李 娜

(商洛學(xué)院 信息中心，陜西 商洛 726000)

0 引言

在車輛行駛過程中，良好的主動(dòng)懸架模式能夠保證乘坐人員舒適性，如果車輛座椅懸架系統(tǒng)優(yōu)化性能較差，受路面行駛條件的影響，汽車行駛過程中會(huì)出現(xiàn)較大震動(dòng)[1]。尤其是一些大型的重型車、工程車和農(nóng)用車等，在行駛條件差、載重量大的狀態(tài)下，容易出現(xiàn)過大震動(dòng)現(xiàn)象，影響乘車人員舒適性[2]。為此，設(shè)計(jì)主動(dòng)懸架時(shí)，避免主動(dòng)懸架抖動(dòng)現(xiàn)象是具有必要性的。針對(duì)提出的問題，設(shè)計(jì)二自由度主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)，保證其在凹凸不平路面下，也能具有良好行駛效果。

近年來，許多控制系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于汽車懸架設(shè)計(jì)之中，包括基于PID控制主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)二自由度線性系統(tǒng)，結(jié)合PID控制算法控制主動(dòng)懸架[3]。然而，該系統(tǒng)受到車輛行駛不規(guī)則影響，導(dǎo)致車身減震效果較差；基于自適應(yīng)控制主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合簧上加速度，調(diào)整濾波器權(quán)重系數(shù)，以此控制主動(dòng)懸架。然而，該系統(tǒng)受到車輪與地面動(dòng)荷載影響，導(dǎo)致車身減震效果較差。

龐輝[4]等人利用故障調(diào)節(jié)因子表示作動(dòng)器故障的大小，進(jìn)而獲得考慮懸架系統(tǒng)質(zhì)量不確定性和作動(dòng)器故障的車輛主動(dòng)懸架控制模型，結(jié)合滑模控制與自適應(yīng)理論，設(shè)計(jì)合適的滑模面函數(shù)和滑模容錯(cuò)控制律，以達(dá)到故障懸架系統(tǒng)的容錯(cuò)控制目的，基于Lyapunov穩(wěn)定性理論分析懸架系統(tǒng)安全約束性能。秦武[5]等人提出了具有擾動(dòng)觀測(cè)器的滑模控制方法。由1/4汽車模型中簧載質(zhì)量的受力平衡條件，得到了1/4汽車模型的二階線性控制系統(tǒng)。在路面激勵(lì)位移未知時(shí)，設(shè)計(jì)基于滑模控制的擾動(dòng)觀測(cè)器，根據(jù)擾動(dòng)觀測(cè)器的估計(jì)值，計(jì)算了具有擾動(dòng)觀測(cè)器的滑?？刂频?/4汽車模型的控制力。

基于此，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)二自由度主動(dòng)懸架滑?？刂葡到y(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二自由度主動(dòng)懸架滑模控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1可知，該系統(tǒng)是由車體部分、車輪部分、主動(dòng)控制模塊、伺服閥、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊組成的，控制主動(dòng)懸掛，該懸掛結(jié)構(gòu)能滿足車體主震動(dòng)要求的頻率范圍。

1.1 液壓伺服系統(tǒng)

將汽車的左前懸掛、右懸掛、左后懸掛和右懸掛被動(dòng)元件與4個(gè)液壓缸分別相連，這些液壓缸的動(dòng)作由伺服閥進(jìn)行控制。

根據(jù)汽車主動(dòng)懸掛的具體情況，優(yōu)化設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)：

(1)把液壓系統(tǒng)并聯(lián)的3個(gè)換向閥作為旁通閥，在液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以直接將旁通閥和電磁閥串聯(lián)起來，在電磁閥工作時(shí)，可以帶動(dòng)旁通閥一起工作。通過旁通閥工作于液壓系統(tǒng)上、下兩油腔，就像主動(dòng)懸掛系統(tǒng)工作一樣[6]。針對(duì)液壓缸下腔在活塞上升時(shí)的體積增大小于上腔體積變化的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了兩個(gè)體積僅0.6升的小型儲(chǔ)油器，用于儲(chǔ)存多余的油。在旁通閥右邊的電磁鐵啟動(dòng)后，液壓缸上、下腔內(nèi)的油就會(huì)釋放流回油箱[7]。

