測(cè)主要是對(duì)車(chē)速檢測(cè)中斷子程序、高度檢測(cè)中斷子程序、加速度檢測(cè)中斷子程序和通信中斷子程序進(jìn)行檢測(cè)。輔助開(kāi)關(guān)輸入檢測(cè)主要是對(duì)車(chē)速、制動(dòng)、點(diǎn)火、車(chē)門(mén)狀態(tài)信號(hào)的檢測(cè)，操作開(kāi)關(guān)檢測(cè)主要是對(duì)手動(dòng)模式下按鍵信號(hào)的檢測(cè)。剛度的模糊PID控制的子程序如圖7所示。?

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3 仿真分析?

??? 利用MATLAB^[4]軟件對(duì)控制算法進(jìn)行了仿真，整個(gè)系統(tǒng)的采樣時(shí)間為0.01s。路面激勵(lì)的時(shí)域數(shù)學(xué)模型可以用來(lái)描述，其中q(t)為路面激勵(lì)，a為某一常數(shù)，根據(jù)路面等級(jí)選取，v為車(chē)速，w(t)為白噪聲。選用B級(jí)和C級(jí)路面對(duì)懸架系統(tǒng)仿真，車(chē)速均為50km/h。在MATLAB/SIMULINK中仿真得到路面的激勵(lì)^[6]，如圖８、圖9所示。?

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??? 圖10、圖11分別為B級(jí)和C級(jí)路面50km/h車(chē)速條件下，被動(dòng)懸架、PID控制和模糊PID控制懸架垂直加速度的對(duì)比。可以看出，模糊PID控制懸架與PID控制懸架和被動(dòng)懸架相比，能有效降低車(chē)身垂直加速度。表2和表3為B級(jí)和C級(jí)路面激勵(lì)下的懸架性能對(duì)比。從表中可以看出，模糊PID控制懸架的各項(xiàng)性能均優(yōu)于普通PID控制懸架和被動(dòng)懸架，在B級(jí)和C級(jí)路面情況下，垂直加速度均方根值分別降低23.4%和17.3%，動(dòng)行程分別降低1.9%和0.5%，車(chē)輪相對(duì)動(dòng)載荷分別降低10%和7.9%，其改善量總體優(yōu)于普通PID控制的改善量。?

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??? 本文針對(duì)YBL6891H型客車(chē)，介紹了空氣懸架電子控制單元的電路結(jié)構(gòu)，并用MULTISIM 10對(duì)高度傳感器檢測(cè)電路進(jìn)行了仿真。采用模糊PID控制算法對(duì)空氣懸架進(jìn)行控制，并對(duì)1/4懸架模型進(jìn)行了仿真，結(jié)果說(shuō)明，該算法能有效地降低車(chē)身垂直加速度，改善了車(chē)輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，在B級(jí)和C級(jí)路面上，模糊PID控制懸架的加速度均方根比被動(dòng)懸架分別降低了23.4%和17.3%，動(dòng)行程和車(chē)輪相對(duì)動(dòng)載荷均方根也有所改善。實(shí)踐證明，該電子控制懸架系統(tǒng)能滿(mǎn)足系統(tǒng)的整體要求，達(dá)到良好的控制效果。對(duì)車(chē)身的側(cè)傾角和俯仰角的控制是下一步要做的工作。?

參考文獻(xiàn)?

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