賀耀東

渤海大學(xué)

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基于MATLABSIMULINK的汽車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的仿真研究

賀耀東

渤海大學(xué)

隨著社會(huì)的發(fā)展，大部分人在經(jīng)濟(jì)水平能力上已經(jīng)擁有了汽車，但是人們希望汽車在性能方面可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性高以及持久性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，決定這些優(yōu)點(diǎn)是否可以實(shí)現(xiàn)的一個(gè)重要因素就是懸架。本文通過(guò)采用MATLAB軟件，分析了模糊控制器和PID控制器性能，建立了關(guān)于汽車二自由度數(shù)學(xué)模型，仿真軟件是基于SIMULINK，仿真結(jié)果顯示汽車半主動(dòng)懸架上控制效果PID控制器遜于模糊控制器。

MATLAB PID控制器 汽車半主動(dòng)懸架 仿真

1　引言

1980年MATLAB第一次出現(xiàn)在人們的視線中是在線性代數(shù)的研究氛圍下產(chǎn)生的，MATLAB在數(shù)據(jù)矩陣和數(shù)值方面的應(yīng)用及其廣泛，因此在控制工程方面的影響力很大。隨后有許多的專業(yè)人士對(duì)MATLAB做了很多的研究并且取得了很大的進(jìn)步。MATLAB是目前世界上科技軟件應(yīng)用方面的領(lǐng)軍軟件之一，MATLAB的最大特點(diǎn)是可視化能力強(qiáng)，通俗易懂，軟件操作容易掌握，這是MATLAB應(yīng)用到眾多行業(yè)的重要原因，應(yīng)用的領(lǐng)域其中包括了有圖像處理，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通信系統(tǒng)以及模糊控制等，該軟件通?？梢杂脕?lái)進(jìn)行計(jì)算機(jī)的有關(guān)算法研究和設(shè)計(jì)分析計(jì)算機(jī)的相關(guān)輔助。

2　問(wèn)題提出

對(duì)于汽車的使用者而言，他們最重視的是汽車的安全性和穩(wěn)定性，而要想實(shí)現(xiàn)洗車控制性能好，穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)就不得不對(duì)汽車的懸架系統(tǒng)的控制方法進(jìn)行研究與分析。傳統(tǒng)意義上的被動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)操作比較簡(jiǎn)易，而且尤其是被動(dòng)的懸架在設(shè)計(jì)方面參數(shù)受到了很大的制約，不可以根據(jù)外在的環(huán)境的改變而改變，所以被動(dòng)的懸架如果應(yīng)用到汽車上性能方面會(huì)大大受牽制。關(guān)于被動(dòng)懸架系統(tǒng)中阻尼以及剛度這些參數(shù)是根據(jù)平時(shí)的專業(yè)人士的經(jīng)驗(yàn)給出的，按照這些經(jīng)驗(yàn)性的參數(shù)來(lái)進(jìn)行懸架結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。

后期出現(xiàn)的主動(dòng)懸架的實(shí)現(xiàn)原理用到了把力發(fā)送器替代了被動(dòng)懸架的彈性與阻尼元件，從而實(shí)現(xiàn)懸架控制特性的提高，主動(dòng)懸架雖然在一定程度上有利于被動(dòng)懸架，但是仍然受到外部能源，資金成本和可靠性方面的影響，所以仍然不是最佳的選擇。在主動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上，半主動(dòng)懸架系統(tǒng)得到了發(fā)展，半主動(dòng)集合了主動(dòng)懸架的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)突破了主動(dòng)懸架的缺點(diǎn)，所以半主動(dòng)懸架的應(yīng)用迅速得到了發(fā)展，半主動(dòng)懸架相比于主動(dòng)懸架，是由變阻尼減震器或者變剛度彈簧組成的，除此之外，外部能源可以不用考慮資金投入比較低。

