武汉理工大学学报(交通科学与工程版)
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)(ransortationScience&EnineerinT pgg
Vol.38 No.4
2014Au.g
基于联合型模糊PID的非线性空气悬架建模与控制*
詹长书 孙世磊
()东北林业大学交通学院 哈尔滨 150040
摘要:为提高汽车空气悬架的行驶平顺性,针对空气弹簧的非线性特性,建立空气弹簧关于气囊压/力、有效面积、垂向变形等因素有关的弹力模型.利用所建立的空气弹簧弹力模型建立单轮14车辆动力学模型.以车身加速度最小为控制目标,设计并建立非线性空气悬架的联合型模糊PID控/制器.运用MA以气囊压力变化所产生的力作为控制输出量,进行计算TLABSimulink仿真软件,机动态仿真.仿真结果表明:与被动空气悬架相比,针对非线性空气悬架所设计的联合型模糊PID控制器对车辆平顺性与道路友好性有显著的改善.关键词:空气悬架;非线性;模糊控制;平顺性;道路友好性中图法分类号:U463.33
:/doi10.3963issn.2095844.2014.04.006.3-j
0 引 言
悬架系统是汽车的重要组成部分之一,对于汽车的行驶平顺性能起着至关重要的作用.在车辆负载相同时,空气弹簧比普通弹簧的振动频率
1]
,能够有效地提高车辆的行驶平顺性.更低[
气悬架进行仿真研究.
1 空气悬架模型的建立
1.1 膜式空气弹簧模型
空气弹簧的绝对弹力可以近似表示为:()1AF=p式中:A为空气弹簧内p为空气弹簧内有效压力;有效截面积.
气囊容积等因素p通常与气囊内初始压力、有关.在任意状态下,空气弹簧内有效压力可表示为
)是一个典型的非线性系空气悬架系统(SSA统,然而近年来仍有许多研究者将其简化为线性弹簧进行研究.文中建立了与气囊压力、有效面积等因素有关的非线性弹簧模型,基于空气弹簧的/非线性特性建立了单轮1在4车辆动力学模型.单纯的模糊控制主观性较SS控制算法上,A强
[]12-;神经网络控制需要大量的数据进行训
V0
p=(p0+pa)
V3]
;单纯的P练[ID控制对非线性的复杂的系统无4]
;]文献[法达到理想的效果[虽然已将模糊PID5
()-pγa()2
式中:大气压力;pp0,a分别为气囊内初始压力,初始容积.V,V0为气囊内容积、
工程上,将气囊的容积和有效面积简化成随
6]
气囊垂向变形线性变化的量[
控制应用到空气悬架上,但是未将其非线性刚度特性考虑在内.
模糊控制具有适应能力强且灵活的特点,文中针ID控制具有结构简单调整方便的特点.P
对空气悬架的非线性特性,综合考虑模糊与PID控制的特点设计了联合型模糊PID控制器对空
02014342 收稿日期:--V=V0+αxxA=A0+β式中:A0为空气弹簧内初始有效截面积;α,β分别为气囊内有效容积变化率,有效面积变化率;x为
()3
()4
:男,博士,副教授,主要研究领域为汽车节能减排技术9701 詹长书(-))批准号:013M5413292 *国家博士后科学基金面上项目资助(
第4期
空气弹簧高度变化量.
詹长书,等:基于联合型模糊PID的非线性空气悬架建模与控制
·731·
、动态载荷应力因主要有轮胎动载荷系数(LC)D和9子(5百分位4次幂和力.LSF)D
可以定义为轮胎动载荷系数(LC)D
()CDLC=σ7
G式中:CDLC为轮胎动载荷系数;σ为车轮动载荷标准偏差;G为车轮静载荷.动态载荷应力因子(LSF)Hedrick在DLCD
8]
,可以定义为的基础上提出的[
24
CDLSF=1+6CCDDLC+3LC式中:CDLSF为动态载荷应力因子.
))由式(可得空气弹簧力为14~(
V0
(F=[p0+pa)
V0+αx()γ(A0+βx)-pa]
()5
/1.2 单轮14车辆模型
空气弹簧悬架系统是一个非线性的复杂系统,很难建立精确的模型.故可根据需要和实际情况进行适当简化.文中采用某商用车的空气弹簧悬架为研究对象,将空气悬架系统简化为空气弹簧和减震
]7
对于没有附加气室的空气弹簧,可将减震器器[.
