空气悬架系统的模糊控制与仿真

作者:陈龙;朱兴华;汪若尘;赵华伟 刊名:机械设计与制造 上传者:温雅梅

【摘要】针对1/4空气悬架模型,设计了一多输入多输出的模糊控制器,对空气悬架系统空气弹簧刚度和减振器阻尼进行集成控制,并利用MATLAB/SMULINK软件进行仿真研究。从结果中可以看出,与被动空气悬架比较,该控制策略下的空气悬架能降低簧上质量加速度,具有较好的鲁棒性,使车辆平顺性有一定程度的提高,为空气悬架的集成控制提供了理论依据。

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1引言汽车主动悬架可以明显改善乘坐舒适性和操纵稳定性,但成本高、功率消耗大,在当前技术条件下,主动悬架很难在汽车上得到广泛应用,主要应用对象为数量较少的高档轿车。近年来发展起来的电控空气悬架,同时具备主动悬架、半主动悬架和被动悬架的特性。其阻尼和刚度可以根据汽车的行驶工况自动调节,具备主动悬架的特征。调节过程不需要补充能量,是典型的半主动悬架的特征[1]。由于该类悬架成本低,性能优越,近年来很快在大型载货汽车、公交车,中高档轿车上采用。从能量消耗、生产成本及使用性能三个方面综合考虑,电控空气悬架必将成为汽车悬架的主导产品。针对1/4汽车悬架系统的动态特性,将现代控制理论运用于空气悬架控制,对空气弹簧的刚度和减振器的阻尼进行集成控制。通过推导刚度和阻尼之间的耦合关系,确定模糊控制规则,从而实现刚度和阻尼的同时调节。最终达到使汽车空气悬架自动控制系统根据不同的路面条件、不同的载荷、不同的行驶速度等行驶工况,有效地控制车身加速度,使整车具有更好的舒适性的目标。2系统模型的建立汽车是一个复杂的振动系统。研究在垂直方向上的振动对汽车平顺性的影响时,将汽车简化为二自由度的线性振动分析模型[2]。建模时,车厢、底盘和载荷等近似处理为只有质量而无弹性的刚体;忽略轮胎变形过程中的阻尼值,近似为一个单自由度弹簧。1/4汽车悬架力学模型,如图1所示。图中:m2簧载质量;m1非簧载质量;k空气弹簧刚度与空气弹簧状态有关;kt控制量;kt轮移;x2方程如B=0ktm10C=km2cm2-mk2-mc2-1100kt0D=00-kt0U=[x0]3空气悬架刚度与阻尼的关系从直观上说,汽车车身的垂直振动是由悬架系统传来的力引起的,其中悬架受力可用下式描述[5]:F=-c(x觶2-x觶1)-k(x2-x1)(3)为了能更好地起到减振的作用,只要最大限度地减小传到车体的力,由式(3)可知,悬架在振动过程中,弹簧力k(x2-x1)和阻尼力c(x觶2-x觶1)的方向会出现相反或相同两种情况。理论上,当弹簧力和阻尼力同向时,可把阻尼系数C设为零;当弹簧力和阻尼力反向时,就把阻尼系数C设为恰好抵消弹簧力的数值。但这在实际运用中是很难实现的。结合实际情况,选用具有软硬两挡的可调阻尼减振器。当弹簧力和阻尼力同向时,使减振器处于软状态;当弹簧力和阻尼力反向时,使减振器处于硬状态。4空气悬架系统模糊控制器设计模糊控制器结构,如图2所示。图2模糊控制器结构对于空气悬架的模糊控制系统,本文选用了二输入二输出的模糊控制器。选取悬架动挠度E及其变化率EC作为模糊控制器的输入变量,空气悬架系统空气弹簧刚度K减振器阻尼C作为模糊控制器的输出变量。输入变量及输出变量K取5个语言值,即正大(PB)、正小(PS)、零(ZE)、负小(NS)、负大(NB),输出变量C取2个语言值,即正大(PB)、正小(PS),共25条控制规则,输入变量和输出变量的模糊子集均采用三角形隶属函数。隶属函数论域均取[-6,6]。模糊控制规则是模糊控制器的重要组成部分,它用语言的方式描述了控制器输入量和输出量之间的关系。模糊规则的形式是“若A且B则C且D”语句。其中误差用A表示,误差变化率用B表示,而控制量用C和D表示。模糊规则表建立的基本思想是:当悬架动挠度的误差为负大的时,此时若误差变化量为负,有负向增大的趋势,为尽快消除已有的负大误差并抑制误差的变大,空气弹簧刚度取正大。此时空气弹簧力和减振器阻尼力同向,减振器阻尼取大值。当误差为负而其变化量为正时,系统本身己有减小误差的趋势,所以为尽快消除悬架动挠度的误差又不超调,应取空气弹簧刚度为

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