(2)電液伺服系統(tǒng)中，為了有足夠的空間存放各種設(shè)備，需要將蓄電池懸掛在汽車油箱附近以減少蓄電池占用的空間。

1.2 磁流變阻尼器

通過對(duì)圓柱形活塞腔及下腔注入工作液的方法，使磁化流變液充滿腔體，在活塞槽內(nèi)纏繞線圈，由活塞桿中心的線圈孔引出[8]。磁流變阻尼器通過線圈引出不同電流，產(chǎn)生相應(yīng)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)中磁阻尼特性的變化，決定了阻尼器的阻尼力，并通過調(diào)整電流大小來控制其變化[9]。

1.3 自適應(yīng)減振座椅懸架

自適應(yīng)減振座椅懸架，如圖2所示。

圖2 自適應(yīng)減振座椅懸架

由圖2可知，該結(jié)構(gòu)是由車體、車輪、控制器、功率放大器、稱重傳感器組成的，首先通過稱量傳感器獲取車身重量，將其與彈簧系數(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輪加速度的檢測(cè)。然后將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給主機(jī)，由主機(jī)下達(dá)信號(hào)處理指令[10]。通過調(diào)整線圈，磁流變阻尼器內(nèi)部電流發(fā)生變化。電流變化促使磁感應(yīng)強(qiáng)度也隨之改變，由此獲得理想的阻尼系數(shù)，實(shí)現(xiàn)減振座椅懸架的自適應(yīng)控制。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)

2.1 二自由度主動(dòng)懸架滑模控制模型構(gòu)建

構(gòu)建的二自由度主動(dòng)懸架滑?？刂颇Ｐ?，如圖3所示。

圖3 二自由度主動(dòng)懸架滑?？刂颇Ｐ?/p>

由圖3可知，該模型是由質(zhì)量模塊、彈簧、阻尼和控制力組成的，依據(jù)牛頓定律可計(jì)算懸架彈性元件受到的力，計(jì)算公式為：

(1)

公式(1)中，k11、k12均表示荷載增量與變形增量之比；g表示重力加速度；k1、k2均表示彈簧勁度系數(shù)，與彈簧材質(zhì)有關(guān)；c1、c2均表示額定負(fù)載與功率實(shí)際阻抗比值；u表示主動(dòng)作用下的控制力；m1、m2分別表示彈簧質(zhì)量和其他零件質(zhì)量；xs、xu分別表示車身和輪胎相對(duì)于地面變化的位移；q表示路面不規(guī)則度；x1、x2均表示主動(dòng)懸架位移發(fā)生的位移。

將 1/4 主動(dòng)懸架模型和參考模型的車身垂直位移差和輪胎垂直位移差作為系統(tǒng)參量，定義兩個(gè)狀態(tài)的跟蹤誤差為：

(2)

式中，x1d(t)、x3d(t)表示x1(t)、x3(t)的期望參考軌跡，滑?？刂频那袚Q函數(shù)表示如下：

(3)

其中λ1、λ2、μ1、μ2是滑模面參數(shù)。在滑模面上滿足s(t)=0。

實(shí)際系統(tǒng)存在諸多不確定性并且反饋回路往往受到環(huán)境噪聲的干擾，導(dǎo)致實(shí)際系統(tǒng)不能單純由等效控制器進(jìn)行控制。需要進(jìn)行約束分析。

2.2 控制目標(biāo)及約束條件分析

主動(dòng)懸架雙自由度滑膜控制，旨在保證車輛在安全行駛條件下，乘坐人員有一定的舒適度。在主動(dòng)懸架結(jié)構(gòu)中，為了給乘客提供舒適，需要通過調(diào)整座位的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，通過輪胎加速度、懸架動(dòng)力行程和動(dòng)力位移來確定。

