基于联合型模糊PID的非线性空气悬架建模与控制-论文.pdf

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1、第38卷第4期武汉理工大学学报(交通科学与工程版)Vo1．38NO．42014年8月JournalofWuhanUniversityofTechnologyAug．2O14(TransportationScience&Engineering)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1／4车辆动力学模型．以车身加速度最小为控制日标，设计并建立非

2、线性空气悬架的联合型模糊PID控制器．运用MATIAB／Simulink仿真软件，以气囊压力变化所产生的力作为控制输出量，进行计算机动态仿真．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：U463．33doi：l0．3963／j．issn．20953844．20l4．04．0060引言气悬架进行仿真研究悬架系统是汽车的重要组成部分之一，对于空气悬架模型的建立汽车的行驶平顺性能起着至关重要的作用．在车1．1膜式空气弹簧模型辆负载

3、相同时，空气弹簧比普通弹簧的振动频率空气弹簧的绝对弹力可以近似表示为：更低lj]，能够有效地提高车辆的行驶平顺性．F一(1)空气悬架系统(ASS)是一个典型的非线性系式中：P为空气弹簧内有效压力；A为空气弹簧内统，然而近年来仍有许多研究者将其简化为线性有效截面积．弹簧进行研究．文中建立了与气囊压力、有效面积P通常与气囊内初始压力、气囊容积等因素等因素有关的非线性弹簧模型，基于空气弹簧的有关．在任意状态下，空气弹簧内有效压力可表示非线性特性建立了单轮1／4车辆动力学模型．在为ASS控制算法上，单纯的模糊控制主观性较强lj；神经网络控制需要大量的数据进行训P一(。+p“

4、)(Vo)一“(2)练_3j；单纯的PID控制对非线性的复杂的系统无式中：P。，P。分别为气囊内初始压力，大气压力；法达到理想的效果；文献[51虽然已将模糊PID，V。为气囊内容积、初始容积．控制应用到空气悬架上，但是未将其非线性刚度]二程上，将气囊的容积和有效面积简化成随特性考虑在内．气囊垂向变形线性变化的量模糊控制具有适应能力强且灵活的特点，V—V+∞’(3)PID控制具有结构简单调整方便的特点．文中针A—An+(4)对空气悬架的非线性特性，综合考虑模糊与PID式中：A。为空气弹簧内初始有效截面积；a，分别控制的特点设计了联合型模糊PID控制器对空为气囊内有效容

5、积变化率，有效面积变化率为收稿日期：2014—03—24詹长书(1970一)：男，博士，副教授，主要研究领域为汽车节能减排技术国家博士后科学基金面上项目资助(批准号：2013M541329)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·73l·空气弹簧高度变化量．主要有轮胎动载荷系数(DIC)、动态载荷应力因由式(1)～(4)可得空气弹簧力为子(DISF)和95百分位4次幂和力．轮胎动载荷系数(DIC)可以定义为F=[(。+n)()一“](A。+)C肼∥一(7)(5)L，1．2单轮1／4车辆模型式中：Cc、为轮胎动载荷系数；为车轮动载荷标空气弹簧

6、悬架系统是一个非线性的复杂系统，准偏差；G为车轮静载荷．很难建立精确的模型．故可根据需要和实际情况进动态载荷应力因子(DISF)Hedrick在DIC行适当简化．文中采用某商用车的空气弹簧悬架为的基础上提出的]，可以定义为CDI研究对象，将空气悬架系统简化为空气弹簧和减震．sF一1+6C~)Lc+3C(8)器_7]．对于没有附加气室的空气弹簧，可将减震器式中：C阢为动态载荷应力因子．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PID控制器、模糊控制器、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

7、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控制图11／4空气悬架模型器对复杂系统的控制效果欠佳．模糊控制器适用根据牛顿定律，可得空气悬架系统的力学方程于精确模型较难建立的非线性复杂系统正好弥补fl≥1一c(乏2一乏1)+k(z1一q)+了PID控制器的不足．联合型控制器见图2．lF一zg+U一0l2芝2+c(z2一乏1)一(F一2g)一l(，厂一0式中：，分别为车辆轮胎质量、车身质量；C为悬架阻尼系数；k，为轮胎刚度系数；，z，q分图2联合型模糊PID控制器原理框图别为车轮垂向位移、车身垂向位移、路面输入位3．1PID控