基于改進(jìn)螢火蟲優(yōu)化算法的汽車懸架PID控制

李勝 孫藝瑕 劉建均

摘 要：為了獲得更好的汽車平順性，構(gòu)建1/4汽車主動(dòng)懸架模型，采用懸架動(dòng)撓度、車身動(dòng)位移、輪胎動(dòng)載荷和輪胎垂直速度等4項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行近似衡量，提出基于改進(jìn)螢火蟲優(yōu)化算法（FA）的汽車懸架PID控制，并與基于LQR控制、基于Fuzzy-PID控制下的汽車懸架平順性進(jìn)行對比。仿真結(jié)果顯示，基于改進(jìn)FA優(yōu)化的PID控制的4項(xiàng)指標(biāo)峰值均大幅降低，峰值最高下降36.1%，證明基于改進(jìn)螢火蟲優(yōu)化算法的PID控制可提高汽車平順性能。

關(guān)鍵詞：LQR控制;Fuzzy-PID控制;汽車懸架系統(tǒng);FA-PID控制

DOI： 10. 11907/rjdk.191772

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）004-0179-04

0 引言

汽車舒適性主要依賴于汽車懸架。汽車懸架可分為主動(dòng)和被動(dòng)兩種，被動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)簡單，早期應(yīng)用較廣[1]。然而，被動(dòng)懸架的參數(shù)固定，在外界激勵(lì)頻率發(fā)生變化時(shí)，隔振有效性降低，而主動(dòng)懸架可有效克服該缺點(diǎn)，因此逐漸得到市場肯定與學(xué)者們的關(guān)注。

周長城[2]考慮平順性與安全性等評判因素，研究了主動(dòng)汽車懸架設(shè)計(jì)和控制的相關(guān)問題;Bharali等[3]建立1/4汽車懸架模型，提出了線性二次型控制（IQR）、模糊PID控制與基于LQR的模糊控制等3種控制器，其仿真結(jié)果表明，基于LQR的模糊控制主動(dòng)懸架隔振性比其它兩種主動(dòng)懸架更佳;么鳴濤等[4]以汽車懸架動(dòng)撓度為控制器輸入變量，建立模糊PID控制器，其仿真結(jié)果表明，模糊PID控制既改善了汽車平順性能，也提高了響應(yīng)速度;Chao等[5]提出用重力搜索算法（ GSA）確定主動(dòng)汽車懸架系統(tǒng)模糊PID控制器的最優(yōu)控制參數(shù)，其研究結(jié)果表明，CSA可以調(diào)整PID控制器參數(shù)以達(dá)到最佳性能;Wang等[6]建立1/4汽車懸架模型，以車體垂直加速度為控制目標(biāo)，提出了模糊PID控制策略，并利用改進(jìn)的文化算法對模糊規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制可顯著抑制車身加速度、提高乘坐舒適性;Song等[7]為改善懸架系統(tǒng)強(qiáng)非線性與不確定性，通過泰勒公式變換將懸架系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為兩個(gè)不同的線性子系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了基于遺傳算法的PID控制器，其仿真結(jié)果表明，經(jīng)遺傳算法優(yōu)化后PID控制懸架系統(tǒng)具有良好的魯棒性。綜上所述，目前對平順性評價(jià)指標(biāo)與控制方法的對比研究較少。因此本文提出構(gòu)建1/4主動(dòng)汽車懸架模型，以PID控制器參數(shù)為優(yōu)化參數(shù)，以多指標(biāo)的汽車平順性能為目標(biāo)，提出基于改進(jìn)螢火蟲優(yōu)化算法的PID控制策略。此外，將基于改進(jìn)FA-PID控制的汽車懸架與基于LQR控制、基于Fuzzv-PID控制的汽車懸架進(jìn)行平順性對比分析。

1 汽車懸架模型

3 Fuzzy-PID控制

本部分內(nèi)容為Fuzzv-PID控制器設(shè)計(jì)，主要指將Fuzzy控制器輸出端與PID控制器輸入端相連接，形成一種新的控制器[13-15]。這種復(fù)合控制器適應(yīng)更多工作環(huán)境下的控制

5.2不同汽車懸架效果對比

為證實(shí)改進(jìn)FA-PID控制器對汽車懸架平順性控制的有效性，將基于改進(jìn)FA-PID控制的懸架與被動(dòng)控制、基于LQR控制、基于Fuzzv-PID控制的懸架控制效果進(jìn)行對比，仿真結(jié)果如圖2-5所示[20]。

表1給出了被動(dòng)懸架與其它3種主動(dòng)汽車懸架的懸架動(dòng)撓度、車身加速度、輪胎動(dòng)載荷、輪胎速度峰值及4種懸架的車身加速度均方根值。

從表1可以得知主動(dòng)懸架的懸架動(dòng)撓度、車身動(dòng)位移、輪胎動(dòng)載荷以及輪胎速度峰值較被動(dòng)懸架最少下降31.6%、22.5%、18.3%和0%?；贚QR控制、基于Fuzzy-PID控制與改進(jìn)FA-PID控制懸架的車身加速度均方根較被動(dòng)懸架分別降低24.8%、42.9%和68.69%。

