车辆半主动悬架的模糊控制与仿真

    　由于现代汽车越来越多地采用独立悬架, 因此对悬架系统的研究大都是针对2自由度1/4汽车模型进行的, 这种分析方法简单且不失研究的重要性。

　　1 仿真工具简介

    　AMESim是面向工程系统的高级建模仿真软件, 它使您能对任何元件和系统的动态性能进行仿真计算。友好的用户界面和不断改进的基于工程实践的众多应用库使得软件的使用简单可靠,从而为工程设计提供了快速、准确的解决方案。它是一个图形化的开发环境, 适合于工程系统的建模, 仿真和动态性能分析。

   　 MATLAB是以复数矩阵作为基本单元的一种程序设计工具,MATLAB中集成了具有动态系统建模、仿真工具的SIMULINK。SIMULINK是面向传递函数、方框图的动态仿真工具。SIMULINK仿真具有可视化的编程效果, 能够实时控制参数, 有效地对数据输入输出进行分析。

    　AMESIM建立模型具有简单、形象的特点, SIMULINK则更偏重于体现其数学模型本身, 逻辑性绞强。两者利用接口技术, 有机地结合在一起, 使模型建立既直观且不失研究的准确性。

　　2 车体模型及路面谱

    　此系统模型, 如图1所示。m₂为非簧载质量, m₁为簧载质量,k₂为悬架弹簧刚度, k₁为车轮弹簧刚度, c为阻尼器。由于现代汽车越来越多的采用独立悬架, 故分别讨论前轮载荷与前轴, 后轮载荷与后轴所构成的两个双质量系统的振动, 即1/4 车体模型,方法简单且可靠。

图1 1/4 车体模型

    　由于仿真需要路面信号输入, 该计算机仿真模型, 这里用两种方法得到路面谱:(1) 当行驶车速稳定时, 在时间域内路面速度的输入为白噪声, 当车速恒定(v=20m/s) 时, 汽车垂直功率谱为一常数, 于是路面轮廓可由白噪声通过一个积分器产生;(2) 整形滤波器得到的随机路面轮廓, 该路面激励由谱分析以及相关知识可得可以消除时间序列中的直流分量和均值漂移成分。(以A级公路路面谱为例, 由AMESIM可建立随机路面白噪声输入模型和整型滤波器输入模型, 如图2所示。

图2 随机路面输入模型

　　3 控制策略

    　(1) 半主动悬架根据汽车行驶状态的动力学要求, 通过改变减振器的节流口面积或调节节流阀开度来调节液力减振器的阻尼, 以改善悬架的振动特性。调节悬架刚度或刚度、阻尼同时调节的半主动悬架也在汽车工程中采用。为减少执行组件所需的功率, 主要采用调节减振器的阻尼系数法, 只需提供控制阀、控制器和反馈调节器所消耗的较小功率即可。

   　 (2) 随着汽车结构和功能的不断改进和完善, 研究汽车振动,设计新型电控系统从而将汽车振动控制到最低水平已经成为提高现代汽车品质的重要措施。近年来随着电子技术、微机控制技术以及现代控制理论的发展, 对汽车悬架的最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等的研究不仅在理论上取得令人瞩目的成绩, 同时已开始应用于实际汽车悬架生产当中。在我国, 模糊控制理论的研究始于1979年, 系统采用输出反馈的模糊控制策略, 使控制规律相对简单, 且能降低成本。

　　4 控制器的设计

    　选取参考模型和实际悬架模型的车身垂直速度信号的差值e及其变化△e作为模糊控制器的输入信号, 输出信号为可变阻尼减振器的阻尼力。模糊逻辑控制器结构框图, 如图3所示。

图3 模糊逻辑控制器结构

    　对于输入输出变量, 我们都采用7 个语言模糊子集来确定,即NL(负大) 、NM(负中) 、Ns(负小) 、ZE(零) 、PS(正小) 、PM(正中) 、PL(正大) 。输入变量e及△e以及输出变量的模糊子集采用三角形隶属函数。

    　模糊控制规则是模糊控制器的个重要组成部分, 它用语言的方式描述了控制器输入量和输出量之间的关系, 即它们之间的模糊关系。模糊控制规则是根据人们的思维, 以模糊推理的方式给出的。模糊控制器中2个输入量用7个语言模糊集来描述, 形成49条控制规则。控制规则的形式为:

    　R1: IFe=ei (NB) and Ae= Aei (PB) THENu=ui (ZE)(i=1, 2, 3…49)建立模糊规则表如下, 如表1所示。

表1 模糊控制规则表

　　5 仿真模型与结果

    　Karnop提出的天棚阻尼(Skyhook) 悬架模型, 在实际车辆中是不存在的, 是一种理想模型。本模型以天棚阻尼悬架为参考, 选择车体的速度和加速度为主要控制目标, 通过反馈控制, 力争使总的控制效果达到最佳。利用AMESIM进行仿真, 模型(图略) 。部分参数为m1=24kg, m2=240kg, k1=85270N/m, k2=9500N/m, C=750N/m/s。模型首先利用AMESIM软件机械库的一些元器件构造了天棚阻尼悬架和半主动悬架模型, 简单、直接。紧接着用到信号库的一些元器件对随机路面谱输入模型以及方波、正弦波激励进行了构建, 且对响应输出进行了分析控制。

    　根据模糊控制器设计思想, 利用SIMULINK的fuzzy工具箱对控制器进行了仿真。

    　利用AMESIM与SIMULINK接口, 使得控制器与悬架模型联系起来, 实现了对车辆半主动悬架模糊控制的动力学仿真, 如图4所示。车辆模型经过编译转换成S- FUNCTION函数, 导入MATLAB中, 运行仿真, 通过AMESIM可以方便的对模型参数进行调节, 如图5 所示。

图4 软件接口设置

图5 参数调节

   　 同时可通过MATLAB和AMESIM分别输出仿真结果, 结果相同有效, 结果如下。

    　从正弦信号的位移响应曲线可以看出控制后车身位移没有发生明显的滞后现象; 从方波信号的位移响应曲线来看, 车身振动频率稳定, 并且没有发生急剧的不规则变化。从随机路面谱输入的位移响应曲线可看出车身位移明显衰减(图略) 。

　　6 结语

    　在建立汽车两自由度动力学模型的基础上, 利用AMESIM软件可以比较准确地对汽车动力学进行仿真分析, 可以方便的建立随机路面谱模型, 响应模型, 还能利用其软件的友好性与Simulink联立进行仿真。其人机界面较好, 只要载入汽车悬架等有关参数, 即可褥出汽车的一系列动态曲线, 计算结果准确, 打印方便, 对汽车悬架的设计和评价有一定的实用价值。

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