車輛磁流變半主動懸架模糊滑?？刂啤?/h1>
2017-03-15 11:10:16王瑞
山西建筑 2017年3期
王 瑞
(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009； 2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)
車輛磁流變半主動懸架模糊滑?？刂啤?/p>
王 瑞1，2
(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009； 2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)
為提高半主動懸架減振效果，將結(jié)合模糊控制理論的滑?？刂扑惴☉?yīng)用于磁流變半主動懸架控制中，并通過Matlab/Simulink建立了磁流變阻尼器及懸架動力學(xué)模型，同時進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，采用模糊滑模控制策略優(yōu)于傳統(tǒng)控制策略。
磁流變，半主動控制，半主動懸架，滑?？刂?，模糊控制
0 引言
主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而半主動懸架結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制效果接近主動控制懸架，故在近些年得到廣泛關(guān)注[1-3]。磁流變阻尼器是一種以磁流變液為減振液的半主動阻尼器，可改變控制電流使阻尼適應(yīng)路況的變化，從而改善懸架的減振效果。
為準(zhǔn)確描述磁流變阻尼器的動態(tài)特性，在Matlab/Simulink中建立磁流變阻尼器的Bingham模型。將天棚控制方法、滑模控制方法及模糊滑?？刂品椒☉?yīng)用到磁流變半主動懸架控制中，在Matlab/Simulink中建立磁流變半主動懸架控制模型并進(jìn)行仿真，對比驗(yàn)證了模糊滑?？刂品椒ㄔ诎胫鲃討壹芸刂浦械膬?yōu)越性。
1 磁流變阻尼器動力學(xué)模型
1.1 磁流變阻尼器的Bingham模型
Stanway提出的非線性Bingham模型，可用于描述磁流變阻尼器的動態(tài)特性[4]。
(1)
對式(1)進(jìn)一步推導(dǎo)可得阻尼力—位移關(guān)系式。
(2)
其中，L為活塞有效長度；D為缸體內(nèi)徑；Ap為活塞有效面積；h為孔道直徑；τy為與磁場強(qiáng)度有關(guān)的磁流變液屈服應(yīng)力。
在Simulink中對式(2)進(jìn)行建模，采用正弦激勵，阻尼器力—位移曲線及阻尼力—速度曲線如圖1，圖2所示。仿真結(jié)果表明，MR阻尼器阻尼力隨電流增大而增大，阻尼力與速度具有非線性關(guān)系。由圖可看出阻尼器剛度不可調(diào)，阻尼器阻尼為變化值，即阻尼系數(shù)可調(diào)。
1.2 磁流變半主動懸架模型
如圖3所示，建立2自由度1/4車輛磁流變懸架動力學(xué)模型[5]，動力學(xué)方程為：
(3)
2 控制系統(tǒng)模型
2.1 天棚控制
根據(jù)天棚控制理論[6]，其阻尼力大小為：
(4)
2.2 理想控制模型
以簧下質(zhì)量狀態(tài)作為理想控制模型的輸入，動力學(xué)方程為：
(5)
其中，
(6)
2.3 滑模控制器設(shè)計(jì)
使系統(tǒng)簧上質(zhì)量運(yùn)動跟蹤理想模型簧上質(zhì)量運(yùn)動，定義誤差矢量：
(7)
狀態(tài)方程：
(8)
取滑模面：
s=c1e1+e2
(9)
進(jìn)一步得到：
(10)
取等速趨近律：
(11)
控制率為：
fdeq=-kse1+(msc1-cc)e2+c0xr2+msεsgn(s)
(12)
故半主動懸架控制力為：
(13)
2.4 模糊滑?？刂破髟O(shè)計(jì)
上述滑模控制器中采用等速趨近律，參數(shù)ε取恒定值，系統(tǒng)距離滑模面較遠(yuǎn)時，若ε增大，有助于系統(tǒng)能夠快速的到達(dá)滑模面，而當(dāng)系統(tǒng)距離滑模面較近時，若ε減小，有助于防止系統(tǒng)抖振的發(fā)生。即：
3 仿真分析