6 結(jié)語

螢火蟲算法優(yōu)化后的PID控制器對汽車懸架系統(tǒng)擁有更好的隔振效果，懸架平順性優(yōu)于其它幾種控制方式。就懸架平順性而言，單- LQR控制較復(fù)合Fuzzy-PID、FA-PID控制稍顯遜色?；诟倪M(jìn)FA-PID控制的懸架比LQR控制與Fuzzy-PID控制的懸架，在被動(dòng)懸架車身加速度均方根方面下降了43.89%和25.79%。本文不足之處在于沒有考慮時(shí)滯影響及非線性特性，這是下一步研究方向和重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李瓊.基于DSP的半主動(dòng)懸架預(yù)測控制器的研究與開發(fā)[Dl.成都：西華大學(xué)，2009.

[2] 周長城.汽車平順性與懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

[3]BHARALI J， BURAGOHAIN M. Design and performance analysis offuzzy LQR; fuzzy PID and LQR controller for active suspension sys-tem using 3 degree of freedom quarter car model [C]. Delhi： 2016IEEE lst International Conference on Power Electronics， IntelligentControl and Energy Systems， 2016.

[4] 么鳴濤，曹鋒，闕瑞義，等.考慮汽車懸架動(dòng)撓度的模糊PID控制[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016， 36（9）：929-934.

[5]CHAO C T，LIU M T，CHIOU J S，et al.A GSA-based adaptive fuzzyPID-controller for an active suspension system[ J]. Engineering Com-putations， 2016， 33（6）：1659-1667.

[6]WANC W. SONG Y， XUE Y， et al.An optimal vihration control strate-gy for a vehicle's active suspension based on improved cultural algo-rithm[J]. Applied Soft Computing， 2015， 28（ C）： 167-174.

[7]SONG R R.The design and optimization of PID suspension controllerbased on genetic algorithm [J]. Applied Mechanics and Materials，2017. 865：492-495.

[8]SUN W， CAO H， KAYNAK O.Finite frequency， control for vehicleactive suspension systems[Jl. IEEE Transactions on Control SystemsTechnology， 2011， 19（2）：416-422.

[9]MITRAA C，DESAIG J，PATWARDHAN S R. et al. Optimization ofpassive vehicle suspension system by genetic algorithm [J]. ProcediaEngineering， 2016， 144： 1158-1166.

[10]RIOFRIO A. SANZ S，MJL B， et al.A LQR-Based controller withestimation of road bank for improving vehicle lateral and rollover sta-bilitv via active suspension[J]. Sensors， 2017， 17（ 10）： 2318.

[11]王亞雄，蔡宇萌，王健，等.汽車側(cè)傾運(yùn)動(dòng)安全主動(dòng)懸架LOG控制器設(shè)計(jì)方法[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2017，17（5）：138-148.

[12]龍金蓮，張玉分，盧家暄，等.汽車主動(dòng)懸架LOR控制器平順性控制仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真，2018. 35（4）：107-111

[13]魏健雄，萬舟.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的氣墊船轉(zhuǎn)艏角速度保持控制研究[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（3）：18-22.

[14] 盛平，朱慶夫.基于模糊PID控制器的葉菜溫室測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件導(dǎo)刊，2017，16（6）：100-103.

[15]PANG H. LIU F，XU Z.Variahle universe fuzzy control for vehiclesemi-active suspension system with MR damper combining fuzzyneural network and particle swarm optimization[J].Neurocomputing，2018（ 306）：130-140，

[16] 王德望，趙敏.污水處理系統(tǒng)溶解氧的BP-PID控制算法[J].軟件導(dǎo)刊，2018，17（2）：68-70，73.

[17]MAHMOODABADI M J，F(xiàn)ARHADI F，SAMPOUR S.Firefly algo-rithm based optimum design of vehicle suspension systems[J].Inter-national Journal of Dynamics and Control. 2018（3）：1-13.

[18] 李恒.改進(jìn)的螢火蟲算法及其在PID控制器參數(shù)整定中的應(yīng)用[D].合肥：安徽大學(xué)，2017.

[19]檀潤華.路面對汽車激勵(lì)的時(shí)域模型建立及計(jì)算機(jī)仿真[J].中國公路學(xué)報(bào)，1998（3）：96-102.

[20] 張好好.汽車半主動(dòng)懸架控制策略及聯(lián)合仿真研究[D].西安：長安大學(xué)，2016.

（責(zé)任編輯：江艷）

作者簡介：李勝（1994-），男，上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士，研究方向?yàn)檎駝?dòng)主動(dòng)控制及時(shí)滯動(dòng)力系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn);孫藝瑕（1983-），女，博士，上海工程技術(shù)大學(xué)講師、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闀r(shí)滯動(dòng)力系統(tǒng);劉建均（1991-），男，上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院碩士，研究方向?yàn)闀r(shí)滯動(dòng)力系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化。本文通訊作者：孫藝瑕。