淺談電控空氣懸架模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)

王偉 張德

摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)和汽車工業(yè)的發(fā)展，空氣懸架已逐漸成為豪華汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。本文主要以半主動懸架系統(tǒng)為研究對象，從電控空氣懸架系統(tǒng)構(gòu)成、模糊控制理論、模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、正弦激勵(lì)下系統(tǒng)模型的仿真等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)總結(jié)和闡述。

關(guān)鍵詞：電控;空氣懸架;模糊控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 概述

汽車的普及和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對汽車的要求越來越高，希望汽車具有良好的操作穩(wěn)定性和行駛平順性。電控空氣懸架系統(tǒng)能夠利用各種傳感器檢測出汽車行駛狀態(tài)參數(shù)，通過核實(shí)的控制算法，最大限度地改善汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性，同時(shí)降低車輛對路面破壞的影響。空氣懸架電控系統(tǒng)對于提高整車技術(shù)含量意義深遠(yuǎn)，是一項(xiàng)非常值得關(guān)注和研究重要課題。

1 電控空氣懸架系統(tǒng)構(gòu)成

電控空氣懸架主要由各種傳感器（車身高度傳感器、加速度傳感器、節(jié)氣門位置傳感器、車速傳感器、轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角傳感器、懸掛控制開關(guān)等）、電子控制單元（ECU）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（直流電動機(jī)式執(zhí)行器、步進(jìn)電動機(jī)式執(zhí)行器、電磁閥、繼電器、故障指示燈等）三部分組成，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

2 模糊控制理論

（1）模糊控制系統(tǒng)主要由被控對象和模糊控制器兩部分組成。被控對象要在一定的約束條件下工作來實(shí)現(xiàn)人們的某種目的，由若干個(gè)裝載或設(shè)備組成的一個(gè)群體。模糊控制器是整個(gè)模糊控制系統(tǒng)的核心部分，也是模糊控制系統(tǒng)與其它自動系統(tǒng)區(qū)別的主要標(biāo)志。

（2）模糊控制器主要由輸入模糊化、知識庫、模糊推理和解模糊化四部分組成。模糊控制器基本設(shè)計(jì)流程如下：①輸入輸出變量的選定及從精確量到論域元素的轉(zhuǎn)換。②輸入輸出變量模糊語言值和隸屬度函數(shù)的確定。③模糊控制規(guī)則的建立。④輸出信息解模糊化方法的建立。

3 模糊系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)模型的建立

由于車輛的空氣懸架系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動力系統(tǒng)，很難對此建立精確的數(shù)學(xué)模型，因此就需要根據(jù)系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)形式，在精確度和模型的簡化之間進(jìn)行一下折中，達(dá)到研究方便同時(shí)又突出問題實(shí)質(zhì)的目的。由此，把空氣懸架簡化為并聯(lián)的空氣彈簧和減振器，構(gòu)建了1/4車輛兩自由度模型振動系統(tǒng)，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，運(yùn)用牛頓第二定律建立半主動空氣懸架系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，由于半主動空氣懸架系統(tǒng)未能建立存精確的數(shù)學(xué)模型，故采用不依賴于被控對象精確模型的模糊控制方法構(gòu)造模糊控制器。

3.2 模糊控制器的建立

3.2.1 確定輸入輸出變量及其模糊語言值

由于乘坐的舒適性主要取決于車體垂直方向的振動程度，所以我們把汽車車身垂直振動加速度作為評價(jià)汽車平順性的主要指標(biāo)。依據(jù)實(shí)際控制對象選用二維模糊控制器。取車身垂直加速度為偏差量e及相應(yīng)的變化率ec作為模糊控制器的輸入，懸架控制剛度后，作為控制器的輸出u。其中e取7個(gè)語言值，ec和U均取5個(gè)語言值，分別表示為：E={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，EC={NB，NS，ZO，PS，PB}，U={NB，NS，ZO，PS，PB}。其中E和EC分別表示控制器輸入的偏差和偏差變化率的模糊集合，表示輸出的模糊集合。

3.2.2 確定量化因子和比例

因子以完成從精確量到論域元素的轉(zhuǎn)換設(shè)輸入變量偏差e的實(shí)際變化范圍即基本論域?yàn)閇-10，10]，模糊論域?yàn)閇-3，3]，故e的量化因子為3/10;設(shè)輸入變量偏差變化率ec的基本論域?yàn)閇-40，40]，模糊論域?yàn)閇-3，3]，則ec的量化因子為3/40;設(shè)輸出控制量U的基本論域?yàn)閇-1，1]，模糊論域?yàn)閇-3，3]，故比例因子為1/3。

3.2.3 確定各模糊變量的隸屬度函數(shù)

輸入輸出變量均取同一區(qū)間[-3，3]，據(jù)此可對輸入輸出變量的各詞集進(jìn)行賦值。一般情況下，隸屬函數(shù)的變化越大，表明分辨率越高，控制靈敏度也越高，故在誤差為零的附近區(qū)域多采用分辨率較高的隸屬函數(shù)，假設(shè)用隸屬度函數(shù)來描述語言變量模糊論域上的模糊語言值。

3.2.4 編寫模糊控制規(guī)則

設(shè)計(jì)和調(diào)整控制規(guī)則的準(zhǔn)則是汽車受到路面激勵(lì)時(shí)，最快使車身垂直振動的加速度為零。即當(dāng)車身垂直加速度指標(biāo)較大時(shí)，選擇控制量是以盡快消除誤差為主，而當(dāng)加速度指標(biāo)較小時(shí)，選擇控制量要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為主。

3.2.5 確定模糊判決的方法

可采用加權(quán)平均法的理論公式來得到精確控制量。

4 正弦激勵(lì)下系統(tǒng)模型的仿真

基于上述建立的動力學(xué)模型和模糊控制方法，對半主動空氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。以車身垂直加速度為控制目標(biāo)量，對模糊控制懸架進(jìn)行仿真分析。假設(shè)汽車以20m/s的速度勻速行駛，仿真時(shí)間為5s，采樣時(shí)間為0.01s，在半主動懸架具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)和路面激勵(lì)的情況下，與不加控制器的車身垂直加速度響應(yīng)信號進(jìn)行比較，應(yīng)用模糊控制的半主動空氣懸架減振效果較好，車身加速度的變化比不加模糊控制的懸架有較大程度的減小。綜上所述，模糊控制方法能夠有效地降低車身垂直方向的加速度值，減小懸架振動的強(qiáng)度，從而改善了車身的穩(wěn)定性和乘坐的舒適性。

5 結(jié)束語

電控空氣懸架模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)以半主動空氣懸架為研究對象，構(gòu)建了汽車懸架兩自由度數(shù)學(xué)模型，采用了不依賴于被控對象精確模型的模糊控制方法進(jìn)行空氣懸架控制器的設(shè)計(jì)，在理論分析基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證控制策略的有效性，很好改善車輛的乘坐舒適性和安全性。

參考文獻(xiàn)：

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