為驗(yàn)證模糊滑?？刂破鞯目刂菩Ч贛atlab/Simulink中對懸架控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，以正弦信號作為輸入信號，簧上質(zhì)量位移仿真結(jié)果見圖6，圖7，簧上質(zhì)量振動加速度仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。由圖6，圖7可以看出，磁流變半主動控制懸架的減振效果比被動懸架減振效果更好，天棚控制由于利用開環(huán)控制，沒有對阻尼力的誤差進(jìn)行反饋控制，導(dǎo)致減振效果與理想控制模型效果相差較多，使被控系統(tǒng)簧上質(zhì)量運(yùn)動跟蹤理想模型簧上質(zhì)量運(yùn)動的滑模控制懸架，采用了閉環(huán)控制，對阻尼器的誤差進(jìn)行了反饋彌補(bǔ)，故控制效果接近于理想模型。從圖8，圖9可以看出，磁流變阻尼器半主動懸架的簧上質(zhì)量加速度明顯低于被動懸架簧上質(zhì)量加速度，且模糊滑?？刂茟壹苡捎趯吔鼌?shù)ε進(jìn)行了模糊控制，降低了系統(tǒng)到達(dá)滑模面時的抖動，故模糊滑?？刂苹缮腺|(zhì)量加速度更小，控制效果更好。
4 結(jié)語
在Matlab/Simulink中建立了磁流變阻尼器半主動控制懸架的天棚控制、滑?？刂?、模糊滑?？刂颇Ｐ停O(shè)計(jì)了簡單易于實(shí)現(xiàn)的模糊滑?？刂破?。數(shù)值分析表明，采用模糊滑?？刂频陌胫鲃訙p振系統(tǒng)的車身振動位移、振動加速度都得到了有效的抑制，控制效果明顯，且克服了滑?？刂葡到y(tǒng)到達(dá)滑模面時易抖動的缺點(diǎn)。
[1] 王其東，王祺明，陳無畏.磁流變半主動懸架變論域模糊控制研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009,22(5):512-518.
[2] Wang D H, Liao W H. Magnetorheological fluid dampers: a review of parametric modelling[J].Smart Materials & Structures,2011,20(2):439-445.
[3] 廖昌榮,余 淼,陳偉民,等.汽車磁流變減振器設(shè)計(jì)原理與實(shí)驗(yàn)測試[J].中國機(jī)械工程,2002,13(16):1391-1394.
[4] Stanway.R, Sproston J L. Nonlinear Modeling of an Electrorheological Vibration Damper[J].Journal of Electrostatics,1987(2):167-184.
[5] 姚嘉凌,鄭加強(qiáng),蔡偉義.車輛半主動懸架模型參考滑?？刂芠J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2008,39(4):5-8.
[6] Karnopp D, Crosby M J, Harwood R A. Vibration control using semi-active force generators[J].Journal of Engineering for Industry,1974(96):619-626.
[7] 具有非線性時滯的汽車磁流變懸架系統(tǒng)自適應(yīng)模糊滑?？刂芠J].振動與沖擊，2009,28(11):55-60.
[8] 石辛民，郝整清.模糊控制及其MATLAB仿真[M].北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2008:149-165.
Advanced fuzzy sliding mode control of automobile semi-active suspension with magneto-rheological dampers system★
Wang Rui1,2
(1.MechanicalEngineeringSchool,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.AnhuiCommunicationsVocational&TechnicalCollege,Hefei230051,China)
To improve the performance of vibration isolation of automobile semi-active suspension, models of semi-active suspension and magnetorheologicaI damper are built by Matlab/Simulink. The advanced fuzzy sliding mode logical theory is applied on semi-active suspension．The results of analysis and comparison imply that advanced fuzzy sliding mode strategy is better than others.