1)輪胎加速度：

駕駛者和乘客身體在垂直方向上的震動(dòng)加速度是衡量駕駛舒適度的主要指標(biāo)，也就是說，座椅質(zhì)心處的震動(dòng)加速度要盡可能小。

2)懸架動(dòng)力行程：

懸架動(dòng)力行程是衡量乘坐人員舒適度的一項(xiàng)重要指標(biāo)，其與懸架動(dòng)力位移密切相關(guān)。懸架動(dòng)力行程越長(zhǎng)，說明汽車行駛過程中出現(xiàn)的震動(dòng)現(xiàn)象吸收能力就越強(qiáng)，為了避免動(dòng)行程過大影響乘坐的舒適度，應(yīng)延長(zhǎng)懸架動(dòng)力行程。

3)懸架動(dòng)力位移：

懸架動(dòng)力位移是衡量乘坐人員舒適度的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，其與地面附著力密切相關(guān)。懸架動(dòng)力位移指的是伸縮距離最低到最高點(diǎn)變化的距離，該距離是可以通過減小車胎動(dòng)態(tài)位移來調(diào)節(jié)的。懸架動(dòng)力位移越長(zhǎng)，說明汽車行駛過程中出現(xiàn)的震動(dòng)現(xiàn)象吸收能力就越強(qiáng)，為了避免動(dòng)行程過大影響乘坐的舒適度，應(yīng)縮短懸架動(dòng)力行程。

懸掛系統(tǒng)的設(shè)計(jì)除滿足基本目標(biāo)要求外，滿足約束條件實(shí)現(xiàn)目標(biāo)優(yōu)化。

約束條件為：1)為確保胎面具有良好的附著性能，應(yīng)確定輪胎的靜態(tài)載荷比動(dòng)載荷大；2)為了避免懸掛系統(tǒng)受到破壞，懸掛動(dòng)力行程要小于汽車動(dòng)態(tài)行駛的偏轉(zhuǎn)行程范圍；3)為使滑膜控制系統(tǒng)在理想工作狀態(tài)下工作，需要保證控制力小于主動(dòng)懸掛控制的最大輸出力。

2.3 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方案設(shè)計(jì)

主動(dòng)懸架雙自由度滑膜控制系統(tǒng)要求模型精確，無外界干擾，但實(shí)際系統(tǒng)中存在很多不確定性，反饋回路受環(huán)境噪聲干擾大，不能有效地實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等效控制。因此，為了避免車身抖振，引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，克服系統(tǒng)的不確定因素影響，有效抑制了高頻振動(dòng)。

因?yàn)槟：窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)是冗余的，所以對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行裁剪以降低網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度。模糊控制規(guī)則如圖4所示。

圖4 模糊控制規(guī)則

如圖4所示，該模糊控制器通過接收輸入的程序語句，并通過電壓控制指令和電流傳輸來調(diào)整誤差，再利用動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡機(jī)制來完成編程輸出。當(dāng)輸出與輸入誤差最大時(shí)，模糊控制系統(tǒng)具有較高的自校正精度。對(duì)于模糊控制系統(tǒng)的自校正，誤差是根據(jù)輸入值的大小來計(jì)算的，當(dāng)誤差小于某一數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，系統(tǒng)可以滿足自校正要求。

對(duì)于小連通度參數(shù)，在每次訓(xùn)練之前設(shè)置一個(gè)閾值，并及時(shí)刪除閾值以下的特征，使模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)化為具有迭代訓(xùn)練特征的稀疏網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)了主動(dòng)懸架滑膜控制方案，其控制參數(shù)并非最終控制參數(shù)，而是連接的權(quán)重，具體控制步驟如下所示：

1)初始化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)；

2)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，確定目標(biāo)最小值，如下所示：

Q={K|g(K)>0}

(4)

