汽车悬架并联式模糊PID控制的仿真研究

结 合 牛 顿 定 律 ，建 立 两 自 由度 悬 架 系统 运 动
微 分方程 为 ：
２２ 模 糊控 制器 设计 ＿
２２１ ＿＿输入变量和输 出变量及 其论域确定
将 车 身 速 度 视 为 误 差 ，加 速 度视 为误 差 变 化 率 ，作 为 模 糊 控 制 器 的 两 个 输 入 变 量 。以悬 架 的 动 力 装置 产 生 的 作 用 力为 输 出 变量 。１４ 体 选 择 ／车
控 制 方 式 的 复 合 控 制 是 较 为 理 想 的控 制 方 法 。将
模 糊控 制 和 Ｐ Ｄ控 制 结 合组 成 的 模 糊Ｐ Ｄ复 合控 制 Ｉ Ｉ
究 ，对 汽车 悬 架 系统进 行 简化 处理 ， 假 定 ：１ ）将
车 身 、载 重 、地 盘 等视 为 刚 体 ， 只有 质 量 ， 没 有 弹性 ；２忽 略发 动 机 和传 动 系 等对 车 身 的影 响 ； ３ ） ）
摘
要 ：以汽车悬 架作为研究对象 ，通过 对其受力特点分析 ，建 立了二自由度 １ 汽车车体主动悬架模 ／４
型及 动力学模型 ，在汽车悬 架常规ＰＤ 制器的基础上 ，加入模 糊控制算法 ，设计 了车辆 主动 Ｉ 控 悬架 的并联 式模糊 ＰＤ Ｉ控制 器 ，在 ＭＡＴ ＡＢ ｓｍｕ ｎ 仿 真环境 中 ，构建 了针对悬 架的被 动控 Ｌ ／ ｉ ¨ｋ
中图分类号 ：Ｔ ７ Ｐ２ ３ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１ ０ — １ ４ ２ １ ） ５上 ） ｌ ２ ０ ９ ０ （ ０ ０ （ －ｏ － ４ ０ ３ ２ ０
Ｄ ｉ１ ． ９ ９ Ｊｉｓ ．０ ９ １ ４ ２ １ ．（ ） ３ ｏ ： ３ ６ｌ ． ｎ １ ０ －０ ．０ ５ 上 ． ２ ０ ／ ｓ ３ ２
制 、模糊控 制 、ＰＩ控制 、并联式模 糊ＰＩ控制仿真 模型 ，在相 同的输入 条件下 ，对各种 控制 Ｄ Ｄ 模 型下的 汽车悬 架的垂 直速度 与垂直 加速度 的进行 仿真 比较。仿 真结果 表明采用 并联 式模糊 ＰＩ复 合控制策 略具有更 好的控制效果 ，在提 高车 辆乘坐的舒适 性和操纵 的稳定性方 面具有明 Ｄ 显的优 势。该研究对汽车主 动悬架控制系统的设计 和应用具有一定参考 价值 。 关键 词 ：主动 悬架 ；并联式 ；模 糊ＰＤ；仿 真 Ｉ
０ ０ 一
卅 １ ２
默认 值 。本文 采 用的模 糊 控制 规则 如表 ｌ 示 。 所
表 １模糊控制规则
。
ｌ
Ｂ＝ ０ ０
ｋ ，
卅
ｋ ２
ｍ
ｋ ２
Ｃ
ｍ２
Ｃ
ｍ２
Ｃ＝ ０
０
。：
０ ０
０
ｌ
ｌ
０
１０ ００ Ｔ ｌ
［０ ］ 第３ 卷 １ ２ ４
第５ 期
２１— ５上 ） ０２ ０ （
１ 匐 似 造
２ 模糊Ｐ Ｄ 制器 设计 Ｉ控
皿
２１ 并 联式 模糊 ＰＩ ． Ｄ复合 控 制系统 设计
并 联 式 模 糊 Ｐ Ｄ复 合 控 制 系统 原 理 框 图如 图２ Ｉ
所示。
Ｉ ｕ 申
其 中：ｍ ，ｍ — 非 簧 载 质量 和 簧 载质 量 ； —
