《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單輪車(chē)輛懸架的Fuzzy-PID控制器設(shè)計(jì)和仿真
摘要: 本文研究車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架的控制問(wèn)題,在車(chē)輛主動(dòng)空氣懸的常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模糊推理對(duì)常規(guī)PID控制器進(jìn)行參數(shù)在線修訂,控制策略融合了PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于單輪車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架的Fuzzy—PID控制器,并對(duì)Fuzzy—PID控制的單輪車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架進(jìn)行Matlab建模和仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明,與車(chē)輛被動(dòng)空氣懸架、常規(guī)PID控制的車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架相比,F(xiàn)uzzy—PID控制的車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架可大大降低車(chē)身加速度和懸架動(dòng)行程,提高車(chē)輛乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性,具有良好的魯棒性,從而驗(yàn)證了Fuzzy—PID控制器的有效性和實(shí)用性。
Abstract:
Key words :
  隨著高速公路的日益發(fā)展,人們對(duì)汽車(chē)高速行駛時(shí)平順性和安全性的要求越來(lái)越高。良好的車(chē)輛懸架系統(tǒng)可以有效地降低由于路面不規(guī)則激勵(lì)造成過(guò)大車(chē)體加速度,使車(chē)輛具有良好的行駛平順性和安全性。自主動(dòng)懸架的概念提出以來(lái),人們已經(jīng)探求用各種控制理論算法設(shè)計(jì)主動(dòng)懸架控制器。研究其在提高設(shè)計(jì)主動(dòng)懸架中的應(yīng)用效果。

  模糊邏輯基于人類(lèi)模糊思維這一抽象機(jī)理,它強(qiáng)調(diào)的重點(diǎn)是應(yīng)用的簡(jiǎn)單和方便。自20世紀(jì)60年代,模糊數(shù)學(xué)的建立為模糊推理系統(tǒng)尤其是模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。目前,模糊推理系統(tǒng)已成功應(yīng)用于自動(dòng)控制、數(shù)據(jù)分類(lèi)、決策分析、專(zhuān)家系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)之中。

  本文研究車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架的控制問(wèn)題,在車(chē)輛主動(dòng)空氣懸的常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模糊推理對(duì)常規(guī)PID控制器進(jìn)行參數(shù)在線修訂,控制策略融合了PID控制和模糊控制的優(yōu)點(diǎn),設(shè)計(jì)了基于單輪車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架的Fuzzy—PID控制器,并對(duì)Fuzzy—PID控制的單輪車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架進(jìn)行Matlab建模和仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明,與車(chē)輛被動(dòng)空氣懸架、常規(guī)PID控制的車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架相比,F(xiàn)uzzy—PID控制的車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架可大大降低車(chē)身加速度和懸架動(dòng)行程,提高車(chē)輛乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性,具有良好的魯棒性,從而驗(yàn)證了Fuzzy—PID控制器的有效性和實(shí)用性。

  1 單輪車(chē)輛主動(dòng)懸架和路面激勵(lì)

  設(shè)計(jì)車(chē)輛懸架系統(tǒng)時(shí),可把單輪車(chē)輛主動(dòng)懸架模型(即單輪車(chē)輛模型)簡(jiǎn)化成一個(gè)彈簧-阻尼系統(tǒng),該系統(tǒng)的力學(xué)模型如圖1所示。

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  單輪車(chē)輛主動(dòng)懸架的數(shù)學(xué)模型為:

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  式中,m1為車(chē)身質(zhì)量,m2為懸架質(zhì)量,x1為車(chē)身垂直位移,X2為懸架垂直位移,U為路面激勵(lì),k1和k2為彈簧胡克系數(shù),b1和b2為阻尼系數(shù)。

  路面不平度隨機(jī)激勵(lì)為:

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  式(3)中:no為參考空間頻率,Gq(no)為參考空間頻率下的路面功率譜密度,w(t)為白噪聲。

  2 Fuzzy-PID控制器設(shè)計(jì)

  2.1 設(shè)計(jì)思想

  以車(chē)身垂直速度與其期望值的差值e及差值變化率ec作為控制器的輸入量,根據(jù)實(shí)際需要的PID控制參數(shù)Kp、Ki、Kd相對(duì)于e和ec的模糊關(guān)系來(lái)確定模糊規(guī)則,通過(guò)在原來(lái)的單純的PID控制器上加入模糊推理器,組成Fuzzy-PID控制器可以對(duì)參數(shù)進(jìn)行在線修正,使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性明顯提高,并且顯著的提高了系統(tǒng)的抗干擾能力和魯棒性,同時(shí)可以減少調(diào)節(jié)的時(shí)間。Fuzzy-PID控制器的原理框圖如圖2所示。   

