車輛磁流變半主動懸架模糊滑模控制★

王 瑞

(1.合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009； 2.安徽交通職業技術學院，安徽 合肥 230051)

車輛磁流變半主動懸架模糊滑模控制★

王 瑞1，2

(1.合肥工業大學機械工程學院，安徽 合肥 230009； 2.安徽交通職業技術學院，安徽 合肥 230051)

為提高半主動懸架減振效果，將結合模糊控制理論的滑模控制算法應用于磁流變半主動懸架控制中，并通過Matlab/Simulink建立了磁流變阻尼器及懸架動力學模型，同時進行了仿真分析，結果表明，采用模糊滑模控制策略優于傳統控制策略。

磁流變，半主動控制，半主動懸架，滑模控制，模糊控制

0 引言

主動懸架結構復雜，成本高，而半主動懸架結構簡單，成本低，控制效果接近主動控制懸架，故在近些年得到廣泛關注[1-3]。磁流變阻尼器是一種以磁流變液為減振液的半主動阻尼器，可改變控制電流使阻尼適應路況的變化，從而改善懸架的減振效果。

為準確描述磁流變阻尼器的動態特性，在Matlab/Simulink中建立磁流變阻尼器的Bingham模型。將天棚控制方法、滑模控制方法及模糊滑模控制方法應用到磁流變半主動懸架控制中，在Matlab/Simulink中建立磁流變半主動懸架控制模型并進行仿真，對比驗證了模糊滑模控制方法在半主動懸架控制中的優越性。

1 磁流變阻尼器動力學模型

1.1 磁流變阻尼器的Bingham模型

Stanway提出的非線性Bingham模型，可用于描述磁流變阻尼器的動態特性[4]。

(1)

對式(1)進一步推導可得阻尼力—位移關系式。

(2)

其中，L為活塞有效長度；D為缸體內徑；Ap為活塞有效面積；h為孔道直徑；τy為與磁場強度有關的磁流變液屈服應力。

在Simulink中對式(2)進行建模，采用正弦激勵，阻尼器力—位移曲線及阻尼力—速度曲線如圖1，圖2所示。仿真結果表明，MR阻尼器阻尼力隨電流增大而增大，阻尼力與速度具有非線性關系。由圖可看出阻尼器剛度不可調，阻尼器阻尼為變化值，即阻尼系數可調。

1.2 磁流變半主動懸架模型

如圖3所示，建立2自由度1/4車輛磁流變懸架動力學模型[5]，動力學方程為：

(3)

2 控制系統模型

2.1 天棚控制

根據天棚控制理論[6]，其阻尼力大小為：

(4)

2.2 理想控制模型

以簧下質量狀態作為理想控制模型的輸入，動力學方程為：

(5)

其中，

(6)

2.3 滑模控制器設計

使系統簧上質量運動跟蹤理想模型簧上質量運動，定義誤差矢量：

(7)

狀態方程：

(8)

取滑模面：

s=c1e1+e2

(9)

進一步得到：

(10)

取等速趨近律：

(11)

控制率為：

fdeq=-kse1+(msc1-cc)e2+c0xr2+msεsgn(s)

(12)

故半主動懸架控制力為：

(13)

2.4 模糊滑模控制器設計

上述滑模控制器中采用等速趨近律，參數ε取恒定值，系統距離滑模面較遠時，若ε增大，有助于系統能夠快速的到達滑模面，而當系統距離滑模面較近時，若ε減小，有助于防止系統抖振的發生。即：

3 仿真分析

為驗證模糊滑模控制器的控制效果，在Matlab/Simulink中對懸架控制系統進行了數值仿真，以正弦信號作為輸入信號，簧上質量位移仿真結果見圖6，圖7，簧上質量振動加速度仿真結果如圖8，圖9所示。由圖6，圖7可以看出，磁流變半主動控制懸架的減振效果比被動懸架減振效果更好，天棚控制由于利用開環控制，沒有對阻尼力的誤差進行反饋控制，導致減振效果與理想控制模型效果相差較多，使被控系統簧上質量運動跟蹤理想模型簧上質量運動的滑模控制懸架，采用了閉環控制，對阻尼器的誤差進行了反饋彌補，故控制效果接近于理想模型。從圖8，圖9可以看出，磁流變阻尼器半主動懸架的簧上質量加速度明顯低于被動懸架簧上質量加速度，且模糊滑模控制懸架由于對趨近參數ε進行了模糊控制，降低了系統到達滑模面時的抖動，故模糊滑模控制簧上質量加速度更小，控制效果更好。

4 結語

在Matlab/Simulink中建立了磁流變阻尼器半主動控制懸架的天棚控制、滑模控制、模糊滑模控制模型，設計了簡單易于實現的模糊滑模控制器。數值分析表明，采用模糊滑模控制的半主動減振系統的車身振動位移、振動加速度都得到了有效的抑制，控制效果明顯，且克服了滑模控制系統到達滑模面時易抖動的缺點。

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Advanced fuzzy sliding mode control of automobile semi-active suspension with magneto-rheological dampers system★

Wang Rui1,2

(1.MechanicalEngineeringSchool,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China; 2.AnhuiCommunicationsVocational&TechnicalCollege,Hefei230051,China)

To improve the performance of vibration isolation of automobile semi-active suspension, models of semi-active suspension and magnetorheologicaI damper are built by Matlab/Simulink. The advanced fuzzy sliding mode logical theory is applied on semi-active suspension．The results of analysis and comparison imply that advanced fuzzy sliding mode strategy is better than others.

magnetorheological, semi-active control, semi-active suspension, sliding mode, fuzzy control

1009-6825(2017)03-0221-02

2016-11-15

王 瑞(1986- )，男，碩博連讀研究生，助教

U464.12

A

★：安徽省教育廳《高等職業教育創新發展行動計劃(2015—2018)》項目，項目類別：XM-01，項目名稱：工程機械運用技術