四分之一車主動懸架模糊控制

何佳琪 劉海龍 黃冬梅

摘要：汽車主動懸架主要影響汽車在行駛過程中對不平路面所產(chǎn)生顛簸的抑制程度和乘坐的舒適度。構(gòu)建1/4車身主動懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，設(shè)計汽車主動懸架模糊控制器，利用MATLAB/Simulink仿真模塊，在相同的輸入下，對汽車主動懸架和被動懸架的車身加速度、懸架動擾度以及輪胎動變形進(jìn)行性能比較。仿真結(jié)果表明，汽車主動懸架模型對于提高汽車的舒適度和駕駛員的操作的穩(wěn)定性等方面上優(yōu)于被動懸架模型。此結(jié)論對設(shè)計汽車主動懸架系統(tǒng)有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：MATLAB;汽車主動懸架;模糊控制器

1、引言

汽車懸架主要由彈性元件、減震器、傳力裝置三部分組成[2]，其主要作用是在車輪與車架之間傳遞一切力以及力矩，緩沖由路面?zhèn)鬟f到車身的沖擊載荷，減輕由此產(chǎn)生的震動，是現(xiàn)代轎車十分關(guān)鍵的部件之一。目前，市場上的汽車懸架系統(tǒng)的種類有許多，根據(jù)控制形式不同分為被動式懸架、主動式懸架;根據(jù)汽車導(dǎo)向機構(gòu)不同可分為獨立懸架、非獨立懸架[5]。隨著微處理器的應(yīng)用，以及作動器、變剛度彈簧，減震器等多領(lǐng)域取得的突破。汽車主動懸架得到了更多的關(guān)注。

汽車主動懸架系統(tǒng)是近十幾年發(fā)展起來的、由電腦控制的一種新型懸架。它匯集了力學(xué)和電子學(xué)的技術(shù)知識，是一種比較復(fù)雜的高技術(shù)裝置。例如裝置了主動懸架的法國雪鐵龍桑蒂雅，該車懸架系統(tǒng)的中樞是一個微電腦，通過不斷接收傳感器中傳來的數(shù)據(jù)并與預(yù)先設(shè)定的臨界值進(jìn)行比較，從而選擇相應(yīng)的懸架狀態(tài)，目前國內(nèi)對于汽車懸架的研究已經(jīng)取得了很多成果[4-5] 。

本課題采用模糊控制，以車身加速度、輪胎動變形和懸架動繞度作為懸架系統(tǒng)性能的評價標(biāo)準(zhǔn)，對1/4車身主動懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在MATLAB中進(jìn)行仿真測試，得到其主動懸架系統(tǒng)性能的動態(tài)響應(yīng)。

2、汽車主動懸架模型

汽車懸架系統(tǒng)是一個動力與機械相結(jié)合的復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，其實際振動系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜[5]，為了使汽車懸架控制策略的研究更加方便，本文采用1/4車二自由度模型來代替汽車懸架系統(tǒng)，如圖1所示，并對以下影響做出假設(shè)：

1）忽略輪胎在行駛過程中發(fā)生的形變;

2）忽略發(fā)動機和傳動系統(tǒng)振動對汽車產(chǎn)生的影響;

3）將汽車支撐彈簧以上部分視為剛性簧上質(zhì)量

4）將汽車支撐彈簧以下部分視為簧下質(zhì)量;

5）假定車輛無側(cè)向位移，只考慮垂直振動。

3、模糊控制器的設(shè)計

模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的，建立在人工經(jīng)驗基礎(chǔ)之上的一種智能控制方法，并且不需要對被控對象建立精確的數(shù)學(xué)模型，故非常適合應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)這種時變非線性的復(fù)雜系統(tǒng)中。

3.1 定義輸入輸出變量，確定其論域

本文選用二維模糊控制器，分別用車身的垂直速度和加速度來表示偏差E和偏差變化EC，作為模糊控制器的兩個輸入變量，將主動控制力U作為輸出變量。

定義輸入變量E、EC的模糊集為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

輸出變量U的模糊集為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

E、EC的論域為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

U的論域為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

3.2 建立隸屬函數(shù)

隸屬度函數(shù)是模糊控制的應(yīng)用基礎(chǔ)，通過隸屬度函數(shù)，可以將論域中的元素映射到0到1之間，繼而確定該元素的隸屬度。隸屬度函數(shù)形狀多為高斯型或三角形，本文采用三角形隸屬度函數(shù)。

3.3 確定控制規(guī)則

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-5]以及實際經(jīng)驗可得到模糊控制規(guī)則表如表1所示。

4.5 仿真結(jié)果分析

在相同的輸入條件下，將主動懸架與被動懸架模型的輸出指標(biāo)進(jìn)行對比，得到的仿真波形圖分別如圖6-8所示，輸出指標(biāo)的均方根和最大值如表2所示。

通過圖6-8以及表2可以清楚的看出來，相較于被動懸架而言，改善后的模糊控制主動懸架對車身垂直加速度的控制效果有明顯的改善，雖然懸架動擾度和輪胎動變形的均方值有微小的增加，但由于增量很小，不影響汽車行駛過程中的平順性和汽車乘坐的舒適度。因此總體來說，模糊控制主動懸架模型的設(shè)計是比較合理的。

5、結(jié)束語

本文以1/4車二自由度的汽車懸架簡化模型為例，根據(jù)路面等級分布表以及我國路況的分布范圍，選取C等級路面作為參考依據(jù)進(jìn)行輸入信號的設(shè)計，且將模糊控制應(yīng)用于汽車懸架上，搭建模糊控制主動懸架和被動懸架兩種懸架模型進(jìn)行比對，最終通過在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真實驗從而驗證了模糊控制主動懸架的優(yōu)越性，并且從本次仿真可以看出，采用模糊控制可以很好的抑制車身垂直加速度的變化，改善汽車行駛的平順性和乘客乘坐的舒適度，從而更好地解決汽車乘坐的舒適度與駕車的安全性的問題。

參考文獻(xiàn)

[1]陳學(xué)文.1/2 汽車主動懸架模糊控制器設(shè)計及Simulink 仿真研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，36（2）：117-121.

[2]馬嬌.基于 MATLAB 的汽車主動懸架模糊控制系統(tǒng)仿真[J].工程管理與技術(shù)，2018，21：194-196

[3]吳慧峰.基于模糊控制的汽車主動懸架系統(tǒng)仿真研究[J].計算機仿真，2012，29（3）：363-366

[4]馬克. 汽車主動懸架的模糊控制策略研究[D].重慶理工大學(xué)，2018.

[5]馬強杰.半車主動懸架系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2019.