開(kāi)過(guò)汽車的人都知道，如果路面平穩(wěn)度不好會(huì)造成車身的震動(dòng)，乘客在車內(nèi)會(huì)有種顛簸之感，讓人感受不舒服，汽車的某些器械也會(huì)受到損壞，而且路面凹凸不平的話對(duì)司機(jī)的開(kāi)車技術(shù)水平也是一種巨大的挑戰(zhàn)，司機(jī)要想在凹凸不平的路面行駛地讓人坐的舒心，那么必須要對(duì)汽車的懸架進(jìn)行性能上的提高，因?yàn)閼壹茉谄嚨乃胁考邪缪莸氖侵黧w的作用，所以汽車懸架的好壞直接影響著汽車的多個(gè)方面的性能。

現(xiàn)今社會(huì)中有大多數(shù)的學(xué)者紛紛對(duì)半主動(dòng)懸架進(jìn)行了研究與分析，而研究的內(nèi)容大體上是圍繞著控制策略控制變阻尼減震器方面。本論文的控制策略用到了模糊策略，設(shè)計(jì)了模糊控制器，模糊控制器是基于MATLAB的參考模型，通過(guò)將模糊控制器和PID控制器進(jìn)行對(duì)比，PID控制器是屬于半主動(dòng)懸架的范疇。

3　汽車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的建模

3.1建立路面輸入模型

本論文的路面隨機(jī)參數(shù)輸入選擇的是濾波白噪聲，輸入后產(chǎn)生了B，C級(jí)別不同的路面不平度的時(shí)域輪廓，時(shí)域模型如公式1-1所示。

其中公式中q（t）指的是路面對(duì)車輪的隨機(jī)激勵(lì)，v代表了汽車的速度，w（t）代表了限帶的白噪聲，而a可以認(rèn)為是常數(shù)。

建立了路面的輸入模型后采用Simulink對(duì)其進(jìn)行仿真，其中仿真的輸入數(shù)據(jù)是Band-Limited White Noise。

汽車的速度設(shè)成50km/h，路面不平度的程度不同對(duì)應(yīng)的a值也就不同，其中B級(jí)路面中a是0.1303，C級(jí)路面中a是0.12，減速路面地段的垂直高度h是3厘米，寬度b是38厘米。

3.2懸架數(shù)學(xué)模型建立

汽車半主動(dòng)懸架模型如圖1-1所示，

圖1-1　半主動(dòng)懸架模型圖

從圖中可以看出ms表示車體的重量，其中車體屬于懸掛物，mt表示車輪軸的重量，而車輪軸屬于非懸掛物體。ks彈簧的彈力系數(shù)，單位是N/m，kt 是輪胎的等效剛度，cs是阻尼系數(shù)，單位是Ns/m。

系統(tǒng)涉及到的動(dòng)力學(xué)公式如下所示：

基于MATLAB的SIMULINK仿真工具的模型如圖1-2所示。

圖1-2　半主動(dòng)懸架的SIMULINK模型

3.3理想懸架系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型

本論文采用的參考模型是SkyHoolk懸架模型，該模型產(chǎn)生于70年代，通過(guò)SkyHook模型得出輸出響應(yīng)。

由圖1-3可以知道，SkyHook模型的動(dòng)力學(xué)公式如下：

其中公式中的車輪軸與車體的位移用zrt和zrs表示，虛擬的減震器阻尼的系數(shù)是用crs和crt表示。跟半主動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)模型一樣，先把狀態(tài)變量列出來(lái)，

通過(guò)ADAMS可以實(shí)現(xiàn)在視圖中進(jìn)行半主動(dòng)懸架機(jī)械模型的建立，本論文實(shí)現(xiàn)了二自由度的四分之一的汽車半主動(dòng)懸架模型，并且也完成了基于ADAMS和MATALB的聯(lián)合仿真。通過(guò)公式1-4和1-5可以得到狀態(tài)方xr（t）=Aμxr （t）+Crr （t）。

4　模糊的PID控制器設(shè)計(jì)