()8
的阻尼系数视为定常值.其简化模型,见图1.
3 联合控制器的设计
针对空气悬架,分别设计了P模ID控制器、糊控制器、联合型模糊PID控制算法对其进行控制.半主动空气悬架是利用簧载质量的速度信号,作为反馈信号调节悬架的刚度(或减振器阻尼)从而提高车辆的乘坐舒适性与平顺性.PID控制器对复杂系统的控制效果欠佳.模糊控制器适用于精确模型较难建立的非线性复杂系统正好弥补联合型控制器见图2.了PID控制器的不足.
()6
/图1 14空气悬架模型
根据牛顿定律,可得空气悬架系统的力学方程
¨(m1zczz+k+q)1-2-z1)t(1-烄 F-m2g+U=0
··烅¨(m2zczF-m2-(-g)2+2-z1)
··
烆 U=0
式中:车身质量;m1,m2分别为车辆轮胎质量、c为悬架阻尼系数;kzzq分t为轮胎刚度系数;1,2,别为车轮垂向位移、车身垂向位移、路面输入位移;U为弹簧气压变化引起的弹簧弹力变化量.悬架的具体主要参数值见表1.
表1 空气悬架仿真参数
名称
/车身质量m2kg
/车轮质量m1kg(/轮胎刚度kN·mt-1)
图2 联合型模糊PID控制器原理框图
3.1 PID控制器
ID控制器是将实际输出信号与设定信号之P间的偏差作为控制器的输入量,并以实时偏差(比、偏差的过去(例环节)积分环节)和偏差的将来(微分)三者间的线性组合而成的控制器.PID控制的表达式为
(dek)()((UPek)k)t+Kdd9+KieID=Kp
td
式中:积k为采样序号;Kp,Ki,Kd分别为比例、
数值917145920005
45000
0.1011.33
2
·m-1)(/阻尼系数csN
/MP大气压力pa a多变指数γ/弹簧初始有效面积A0m有效面积变化率β3 /弹簧初始有效容积V0m有效容积变化率α路面空间频率常数δ(/车速vm·h-1)k
/MP弹簧内部初始压力pa 0
∫
03810.
0.0186 0.0078 0.05913030. 600.382
分、微分系数.
ID参数的确定有2种理论设计与实验确P
定.理论设计需要建立精确地数学模型,对于多刚
9]
文中采用普通体的汽车悬架动力学很难做到[.
的位置式P经参数整定,得比例系ID控制算法,积分系数Ki=3微分系数Kd数Kp=3000,000,
联合型控制器的积分系数Ki=3=3000,000. 3.2 模糊控制器
模糊控制适用于精确数学模型较难建立的系统,是根据经验设计模糊规则进行推理的控制算
2 道路友好性的评价指标
道路友好性可以描述为车辆对路面破坏能力的大小,破坏能力越大,友好性越差.其评价指标
·72·3
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014年 第38卷2
法.模糊控制器的设计主要包括输入输出变量的定义、隶属函数的选择、模糊规则表的建立及解模中以车身加速度为控制目标,糊化.文献[102]1-、作车身垂向加速度(选取车辆垂向速度(E)EC)为输入信号.控制器输出为气囊压力改变产生的根据所选取的路面激励和车辆速度,力U.选取输,[,入输出的物理论域分别为[1]0,20]-2-1,][,相应的模糊论域分别为[375,3375-3-3, ],[,[量化因子和比例因33]5,4.5].-3,-4./输入输出区间内的隶属子分别为3,0,750.32函数均为三角形隶属函数,区间边界处分别选取Z型与S型隶属函数.
输入输出模糊变量的模糊子集划分为{负大,负中,负小,零,正小,正中,正大}NB,NM,={
模糊规则的设计原则是NO,PPM,P.S,S,B}表尽量降低车身垂向加速度.模糊规则表见表2.中UF为模糊控制器的输出.
表2 模糊规则表
UFECNB NM NS O
PS PM PBOONB PB PB PM PM PS PS NM PB PB PM PM PM PS NS PM PS PS PS EO
PS PS PS
PS PS PS PM O
到联合型模糊P见图3.ID控制器模型,PID控制器的输入为车身垂向加速度与期望值的偏差,二维模糊控制器输入分别为车身垂向速度和垂向加速度.控制器的输出为气囊压力变化所产生的力.
