基于模糊PID的車輛半主動懸架系統(tǒng)研究

摘 ?要：車輛半主動懸架系統(tǒng)是一個多自由度非線性系統(tǒng)，其主要性能指標(biāo)分別為：車身加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷，其中最能反映車身振動特性的是車身的加速度。本文研究車身在垂直方向的加速度，針對車輛半主動懸架系統(tǒng)建立二自由度1/4半主動懸架模型，并設(shè)計模糊PID控制器，使用MATLAB仿真軟件對模糊PID控制的半主動懸架系統(tǒng)進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明，模糊PID控制的半主動懸架系統(tǒng)可以有效降低車身加速度、懸架動撓度和輪胎動行程，并且可以大大提高車輛行駛時的平順性和穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：模糊控制;PID;車輛半主動懸架;MATLAB

中圖分類號：TP273.4;U463.33 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0144-03

Research on Semi-active Suspension System of Vehicle Based on Fuzzy PID

YANG Hui

（Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia ?472000，China）

Abstract：Vehicle semi-active suspension system is a multi-degree of freedom non-linear system. Its main performance indicators are：body acceleration， suspension dynamic deflection and tire dynamic load. The acceleration of the body is the best reflection of the body vibration characteristics. This paper studies the acceleration of vehicle body in vertical direction，establishes a two-degree of freedom 1/4 semi-active suspension model for vehicle semi-active suspension system，and designs a fuzzy-PID controller. The semi-active suspension system controlled by fuzzy-PID is simulated by using MATLAB simulation software. The simulation results show that the semi-active suspension system controlled by fuzzy-PID can effectively reduce the acceleration of vehicle body，the dynamic deflection of suspension and tire travel，and can greatly improve the ride comfort and stability of vehicles.

Keywords：fuzzy control;PID;vehicle semi-active suspension;MATLAB

0 ?引 ?言

隨著我國科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平有了很大的提高，車輛越來越普及，人們對車輛的平順性和穩(wěn)定性要求越來越高。因此，降低車輛在行駛過程中的振動，改善車輛行駛的平順性和穩(wěn)定性具有重要的現(xiàn)實意義[1]。懸架是車輛的重要組成之一，車輛懸架是車輛的車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳力連接裝置的總稱，可以緩沖路面給車架或車身帶來的沖擊力，減少震動，具有支持車身，改善乘客乘坐舒適度和穩(wěn)定性等功能，對車輛的穩(wěn)定性、舒適性和安全性有著很重要的作用[2]。研究先進(jìn)的懸架控制系統(tǒng)，降低車輛的振動，保證車輛平順行駛和操縱的穩(wěn)定性具有重要的意義。

1 ?半主動懸架系統(tǒng)模型

半主動懸架系統(tǒng)介于主動懸架和被動懸架之間，結(jié)合兩者結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，本文設(shè)計一個多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，利用PID控制和模糊PID控制相結(jié)合，設(shè)計模糊PID控制器。對車輛的懸架系統(tǒng)進(jìn)行簡化，并建立一個多輸入多輸出的二自由度1/4車輛被動懸架系統(tǒng)模型，如圖1所示。

根據(jù)牛頓第二運動定律，寫出半主動懸架系統(tǒng)車身和車輪振動模型：

其中m1為簧載質(zhì)量;m2為非簧載質(zhì)量;x1為簧載質(zhì)量的垂直位移;x2為非簧載質(zhì)量的垂直位移;x3為路面垂直位移k1為懸架減振彈簧的剛度;k2為輪胎剛度;C0為阻尼系數(shù)。

2 ?模糊PID控制器設(shè)計

將PID控制和模糊控制相結(jié)合，利用兩者優(yōu)點，克服兩者不足，設(shè)計出模糊PID控制器。模糊PID控制器的輸入為車身垂直方向的速度偏差e和車身垂直加速度ec，模糊PID控制器的輸出為Kp、Ki、Kd，且半主動懸架系統(tǒng)的可調(diào)阻尼力為f。

當(dāng)|e|較大時，為了提高系統(tǒng)響應(yīng)能力，Kp取較大值，Ki取較小值，常取Ki=0防止超調(diào)量過大;當(dāng)|e|處于中等大小時，為了降低系統(tǒng)超調(diào)量，Kp取較小值，Ki取適當(dāng)值，Kd取值對系統(tǒng)響應(yīng)影響較大;當(dāng)|e|較小時，為使系統(tǒng)具有較好穩(wěn)定性能，防止出現(xiàn)振蕩的情況，Kp與Kd均取較大值，Kd取適中值;當(dāng)|ec|較大時，減小Kp的值;當(dāng)|ec|較小時，Kp取較大的值[3]。

在車輛實際行駛中，車身垂直方向速度變化范圍為[-0.3，0.3]m/s，設(shè)e的基本論域為[-0.3，0.3]，模糊論域為[-3，3]，量化因子ke=3/0.3=10;車身垂直加速度的變化范圍為[-3，3]m/s2，設(shè)ec的基本論域為[-3，3]，模糊論域為[-3，3]，量化因子kec=3/3=1。把輸入變量e、ec和輸出變量Kp、Ki、Kd分為7個模糊集子集，分別為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、零（ZO）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB），即[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]，對應(yīng)的模糊論域為[-3、-2、-1、0、1、2、3]，輸入變量和輸出變量的隸屬函數(shù)都采用三角形隸屬度函數(shù)。

結(jié)合實際開車過程中半主動懸架系統(tǒng)的控制經(jīng)驗，結(jié)合專家經(jīng)驗，得到輸入變量和輸出變量之間的模糊關(guān)系，分別如表1、表2、表3所示。

利用MATLAB中自帶的模糊邏輯工具箱，導(dǎo)入模糊控制規(guī)則表，帶入Mamdani算法，得出模糊輸出值，最后查看，模糊推理輸入變量e、ec和輸出變量Kp、Ki、Kd的關(guān)系曲面如圖2（a）、（b）、（c）所示。

當(dāng)分別取遍車身垂直速度e和垂直加速度ec的所有值時，可以得到所有的輸出控制量的值，最后對輸出量進(jìn)行清晰化。

3 ?結(jié) ?論

本文建立了基于二自由度1/4車輛半主動懸架模型，然后分別對PID控制和模糊PID控制兩種控制算法的優(yōu)缺點進(jìn)行分析，將PID控制器和模糊PID控制器相結(jié)合，設(shè)計了車輛半主動懸架系統(tǒng);并在MATLAB中建立模糊控制規(guī)則表，得到輸入輸出曲線關(guān)系，并建立車輛半主動懸架系統(tǒng)的模糊PID仿真模型。由仿真結(jié)果可知，模糊PID控制仿真效果好，可以有效降低車身加速度，提高車輛行駛過程中的平順性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 黨寶英.車輛半主動懸架系統(tǒng)的模糊PID控制及仿真 [J].無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2015，15（6）：91-94.

[2] 貝紹軼，趙景波，張?zhí)m春，等.車輛半主動懸架系統(tǒng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制研究 [J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2010，22（12）：2952-2956+3007.

[3] 王瑞.基于ADAMS與MATLAB的汽車半主動懸架系統(tǒng)的建模及仿真 [D].西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014.

作者簡介：楊惠（1989-），女，漢族，河南三門峽人，助教，碩士研究生，研究方向：智能控制。