基于Freescale單片機的電子控制空氣懸架模糊PID控制

電子控制空氣懸架（ECAS）以電子控制模塊為控制核心，對空氣懸架參數進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，能自動(dòng)控制車(chē)輛懸架的剛度、阻尼系數及車(chē)身高度等參數；汽車(chē)在各種路面、各種工況條件下能實(shí)現主動(dòng)調節、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定性，可滿(mǎn)足現代汽車(chē)對乘坐舒適性、行駛安全性的更高要求。目前在歐洲一些國家的大型客車(chē)中已經(jīng)大量應用。我國在20世紀50年代就對空氣彈簧進(jìn)行了研究，但是許多研究成果的產(chǎn)業(yè)轉化率非常低，導致許多有價(jià)值的研究沒(méi)能繼續堅持和深入下去，使我國汽車(chē)懸架技術(shù)的研究和應用與歐美等發(fā)達國家相比明顯落后。目前在國內還沒(méi)有汽車(chē)公司能夠獨立設計出并向市場(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，盡快縮小與國外在電控空氣懸架系統應用方面的差距，具有非?，F實(shí)的意義。

本文以YBL6891H型客車(chē)為控制對象。該客車(chē)原本以車(chē)身高度為主要控制目標，當載荷改變時(shí)，車(chē)身高度維持在某一范圍內不變，沒(méi)有真正地涉及到對客車(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，采用模糊PID控制算法調節空氣彈簧的剛度，以降低車(chē)身垂直加速度為主要目標，從而實(shí)現對客車(chē)行駛平順性的改善。采用Freescale公司的MC9S08GB60A單片機為控制芯片，設計了電子控制單元。

1 系統硬件設計方案

系統的總體結構如圖1所示。圖中的虛線(xiàn)部分是兩自由度1/4車(chē)輛模型，控制系統的MCU采用了Freescale半導體公司的MC9S08GB60A，該處理器可靠性高、抗干擾能力強，被廣泛應用于汽車(chē)電子產(chǎn)品?？傮w電路結構由ECU、高度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器及其檢測電路、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。加速度傳感器檢測到的垂直加速度信號傳遞給單片機，單片機產(chǎn)生控制信號，通過(guò)電磁閥控制空氣彈簧的剛度。剛度的調整通過(guò)對主附氣室之間的控制閥的控制來(lái)實(shí)現。高度傳感器不斷地將客車(chē)的高度信號傳遞給單片機，而加速度的大小在一定程度上反映了路況信息，單片機根據當前的路況和車(chē)速，調整車(chē)身高度。一旦車(chē)身高度達到設定的最低或最高位置限值時(shí)，ECU將執行保護，自動(dòng)結束調節。


1.1高度信號采集處理電路

高度檢測電路的工作原理為：車(chē)身高度－傳感器轉角－電感－脈沖信號周期。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)擺桿上下轉動(dòng)，從而移動(dòng)鐵心，使電感值不斷變化。當車(chē)身上升時(shí)，擺桿向上轉動(dòng)，感應值變大，當車(chē)身下降時(shí)，擺桿向下轉動(dòng)，感應值變小。圖2為高度檢測電路，高度傳感器的兩個(gè)端子分別接height1i和HCOM端。檢測電路的輸出為一串脈沖信號。用multisim10[2]對傳感器檢測電路進(jìn)行了仿真，結果如圖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?？梢?jiàn)車(chē)身高度改變時(shí)，電感值也改變，而電感值的改變導致脈沖寬度的變化，因此單片機可根據脈沖的寬度獲取車(chē)身高度信息。


1.2 電磁閥驅動(dòng)電路

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



2控制策略設計

2.1 1/4車(chē)輛模型

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

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，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PID控制算法

模糊自適應控制器與常規PID控制器一起組成模糊自適應PID(FAPID)控制器。模糊自適應控制器(FAC)的輸出即為PID控制器的輸入?？刂葡到y結構如圖5所示。為實(shí)現對車(chē)身加速度的控制，設計了一個(gè)模糊PID控制器,其最終參數：KP為比例系數，KI為積分作用系數, KD為微分作用系數。應用模糊集合理論建立參數KP、KI、KD與系統誤差e和誤差變化率de之間的關(guān)系，并用模糊控制器根據不同的e和de在線(xiàn)自整定PID參數，這是該控制系統設計的核心。而KP、KI、KD的計算公式分別為：KP=KPS+uKPX；KI=KIS+uKIX;KD=KDS+uKDX。其中，KPS、KIS、KDS為初始整定參數，KPX、KIX、KDX為修正系數，u為調整系數。所以只需建立系數u和誤差e和誤差變化率de之間的關(guān)系[3]。

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)，相應的模糊論域均為(-3，3)，模糊輸出論域為(-0.4，0.4)，三個(gè)變量的隸屬度函數均采用三角形函數。

下面設計u的模糊控制規則表。確定控制量變化的原則是：當誤差大或小時(shí)，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當誤差較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩定性為主要出發(fā)點(diǎn)。誤差為正時(shí)與誤差為負時(shí)相類(lèi)似，相應的符號都要變化。因此，按模糊控制原理設計出u的模糊調整規則如表1所示。


2.3 軟件設計和控制算法實(shí)現

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