Equipment Manufacturing Technology No.11,2020
基于PID控制的载货汽车驾驶室半主动悬置控制
刘凯扬#，王越邓聚才#，刘夫云'
（1.东风柳州汽车有限公司商用车技术，广西柳州545005；
2.桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004）
摘要：建立了某型号载货汽车驾驶室三自由度动力学模型，在Matlab/Simulmk中建立了仿真模型。以随机路面作为输入，以PID控制作为半主动悬置控制算法，以驾驶室平顺性作为优化目标，对载货汽车整车动力学进行仿真与优化，仿真优化结果表明，相比于被动悬架，使用半主动悬架可以有效地改善整车平顺性。
关键词：半主动悬架;PID控制；平顺性
中图分类号：U463.33文献标识码:A文章编号：#672-545X（2020）11-0042-04 0引言1三自由度驾驶室模型建立
近些年，随着相关技术的进步以及人们对车辆行驶平顺性和稳定性要求的提高，半主动悬架在悬架本身性能和控制技术方面都有了很大的发展。被动悬架往往只在特定工况下表现岀良好的减振性能，半主动悬架实现了阻尼的可调，能在大多数工况下表现岀较好的性能。同时，半主动悬架能实现大部分主动悬架实现的效果，且半主动悬架耗能较小，可靠度高叫半主动悬架主要通过改阻尼实现好的减效果，，控制算法的半主动悬架能实现的
半主动悬架的控制方多，有棚阻尼控制方法、加速度阻尼控制方等经典的控制方法以及基于经典控制方的改进方，有于现控制的控制、控制，有于能控制的模糊控制、控制等方。同的有优
V
本了3度的驶，采性、性较好的PID半主动悬架的控制，
的随面驶悬下，在Matlab/Simulink进行，果和被动悬架的果进行通过驶、和方加速度方的，平顺性进行价。
的驶了本的动特，能的驶的实动叫同时
较，因此被的于相下面对驶进行1
驶，相数含义如下。
图1七自由度驾驶室简化模型
"#1f4分悬下的；分为各悬的"驶
分驶和的分
悬&心分悬阻尼也I—分半主动悬置系统悬提供的控制叫驶1*，1”分驶绕！和"方的转动惯，心悬距离驶在-轴方向上的坐标距离;“I—悬置各点距离驾驶室质心在.轴方的坐标距离。
据牛顿第二定律和相关的力学公式，可以得岀
收稿日期：2020-08-19
基金项目：广西新能源物流商用车协同创新研发及成果转化应用（桂科AA18242036）；广西创新驱动发展专项资金项目（桂科AA18242037）
作者简介：刘凯扬（1984-），男，湖南益阳人，工程师，主要研究方向：汽车设计。
《装备制造技术＞2020年第11期
相关的动力学公式如下：
Zb,
% ! - p%7! + P'7
"
# = 1,2,3,4 （1）
4
（7Z  二- !"+） + C b+（Z * - Z b ） + 如 （2）
,% 1
4
.7 ! % 一
!*（（b
9
*
-
Z b ） + C b+（z * - Z b ） + ZbJ・p 剧
+ % 1
（3）
4
4/ "二-
! 9）（z * 一
Z b+） + C
b+（z * 一 Z b J  + 九）+ % 1
（4:
根据上面的微分方程，可以通过Matlab/Simulink  建立使用被动悬架和半主动悬置的驾驶室三自由度
模型进行仿真。
2 PID 控制器的设计
fa
%1 1 1 1
-~d (
11
11 —I 2
_〃
2
九
fb2
fb3fb 4
式中，f z ，f a ，f y 分
三 PID 控制 的阻尼
力，f b 1，f b 2，f b 3，f b 4 半主动悬架输岀的阻尼力，11,12,1（,1）分别为驾驶室质心到前悬、后悬、右侧悬置、
左侧悬置的距离。
通过矩阵的广义逆变换，将参数代入，可以求得
力分 如下：
九
fb2
fb3 fb 4
0.26190.2619
0.23810.2381
-0.4167 0.2381
0.4167 0.23810.4167 -0.2381-0.4167 -0.2381
九
fb2 fb 3
fb 4
6:
3仿真分析
⑸
2.1 PID 控制器
PID 控制是一种经典的控制方法，它具有适用性
强，鲁棒性好等优点，因此PID 控制在工业工程中应 用非常广泛。相比于 中 的 控制法,
PID 控制的 ， 度和模型度的求
较低，具备 际应用的价值，因此 文 用PID 控制
半主动悬置的控制 法。PID 控制的 如2
图2 PID 控制示意图
在 文中， 驾驶室
三
个方的速度
控制
的输入，龙
0_
由此，控制模型在
三方向各
一个PID 控制，可以通过 法 PID
控制的 ，较好的控制 _
2.2控制力分配
文中PID 控制 的是对应于三 度方
的力，际 中，驾驶室 和 三
动 是相 立的， 是相 制 的 关叫因此 三个控制分 的
力通过一的关分 半主动悬置， 控
制 ，可以根据动力学 力分 公式如下：
3.1随机激励输入模型
面 是
性的主 动
，因此，建立 的 面 模型是 性仿
真 性的一步。在仿真
建立 的
面模型
_建立 面的方法有
法 法 加法等*4+，中，
法
，且建立的 面在低
性也较好。 文针 驾驶室进行仿真控制，因此
面 激励 驾驶室悬置下点的激励
，文
用 法建立 激励，
法建立 激
励的公式如下：
q （t ） % -2!4oo ”2（3）+ 2!40）Gq （n 0）v  #（3）（7） 式中,q （t ） 面位移激励,400 面 度截
止空间频率，在这 0.011 m -1,5 ,40：空间频率,Gq （4。
）为路面不平度 ，#（t ）
信号。
在simulink 中建立上述微分方程，通过仿真获得 的路面信号如图3 _
图3 C 级路面输入
Equipment  Manufacturing  Technology  No.ll  ,2020