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  該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)在線自調(diào)整的計(jì)算公式為:

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  式中:KP、KI、KD為控制器的最終控制參數(shù),Kp、Ki、Kd為常規(guī)PID控制器參數(shù),kp、ki、kd為模糊推理器的修正參數(shù)。

  2.2 模糊推理器及模糊規(guī)則的建立

  模糊推理需要3個(gè)步驟:模糊化、模糊推理判斷和解模糊化。模糊化過(guò)程將實(shí)際的輸入量轉(zhuǎn)化為模糊量,經(jīng)過(guò)基于模糊規(guī)則的模糊推理和判斷,最終將模糊量轉(zhuǎn)化為真實(shí)量,完成解模糊化的過(guò)程,這也是模糊控制器的工作原理及核心。

  本文模糊推理器采用雙輸入、三輸出形式,控制器類(lèi)型選為Mamdani型,解模糊規(guī)則選擇為Centmid法,輸入輸出隸屬函數(shù)均選擇為trimf形式。選取輸入變量e和ec及輸出變量kp的論域均為(-6,6),模糊子集定義為{NB NM NS O PS PM PB},選取輸出變量ki和kd,ki和kd只取正值,論域?yàn)?-3,3),模糊子集為{O PS PM PB}。通過(guò)閉環(huán)運(yùn)行及模擬,觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線,分析得到控制器參數(shù)kp、ki、kd對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際影響,結(jié)合PID控制器參數(shù)整定理論,來(lái)確定最終的模糊規(guī)則,具體如表1所示。

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  1)|e|較大時(shí),為盡快消除偏差,提高相應(yīng)速度,kp應(yīng)取較大值,ki取0;|e|較小時(shí),為繼續(xù)消除偏差,并防止超調(diào)過(guò)大,kp取值應(yīng)減小,同時(shí)ki取小值。

  2)e·ec<0時(shí),被控量朝著接近給定值的方向變化,若|e|較大,此時(shí)kp取中等或小值,ki取中等值,kd取0,以加快控制的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

  3)|e|的大小表示的變化速率,|e|隨的增大,kp應(yīng)減小。

  2.3 Fuzzy-PID控制器

  模糊推理器結(jié)合常規(guī)PID控制器組成Fuzzy—PID控制器,將單輪懸架子系統(tǒng)、路面隨機(jī)激勵(lì)子系統(tǒng)和Fuzzy-PID控制器進(jìn)行組合,得到整個(gè)仿真系統(tǒng)的Simulink模型如圖3所示。   

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  3 仿真試驗(yàn)

  Simulink搭建的模型中,車(chē)身質(zhì)量m1=2 500 kg,懸架質(zhì)量m2=320 kg,懸架彈簧的彈性系數(shù)k1=80 000 N/m,阻尼系數(shù)b1=350 Ns/m,模擬輪胎的彈簧彈性系數(shù)k2=500 000 N/m,阻尼系數(shù)k2=15 020 Ns/m,假定汽車(chē)在B級(jí)路面上,以20 m/s的速度行駛。分別對(duì)采用常規(guī)PID控制的主動(dòng)懸架和采用Fuzzy—PID控制的主動(dòng)懸架的進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

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  3.1 結(jié)果分析

  仿真結(jié)果表明采用PID控制器的主動(dòng)懸架可以改善汽車(chē)的行駛平順性,而當(dāng)采用Fuzzy—PID控制器時(shí),控制效果可以進(jìn)一步提高。采用Fuzzy—PID控制的主動(dòng)懸架,無(wú)論是車(chē)身的速度還是加速度均比被動(dòng)懸架和采用常規(guī)PID控制的主動(dòng)懸架有很大降低,優(yōu)勢(shì)十分明顯。

  4 結(jié)束語(yǔ)

  本文研究車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架的控制問(wèn)題,在車(chē)輛主動(dòng)空氣懸的常規(guī)PID控制器的基礎(chǔ)上,運(yùn)用模糊推理對(duì)常規(guī)PID控制器進(jìn)行參數(shù)在線修訂,設(shè)計(jì)了基于單輪車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架的Fuzzy-PID控制器,并對(duì)Fuzzy-PID控制的單輪車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架進(jìn)行Matlab建模和仿真試驗(yàn)。仿真結(jié)果表明,與車(chē)輛被動(dòng)空氣懸架、常規(guī)PID控制的車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架相比,F(xiàn)uzzy—PID控制的車(chē)輛主動(dòng)空氣懸架可大大降低車(chē)身加速度和懸架動(dòng)行程,提高車(chē)輛乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性,具有良好的魯棒性,從而驗(yàn)證了Fuzzy—PID控制器的有效性和實(shí)用性。

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