基于模糊PID的車輛半主動懸架系統研究

摘 ?要：車輛半主動懸架系統是一個多自由度非線性系統，其主要性能指標分別為：車身加速度、懸架動撓度和輪胎動載荷，其中最能反映車身振動特性的是車身的加速度。本文研究車身在垂直方向的加速度，針對車輛半主動懸架系統建立二自由度1/4半主動懸架模型，并設計模糊PID控制器，使用MATLAB仿真軟件對模糊PID控制的半主動懸架系統進行仿真，仿真結果表明，模糊PID控制的半主動懸架系統可以有效降低車身加速度、懸架動撓度和輪胎動行程，并且可以大大提高車輛行駛時的平順性和穩定性。

關鍵詞：模糊控制;PID;車輛半主動懸架;MATLAB

中圖分類號：TP273.4;U463.33 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）14-0144-03

Research on Semi-active Suspension System of Vehicle Based on Fuzzy PID

YANG Hui

（Sanmenxia Polytechnic，Sanmenxia ?472000，China）

Abstract：Vehicle semi-active suspension system is a multi-degree of freedom non-linear system. Its main performance indicators are：body acceleration， suspension dynamic deflection and tire dynamic load. The acceleration of the body is the best reflection of the body vibration characteristics. This paper studies the acceleration of vehicle body in vertical direction，establishes a two-degree of freedom 1/4 semi-active suspension model for vehicle semi-active suspension system，and designs a fuzzy-PID controller. The semi-active suspension system controlled by fuzzy-PID is simulated by using MATLAB simulation software. The simulation results show that the semi-active suspension system controlled by fuzzy-PID can effectively reduce the acceleration of vehicle body，the dynamic deflection of suspension and tire travel，and can greatly improve the ride comfort and stability of vehicles.

Keywords：fuzzy control;PID;vehicle semi-active suspension;MATLAB

0 ?引 ?言

隨著我國科技和經濟的發展，人民生活水平有了很大的提高，車輛越來越普及，人們對車輛的平順性和穩定性要求越來越高。因此，降低車輛在行駛過程中的振動，改善車輛行駛的平順性和穩定性具有重要的現實意義[1]。懸架是車輛的重要組成之一，車輛懸架是車輛的車架（或承載式車身）與車橋（或車輪）之間的一切傳力連接裝置的總稱，可以緩沖路面給車架或車身帶來的沖擊力，減少震動，具有支持車身，改善乘客乘坐舒適度和穩定性等功能，對車輛的穩定性、舒適性和安全性有著很重要的作用[2]。研究先進的懸架控制系統，降低車輛的振動，保證車輛平順行駛和操縱的穩定性具有重要的意義。

1 ?半主動懸架系統模型

半主動懸架系統介于主動懸架和被動懸架之間，結合兩者結構簡單、成本低、易于實現等優點，本文設計一個多輸入多輸出非線性系統，利用PID控制和模糊PID控制相結合，設計模糊PID控制器。對車輛的懸架系統進行簡化，并建立一個多輸入多輸出的二自由度1/4車輛被動懸架系統模型，如圖1所示。

根據牛頓第二運動定律，寫出半主動懸架系統車身和車輪振動模型：

其中m1為簧載質量;m2為非簧載質量;x1為簧載質量的垂直位移;x2為非簧載質量的垂直位移;x3為路面垂直位移k1為懸架減振彈簧的剛度;k2為輪胎剛度;C0為阻尼系數。

2 ?模糊PID控制器設計

將PID控制和模糊控制相結合，利用兩者優點，克服兩者不足，設計出模糊PID控制器。模糊PID控制器的輸入為車身垂直方向的速度偏差e和車身垂直加速度ec，模糊PID控制器的輸出為Kp、Ki、Kd，且半主動懸架系統的可調阻尼力為f。

當|e|較大時，為了提高系統響應能力，Kp取較大值，Ki取較小值，常取Ki=0防止超調量過大;當|e|處于中等大小時，為了降低系統超調量，Kp取較小值，Ki取適當值，Kd取值對系統響應影響較大;當|e|較小時，為使系統具有較好穩定性能，防止出現振蕩的情況，Kp與Kd均取較大值，Kd取適中值;當|ec|較大時，減小Kp的值;當|ec|較小時，Kp取較大的值[3]。

在車輛實際行駛中，車身垂直方向速度變化范圍為[-0.3，0.3]m/s，設e的基本論域為[-0.3，0.3]，模糊論域為[-3，3]，量化因子ke=3/0.3=10;車身垂直加速度的變化范圍為[-3，3]m/s2，設ec的基本論域為[-3，3]，模糊論域為[-3，3]，量化因子kec=3/3=1。把輸入變量e、ec和輸出變量Kp、Ki、Kd分為7個模糊集子集，分別為負大（NB）、負中（NM）、負小（NS）、零（ZO）、正小（PS）、正中（PM）、正大（PB），即[NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB]，對應的模糊論域為[-3、-2、-1、0、1、2、3]，輸入變量和輸出變量的隸屬函數都采用三角形隸屬度函數。

結合實際開車過程中半主動懸架系統的控制經驗，結合專家經驗，得到輸入變量和輸出變量之間的模糊關系，分別如表1、表2、表3所示。

利用MATLAB中自帶的模糊邏輯工具箱，導入模糊控制規則表，帶入Mamdani算法，得出模糊輸出值，最后查看，模糊推理輸入變量e、ec和輸出變量Kp、Ki、Kd的關系曲面如圖2（a）、（b）、（c）所示。

當分別取遍車身垂直速度e和垂直加速度ec的所有值時，可以得到所有的輸出控制量的值，最后對輸出量進行清晰化。

3 ?結 ?論

本文建立了基于二自由度1/4車輛半主動懸架模型，然后分別對PID控制和模糊PID控制兩種控制算法的優缺點進行分析，將PID控制器和模糊PID控制器相結合，設計了車輛半主動懸架系統;并在MATLAB中建立模糊控制規則表，得到輸入輸出曲線關系，并建立車輛半主動懸架系統的模糊PID仿真模型。由仿真結果可知，模糊PID控制仿真效果好，可以有效降低車身加速度，提高車輛行駛過程中的平順性。

參考文獻：

[1] 黨寶英.車輛半主動懸架系統的模糊PID控制及仿真 [J].無錫商業職業技術學院學報，2015，15（6）：91-94.

[2] 貝紹軼，趙景波，張蘭春，等.車輛半主動懸架系統模糊神經網絡控制研究 [J].系統仿真學報，2010，22（12）：2952-2956+3007.

[3] 王瑞.基于ADAMS與MATLAB的汽車半主動懸架系統的建模及仿真 [D].西安：西安工業大學，2014.

作者簡介：楊惠（1989-），女，漢族，河南三門峽人，助教，碩士研究生，研究方向：智能控制。