何佳琪 劉海龍 黃冬梅

摘要：汽車主動(dòng)懸架主要影響汽車在行駛過(guò)程中對(duì)不平路面所產(chǎn)生顛簸的抑制程度和乘坐的舒適度。構(gòu)建1/4車身主動(dòng)懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合現(xiàn)代控制理論，設(shè)計(jì)汽車主動(dòng)懸架模糊控制器，利用MATLAB/Simulink仿真模塊，在相同的輸入下，對(duì)汽車主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架的車身加速度、懸架動(dòng)擾度以及輪胎動(dòng)變形進(jìn)行性能比較。仿真結(jié)果表明，汽車主動(dòng)懸架模型對(duì)于提高汽車的舒適度和駕駛員的操作的穩(wěn)定性等方面上優(yōu)于被動(dòng)懸架模型。此結(jié)論對(duì)設(shè)計(jì)汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：MATLAB;汽車主動(dòng)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?zhèn)鬟f到車身的沖擊載荷，減輕由此產(chǎn)生的震動(dòng)，是現(xiàn)代轎車十分關(guān)鍵的部件之一。目前，市場(chǎng)上的汽車懸架系統(tǒng)的種類有許多，根據(jù)控制形式不同分為被動(dòng)式懸架、主動(dòng)式懸架;根據(jù)汽車導(dǎo)向機(jī)構(gòu)不同可分為獨(dú)立懸架、非獨(dú)立懸架[5]。隨著微處理器的應(yīng)用，以及作動(dòng)器、變剛度彈簧，減震器等多領(lǐng)域取得的突破。汽車主動(dòng)懸架得到了更多的關(guān)注。

汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)是近十幾年發(fā)展起來(lái)的、由電腦控制的一種新型懸架。它匯集了力學(xué)和電子學(xué)的技術(shù)知識(shí)，是一種比較復(fù)雜的高技術(shù)裝置。例如裝置了主動(dòng)懸架的法國(guó)雪鐵龍桑蒂雅，該車懸架系統(tǒng)的中樞是一個(gè)微電腦，通過(guò)不斷接收傳感器中傳來(lái)的數(shù)據(jù)并與預(yù)先設(shè)定的臨界值進(jìn)行比較，從而選擇相應(yīng)的懸架狀態(tài)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于汽車懸架的研究已經(jīng)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(dòng)變形和懸架動(dòng)繞度作為懸架系統(tǒng)性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)1/4車身主動(dòng)懸架系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型在MATLAB中進(jìn)行仿真測(cè)試，得到其主動(dòng)懸架系統(tǒng)性能的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

2、汽車主動(dòng)懸架模型

汽車懸架系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)力與機(jī)械相結(jié)合的復(fù)雜的多輸入多輸出系統(tǒng)，其實(shí)際振動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)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(lái)代替汽車懸架系統(tǒng)，如圖1所示，并對(duì)以下影響做出假設(shè)：

1）忽略輪胎在行駛過(guò)程中發(fā)生的形變;

2）忽略發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)對(duì)汽車產(chǎn)生的影響;

3）將汽車支撐彈簧以上部分視為剛性簧上質(zhì)量

4）將汽車支撐彈簧以下部分視為簧下質(zhì)量;

5）假定車輛無(wú)側(cè)向位移，只考慮垂直振動(dòng)。

3、模糊控制器的設(shè)計(jì)

模糊控制是以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的，建立在人工經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上的一種智能控制方法，并且不需要對(duì)被控對(duì)象建立精確的數(shù)學(xué)模型，故非常適合應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)這種時(shí)變非線性的復(fù)雜系統(tǒng)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(lái)表示偏差E和偏差變化EC，作為模糊控制器的兩個(gè)輸入變量，將主動(dòng)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?yàn)椋簕-3，-2，-1，0，1，2，3}。

U的論域?yàn)椋簕-3，-2，-1，0，1，2，3}。

3.2 建立隸屬函數(shù)

隸屬度函數(shù)是模糊控制的應(yīng)用基礎(chǔ)，通過(guò)隸屬度函數(shù)，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(shù)形狀多為高斯型或三角形，本文采用三角形隸屬度函數(shù)。

3.3 確定控制規(guī)則

根據(jù)參考文獻(xiàn)[1-5]以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)可得到模糊控制規(guī)則表如表1所示。

4.5 仿真結(jié)果分析

在相同的輸入條件下，將主動(dòng)懸架與被動(dòng)懸架模型的輸出指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，得到的仿真波形圖分別如圖6-8所示，輸出指標(biāo)的均方根和最大值如表2所示。

通過(guò)圖6-8以及表2可以清楚的看出來(lái)，相較于被動(dòng)懸架而言，改善后的模糊控制主動(dòng)懸架對(duì)車身垂直加速度的控制效果有明顯的改善，雖然懸架動(dòng)擾度和輪胎動(dòng)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(guò)程中的平順性和汽車乘坐的舒適度。因此總體來(lái)說(shuō)，模糊控制主動(dòng)懸架模型的設(shè)計(jì)是比較合理的。

5、結(jié)束語(yǔ)

本文以1/4車二自由度的汽車懸架簡(jiǎn)化模型為例，根據(jù)路面等級(jí)分布表以及我國(guó)路況的分布范圍，選取C等級(jí)路面作為參考依據(jù)進(jìn)行輸入信號(hào)的設(shè)計(jì)，且將模糊控制應(yīng)用于汽車懸架上，搭建模糊控制主動(dòng)懸架和被動(dòng)懸架兩種懸架模型進(jìn)行比對(duì)，最終通過(guò)在MATLAB/Simulink中進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)從而驗(yàn)證了模糊控制主動(dòng)懸架的優(yōu)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(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]陳學(xué)文.1/2 汽車主動(dòng)懸架模糊控制器設(shè)計(jì)及Simulink 仿真研究[J].遼寧工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，36（2）：117-121.

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

[3]吳慧峰.基于模糊控制的汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2012，29（3）：363-366

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

[5]馬強(qiáng)杰.半車主動(dòng)懸架系統(tǒng)模糊控制器設(shè)計(jì)[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2019.