淺談電控空氣懸架模糊控制系統設計和開發

王偉 張德

摘 要：隨著科學技術和汽車工業的發展，空氣懸架已逐漸成為豪華汽車的標準配置。本文主要以半主動懸架系統為研究對象，從電控空氣懸架系統構成、模糊控制理論、模糊控制系統設計、正弦激勵下系統模型的仿真等方面進行設計開發總結和闡述。

關鍵詞：電控;空氣懸架;模糊控制;系統設計

0 概述

汽車的普及和科學技術的迅速發展，人們對汽車的要求越來越高，希望汽車具有良好的操作穩定性和行駛平順性。電控空氣懸架系統能夠利用各種傳感器檢測出汽車行駛狀態參數，通過核實的控制算法，最大限度地改善汽車行駛平順性和操縱穩定性，同時降低車輛對路面破壞的影響。空氣懸架電控系統對于提高整車技術含量意義深遠，是一項非常值得關注和研究重要課題。

1 電控空氣懸架系統構成

電控空氣懸架主要由各種傳感器（車身高度傳感器、加速度傳感器、節氣門位置傳感器、車速傳感器、轉向盤轉角傳感器、懸掛控制開關等）、電子控制單元（ECU）和執行機構（直流電動機式執行器、步進電動機式執行器、電磁閥、繼電器、故障指示燈等）三部分組成，結構示意圖如圖1所示。

2 模糊控制理論

（1）模糊控制系統主要由被控對象和模糊控制器兩部分組成。被控對象要在一定的約束條件下工作來實現人們的某種目的，由若干個裝載或設備組成的一個群體。模糊控制器是整個模糊控制系統的核心部分，也是模糊控制系統與其它自動系統區別的主要標志。

（2）模糊控制器主要由輸入模糊化、知識庫、模糊推理和解模糊化四部分組成。模糊控制器基本設計流程如下：①輸入輸出變量的選定及從精確量到論域元素的轉換。②輸入輸出變量模糊語言值和隸屬度函數的確定。③模糊控制規則的建立。④輸出信息解模糊化方法的建立。

3 模糊系統控制設計

3.1 系統模型的建立

由于車輛的空氣懸架系統是一個復雜的非線性動力系統，很難對此建立精確的數學模型，因此就需要根據系統的具體結構形式，在精確度和模型的簡化之間進行一下折中，達到研究方便同時又突出問題實質的目的。由此，把空氣懸架簡化為并聯的空氣彈簧和減振器，構建了1/4車輛兩自由度模型振動系統，設置相關參數，運用牛頓第二定律建立半主動空氣懸架系統數學模型，由于半主動空氣懸架系統未能建立存精確的數學模型，故采用不依賴于被控對象精確模型的模糊控制方法構造模糊控制器。

3.2 模糊控制器的建立

3.2.1 確定輸入輸出變量及其模糊語言值

由于乘坐的舒適性主要取決于車體垂直方向的振動程度，所以我們把汽車車身垂直振動加速度作為評價汽車平順性的主要指標。依據實際控制對象選用二維模糊控制器。取車身垂直加速度為偏差量e及相應的變化率ec作為模糊控制器的輸入，懸架控制剛度后，作為控制器的輸出u。其中e取7個語言值，ec和U均取5個語言值，分別表示為：E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，EC={NB，NS，ZO，PS，PB}，U={NB，NS，ZO，PS，PB}。其中E和EC分別表示控制器輸入的偏差和偏差變化率的模糊集合，表示輸出的模糊集合。

3.2.2 確定量化因子和比例

因子以完成從精確量到論域元素的轉換設輸入變量偏差e的實際變化范圍即基本論域為[-10，10]，模糊論域為[-3，3]，故e的量化因子為3/10;設輸入變量偏差變化率ec的基本論域為[-40，40]，模糊論域為[-3，3]，則ec的量化因子為3/40;設輸出控制量U的基本論域為[-1，1]，模糊論域為[-3，3]，故比例因子為1/3。

3.2.3 確定各模糊變量的隸屬度函數

輸入輸出變量均取同一區間[-3，3]，據此可對輸入輸出變量的各詞集進行賦值。一般情況下，隸屬函數的變化越大，表明分辨率越高，控制靈敏度也越高，故在誤差為零的附近區域多采用分辨率較高的隸屬函數，假設用隸屬度函數來描述語言變量模糊論域上的模糊語言值。

3.2.4 編寫模糊控制規則

設計和調整控制規則的準則是汽車受到路面激勵時，最快使車身垂直振動的加速度為零。即當車身垂直加速度指標較大時，選擇控制量是以盡快消除誤差為主，而當加速度指標較小時，選擇控制量要注意防止超調，以系統的穩定性為主。

3.2.5 確定模糊判決的方法

可采用加權平均法的理論公式來得到精確控制量。

4 正弦激勵下系統模型的仿真

基于上述建立的動力學模型和模糊控制方法，對半主動空氣懸架系統進行了計算機仿真。以車身垂直加速度為控制目標量，對模糊控制懸架進行仿真分析。假設汽車以20m/s的速度勻速行駛，仿真時間為5s，采樣時間為0.01s，在半主動懸架具有相同結構參數和路面激勵的情況下，與不加控制器的車身垂直加速度響應信號進行比較，應用模糊控制的半主動空氣懸架減振效果較好，車身加速度的變化比不加模糊控制的懸架有較大程度的減小。綜上所述，模糊控制方法能夠有效地降低車身垂直方向的加速度值，減小懸架振動的強度，從而改善了車身的穩定性和乘坐的舒適性。

5 結束語

電控空氣懸架模糊控制系統設計和開發以半主動空氣懸架為研究對象，構建了汽車懸架兩自由度數學模型，采用了不依賴于被控對象精確模型的模糊控制方法進行空氣懸架控制器的設計，在理論分析基礎上進行仿真分析，驗證控制策略的有效性，很好改善車輛的乘坐舒適性和安全性。

參考文獻：

[1]黃志國.空氣懸架控制系統仿真及試驗研究[J].2005.

[2]王東亮，顧亮.履帶式車輛半主動懸架模糊系統控制研究[J].拖拉機與農用運輸車，2009.