模糊PID 控制器是種傳統(tǒng)的半主動(dòng)懸架，模糊PID的主要組成成分可以分為兩個(gè)，一個(gè)是模糊控制器，另一個(gè)是PID控制器，模糊控制器的輸入值設(shè)置為簧載質(zhì)量的速度差值e和質(zhì)量速度變化ec，而輸出值設(shè)置為PID控制器的三個(gè)參數(shù)，分別是kp，ki以及kd等。關(guān)于模糊PID的仿真模型是基于MATLAB或者是基于Simulink。模糊PID控制器的關(guān)鍵是要把握模糊控制的相關(guān)的規(guī)則，然而根據(jù)現(xiàn)在的規(guī)則來(lái)看，規(guī)則的制定大多數(shù)靠的是一些該領(lǐng)域的專業(yè)學(xué)士的經(jīng)歷進(jìn)行總結(jié)的，所以存在很大的先入為主的思想。

模糊控制規(guī)則在模糊控制器中起到了很大的作用，該規(guī)則是通過(guò)語(yǔ)言對(duì)控制器的輸入與輸出進(jìn)行介紹，也就是指輸入與輸出之間的模糊關(guān)系，模糊控制規(guī)則的生成主要是按照人類平時(shí)的思想以及平時(shí)掌握的經(jīng)驗(yàn)，用一種模糊的概念進(jìn)行推理，模糊控制規(guī)則表如表1-1所示。

表1-1　模糊控制規(guī)則表

5　仿真結(jié)果對(duì)比

一旦建立了模型，就可以進(jìn)行下一步操作，就是相關(guān)的參數(shù)數(shù)據(jù)的輸入，輸入結(jié)束后，通過(guò)SIMULINK來(lái)仿真，本論文的一些參數(shù)設(shè)置為：ks=16000N/m，kt=160000N/s，ms=210kg，mt=30kg，cs=1750Ns/m，SkyHook模型的相關(guān)參數(shù)crs=4250N/s，crt=1750Ns/m，同時(shí)量化因子設(shè)置成ke=4.8，k（detal）e=12，kuc=700，路面的輸入信號(hào)可以用正弦函數(shù)r=sin（fi）表示，w=8.72rad/s表示簡(jiǎn)諧振動(dòng)的頻率，而且這個(gè)震動(dòng)的頻率也代表了車體本身的固有頻率。

被動(dòng)的懸架與PID控制的懸架進(jìn)行了對(duì)比，這些對(duì)比分別是車身的垂直方向的加速度，懸架的動(dòng)撓度以及輪胎的相對(duì)動(dòng)載。圖中的點(diǎn)劃線線指的是被動(dòng)懸架，虛線指的是PID懸架，粗線指的是模糊控制懸架響應(yīng)。最后仿真結(jié)果顯示被動(dòng)的懸架與PID懸架的垂直加速度響應(yīng)有很大的波動(dòng)，被動(dòng)懸架高于模糊懸架大概50%左右，PID懸架也比模糊懸架高出大概10%左右，懸架的動(dòng)撓度方面被動(dòng)懸架比模糊懸架高出大概10%左右，被動(dòng)懸架在輪胎的相對(duì)動(dòng)載方面高出模糊控制懸架大概60%。所以綜合分析可以得出結(jié)論P(yáng)ID懸架控制實(shí)現(xiàn)汽車控制效過(guò)沒(méi)有模糊控制優(yōu)秀。

6　結(jié)語(yǔ)

MATLAB軟件特點(diǎn)鮮明，應(yīng)用起來(lái)通俗易懂，界面友好，在眾多領(lǐng)域中都占有重要的位置。另一方面本論文通過(guò)基于MATLAB對(duì)半主動(dòng)的懸架結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真處理，仿真結(jié)果說(shuō)明了要想在汽車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性強(qiáng)，控制性好，安全可靠的功能，那么最好的選擇是模糊控制的半主動(dòng)懸架。

［1］張洪欣.汽車系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).同濟(jì)大學(xué)出版社，1996.

［2］王瑞.基于ADAMS與MATLAB的汽車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的建模及仿真［D］.西安：西安工業(yè)大學(xué)，2014.

［3］周玉豐，吳龍.基于整車的汽車半主動(dòng)懸架系統(tǒng)模糊控制仿真研究［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2011（22）：5340-5354.