控制器总的输出为
U=UPID+UF()10
图3 模糊PID联合型控制器仿真模型
4 仿真及结果分析
4.1 平顺性分析
进行仿真时,路面激励采用滤波白噪声的方
6],选取B级路面δ=0.汽车行驶速法[1303m-1,
O NS NMO NS NS NM/度v=6l0kmh,将路面白噪声(andimitedb-)的功率调整为0.为保证结果的whitenoise01. 分别得到P稳定性选取仿真时间30s.ID控制、模糊控制和联合控制3种空气悬架的平顺性指标有效值,见表3.
O NS NM NM NBO NM NM NM NB NBPB ZP PS NM NM NM NB NB3.3 联合型模糊PID控制器模型
将PID控制器与Fuzzy模糊控制器并联得
车身加速度
-2)(/m·s3.5923 61032. 89552. 51152.
27.34 19.40 30.09 性能改善
/%
表3 平顺性能对比
控制算法被动控制PID控制模糊控制综合控制
悬架动行程
/m0.0548 0.0518 0.0546 0.0514
5.47 0.36 6.20 性能改善
/%
轮胎动载荷/Nk3.5011 2.7288 2.9955 2.8200
22.0614.4419.45性能改善
/%
ID控制能够有效的改善被动空气 经典的P
悬架的车身加速度和轮胎动载荷,但对于悬架动行程性能的改善程度不大.模糊控制对被动空气悬架的车身加速度和轮胎动载荷也有一定的改善,但对悬架动行程没有改善,其效果次于PID控制.采用联合型控制在车身加速度和悬架动行程的控制效果优于P在轮胎动载荷的控ID控制,制上降低了2.整体性能最优.51个百分点,
在仿真时间为3为了清楚的表0s的基础上,现出联合控制与被动控制控制悬架平顺性性能的差异,绘制了[时间区间内悬架垂向加速度,0,4]
曲线表轮胎动载荷,悬架动行程曲线,见图4~6.明:联合型控制空气悬架在整体上有益于提高悬架的性能,在局部对悬架的性能有一定的破坏作用.
图4 悬架垂直加速度仿真曲线
第4期詹长书,等:基于联合型模糊PID的非线性空气悬架建模与控制
·73·3
联合控制空气悬架的D道路友好LSF显著减小,性明显改善.
5 结 论
)经典的P1ID控制能够有效的改善被动空
气悬架的车身加速度和轮胎动载荷,但对于悬架
图5 悬架轮胎动载荷仿真曲线
动行程性能的改善程度不大.模糊控制对被动空气悬架的车身加速度和轮胎动载荷也有一定的改善,但对悬架动行程没有改善,其效果次于PID控制.采用联合型模糊PID控制在车身加速度和悬架动行程的控制效果优于P整体性能ID控制,最优.
)联合型模糊PID控制的空气悬架对道路2
的破坏程度明显降低,道路友好性能更优.
图6 悬架动行程仿真曲线
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4.2 道路友好性分析
在B级路面激励条件下,计算得到3种不同车速下D见表4.LC和DLSF的均方根值,
表4 道路友好性能对比
评价指标DLC DLSF 评价指标LCD LSFD
被动控制
/0kmh6 0.8728 7.3112
/80kmh 0.8179 6.3555
联合控制
/0kmh6 0.6673 4.2665
/8kmh 0.6305 3.8594
/h100km0.6004 3.5524
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(下转第738页)
LC和DLSF逐渐减小.D 随着车速的增加,
在3种车速下,采用联合型模糊PID控制空气悬架的DLC的改善率分别为23.54%,22.91%,21.22%,DLSF的改善率分别为41.64%,同时,本文拟合得到车速与39.27%,35.38%.随着车速的增加,见图7.联合LSF的变化关系,D
控制型空气悬架的D被动空气LSF减少的较快,悬架D在一定的车速变化范围内,LSF缓慢减少.
图7 车速-DLSF特性图
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武汉理工大学学报(交通科学与工程版)
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AldativeSnchronizationofMixedDelaedandFourinks- pyyComlexNetworkanditsAlicationinPublicVehicleDisatch pppp
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