基于模糊PID控制的空氣彈簧振動特性研究

顏新鵬，王 炯

(1.一拖(洛陽)神通工程機械有限公司， 河南 洛陽 471003;2.江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

基于模糊PID控制的空氣彈簧振動特性研究

顏新鵬1，王 炯2

(1.一拖(洛陽)神通工程機械有限公司， 河南 洛陽 471003;2.江蘇大學 汽車與交通工程學院， 江蘇 鎮江 212013)

針對在粗糙路面行駛時空氣彈簧座椅舒適性較差的情況，采用模糊PID控制策略，以人體加速度誤差和誤差變化率作為輸入量，以空氣彈簧控制力作為輸出量，設計了模糊PID控制器。為驗證控制效果，與ADAMS建立的整車模型進行聯合仿真，并與被動空氣彈簧座椅進行對比分析。仿真結果表明，采用模糊PID控制的座椅系統減振效果得到了進一步改善，提高了人體振動舒適性。

空氣彈簧;模糊PID控制;聯合仿真;舒適性

Abstract: According to the situation that the air spring seat is less comfortable in rough road surface, the fuzzy PID control strategy is adopted in this paper. The fuzzy PID controller is designed by using the acceleration error and the error rate of the human body as the input quantity and using the air spring as the output. In order to verify the control effect, the combined simulation of the vehicle model was established with ADAMS, and the control effect was compared with that of the passive air spring seat. The simulation results show that the damping effect of the seat system with fuzzy PID control has been further improved, and the vibration comfort of the human body is improved.

Keywords: air spring；fuzzy PID control；joint simulation；comfortable

空氣彈簧座椅懸架可以根據車輛行駛情況和路面工況來改變座椅剛度和阻尼以衰減振動，有非常好的市場前景，但對車輛在不同路面狀況下的適應性還有較大的改進余地。近年來，各研究機構和學者紛紛在座椅系統中利用控制策略來獲得更好的減振性。控制策略方法主要有模糊控制、自適應控制、PID控制、神經網絡控制、天棚控制等[1]。本文主要研究對象為空氣彈簧座椅，采用PID控制與模糊控制相結合的控制策略，在Matlab/Simulik中建立控制器，并與ADAMS進行聯合仿真，研究結果對空氣彈簧控制技術的應用具有重要指導意義。

1 模糊PID控制器的設計

1.1 模糊PID控制系統的組成

模糊PID控制系統主要包括輸入/輸出接口、模糊控制器、PID控制器、被控對象四個組成部分。模糊PID控制系統框圖如圖1所示。

圖1 模糊PID控制系統框圖

模糊PID控制的核心是模糊控制規則，模糊控制規則在模糊控制器中完成。本文的模糊控制器為二維控制器，輸入量為加速度誤差及誤差變化率，輸出量為空氣彈簧控制力。

1.2 模糊化處理

1.2.1 定義模糊集

考慮到誤差、誤差變化率及控制量的正負性，將加速度誤差、誤差變化率及控制量劃分為7個模糊集合，有極小(NB)、小(NM)、中小(NS)、中(ZO)、中大(PS)、大(PM)、極大(PB)，同時選取加速度誤差、誤差變化率及控制量的內部論域均為 {-6，-5，-4，-3，-2，…，5，6}。

模糊PID控制器的內部論域需要由真實論域轉化而得到。根據研究某座椅振動的實際情況，取加速度誤差的變化范圍為[-6,6]，加速度誤差變化率的范圍為[-150,150]，控制力的變化范圍為[-2 000,2 000][2]。

1.2.2 確定隸屬度函數

常見的隸屬度函數有梯形函數、三角形函數、高斯函數等[3]。本文選用三角形函數作為模糊子集的隸屬度函數，這種隸屬度函數運算和表達比較簡單，占用內存空間較小，當出現一個誤差時，能迅速反應并產生相應的調整輸出。

將模糊PID控制器的輸入、輸出各個子集的隸屬函數設置成如圖2所示。

圖2 輸入、輸出變量的隸屬函數

1.3 模糊推理

模糊PID控制器為二維控制器，加速度誤差的模糊變量有7個語言值，誤差變化率有7個語言值，則共7×7=49條控制規則。本文采用Mamdani推理方法，在設計控制規則時遵循以下原則：當誤差較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；當誤差較小時，選擇控制量以穩定性為主，以防止系統超調。

1.4 模糊判決

模糊控制器的輸出不是精確量，需先將輸出的模糊集轉化成精確量，才可用于被控對象。平均最大隸屬度法、面積平分法和面積中心法是常用的解模糊化方法，面積中心法又叫重心法。相比較而言，重心法是一種比較理想的解模糊化方法。本文的模糊PID控制器采用的解模糊化方法是重心法。它的基本原理是計算隸屬度函數曲線所包圍區域的重心，這種方法具有更平滑的輸出推理控制[4]。

1.5 模糊PID控制算法

對誤差和誤差變化率采用模糊推理后得到PID控制器3個參數的調整量，控制系統輸出的自整定參數由下述公式求出：

(1)

式中，Kp0、Ki0、Kd0為PID控制器的初始設定值，本文采用的是Ziegler-Nichols臨界比例度法[5]。控制系統在工作過程中，微機測試系統適時地檢測系統的輸出響應值，通過計算加速度誤差及誤差變化率的變化量，對模糊規則表進行查詢，完成對控制參數的自動調整。

