車輛磁流變半主動懸架模糊滑模控制★

王 瑞

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009； 2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

車輛磁流變半主動懸架模糊滑模控制★

王 瑞1，2

(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009； 2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)

為提高半主動懸架減振效果，將結(jié)合模糊控制理論的滑模控制算法應(yīng)用于磁流變半主動懸架控制中，并通過Matlab/Simulink建立了磁流變阻尼器及懸架動力學(xué)模型，同時進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，采用模糊滑模控制策略優(yōu)于傳統(tǒng)控制策略。

磁流變，半主動控制，半主動懸架，滑模控制，模糊控制

0 引言

主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而半主動懸架結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制效果接近主動控制懸架，故在近些年得到廣泛關(guān)注[1-3]。磁流變阻尼器是一種以磁流變液為減振液的半主動阻尼器，可改變控制電流使阻尼適應(yīng)路況的變化，從而改善懸架的減振效果。

為準(zhǔn)確描述磁流變阻尼器的動態(tài)特性，在Matlab/Simulink中建立磁流變阻尼器的Bingham模型。將天棚控制方法、滑模控制方法及模糊滑模控制方法應(yīng)用到磁流變半主動懸架控制中，在Matlab/Simulink中建立磁流變半主動懸架控制模型并進(jìn)行仿真，對比驗(yàn)證了模糊滑模控制方法在半主動懸架控制中的優(yōu)越性。

1 磁流變阻尼器動力學(xué)模型

1.1 磁流變阻尼器的Bingham模型

Stanway提出的非線性Bingham模型，可用于描述磁流變阻尼器的動態(tài)特性[4]。

(1)

對式(1)進(jìn)一步推導(dǎo)可得阻尼力—位移關(guān)系式。

(2)

其中，L為活塞有效長度；D為缸體內(nèi)徑；Ap為活塞有效面積；h為孔道直徑；τy為與磁場強(qiáng)度有關(guān)的磁流變液屈服應(yīng)力。

在Simulink中對式(2)進(jìn)行建模，采用正弦激勵，阻尼器力—位移曲線及阻尼力—速度曲線如圖1，圖2所示。仿真結(jié)果表明，MR阻尼器阻尼力隨電流增大而增大，阻尼力與速度具有非線性關(guān)系。由圖可看出阻尼器剛度不可調(diào)，阻尼器阻尼為變化值，即阻尼系數(shù)可調(diào)。

1.2 磁流變半主動懸架模型

如圖3所示，建立2自由度1/4車輛磁流變懸架動力學(xué)模型[5]，動力學(xué)方程為：

(3)

2 控制系統(tǒng)模型

2.1 天棚控制

根據(jù)天棚控制理論[6]，其阻尼力大小為：

(4)

2.2 理想控制模型

以簧下質(zhì)量狀態(tài)作為理想控制模型的輸入，動力學(xué)方程為：

(5)

其中，

(6)

2.3 滑模控制器設(shè)計(jì)

使系統(tǒng)簧上質(zhì)量運(yùn)動跟蹤理想模型簧上質(zhì)量運(yùn)動，定義誤差矢量：

(7)

狀態(tài)方程：

(8)

取滑模面：

s=c1e1+e2

(9)

進(jìn)一步得到：

(10)

取等速趨近律：

(11)

控制率為：

fdeq=-kse1+(msc1-cc)e2+c0xr2+msεsgn(s)

(12)

故半主動懸架控制力為：

(13)

2.4 模糊滑模控制器設(shè)計(jì)

上述滑模控制器中采用等速趨近律，參數(shù)ε取恒定值，系統(tǒng)距離滑模面較遠(yuǎn)時，若ε增大，有助于系統(tǒng)能夠快速的到達(dá)滑模面，而當(dāng)系統(tǒng)距離滑模面較近時，若ε減小，有助于防止系統(tǒng)抖振的發(fā)生。即：

3 仿真分析

為驗(yàn)證模糊滑模控制器的控制效果，在Matlab/Simulink中對懸架控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，以正弦信號作為輸入信號，簧上質(zhì)量位移仿真結(jié)果見圖6，圖7，簧上質(zhì)量振動加速度仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。由圖6，圖7可以看出，磁流變半主動控制懸架的減振效果比被動懸架減振效果更好，天棚控制由于利用開環(huán)控制，沒有對阻尼力的誤差進(jìn)行反饋控制，導(dǎo)致減振效果與理想控制模型效果相差較多，使被控系統(tǒng)簧上質(zhì)量運(yùn)動跟蹤理想模型簧上質(zhì)量運(yùn)動的滑模控制懸架，采用了閉環(huán)控制，對阻尼器的誤差進(jìn)行了反饋彌補(bǔ)，故控制效果接近于理想模型。從圖8，圖9可以看出，磁流變阻尼器半主動懸架的簧上質(zhì)量加速度明顯低于被動懸架簧上質(zhì)量加速度，且模糊滑模控制懸架由于對趨近參數(shù)ε進(jìn)行了模糊控制，降低了系統(tǒng)到達(dá)滑模面時的抖動，故模糊滑模控制簧上質(zhì)量加速度更小，控制效果更好。

4 結(jié)語

在Matlab/Simulink中建立了磁流變阻尼器半主動控制懸架的天棚控制、滑模控制、模糊滑模控制模型，設(shè)計(jì)了簡單易于實(shí)現(xiàn)的模糊滑模控制器。數(shù)值分析表明，采用模糊滑模控制的半主動減振系統(tǒng)的車身振動位移、振動加速度都得到了有效的抑制，控制效果明顯，且克服了滑模控制系統(tǒng)到達(dá)滑模面時易抖動的缺點(diǎn)。

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Advanced fuzzy sliding mode control of automobile semi-active suspension with magneto-rheological dampers system★

Wang Rui1,2

(1.MechanicalEngineeringSchool,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.AnhuiCommunicationsVocational&TechnicalCollege,Hefei230051,China)

To improve the performance of vibration isolation of automobile semi-active suspension, models of semi-active suspension and magnetorheologicaI damper are built by Matlab/Simulink. The advanced fuzzy sliding mode logical theory is applied on semi-active suspension．The results of analysis and comparison imply that advanced fuzzy sliding mode strategy is better than others.

magnetorheological, semi-active control, semi-active suspension, sliding mode, fuzzy control

1009-6825(2017)03-0221-02

2016-11-15

王 瑞(1986- )，男，碩博連讀研究生，助教

U464.12

A

★：安徽省教育廳《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動計(jì)劃(2015—2018)》項(xiàng)目，項(xiàng)目類別：XM-01，項(xiàng)目名稱：工程機(jī)械運(yùn)用技術(shù)