magnetorheological, semi-active control, semi-active suspension, sliding mode, fuzzy control
1009-6825(2017)03-0221-02
2016-11-15
王 瑞(1986- )，男，碩博連讀研究生，助教
U464.12
A
★：安徽省教育廳《高等職業(yè)教育創(chuàng)新發(fā)展行動計(jì)劃(2015—2018)》項(xiàng)目，項(xiàng)目類別：XM-01，項(xiàng)目名稱：工程機(jī)械運(yùn)用技術(shù)
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王 瑞
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車輛磁流變半主動懸架模糊滑?？刂啤?/p>
王 瑞1，2
(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009； 2.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051)
為提高半主動懸架減振效果，將結(jié)合模糊控制理論的滑?？刂扑惴☉?yīng)用于磁流變半主動懸架控制中，并通過Matlab/Simulink建立了磁流變阻尼器及懸架動力學(xué)模型，同時進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明，采用模糊滑模控制策略優(yōu)于傳統(tǒng)控制策略。
磁流變，半主動控制，半主動懸架，滑?？刂?，模糊控制
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主動懸架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，而半主動懸架結(jié)構(gòu)簡單，成本低，控制效果接近主動控制懸架，故在近些年得到廣泛關(guān)注[1-3]。磁流變阻尼器是一種以磁流變液為減振液的半主動阻尼器，可改變控制電流使阻尼適應(yīng)路況的變化，從而改善懸架的減振效果。
為準(zhǔn)確描述磁流變阻尼器的動態(tài)特性，在Matlab/Simulink中建立磁流變阻尼器的Bingham模型。將天棚控制方法、滑模控制方法及模糊滑?？刂品椒☉?yīng)用到磁流變半主動懸架控制中，在Matlab/Simulink中建立磁流變半主動懸架控制模型并進(jìn)行仿真，對比驗(yàn)證了模糊滑?？刂品椒ㄔ诎胫鲃討壹芸刂浦械膬?yōu)越性。
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(2)
其中，L為活塞有效長度；D為缸體內(nèi)徑；Ap為活塞有效面積；h為孔道直徑；τy為與磁場強(qiáng)度有關(guān)的磁流變液屈服應(yīng)力。
在Simulink中對式(2)進(jìn)行建模，采用正弦激勵，阻尼器力—位移曲線及阻尼力—速度曲線如圖1，圖2所示。仿真結(jié)果表明，MR阻尼器阻尼力隨電流增大而增大，阻尼力與速度具有非線性關(guān)系。由圖可看出阻尼器剛度不可調(diào)，阻尼器阻尼為變化值，即阻尼系數(shù)可調(diào)。
1.2 磁流變半主動懸架模型
如圖3所示，建立2自由度1/4車輛磁流變懸架動力學(xué)模型[5]，動力學(xué)方程為：
(3)
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(5)
其中，
(6)
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使系統(tǒng)簧上質(zhì)量運(yùn)動跟蹤理想模型簧上質(zhì)量運(yùn)動，定義誤差矢量：
(7)
狀態(tài)方程：
(8)
取滑模面：
s=c1e1+e2
(9)
進(jìn)一步得到：
(10)
取等速趨近律：
(11)
控制率為：
fdeq=-kse1+(msc1-cc)e2+c0xr2+msεsgn(s)
(12)
故半主動懸架控制力為：
(13)
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3 仿真分析
為驗(yàn)證模糊滑?？刂破鞯目刂菩Ч贛atlab/Simulink中對懸架控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)值仿真，以正弦信號作為輸入信號，簧上質(zhì)量位移仿真結(jié)果見圖6，圖7，簧上質(zhì)量振動加速度仿真結(jié)果如圖8，圖9所示。由圖6，圖7可以看出，磁流變半主動控制懸架的減振效果比被動懸架減振效果更好，天棚控制由于利用開環(huán)控制，沒有對阻尼力的誤差進(jìn)行反饋控制，導(dǎo)致減振效果與理想控制模型效果相差較多，使被控系統(tǒng)簧上質(zhì)量運(yùn)動跟蹤理想模型簧上質(zhì)量運(yùn)動的滑模控制懸架，采用了閉環(huán)控制，對阻尼器的誤差進(jìn)行了反饋彌補(bǔ)，故控制效果接近于理想模型。從圖8，圖9可以看出，磁流變阻尼器半主動懸架的簧上質(zhì)量加速度明顯低于被動懸架簧上質(zhì)量加速度，且模糊滑?？刂茟壹苡捎趯吔鼌?shù)ε進(jìn)行了模糊控制，降低了系統(tǒng)到達(dá)滑模面時的抖動，故模糊滑?？刂苹缮腺|(zhì)量加速度更小，控制效果更好。
4 結(jié)語
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[1] 王其東，王祺明，陳無畏.磁流變半主動懸架變論域模糊控制研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2009,22(5):512-518.
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Wang Rui1,2
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magnetorheological, semi-active control, semi-active suspension, sliding mode, fuzzy control
1009-6825(2017)03-0221-02
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