ｋ ，ｋ ， ２—— 轮 胎 刚 度 和 悬 架 弹 簧 刚 度 ；Ｚ ，Ｚ ， ０ ｌ ｚ — 地 面 、轮 胎和 车 身 的垂 直位 移 ；ｃ — 悬 架 — —
等 效阻 尼 系数 ：Ｕ— — 主 动控 制 力 。
制 系统 、ＰＤ控制 系统 和 常规 被 动 系统 进 行 对 比仿 Ｉ
真 研 究 ，仿 真 结果 表 明 ，采 用 此 并联 式 模 糊Ｐ Ｄ复 Ｉ 合 控 制 系 统 ，能 够 满 足 非 线 性 时 变 悬 架 系 统 的 控
悬 架施 加 相 应 作 用力 来 改 善悬 架 的 特性 ， 期
２ １ － ５ 上 ） ［０ １ ０ ２ ０ （ １ ３
Ｉ
２３ Ｐｌ 制 系统 设计 及参 数 优 化 ． Ｄ控
Ｐ Ｄ控 制 系统 仿真 模型 如 图３ Ｉ 所示 。
ｌ 似 Ｉ ３
３３ 仿真 结 果及 分析 ．
选 用 汽 车 车 身 垂 直 速 度 、 加 速 度 为 反 馈 对 象 ，分 别两 种 随 机 信 号 模 拟 路 面 输 入 ， 对 并 联 式 模 糊 Ｐ Ｄ复合 控 制 系 统 、模 糊控 制 系统 、Ｐ Ｄ控 制 Ｉ Ｉ
制 要 求 ，具 有 比单 一 的Ｐ Ｄ控 制 或 模糊 控 制 更 好 的 Ｉ
控 制 效果 。
１ 两 自由度 １ 车体 模型 的建 立 ／ ４
汽 车 本 身 是 一 个 复 杂 的 振 动 系统 ， 涉 及 内容 多 ， 面 积 广 ，如 单 从 某 一 方 面考 虑 ， 建 立 其 悬 架 数 学 模 型 非 常 复 杂 ， 为 方 便 对 其 控 制 策 略 的 研
对 主 动 悬 架 系 统 进 行 控 制 。为 确 定最 优 控 制 系数
ｋ 、ｋ 、ｋ ，设 计 中 利 用ＭＡＴ ＡＢ Ｓｍｕｉｋ 仿 ｐ ｉ ｄ Ｌ ／ｉ ｌ 在 ｎ
真 模 型 中 加 入 响 应 优 化 模 块 ， 即 图 中 的Ｒｅ ｐ ｎ ｅ ｓ ｏ ｓ
Ｓ ｅ ｉｉａｉｎ 块 ， 根 据 经 验 ， 结 合 悬 架 受 力 特 ｐ ｃｆ ｔ 模 ｃ ｏ
悬 架 系统 的简化 模 型 ，如 图 １ 所示 。
可 靠 的 控 制 效 果 。 常用 的模 糊 Ｐ Ｄ控 制 器 主要 有 】 Ｉ 两种 类型 ，一 种 是模 糊 增 益调 整 ＰＤ控 制 器 ，这种 Ｉ 控 制器 利 用 模 糊 规则 和 推 理 来对 ＰＤ参 数 进 行 在线 Ｉ
Ｘ （ｌ２ ３ ４ ＝ ｘ， ， ， ） ＸＸＸ
个 双输 入单 输 出 的模糊 控制 器 。
定 义 变 量 Ｅ、ＥＣ和 Ｕ的 模 糊 集 及 其 论 域 ：Ｅ
以汽 车 车 身 垂 直 加 速 度 、速 度 和 位 移 为 输 出 量 ，则 有Ｙ＝ ｙ，２ ３ ，其 中 ， ｙ＝艺 ，ｙ＝三 ， （１ ， ） Ｙ Ｙ ｌ ２ ２ ２
ｌ
匐 似
汽车悬 架并联 式模糊ＰＤ 制的仿真 研究 Ｉ控
Ｖｅｈｉ ｅ ｃｌ ｓｕｓｐｅｎｓｉ ｏｎ ｐａｒ ｌ ｕｚｚｙ－ Ｄ ａｌｅＩｆ ＰＩ ｃｏｎｔ ｏｌｓｉ ｕｌ ｉ ｒ ｍ ａｔ ｏｎ
吴 慧峰
Ｗ Ｕ Ｈｕ ．ｅ ｇ ｉ ｎ ｆ
（ 桂林航天工业 高等专科学校 ，桂林 ５ １ ０ ４ ０ ４）
ｍｌ 一
图２ 并 列 式 模 糊 Ｐ Ｄ控 制 系统 Ｉ
