四分之一車主動懸架模糊控制

何佳琪 劉海龍 黃冬梅

摘要：汽車主動懸架主要影響汽車在行駛過程中對不平路面所產生顛簸的抑制程度和乘坐的舒適度。構建1/4車身主動懸架系統的數學模型，結合現代控制理論，設計汽車主動懸架模糊控制器，利用MATLAB/Simulink仿真模塊，在相同的輸入下，對汽車主動懸架和被動懸架的車身加速度、懸架動擾度以及輪胎動變形進行性能比較。仿真結果表明，汽車主動懸架模型對于提高汽車的舒適度和駕駛員的操作的穩定性等方面上優于被動懸架模型。此結論對設計汽車主動懸架系統有一定的參考價值。

關鍵詞：MATLAB;汽車主動懸架;模糊控制器

1、引言

汽車懸架主要由彈性元件、減震器、傳力裝置三部分組成[2]，其主要作用是在車輪與車架之間傳遞一切力以及力矩，緩沖由路面傳遞到車身的沖擊載荷，減輕由此產生的震動，是現代轎車十分關鍵的部件之一。目前，市場上的汽車懸架系統的種類有許多，根據控制形式不同分為被動式懸架、主動式懸架;根據汽車導向機構不同可分為獨立懸架、非獨立懸架[5]。隨著微處理器的應用，以及作動器、變剛度彈簧，減震器等多領域取得的突破。汽車主動懸架得到了更多的關注。

汽車主動懸架系統是近十幾年發展起來的、由電腦控制的一種新型懸架。它匯集了力學和電子學的技術知識，是一種比較復雜的高技術裝置。例如裝置了主動懸架的法國雪鐵龍桑蒂雅，該車懸架系統的中樞是一個微電腦，通過不斷接收傳感器中傳來的數據并與預先設定的臨界值進行比較，從而選擇相應的懸架狀態，目前國內對于汽車懸架的研究已經取得了很多成果[4-5] 。

本課題采用模糊控制，以車身加速度、輪胎動變形和懸架動繞度作為懸架系統性能的評價標準，對1/4車身主動懸架系統的數學模型在MATLAB中進行仿真測試，得到其主動懸架系統性能的動態響應。

2、汽車主動懸架模型

汽車懸架系統是一個動力與機械相結合的復雜的多輸入多輸出系統，其實際振動系統相當復雜[5]，為了使汽車懸架控制策略的研究更加方便，本文采用1/4車二自由度模型來代替汽車懸架系統，如圖1所示，并對以下影響做出假設：

1）忽略輪胎在行駛過程中發生的形變;

2）忽略發動機和傳動系統振動對汽車產生的影響;

3）將汽車支撐彈簧以上部分視為剛性簧上質量

4）將汽車支撐彈簧以下部分視為簧下質量;

5）假定車輛無側向位移，只考慮垂直振動。

3、模糊控制器的設計

模糊控制是以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為基礎的，建立在人工經驗基礎之上的一種智能控制方法，并且不需要對被控對象建立精確的數學模型，故非常適合應用于汽車懸架系統這種時變非線性的復雜系統中。

3.1 定義輸入輸出變量，確定其論域

本文選用二維模糊控制器，分別用車身的垂直速度和加速度來表示偏差E和偏差變化EC，作為模糊控制器的兩個輸入變量，將主動控制力U作為輸出變量。

定義輸入變量E、EC的模糊集為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

輸出變量U的模糊集為：{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}。

E、EC的論域為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

U的論域為：{-3，-2，-1，0，1，2，3}。

3.2 建立隸屬函數

隸屬度函數是模糊控制的應用基礎，通過隸屬度函數，可以將論域中的元素映射到0到1之間，繼而確定該元素的隸屬度。隸屬度函數形狀多為高斯型或三角形，本文采用三角形隸屬度函數。

3.3 確定控制規則

根據參考文獻[1-5]以及實際經驗可得到模糊控制規則表如表1所示。

4.5 仿真結果分析

在相同的輸入條件下，將主動懸架與被動懸架模型的輸出指標進行對比，得到的仿真波形圖分別如圖6-8所示，輸出指標的均方根和最大值如表2所示。

通過圖6-8以及表2可以清楚的看出來，相較于被動懸架而言，改善后的模糊控制主動懸架對車身垂直加速度的控制效果有明顯的改善，雖然懸架動擾度和輪胎動變形的均方值有微小的增加，但由于增量很小，不影響汽車行駛過程中的平順性和汽車乘坐的舒適度。因此總體來說，模糊控制主動懸架模型的設計是比較合理的。

5、結束語

本文以1/4車二自由度的汽車懸架簡化模型為例，根據路面等級分布表以及我國路況的分布范圍，選取C等級路面作為參考依據進行輸入信號的設計，且將模糊控制應用于汽車懸架上，搭建模糊控制主動懸架和被動懸架兩種懸架模型進行比對，最終通過在MATLAB/Simulink中進行仿真實驗從而驗證了模糊控制主動懸架的優越性，并且從本次仿真可以看出，采用模糊控制可以很好的抑制車身垂直加速度的變化，改善汽車行駛的平順性和乘客乘坐的舒適度，從而更好地解決汽車乘坐的舒適度與駕車的安全性的問題。

參考文獻

[1]陳學文.1/2 汽車主動懸架模糊控制器設計及Simulink 仿真研究[J].遼寧工業大學學報（自然科學版），2016，36（2）：117-121.

[2]馬嬌.基于 MATLAB 的汽車主動懸架模糊控制系統仿真[J].工程管理與技術，2018，21：194-196

[3]吳慧峰.基于模糊控制的汽車主動懸架系統仿真研究[J].計算機仿真，2012，29（3）：363-366

[4]馬克. 汽車主動懸架的模糊控制策略研究[D].重慶理工大學，2018.

[5]馬強杰.半車主動懸架系統模糊控制器設計[D].鎮江：江蘇大學，2019.