車輛座椅懸架模糊控制與仿真

陳學文，張衍成，楊威勇，邵鵬生

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

（遼寧工業大學 汽車與交通工程學院，錦州 121001）

0 引言

車輛座椅懸架系統是一個復雜的多自由度振動系統，是車輛減振系統的重要組成部分，可減少司乘人員所受的振動[1,2]。重型貨車、農用車和工程車輛由于其工作環境和懸架性能相對較差，使得其在行駛時產生劇烈的振動。這些車輛的駕駛員座椅懸架大多采用被動懸架，其阻尼系數和剛度系數不可調，駕駛員長時間承受激烈振動。并聯式主動座椅懸架在提高座椅減振性能方面方便易行，且座椅動態參數的改變對車輛其他性能影響較小[3,4]。因此，研究和改善座椅懸架動態特性對于提高車輛乘坐舒適性有著重要的意義。目前，國內外學者已將最優控制、PID控制、滑模變結構控制、模糊控制和神經網絡控制等理論應用于座椅懸架系統的振動控制[2～6]，使其控制技術日趨完善。

本文針對座椅懸架系統中存在時變性和非線性的特性，建立了人體-座椅-車輛模型，設計了模糊控制器，并利用MATLAB/Simulink對三自由度系統模型進行了仿真分析。該控制系統可根據路面激勵的變化、輪胎載荷和行駛工況要求實時調節控制器的控制力，從而有效地控制座椅懸架系統，提高 車輛的乘坐舒適性。

1 系統模型的建立

1.1 座椅懸架的動力學模型

在車輛減振系統中，振動最終通過座椅傳遞給人體。文獻[5]通過研究人體對車輛振動的響應，得知垂直方向上的振動對人體舒適性影響最大，本文在此基礎上提出了三自由度車輛座椅懸架系統簡化模型，選取了座椅質心處垂直振動速度的誤差及其變化率為控制參量，設計了座椅模糊控制器。其座椅懸架簡化模型如圖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、車身、座椅（含人體）的質量；k1、k2、k3分別為輪胎、車身、座椅的等效剛度；c2、c3分別為車身、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、車身和座椅質心處的垂直位移。

根據牛頓第二定律建立系統的動力學方程為：

系統的狀態變量為：

系統的輸出變量為：

由上可得系統的狀態方程：

式中：A為系統向量矩陣；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力學特性和引起車輛行駛振動的外部原因。本文采用高斯白噪聲來模擬C級路面，其時域模型見式（3）所示，路面仿真結果如圖2所示。

式中：標準空間頻率n0=0.1m-1，C級路面不平度系數Gq(n0)= 256×10-6m2/m-1，w(t)為零均值單位白噪聲，車速v=20m/s。

圖2 C級路面

2 模糊控制器的設計

模糊控制器是模擬人類控制特征的一種語言控制器，其設計主要包括控制器結構的選擇、控制器輸入與輸出變量的模糊化、模糊控制規則的選取以及解模糊化等[7,8]。

2.1 模糊控制器的結構

根據座椅懸架的性能要求和控制特性，采用二維模糊控制器，結構如圖3所示。

圖3 模糊控制器原理圖

選取座椅垂直振動速度與其理想速度值的差值視為誤差信號e，座椅垂直振動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和控制規則表（表1所示），設輸入變量e的論域為[-1.5,1.5]，ec的論域為[-2.5,2.5]，輸出變量u的論域為[-1,1]。輸入輸出變量的模糊子集均為｛負大，負中，負小，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，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、取中位數法和重心法[9,10]。重心法由于能使系統輸出更為平滑而被廣泛采用，因此，本文采用重心法對輸出量進行解模糊化。

3 仿真結果及分析

為驗證控制策略的有效性，在Matlab/Simulink環境下構建系統仿真模型并對其進行仿真研究，設置仿真時間為20s，選取C級路面，行駛車速為20m/s，座椅懸架模型參數如表2所示。

表1 模糊控制規則

表2 座椅懸架結構參數

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

圖4 座椅垂向速度響應

圖5 座椅垂向加速度響應

圖6 座椅懸架動撓度響應

圖7 輪胎動載荷響應

為驗證模糊控制器在座椅懸架控制中的優越性，在相同的仿真環境下，同時選取被動懸架和PID控制器的座椅懸架性能進行對比分析，仿真結果如表3所示。

表3 評價指標均方根值對比表

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、懸架動撓度和輪胎動載荷等性能評價得到明顯改善，控制效果理想，提高了系統的平順性，表明該方法在提高車輛的乘坐舒適性方面有著顯著效果。

4 結論

本文對三自由度車輛座椅懸架進行了模糊控制方法研究及其Simulink仿真，結果表明，本文所建立的系統模型是有效的；采用主動控制技術設計的模糊控制器是可行的，達到了預期的目的和控制效果。該座椅懸架的模糊控制系統結構簡單，減振效果好，穩定性和魯棒性高，可用于各種車輛座椅減振系統，可為司乘人員提供安全舒適的環境，具有廣闊的應用前景。

[1] 陳云微,趙強.車輛半主動座椅懸架滑膜變結構控制[J].哈爾濱工程大學學報,2012,33(6):775-781.

[2] 郝雪玲,潘公宇,聶秀偉.駕駛員座椅懸架系統主動控制研究與仿真分析[J].機床與液壓,2011,39(23): 45-47.

[3] 趙強,楊亞珣.車輛磁流變座椅懸架的模糊自適應整定PID控制[J].噪聲與振動控制,2009,(2):106-109.

[4] 孟杰,陳慶樟,張凱.駕駛員座椅懸架模糊控制的聯合仿真研究[J].農機化研究,2013,(8):212-216.

[5] P. E. Boileau,S. Rakhejab. Whole-body Vertical Biodynamic Response Characteristics of the Seated Vehicle Driver Measurement and Model Development[J].International Journal of Industrial Ergonomics,1998,22(6):449-472.

[6] 陳杰平,陳無畏,祝輝,等.基于Matlab/Simulink的隨機路面建模與不平度仿真[J].農業機械學報,2010,41(3):11-15.

[7] 柴牧,董恩國,李振興.汽車主動懸架的模糊PID控制策略[J].機械設計,2013,30(5):1-3.

[8] 王文靜.轎車主動懸架系統的模糊控制與仿真研究[D].重慶:重慶交通大學,2012.

[9] 馮冬青.模糊智能控制[M].北京:化學工業出版社,2003.

[10] 夏奇.汽車磁流變半主動懸架控制方法研究[D].重慶:重慶大學,2012.