控 制器 是 由传 统 的Ｐ Ｄ控制 器 与模 糊 控制 器 并 Ｉ
图 １ 悬 架 系 简 化 模 型
联构 成 ，取 悬 架 垂直 速 度作 为输 入 信 号ｒ（） ，分 ｔ 别 经 模糊 控 制器 和 ＰＤ控制 器 后 得到 的 控 制 力Ｕ和 Ｉ ． Ｕ，叠加 取 和后 作为 悬 架 系统 的控制 力 。结 合两 个 ： 控 制 器 自身 优 势 ，同 时 作 用 给 被 控 对 象 ， 可提 高 其舒 适性 和平 顺 性 。
传 统 的被 动 悬 架 结构 简 单 、参 数 固定 ， 能 根 不
据 行驶 路 况 的变 化 进 行 适 时 自动调 节 ， 而不 能 满 从 足 乘 坐 舒 适 性 和 操 纵 稳 定 性 的 要 求 。主 动 悬 架 可 以 通过 外 加 可 控动 力 装 置 ， 据路 况 的 变化 适 时 对 根
一
ｍ２２ ｋ （ｌ ｚ ） — ２＋ ＝ ２ｚ— ２＋Ｃ（１ ） Ｚ
（） １
ｍ１ｌ ｋ （ ｌ ２＋Ｃ（ ２ ２） ｌＺ － １一 ＝ ２ —Ｚ ） ２ － １十七（ ０ Ｚ） Ｕ （ ２）
选 取 状 态 变 量 ：Ｘ ＝ ｌ ２ ｚ，３ １Ｘ １ ， ｔｚ， ＝ ２ ＝ ，４－ 则 Ｘ Ｘ ￣ ２
的 模 糊 集为 ： ｛ ＮＢ，ＮＭ ，ＮＳ ，ＮＯ，Ｐ Ｏ，Ｐ ， Ｓ Ｐ ，Ｐ ：ＥＣ和 Ｕ的 模 糊 集 为 ： ｛ Ｍ Ｂ） ＮＢ， ＮＭ ，
ＮＳ ，Ｚ Ｏ，Ｐ ，Ｐ ，Ｐ ；Ｅ Ｓ Ｍ Ｂｌ 、Ｅ Ｃ和Ｕ的论 域 为 ： ｛５ ４ ３ ２ ｌ ，１ ，３ ，５ 。其 中， 一 ，一，一，一，一，０ ，２ ，４ ｝
坐 的舒 适性 和 安全 性 要 。 目前 ，主动 悬 架 的 控制 策 略 主要 有Ｐ Ｄ控 制 、 Ｉ 模 糊 控 制 、 神 经 网 络 控 制 等 。 由 于 车 辆 悬 架 系 统 具 有 扰 动 大 、 非 线 性 时 变 的特 点 ， 采 用 单 一 的 控
制 策 略 难 以取 得 理 想 的 控 制 效 果 ， 采 用 两种 以 上
系统 ， 具 模 糊控 制 和Ｐ Ｄ控 制 的优 点 ， 与单 纯 的 兼 Ｉ
模 糊 控 制 系统 及Ｐ Ｄ控 制 系 统 相 比 ， 有更 加 稳 定 Ｉ 具
将 汽 车 支 撑 弹 簧 以上 部 分 视 为 刚 性 簧 上 质 量 ， 将 汽 车支 撑 弹簧 以下 部 分视 为 簧下 质 量 ；４假 定轮 胎 ） 在 行驶 中无 变 形 ：５ ）假 定汽 车 行 驶 中无 动 挠 度 变 化 。根 据 以上 假 设 ，建 立 １／４ 车 模 型 两 自 由度 汽
系统 和 常 规 被 动 控 制 系统 进 行 同 步仿 真 。仿 真 时
长 设 为２ 。 ｓ
１ ）输 入 频 率 为０２ 振 幅 ０ １ ．Ｈｚ ．ｍ的 随 机 信 号 ，
图３ＰＤ Ｉ 控制系统仿喜模型
Ｐ Ｄ控 制 器 是 以车 身 垂 直 加 速 度 为 反 馈 量 ， Ｉ
得 到 不 同 控 制 系 统 下 的悬 架 垂 直 速 度 和 加 速 度 响 应 ，如 图５ 图６ 示 。 、 所
点 ， 用试 探 法 设 置 部 分 响 应 参数 ，设 置 好 响应 参