1/4車輛半主動懸架的模糊控制研究

陳 杰，趙 強，孫子堯，范超雄

（東北林業大學 交通學院，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 引言

車輛懸架系統性能的好壞直接影響到汽車的操縱穩定性與平順性。隨著汽車運行速度與道路條件的提高，普通的懸架已經很難滿足駕乘的舒適性，所以新型懸架技術成為研究的熱點。半主動懸架[1]能提高車輛的平順性，其性能接近于主動懸架、安全性好、成本低。可變的磁流變阻尼器是利用功能材料—磁流變產生的可控阻尼減振器具有控制方法靈活、結構簡單。

1 1/4 車輛懸架系統動力學模型

車輛懸架系統具有復雜性，基于懸架系統類型、車輛系統結構等要求對系統進行了適當簡化。1/4 車輛模型[2]是最常采用車輛懸架控制系統的基礎模型。并且它是二自由度雙質量的力學模型，對車輛垂直振動進行了考慮，但未對車身的俯仰和側傾進行考慮。它雖然沒有體現出車輛整體信息，但包含了車輛性能分析主要特征。例如輪胎動載荷變化、車身地板振動和懸架動行程等。影響車輛的乘坐舒適性主要因素是車身垂直振動。1/4 車輛二自由度懸架模型，如圖1 所示。

假設輪胎不脫離地面，該系統動力學方程為：

圖1 二自由度的1/4 車輛半主動懸架模型Fig.1 The quarter model with semi-active suspension

式中：mt—簧下質量；ms—簧上質量；ks—懸架剛度；kt—輪胎剛度；cs—懸架阻尼，xt、xs、q—簧 下 質量、簧載質量和路面輸入的位移；Fd—半主動控制力。

其中ms=400kg、mt=40kg、ks=16kN/m、cs=1.5kN·s/m、kt=158kN/m。

2 設計模糊控制的輸入和輸出變量

系統動力學方程建立后，需要定義輸入變量和輸出變量，它們分別是車身加速度、路面輸入和主動控制力，在Matlab/Simulink 模型里建立相關變量，并對三個變量進行輸出模型。

3 建立模糊控制模型和規則

利用MATLAB/Simulink 模塊搭建模糊控制的1/4 車輛模型，并是該模型采用模糊控制器結構中常用的二維模糊控制結構[3]。采集車身在垂直方向的加速度速度s，然后與目標值比較，計算出相應的誤差e 及誤差變化ec，再將e 及ec 分別模糊成E 及EC，結合控制規則推理得到結果，最后將結果反模糊化以得到需要的半主動控制力Fd作為輸出量，利用傳感器測出車身的加速度a，輸入到模糊控制器，該控制器經過計算輸出Cs。

將誤差E、誤差變化EC 以及減振器的阻尼系數Cs都模糊成7 個模糊子集{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，論域為[-5，5]，控制器的變量均利用三角形分布隸屬度函數[4]。通過控制量的調整，建立模糊規則，如表1 所示。

表1模糊控制規則Tab.1FuzzyControlRule

圖2 模糊控制規則的曲面Fig.2 The surface of fuzzy control rule

利用Matlab 的模糊邏輯工具箱的邏輯控制器來實現該規則，模糊控制規則曲面，如圖2 所示。

根據本文以上提供的動力學模型、控制規則、變量的論域及對應的模糊子集，模擬人的推理方法、知識表達，建立了以下的模糊控制圖，如圖3 所示。

圖3 Simulink 控制圖Fig.3 Simulink control chart

4 仿真結論及分析

仿真的路面激勵利用白噪聲作為輸入，車速為20m/s，運行在C 級路面上，仿真時間為50s，由此得出半主動模糊控制懸架與被動懸架的簧載質量加速度效果見圖4，圖5。

圖4 被動控制的懸架加速度（橫軸為時間 （s），縱軸為加速度 （m/s2））Fig.4 The Suspension Acceleration with Passive Control（Axis X （s），Axis Y （m/s2））

圖5 模糊控制的懸架加速度（橫軸為時間 （s），縱軸為加速度 （m/s2））Fig.5 The Suspension Acceleration with Fuzzy Control（Axis X （s），Axis Y （m/s2））

從仿真效果圖中可以得出，模糊控制的半主動懸架在懸架垂直加速度控制方面明顯優于被動懸架，在保證安全性基礎下，能大幅度降低懸架的加速度，滿足了人們對舒適性的要求。半主動模糊控制系統的懸架減振效果強于被動控制懸架，從而減少懸架擊穿的可能性，同時提高車輛的操縱穩定性。

[1] 蔣光紅.汽車半主動懸架非線性控制方法的研究[D]，重慶大學，2003.

[2] AlesKruczek;AntoninStribrskyAfull -carmodelforactivesuspension -somepracticalaspects2004.

[3] 王士明，等.半主動懸架及其控制[J].汽車技術，1999，12.

[4] T.Yoshimura, K.Nakaminami. A semi-active suspension with dynamic absorbers of groundvehicles using fuzzy reasoning[J].Journal of Vehicle Design, 1997,1.