1.6 模糊PID控制器模型的創建

本文為后續研究控制系統的合理性、可行性，在Matlab/Simulink中建立模糊PID控制系統，如圖3所示。

圖3 模糊PID控制系統simulink模型

2 ADAMS與Matlab聯合仿真模型的創建

為驗證控制系統的有效性，首先在ADAMS軟件中建立整車模型，如圖4所示。整車模型為某機場消防車模型。

圖4 機場消防車整車模型

機場消防車模型中，座椅與車身地板為剛性連接，沒有減振裝置，為實現對空氣彈簧座椅的控制，首先在ADAMS標準界面下依次選擇Build>Force>Spring命令，在座椅與車身地板之間創建螺旋彈簧懸架，然后在ADAMS/Car標準環境中找到Command Navigator界面，在assembly>replace中找到instant命令，將產生的螺旋彈簧懸架轉換為空氣彈簧懸架。圖5為空氣彈簧懸架座椅模型。

圖5 空氣彈簧懸架座椅模型

機場消防車空氣彈簧座椅模型建好后，為了實現與Matlab的聯合仿真，要將ADAMS軟件需要的參數導出[6]。首先在ADAMS中建立輸入輸出變量，input1表示驅動，input2表示作動力，output1表示空氣彈簧座椅上的加速度，output2表示座椅上的垂直位移；其次將建立的變量輸出并保存模型，然后啟動Matlab，將ADAMS軟件生成的“Tractor.acf”文件、“Tractor.cmd”文件、“Tractor.m”文件復制到Matlab工作目錄下。建立的控制模塊如圖6所示。

圖6 ADAMS控制模塊

將生成的adams_sub復制到已經建立好的控制系統中，得到聯合仿真模型，如圖7所示。

圖7 Matlab/Simulink中建立的ADAMS-simulink聯合仿真模型

3 路面模型的建立

車輛在行駛過程中，車輪受到的路面激勵可用數學模型表示[7]，如公式(2)所示。

(2)

式中：q(t)表示路面激勵；w(t)表示白噪聲；u表示車速；a表示所選路面的空間頻率，對應D級路面[8]，a=0.100 7(1/m)。

上述數學模型可以在Matlab/Simulink里實現，如圖8所示，生成的D級路面位移如圖9所示。

圖8 路面激勵時域信號模型

圖9 模擬 D 級路面激勵時域信號

4 仿真分析

為比較采用模糊PID控制后空氣彈簧的減振性，本文首先在動力學軟件ADAMS中對機場消防車進行動力學仿真，得到消防車在D級路面行駛時各軸向加速度及振動位移量。根據人體振動舒適性評價標準，在Matlab中編寫計算機程序，得到空氣彈簧被動控制時的振動加速度和位移量。

對于聯合仿真，去掉模糊PID控制部分中的PID調節器，輸入輸出變量的論域不變，可得到采用模糊控制后的本文采用的座椅減振性，聯合仿真步長為0.001 s，仿真時間為20 s，通過聯合仿真，得到機場消防車空氣彈簧座椅在被動控制、模糊控制、模糊PID控制下，座椅在垂直方向上的位移和振動加速度變化曲線，如圖10～11所示。

當給虛擬樣機ADAMS模型一個D級路面激勵時，從圖10可以看出：機場消防車車身底板最大加速度在3 m/s2左右，經過螺旋彈簧座椅懸架衰減后，傳至人體的最大加速度減小為0.85 m/s2。當采用模糊PID控制的空氣彈簧懸架座椅后，最大加速度進一步衰減為0.45 m/s2。從圖11可以看出：機場消防車在D級路面行駛時，車身底板產生的最大振動位移為0.014 m，經螺旋彈簧座椅減振后，最大振動位移減為0.011 m，而有模糊PID控制的空氣彈簧座椅的最大振動位移僅為 0.005 3 m。采用模糊PID控制后的空氣彈簧座椅懸架，在行駛過程中，可根據不同的路面工況控制節流閥門的開度，從而改變座椅的剛度，為衰減振動提供最有利的座椅剛度參數，保證駕駛員的駕駛舒適性。同時滿足了人體對座椅的基本要求，即在良好路面作業時，為提高舒適性，要求座椅懸架盡量軟；在粗糙的壞路面行駛時，則要求座椅懸架盡可能較硬。

圖10 座椅垂直振動加速度曲線

根據人體振動評價方法計算可得螺旋彈簧座椅加權加速度均方根值為0.822 m/s2，空氣彈簧座椅經模糊PID控制后振動加權加速度均方根值為0.324 m/s2，可見采用模糊PID控制的空氣彈簧座椅有更優異的減振性能，機場消防車駕駛員的乘坐舒適性也能得到進一步改善。

圖11 座椅垂直位移響應曲線

5 結束語

機場消防車在到達滅火作業區域過程中，車輛由于發動機和路面產生的振動會經輪胎、懸架、座椅傳遞給駕駛員。采用模糊PID控制后的空氣彈簧座椅，可以有效地衰減車輛行駛過程中的振動，其產生的最大加速度為0.324 m/s2，在人體舒適性范圍之內，可以減輕駕駛員的勞動強度，確保駕駛員用更多的精力和時間關注作業操作，提高工作效率。

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(責任編輯林 芳)

ResearchontheAirSpringVibrationCharacteristicBasedontheFuzzyPIDControl

YAN Xinpeng1, WANG Jiong2

(1.China Yto Group Corporation， Luoyang 471003, China;2.School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

2016-05-18

顏新鵬(1988—)，男，助理工程師，主要從事噪聲與振動研究；王炯(1988—)，男，碩士研究生，主要從事噪聲與振動研究，E-mail: wangjiong198861@126.com。

顏新鵬，王炯.基于模糊PID控制的空氣彈簧振動特性研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(9):63-67.

formatYAN Xinpeng,WANG Jiong.Research on the Air Spring Vibration Characteristic Based on the Fuzzy PID Control[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(9):63-67.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.09.010

TH13

A

1674-8425(2017)09-0063-05