线性插值模糊控制方法在半主动悬架中的应用
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第7卷第3期2005年9月辽宁省交通高等专科学校学报JOURNAL OF LIAONING PROVINCIAL COLLEGE OF COMMUNICATIONSVol.7No.3Sep.2005
文章编号:1008-3812(2005)03-063-03
线性插值模糊控制方法在汽车半主动悬架中的应用研究
王 梅李 靖(辽宁省交通高等专科学校辽宁沈阳110122)
摘 要 本文以两自由度1/4汽车半主动悬架模糊控制为基础,并应用线性插值算法对模糊控制方法加以改进,克服了经典模糊控制系统稳态性能差的缺点。并以MATLAB软件进行了性能仿真。仿真结果表明,线性插值模糊控制方法能有效地减少车辆振动,提高车辆行驶的平顺性。关键词 汽车半主动悬架线性插值模糊控制中图分类号:U461.3 文献标识码:B
1 前言悬架是车架(车身)与车轴(车轮)之间一切传动装置的总称,是现代汽车的重要组成部分。传统的被动悬架系统的特性参数不能随车辆的运行工况及激励的变化而调,其性能的改善受到了很大的限制。为解决传统悬架的不足,20世纪30年代提出了主动悬架的概念。所谓的主动悬架是指在悬架系统中采用有源或无源控制组件组成的一个闭环控制系统,根据车辆的运行情况和路面状况作出响应,以控制车身的振动和摆动。主动悬架的出现成为车辆工程理论和实践中的重大革命,主动悬架同时改善了车辆的舒适性和安全性。但是,主动悬架的执行机构需要选用高精度的伺服机构(如液压伺服缸、电磁服务器等),需要复杂的传感器和仪器设备,需要较多的外部动力来控制机构。这就决定了主动悬架系统的结构复杂、技术性高、成本昂贵;另外悬架工作时要耗费大量的发动机功率。而半主动悬架通过改变减振器的阻尼特性,能适应不同的道路和行驶状况的需要及改善乘坐收稿日期:2005-02-20作者简介:王梅(1971.09出生),1996毕业于长安大学,讲师,籍贯:黑龙江舒适性和操纵稳定性,不但在控制品质上接近主动悬架,而且结构简单,无须力源,能量消耗小,因而得到广泛重视[5]。2 半主动悬架汽车模型
图1 汽车二自由度模型图中:Mw—非簧载质量;
Mb—簧载质量;Kt—轮胎刚度;
[2]CraigZacker.现代网络技术[M].北京:机械工业出版社.2002:161-206[3]张浩,陈刚.现场总线技术.www.chinakong.net/artical/bus/index.asp
TheWeighingSystembyMeansofComputerNetworkThatCanPreventtoCheatWangZijunZhangYu〔Abstracts〕Withthesystemofcomputernetwork,automaticidentificationtechnologyandinfraredraycontroltechnology,a
kindofefficientanddependablemethodispresented,whichcansolvetheautomationofweighing,scienceofdatamanage2ment,networkofdatasearchinganditcanpreventtocheat.Thenthenetworkarchitecture,dataprocessingprocedureandworkingprocedurearediscussedinthispaper.〔Keywords〕Computernetwork automaticidentificationtechnology Infraredraycontroltechnology
・36・© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.辽宁省交通高等专科学校学报2005年 Ks—悬架刚度;C—悬架阻尼;Zb—簧载质量位移;Zw—非簧载质量位移;Zg—车轮输入的路面不平度。设汽车车轮与车身垂直位移Zw,Zb的坐标原点选在各自的平衡位置,则其阻尼力为:Fr=C(Z&b-Z&w)+F 根据牛顿第二定律,系统运动微分方程为:MwZ&+Kt(Zw-Zg)-C(Z&b-Z&w)-F-Ks(Zb-Zw)=0MbZ&b+C(Z&b-Z&w)+F+Ks(Zb-Zw)=0汽车的振动性能必须通过评价尺度来评价,汽车的舒适性和安全性是我们追求的目标,具体到这里讨论的二自由度模型,舒适性以车身加速度Z&&b为评价标准:行驶安全性的评价标准是车轮载荷的变化,这里车轮载荷由两部分组成,一是静载荷(Mb+Mw)g,二是动载荷Kt(Zw-Zb)。另外,还有悬架的动挠(Zb-Zw),它对乘坐人员来说不是直接的评价尺度,但是足够大的弹簧挠度正是达到高舒适度的结构上的前提,它是间接的评价尺度。取状态向量X=[Zw-ZgZb-ZwZ&w-Z&b]取U=F(t),Y1=Z&&b,Y2=Zb-Zw,Y3=Kt(Zw-Zg)路面激励速度Z&g(t)近似处理为白噪声W,即:W=Z&b则悬架系统的控制方程为:X&=AX+BU+GWY=CX+DU式中:A=001000-10-Kt/Mw0-Kt/MbC/Mb-C/MbB=00-1/Mw1/Mb G=-1000 C=[0 -Ks/Mb C/Mb -C/Mb] D=[-1/Mb] 车辆数学模型的建立是设计半主动悬架的基础,其控制方法的选择、控制器的设计及其性能仿真也是一项十分重要的内容。3 半主动悬架的在线插值模糊控制方法模糊控制是近几十年正在兴起的一种控制技术,它的最大特点是适宜于在各个领域中的应用,凡是无法建立数学模型或难于建立数学模型的场合及系统存在参数时变、非线性等因数时,都可以采用模糊控制技术。模糊控制系统和常见的负反馈闭环控制系统相似,它的不同之处在于控制装置是由模糊控制器来完成[1]。模糊控制技术的特点是:一方面,模糊控制提供了一种实现基于自然语言规则的控制规律的新机制;另一方面,模糊控制提供了一种改进的非线形控制器的有效方法。 模糊控制基本功能如图所示:
