李 娜

(商洛學院 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，汽車行駛過程中會出現(xiàn)較大震動[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)過大震動現(xiàn)象，影響乘車人員舒適性[2]。為此，設計主動懸架時，避免主動懸架抖動現(xiàn)象是具有必要性的。針對提出的問題，設計二自由度主動懸架結(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)被廣泛應用于汽車懸架設計之中，包括基于PID控制主動懸架控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個二自由度線性系統(tǒng)，結(jié)合PID控制算法控制主動懸架[3]。然而，該系統(tǒng)受到車輛行駛不規(guī)則影響，導致車身減震效果較差；基于自適應控制主動懸架控制系統(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)，以此控制主動懸架。然而，該系統(tǒng)受到車輪與地面動荷載影響，導致車身減震效果較差。

龐輝[4]等人利用故障調(diào)節(jié)因子表示作動器故障的大小，進而獲得考慮懸架系統(tǒng)質(zhì)量不確定性和作動器故障的車輛主動懸架控制模型，結(jié)合滑?？刂婆c自適應理論，設計合適的滑模面函數(shù)和滑模容錯控制律，以達到故障懸架系統(tǒng)的容錯控制目的，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觀測器的滑?？刂品椒?。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)。在路面激勵位移未知時，設計基于滑?？刂频臄_動觀測器，根據(jù)擾動觀測器的估計值，計算了具有擾動觀測器的滑模控制的1/4汽車模型的控制力。

基于此，結(jié)合模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，設計二自由度主動懸架滑模控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設計

設計的基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的二自由度主動懸架滑模控制系統(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、主動控制模塊、伺服閥、A/D轉(zhuǎn)換器等模塊組成的，控制主動懸掛，該懸掛結(jié)構(gòu)能滿足車體主震動要求的頻率范圍。

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元件與4個液壓缸分別相連，這些液壓缸的動作由伺服閥進行控制。

根據(jù)汽車主動懸掛的具體情況，優(yōu)化設計伺服系統(tǒng)：

(1)把液壓系統(tǒng)并聯(lián)的3個換向閥作為旁通閥，在液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以直接將旁通閥和電磁閥串聯(lián)起來，在電磁閥工作時，可以帶動旁通閥一起工作。通過旁通閥工作于液壓系統(tǒng)上、下兩油腔，就像主動懸掛系統(tǒng)工作一樣[6]。針對液壓缸下腔在活塞上升時的體積增大小于上腔體積變化的實際情況，設計了兩個體積僅0.6升的小型儲油器，用于儲存多余的油。在旁通閥右邊的電磁鐵啟動后，液壓缸上、下腔內(nèi)的油就會釋放流回油箱[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)生相應的磁場，磁場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 自適應減振座椅懸架

自適應減振座椅懸架，如圖2所示。

圖2 自適應減振座椅懸架

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，實現(xiàn)了對車輪加速度的檢測。然后將采集到的數(shù)據(jù)傳遞給主機，由主機下達信號處理指令[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強度也隨之改變，由此獲得理想的阻尼系數(shù)，實現(xiàn)減振座椅懸架的自適應控制。

2 系統(tǒng)軟件部分設計

2.1 二自由度主動懸架滑模控制模型構(gòu)建

構(gòu)建的二自由度主動懸架滑?？刂颇Ｐ停鐖D3所示。

圖3 二自由度主動懸架滑?？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)牛頓定律可計算懸架彈性元件受到的力，計算公式為：

(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均表示額定負載與功率實際阻抗比值；u表示主動作用下的控制力；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均表示主動懸架位移發(fā)生的位移。

將 1/4 主動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，滑模控制的切換函數(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，導致實際系統(tǒng)不能單純由等效控制器進行控制。需要進行約束分析。

2.2 控制目標及約束條件分析

主動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)整座位的主動懸架系統(tǒng)，通過輪胎加速度、懸架動力行程和動力位移來確定。

1)輪胎加速度：

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

2)懸架動力行程：

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

3)懸架動力位移：

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

懸掛系統(tǒng)的設計除滿足基本目標要求外，滿足約束條件實現(xiàn)目標優(yōu)化。

約束條件為：1)為確保胎面具有良好的附著性能，應確定輪胎的靜態(tài)載荷比動載荷大；2)為了避免懸掛系統(tǒng)受到破壞，懸掛動力行程要小于汽車動態(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懸掛控制的最大輸出力。

2.3 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制方案設計

主動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，不能有效地實現(xiàn)簡單等效控制。因此，為了避免車身抖振，引入模糊神經(jīng)網(wǎng)絡，克服系統(tǒng)的不確定因素影響，有效抑制了高頻振動。

因為模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)是冗余的，所以對網(wǎng)絡進行裁剪以降低網(wǎng)絡的復雜度。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，再利用動態(tài)負載平衡機制來完成編程輸出。當輸出與輸入誤差最大時，模糊控制系統(tǒng)具有較高的自校正精度。對于模糊控制系統(tǒng)的自校正，誤差是根據(jù)輸入值的大小來計算的，當誤差小于某一數(shù)據(jù)的標準值時，系統(tǒng)可以滿足自校正要求。

對于小連通度參數(shù)，在每次訓練之前設置一個閾值，并及時刪除閾值以下的特征，使模糊神經(jīng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)逐步轉(zhuǎn)化為具有迭代訓練特征的稀疏網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。在此基礎上，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡設計了主動懸架滑膜控制方案，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，訓練樣本數(shù)據(jù)；

2)計算網(wǎng)絡權(quán)值，確定目標最小值，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)絡連接權(quán)值，確定每層網(wǎng)絡最小數(shù)量的網(wǎng)絡連接；

4)將特征向量輸入分類器，輸出分類結(jié)果；

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

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

3 試驗

為了驗證基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的二自由度主動懸架滑?？刂葡到y(tǒng)性能，在Matlab上進行試驗分析。懸架系統(tǒng)中的橡膠元件的靜、動態(tài)特性的測試是通過 MTS 試驗臺進行的。

圖5 測試平臺及試驗夾裝方式

3.1 車輛參數(shù)

充分考慮車輛主動懸架系統(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)境下進行試驗驗證。

3.2 試驗結(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，主動懸架車體震動加速度功率譜密度如圖6所示。

圖6 主動懸架車體震動加速度功率譜密度

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

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

圖7 3種系統(tǒng)車體震動加速度功率譜密度對比

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

4 結(jié)束語

針對二自由度主動懸架滑模控制系統(tǒng)設計了模糊神經(jīng)網(wǎng)絡控制模型，實現(xiàn)二自由度主動懸架滑?？刂啤Ｓ稍囼烌炞C了該系統(tǒng)設計的合理性，能夠有效控制阻尼，使車輛舒適性得到明顯改善。針對滑膜控制系統(tǒng)的研究內(nèi)容，僅進行了二自由度主動懸架的滑?？刂品抡嬖O計，實際的汽車懸架結(jié)構(gòu)比仿真模型復雜得多，在進行滑模控制時，不可避免地會出現(xiàn)振動問題，造成乘車人員極不舒服。針對這個問題，需要建立多自由度的懸掛模型，改善滑膜控制振動。