3.2仿真验证本文中所用的某载货汽车驾驶室模型各项参数
如表1。
表1驾驶室动力学模型参数
参数
数值
参数数值
!"/kg
950#1/m 1
鶴,2
/Om 1)13000&/m
1.1
$%3,4/(N*m  1)11000&3,4/m
0.6C "i ,2/(N*s*m  1)
36204)
/(kg ・m 2)
1130c %3,4/(N®m  1)3000
T ++/(kg-m 2)
1290
,,£.1，2>m )1,"1,4/m 0.6，心心）
-1.1
PRm
0.6
通过Matlab/Simulink ，基于式（1 ）~（4）建立的驾
驶室三自由度仿真模型如图4所示。
仿真部分的思路如下：将通过白噪声法生成的
随机激励输入驾驶室模型，通过仿真软件的计算，得
出驾驶室质心的垂向、侧倾、俯仰三个方向的速度，
将这三个速度作为PID 控制器的输入，以0输入作
为PID 控制器的参考输入，求解出需要施加在驾驶 室三个方向上的阻 ，通过 分 ，将三个
阻 分 个 上，用阻 的 阻尼的。
实现半主动架控制效。将驾驶
图4 Simulink 驾驶室仿真模型
室质心的垂向、侧倾、俯仰三个方向的加速度输出，
动悬架控制下驾驶室质心三个方向的加速度
， 半主动架的控制效
8
在PID 控制中,KP ，KI ，KD 三项参数的选取对其
控制效果的
的作用， ，需要
的 PID  参数 的控制效 ， 本文 用
试凑法得出
的PID 参数如表2。
表2 PID 参数表
参数
数值
参数
数值
参数
数值
KP12500KP2750KP35000
KI1
500
KI2
200KI31000
KD15KD210
KD3
10
本文用白噪声法建立的* 随机路作为随
机输入，车速
为30 km/h ，动 架 半主动
架的控制效
如图5~图7所示。
《装备制造技术》2020年第11期
th
图6侧倾加速度对比
t /s
图7俯仰加速度对比
从上图中可以看出，相比于被动悬架，使用PID  控制的半主动悬架能有效的降低驾驶室质心三个方
向的加速度。
均方根值(RMS )常被用于分析噪声，在分析加 速度时也比均值更具有代表性。因此，本文使用均方
根值来评价半主动悬架相比于被动悬架的优化效
果。
表3半主动悬架优化效果
被动RMS
半主动RMS 优化效果垂向
0.31260.235024.8%侧倾0.001027
0.0007164
30.3%俯仰
0.019090.01330
30.3%
4结语
本文建立了某载货汽车驾驶室三自由度动力学
模型，使用PID 控制算法来控制半主动悬架的
,
法 了 优的PID  ，使用
噪声法建立的随机路面作为输入， Matlab/
Simulink  行 。 果表，与被动悬架相比， 使用 PID  控制半主动悬架的驾驶室在驾驶室质心
向加速度的均方根值降低了 24.8%, 加速度的均
方根值降低了 30.3%, 加速度的均方根值降低了 30.3%。从值来看，半主动悬架控制也能 降低 驾驶室三个方向加速度的值。果表，相比于被
动悬架，半主动悬架 效果 ，能
车
行驶的 性。
参考文献：
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文. 汽车半主动悬架 能控制算法 [D].
学，2018.
商用汽车
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，，谢飞，等.路面不平度研究综述[J].振动与冲
击,2009,28(9)：95-101,216.
Simulation  Of  Vehicle  Semi-active  Suspension  Control  Based  on  PID
LIU  Kai-yang 1, WANG  Yue 2,DENG  Ju-cai 1,LIU  Fu-yun 2
(.Commercial  Vehicle  Technology  Center  of  Dongfeng  Liuzhou  Automobile  Co., Ltd.,
Liuzhou  Guangxi  545005, China  ;2.School  of  Mechanical  and  Electrical  Engineering ,
Guilin  University  of  Electronic  Technology , Guilin  Guangxi  541004, China )
Abstract : The  3-dof  dynamic  model  of  a  certain  type  of  truck  cab  is  established  based  on  Matlab/Simulink  in  this
paper. Using  random  road  surface  as  input , and  cab  comfort  as  the  optimization  objective , PID  control  algorithm  is
used  to  control  the  semi  -active  suspension  .The  simulation  results  show  that , compared  with  the  passive  suspen ­
sion , semi-active  suspension  does  well  to  improve  ride  comfort.
Key  words : Semi-active  suspension; PID  control; ride  comfort