图2模糊控制基本功能结构框图经典的在线模糊算法实际就是一个查表输出的过程,由于模糊表制定的值数量有限,所以控制量分档引起的调节过粗。为了不增加模糊控制的复杂程度并从本质上克服经典模糊控制系统的稳态性能,应用模糊数模型的在线插值模糊控制系统[2]。 图中,R,Y分别表示系统的输入与输出;s表示微分;K
e,Kec为量化因子;Ku为比例因子。变换环节的作用是保证控制器始终在满论域内进行插值运算,与经典模糊方法不同,E,EC不作模糊量化取整运算,其中:
E=Kee(t)EC=Kecec(t)
图3 线性插值模糊控制系统框图假定所讨论的论域为[-3,+3],为保证能在论域内进行插值运算,可采用如下措施:若│E│>3,令E=3sign(e(t))若│EC│>3,令EC=3sign(ec(t))其中sign(3)是符号函数。E,EC可定义为模糊控制的输入变量;U为输出变量。用三角形的隶属函数来表示控制规则条件部分的模糊数,用棒形的隶属函数来表示输出模糊数[3],可将模糊控制
器的控制规则表设计为如下表1所示。
・46・© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 第3期王 梅 李 靖:线性插值模糊控制方法在汽车半主动悬架中的应用研究表1 模糊控制器的控制规则表UEC1EC1EC3EC2EC5EC3EC7
E1-2-2-1-1012
E1-2-2-2-1122
E3-3-2-2-1233
E2-3-3-20233
E5-3-3-20233
E3-2-2-11222
E7-2-101112
求插值函数的方法很多,如矩形域内的二元插值法;基于一次样条的曲线磨光法;基于二次样条的曲线磨光法。本文利用矩形域内的二元插值法将模糊控制器的控制规则进行线性插值[2]。4 仿真计算及结果为验证上述方法的有效性,基于已建立的模型,以MATLAB6.5+simulink+toolbox工具进行仿真。仿真计算时假设路面输入为白噪声信号。仿真对象分别为常规的模糊控制半主动悬架和在线插值模糊控制半主动悬架,采样时间为0.01s。模型中的各Mw=30kg,Mb=240kg,kt=
160KN/m,ks=1600N/m,C=1500N(s/m。[4]仿真结果见图4和图5。横坐标表示“时间(s)”,纵坐标表示“车身垂直加速度(m/s
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)。
图4 模糊控制半主动悬架车身加速度
图5 线性插值模糊控制半主动悬架车身加速度由上曲线可以看出,在线插值模糊控制半主动悬架的加速度曲线变化比常规的模糊控制半主动悬架平缓,峰值减少,性能明显优于常规的模糊控制半主动悬架。5 结论通过对两自由度1/4汽车模型进行的仿真,结果表明了运用在线插值模糊控制的方法不需附加任何其他机构,具有简单易行,成本低,稳定可靠的优点,能有效减少汽车的振动,提高汽车行使的平顺性。参考文献[1]诸静等著.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社,1995[2]肖秦琨等.模糊控制的改善方法[J].西安建筑科技大学学报.2002年6月第34卷第3期:183-186[3]方锡邦等.汽车半主动悬架的模糊逻辑控制[J].安徽工学院学报1997.16(4):19-23[4]李德超.车辆半主动悬架自适应模糊控制研究[D].江苏理工大学,2001.
[5]周云山等.汽车电控系统理论与设计[M].北京:北京理工大学出版社,1999
TheResearchandtheUseoftheFuzzyControlofInsertNumericalValueintheAutomobileSemi-ActiveSuspension
WangMeiLiJing〔Abstracts〕Inthispaper,thetwofreedomdegreeautomobilesemi-activesuspensionmodelisdesignedbyfuzzycontroland
itisappliedinsertnumericalvaluearithmetictoimprovefuzzycontrolmethod,whichgetovertheclassicalfuzzycontrolthedisadvantageofun-steadyperformance.MATLABsoftwareisusedtosimulatetheperformance.Thesimulationresultsshowthatthismethodcanreducetheautomobilevibrationandimprovetheautomobileridecomfortcharacteristics.〔Keywords〕automobile;semi-activesuspension;insertnumericalvalue;fuzzycontrol
