車(chē)輛座椅懸架模糊控制與仿真

陳學(xué)文，張衍成，楊威勇，邵鵬生

CHEN Xue-wen,ZHANG Yan-cheng,YANG Wei-yong,SHAO Peng-sheng

（遼寧工業(yè)大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院，錦州 121001）

0 引言

車(chē)輛座椅懸架系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)，是車(chē)輛減振系統(tǒng)的重要組成部分，可減少司乘人員所受的振動(dòng)[1,2]。重型貨車(chē)、農(nóng)用車(chē)和工程車(chē)輛由于其工作環(huán)境和懸架性能相對(duì)較差，使得其在行駛時(shí)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)。這些車(chē)輛的駕駛員座椅懸架大多采用被動(dòng)懸架，其阻尼系數(shù)和剛度系數(shù)不可調(diào)，駕駛員長(zhǎng)時(shí)間承受激烈振動(dòng)。并聯(lián)式主動(dòng)座椅懸架在提高座椅減振性能方面方便易行，且座椅動(dòng)態(tài)參數(shù)的改變對(duì)車(chē)輛其他性能影響較小[3,4]。因此，研究和改善座椅懸架動(dòng)態(tài)特性對(duì)于提高車(chē)輛乘坐舒適性有著重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已將最優(yōu)控制、PID控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等理論應(yīng)用于座椅懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制[2～6]，使其控制技術(shù)日趨完善。

本文針對(duì)座椅懸架系統(tǒng)中存在時(shí)變性和非線性的特性，建立了人體-座椅-車(chē)輛模型，設(shè)計(jì)了模糊控制器，并利用MATLAB/Simulink對(duì)三自由度系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真分析。該控制系統(tǒng)可根據(jù)路面激勵(lì)的變化、輪胎載荷和行駛工況要求實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器的控制力，從而有效地控制座椅懸架系統(tǒng)，提高 車(chē)輛的乘坐舒適性。

1 系統(tǒng)模型的建立

1.1 座椅懸架的動(dòng)力學(xué)模型

在車(chē)輛減振系統(tǒng)中，振動(dòng)最終通過(guò)座椅傳遞給人體。文獻(xiàn)[5]通過(guò)研究人體對(duì)車(chē)輛振動(dòng)的響應(yīng)，得知垂直方向上的振動(dòng)對(duì)人體舒適性影響最大，本文在此基礎(chǔ)上提出了三自由度車(chē)輛座椅懸架系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，選取了座椅質(zhì)心處垂直振動(dòng)速度的誤差及其變化率為控制參量，設(shè)計(jì)了座椅模糊控制器。其座椅懸架簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 三自由度座椅懸架模型

圖1中，m1、m2、m3分別為輪胎、車(chē)身、座椅（含人體）的質(zhì)量；k1、k2、k3分別為輪胎、車(chē)身、座椅的等效剛度；c2、c3分別為車(chē)身、座椅的等效阻尼；u為控制器控制力。zq、z1、z2、z3分別為路面、輪胎、車(chē)身和座椅質(zhì)心處的垂直位移。

根據(jù)牛頓第二定律建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程為：

系統(tǒng)的狀態(tài)變量為：

系統(tǒng)的輸出變量為：

由上可得系統(tǒng)的狀態(tài)方程：

式中：A為系統(tǒng)向量矩陣；B為控制向量矩陣；C為輸出矩陣；D為傳遞矩陣；E、F為輸入向量矩陣。

1.2 路面輸入模型

路面不平度是影響座椅懸架動(dòng)力學(xué)特性和引起車(chē)輛行駛振動(dòng)的外部原因。本文采用高斯白噪聲來(lái)模擬C級(jí)路面，其時(shí)域模型見(jiàn)式（3）所示，路面仿真結(jié)果如圖2所示。

式中：標(biāo)準(zhǔn)空間頻率n0=0.1m-1，C級(jí)路面不平度系數(shù)Gq(n0)= 256×10-6m2/m-1，w(t)為零均值單位白噪聲，車(chē)速v=20m/s。

圖2 C級(jí)路面

2 模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制器是模擬人類(lèi)控制特征的一種語(yǔ)言控制器，其設(shè)計(jì)主要包括控制器結(jié)構(gòu)的選擇、控制器輸入與輸出變量的模糊化、模糊控制規(guī)則的選取以及解模糊化等[7,8]。

2.1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)

根據(jù)座椅懸架的性能要求和控制特性，采用二維模糊控制器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模糊控制器原理圖

選取座椅垂直振動(dòng)速度與其理想速度值的差值視為誤差信號(hào)e，座椅垂直振動(dòng)加速度與其理想加速度值的差值視為誤差變化率ec，控制器的控制力u視為輸出值。

2.2 模糊控制器參數(shù)的選取

利用MATLAB提供的模糊邏輯工具箱編輯模糊子集的隸屬函數(shù)和控制規(guī)則表（表1所示），設(shè)輸入變量e的論域?yàn)閇-1.5,1.5]，ec的論域?yàn)閇-2.5,2.5]，輸出變量u的論域?yàn)閇-1,1]。輸入輸出變量的模糊子集均為｛負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大｝，用｛NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB｝表示，各模糊子集均采用高斯隸屬函數(shù)，模糊推理采用Mamdani法。

2.3 控制器輸出變量的解模糊化

模糊判決的方法很多，常用的方法有最大隸屬度法、取中位數(shù)法和重心法[9,10]。重心法由于能使系統(tǒng)輸出更為平滑而被廣泛采用，因此，本文采用重心法對(duì)輸出量進(jìn)行解模糊化。

3 仿真結(jié)果及分析

為驗(yàn)證控制策略的有效性，在Matlab/Simulink環(huán)境下構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型并對(duì)其進(jìn)行仿真研究，設(shè)置仿真時(shí)間為20s，選取C級(jí)路面，行駛車(chē)速為20m/s，座椅懸架模型參數(shù)如表2所示。

表1 模糊控制規(guī)則

表2 座椅懸架結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4～圖7分別為被動(dòng)控制、PID控制和模糊控制下的座椅垂向速度、座椅垂向加速度、座椅懸架動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷的響應(yīng)曲線對(duì)比圖。

圖4 座椅垂向速度響應(yīng)

圖5 座椅垂向加速度響應(yīng)

圖6 座椅懸架動(dòng)撓度響應(yīng)

圖7 輪胎動(dòng)載荷響應(yīng)

為驗(yàn)證模糊控制器在座椅懸架控制中的優(yōu)越性，在相同的仿真環(huán)境下，同時(shí)選取被動(dòng)懸架和PID控制器的座椅懸架性能進(jìn)行對(duì)比分析，仿真結(jié)果如表3所示。

表3 評(píng)價(jià)指標(biāo)均方根值對(duì)比表

由圖4～圖7以及表3可以看出，采用模糊控制能夠使座椅的垂向速度、垂向加速度、懸架動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷等性能評(píng)價(jià)得到明顯改善，控制效果理想，提高了系統(tǒng)的平順性，表明該方法在提高車(chē)輛的乘坐舒適性方面有著顯著效果。

4 結(jié)論

本文對(duì)三自由度車(chē)輛座椅懸架進(jìn)行了模糊控制方法研究及其Simulink仿真，結(jié)果表明，本文所建立的系統(tǒng)模型是有效的；采用主動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的模糊控制器是可行的，達(dá)到了預(yù)期的目的和控制效果。該座椅懸架的模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減振效果好，穩(wěn)定性和魯棒性高，可用于各種車(chē)輛座椅減振系統(tǒng)，可為司乘人員提供安全舒適的環(huán)境，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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