1/4车辆半主动悬架的模糊控制研究

陈 杰，赵 强，孙子尧，范超雄

（东北林业大学 交通学院，黑龙江 哈尔滨 150040）

0 引言

车辆悬架系统性能的好坏直接影响到汽车的操纵稳定性与平顺性。随着汽车运行速度与道路条件的提高，普通的悬架已经很难满足驾乘的舒适性，所以新型悬架技术成为研究的热点。半主动悬架[1]能提高车辆的平顺性，其性能接近于主动悬架、安全性好、成本低。可变的磁流变阻尼器是利用功能材料—磁流变产生的可控阻尼减振器具有控制方法灵活、结构简单。

1 1/4 车辆悬架系统动力学模型

车辆悬架系统具有复杂性，基于悬架系统类型、车辆系统结构等要求对系统进行了适当简化。1/4 车辆模型[2]是最常采用车辆悬架控制系统的基础模型。并且它是二自由度双质量的力学模型，对车辆垂直振动进行了考虑，但未对车身的俯仰和侧倾进行考虑。它虽然没有体现出车辆整体信息，但包含了车辆性能分析主要特征。例如轮胎动载荷变化、车身地板振动和悬架动行程等。影响车辆的乘坐舒适性主要因素是车身垂直振动。1/4 车辆二自由度悬架模型，如图1 所示。

假设轮胎不脱离地面，该系统动力学方程为：

图1 二自由度的1/4 车辆半主动悬架模型Fig.1 The quarter model with semi-active suspension

式中：mt—簧下质量；ms—簧上质量；ks—悬架刚度；kt—轮胎刚度；cs—悬架阻尼，xt、xs、q—簧 下 质量、簧载质量和路面输入的位移；Fd—半主动控制力。

其中ms=400kg、mt=40kg、ks=16kN/m、cs=1.5kN·s/m、kt=158kN/m。

2 设计模糊控制的输入和输出变量

系统动力学方程建立后，需要定义输入变量和输出变量，它们分别是车身加速度、路面输入和主动控制力，在Matlab/Simulink 模型里建立相关变量，并对三个变量进行输出模型。

3 建立模糊控制模型和规则

利用MATLAB/Simulink 模块搭建模糊控制的1/4 车辆模型，并是该模型采用模糊控制器结构中常用的二维模糊控制结构[3]。采集车身在垂直方向的加速度速度s，然后与目标值比较，计算出相应的误差e 及误差变化ec，再将e 及ec 分别模糊成E 及EC，结合控制规则推理得到结果，最后将结果反模糊化以得到需要的半主动控制力Fd作为输出量，利用传感器测出车身的加速度a，输入到模糊控制器，该控制器经过计算输出Cs。

将误差E、误差变化EC 以及减振器的阻尼系数Cs都模糊成7 个模糊子集{NB，NM，NS，ZE，PS，PM，PB}，论域为[-5，5]，控制器的变量均利用三角形分布隶属度函数[4]。通过控制量的调整，建立模糊规则，如表1 所示。

表1模糊控制规则Tab.1FuzzyControlRule

图2 模糊控制规则的曲面Fig.2 The surface of fuzzy control rule

利用Matlab 的模糊逻辑工具箱的逻辑控制器来实现该规则，模糊控制规则曲面，如图2 所示。

根据本文以上提供的动力学模型、控制规则、变量的论域及对应的模糊子集，模拟人的推理方法、知识表达，建立了以下的模糊控制图，如图3 所示。

图3 Simulink 控制图Fig.3 Simulink control chart

4 仿真结论及分析

仿真的路面激励利用白噪声作为输入，车速为20m/s，运行在C 级路面上，仿真时间为50s，由此得出半主动模糊控制悬架与被动悬架的簧载质量加速度效果见图4，图5。

图4 被动控制的悬架加速度（横轴为时间 （s），纵轴为加速度 （m/s2））Fig.4 The Suspension Acceleration with Passive Control（Axis X （s），Axis Y （m/s2））

图5 模糊控制的悬架加速度（横轴为时间 （s），纵轴为加速度 （m/s2））Fig.5 The Suspension Acceleration with Fuzzy Control（Axis X （s），Axis Y （m/s2））

从仿真效果图中可以得出，模糊控制的半主动悬架在悬架垂直加速度控制方面明显优于被动悬架，在保证安全性基础下，能大幅度降低悬架的加速度，满足了人们对舒适性的要求。半主动模糊控制系统的悬架减振效果强于被动控制悬架，从而减少悬架击穿的可能性，同时提高车辆的操纵稳定性。

[1] 蒋光红.汽车半主动悬架非线性控制方法的研究[D]，重庆大学，2003.

[2] AlesKruczek;AntoninStribrskyAfull -carmodelforactivesuspension -somepracticalaspects2004.

[3] 王士明，等.半主动悬架及其控制[J].汽车技术，1999，12.

[4] T.Yoshimura, K.Nakaminami. A semi-active suspension with dynamic absorbers of groundvehicles using fuzzy reasoning[J].Journal of Vehicle Design, 1997,1.