公式(4)中，g(K)表示約束條件，K表示趨近律系數(shù)。

3)依據(jù)約束條件，刪除小于閾值的網(wǎng)絡(luò)連接權(quán)值，確定每層網(wǎng)絡(luò)最小數(shù)量的網(wǎng)絡(luò)連接；

4)將特征向量輸入分類器，輸出分類結(jié)果；

5)在確定了目標(biāo)函數(shù)和約束條件之后，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出最佳個(gè)體。在數(shù)據(jù)不斷更新的過程中，經(jīng)過迭代，最終達(dá)到最佳目標(biāo)；

6)以實(shí)現(xiàn)滑膜控制為目的，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化模糊控制器參數(shù)。

3 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二自由度主動(dòng)懸架滑?？刂葡到y(tǒng)性能，在Matlab上進(jìn)行試驗(yàn)分析。懸架系統(tǒng)中的橡膠元件的靜、動(dòng)態(tài)特性的測(cè)試是通過 MTS 試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行的。

圖5 測(cè)試平臺(tái)及試驗(yàn)夾裝方式

3.1 車輛參數(shù)

充分考慮車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)和路面行駛條件，確定車輛參數(shù)，如表1所示。

表1 車輛參數(shù)

根據(jù)已經(jīng)確定的參數(shù)，在Matlab環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

將車速參數(shù)相結(jié)合，車輛行駛速度為每小時(shí)60公里，行駛過程中存在5.0×10-3(m/s)的白噪聲，在此情況下，主動(dòng)懸架車體震動(dòng)加速度功率譜密度如圖6所示。

圖6 主動(dòng)懸架車體震動(dòng)加速度功率譜密度

由圖6可知，從1 Hz到10 Hz頻率變化范圍內(nèi)，主動(dòng)懸架車體震動(dòng)出現(xiàn)了較大的衰減變化。

基于上述實(shí)際數(shù)據(jù)，分別使用基于PID控制主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)、基于自適應(yīng)控制主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)和基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二自由度主動(dòng)懸架滑模控制系統(tǒng)對(duì)車體震動(dòng)加速度功率譜密度進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 3種系統(tǒng)車體震動(dòng)加速度功率譜密度對(duì)比

由圖7可知，使用基于PID控制的主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)，其功率譜密度與實(shí)際情況不一致，從1 Hz到10 Hz頻率變化范圍內(nèi)，主動(dòng)懸架車體震動(dòng)衰減變化不明顯，從最初的1.6 ms-2到最終的0.7 ms-2。使用基于自適應(yīng)控制的主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)，其功率譜密度與實(shí)際情況不一致，從1 Hz到10 Hz頻率變化范圍內(nèi)，主動(dòng)懸架車體震動(dòng)衰減變化比基于PID控制主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)明顯，從最初的0 ms-2到最終的0.5 ms-2。使用基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二自由度主動(dòng)懸架滑?？刂葡到y(tǒng)，從最初的0 ms-2到最終的1.5 ms-2，其功率譜密度與實(shí)際情況一致，主動(dòng)懸架車體震動(dòng)衰減變化明顯。

4 結(jié)束語

針對(duì)二自由度主動(dòng)懸架滑?？刂葡到y(tǒng)設(shè)計(jì)了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模型，實(shí)現(xiàn)二自由度主動(dòng)懸架滑?？刂啤Ｓ稍囼?yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，能夠有效控制阻尼，使車輛舒適性得到明顯改善。針對(duì)滑膜控制系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容，僅進(jìn)行了二自由度主動(dòng)懸架的滑?？刂品抡嬖O(shè)計(jì)，實(shí)際的汽車懸架結(jié)構(gòu)比仿真模型復(fù)雜得多，在進(jìn)行滑?？刂茣r(shí)，不可避免地會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)問題，造成乘車人員極不舒服。針對(duì)這個(gè)問題，需要建立多自由度的懸掛模型，改善滑膜控制振動(dòng)。