【文章內(nèi)容簡介】 11 汽車懸架分類 模糊控制理論的概述 模糊控制是自 90 年代以來被應用在車輛懸架系統(tǒng) 中的新型控制方法，其最大特點是允許控制對象沒有精確的數(shù)學模型，用語言變量代替數(shù)字變量，這樣在控制過程中就包含有大量人的控制經(jīng)驗和知識，即與人的智能行為相似，從而提 高了理論的可行性。模糊控制器的輸入量和輸出量均必須用自然語言的形式描述，而不是以數(shù)值形式給出。 1965 年，美國的自動控制理論專家扎德 (L． A． Zadah)在加州大學首先提出了模糊集合的概念，開創(chuàng)了模糊數(shù)學及其應用的新紀元。 1973 年，他繼續(xù)豐富和發(fā)展了懸架的分類 被動懸架 半主動懸架 主動懸架 三類懸架模型示意簡圖 工作原理 固定 特性的彈簧，阻尼減震 阻尼可調(diào)消 調(diào)節(jié)車與輪之間的的作用力，主動消振 控制方式 無 電動，液壓，氣動調(diào)節(jié)阻尼 電動，液壓，氣動的力發(fā)生器 調(diào)節(jié)元件 彈簧，阻尼固定的機械減振器 可調(diào)阻尼值的自動控制減震器 自動控制發(fā)生器，主動減震 頻寬帶 無限制 ≤ 20Hz ＞ 15 Hz 垂直力學特性改善 無改善 中等 大范圍 橫向力學特性改善 無改善 中等 大范圍 成本 小 中 很大 能量消耗 無 很小 很大 模糊集合論，提出了一種把邏輯規(guī)則的語言轉(zhuǎn)化成相關(guān)控制量的思想，從而為模糊控制的形成奠定了基礎(chǔ)．他 同時指出，模糊控制方法與通常分析系統(tǒng)所用的定量方法在本質(zhì)上是不同的，它有三個主要特點： (1)語言標量代替數(shù)學變量或兩者結(jié)合應用；(2)用模糊條件語句來描述變量間的函數(shù)關(guān)系； (3)用模糊算法來描述復雜關(guān)系。從此，模糊邏輯成為人們研究的一個熱門課題，模糊控制技術(shù)的最大特點是適宜于在各個領(lǐng)域中廣泛的應用。模糊控制在化工，機械，冶金，工業(yè)爐窖，水處理，食品生產(chǎn)等多個領(lǐng)域中得到應用。 汽車主動懸架系統(tǒng)振動控制方法研究模糊控制充分顯示了在大規(guī)模系統(tǒng)，多目標系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)以及無適當傳感器可檢測的系統(tǒng)中的良好應用效果。我 國模糊控制理論及應用的研究工作是從 1979 年開始的，大多數(shù)是在高等院校和研究所中進行理論研究，如對模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法、自學習和自組織模糊控制器以及模糊控制穩(wěn)定性問題等的研究。 2 汽車主動懸架建模 主動懸架系統(tǒng)模型分類 懸架系統(tǒng)是一個非常復雜的振動系統(tǒng)，對其動力學特性進行精確的描述、分析以及求解都是相當困難的。懸架系統(tǒng)的特點有以下幾個特點： a：不確定性 (懸架系統(tǒng)的特性參數(shù)非常多，建立模型時如果有一些影響因素沒有充分考慮，則在建立模型時忽略的因素發(fā)揮作用與否將直接導致系統(tǒng)的不確定性 )。 b：非線性 (主要包括輪胎的非線性剛度及阻尼，彈簧的非線性、減振器的不對稱性阻尼及輪胎的跳空現(xiàn)象等，另外，懸架系統(tǒng)各參數(shù)存在大量耦合，因此系統(tǒng)具有很多非線性因素。而實際應用的模型往往是線性的，難以保證高精度 )。 c：時變性 (懸架系統(tǒng)的一些物理參數(shù)在使用過程中會隨時間的推移而發(fā)生相 應的變化，如減振器油液的粘度、彈性元件的剛度、懸置質(zhì)量等，在實際應用中這些變化是不可避免的，它們輕則導致系統(tǒng)難以迅速準確地達到控制目標，嚴重的甚至使整個系統(tǒng)失穩(wěn) )。 鑒于懸架系統(tǒng)的復雜性，所以在推導懸架的數(shù)學模型過程中，應根據(jù)分析 問題和研究側(cè)重點的要求進行簡化，忽略一些次要因素。綜合現(xiàn)有的研究成果，汽車懸架系統(tǒng)模型有三種建模形式： (1)兩自由度四分之一車體模型 (2)四自由度半車模型 (3)八自由度或十自由度的整車模型。 兩自由度 I／ 4 模型 研究懸架的概念設(shè)計和控制理論時，常采用四分之一車體模型，它能較好的 體現(xiàn)垂直振動的問題，本文研究模型是并聯(lián)式主動懸架，這種懸架是在被動懸架 基礎(chǔ)上加作動器，可以節(jié)省作動器的能耗。如圖： 圖 21 1/4 懸架模型 由機械振動學 的研究方法，建立兩自由度主動懸架的動力學方程： （ 21） （ 22） 對上式中若令 u=O，則主動懸架模型退化為被動懸架，本文以后章節(jié)將利用被動模型的計算結(jié)果和主動模型的結(jié)果作以比較。 其中各符號含義： ml為非懸置質(zhì)量， m2為懸置質(zhì)量， Z1為非懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直位移， Z2為懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直位移， Z0為路面激勵， K1為輪胎等效剛度， K2為懸架彈簧等效剛， 錯誤 !未找到引用源。 為非懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直速度， z2錯誤 !未找到引用源。 為懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直速度， 錯誤 !未找到引用源。 為非懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度， 錯誤 !未找到引用源。 為懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度， u為作動器的控制力， c：為懸架等效阻尼。本文采用參數(shù)如下： m1=36， m2=240， k1=160000， k2=16000， c=980 2． 3 系統(tǒng)仿真技術(shù)簡介 系統(tǒng)仿真是近幾十年發(fā)展起來的綜合性技術(shù)科學，它是分析評價現(xiàn)有系統(tǒng)運行狀態(tài)或設(shè)計優(yōu)化系統(tǒng)性能與功能的一種先進而有效的技術(shù)手段，系統(tǒng)仿真可縮短設(shè)計周期、降低費用。在工程設(shè)計、航空航天、交通運輸、生態(tài)環(huán) 境、通信網(wǎng)絡(luò)和計算機集成等領(lǐng)域中有著廣泛的應用。系統(tǒng)仿真所必須遵循的基本原則即是相似原理 —— 幾何相似、環(huán)境相似和性能相似。系統(tǒng)仿真按所建立的模型的性質(zhì)可分為物理仿真、數(shù)學仿真及數(shù)學物理混合仿真。 Matlab 是 Math Works 公司于 1982 年推出的一套進行數(shù)學運算和數(shù)據(jù)處理的一種交互式程序設(shè)計的高技術(shù)工程計算語言， Matlab 是 Matrix Laboratory 即矩陣實驗室的縮寫，最初由 UNPACK 和 EISPACK 計劃研制，主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無需定義維數(shù)的矩陣。經(jīng)過十幾年的完善和擴充，現(xiàn) 已 成為解決數(shù)學問題的最重要的工具之一。廣泛應用于應用數(shù)學、物理、化學、工程、經(jīng)濟等幾乎所有需要進行復雜數(shù)學計算的場合，是一種集科學計算、圖象處理、聲音處理于一身的具有廣泛應用前景的計算機高級編程語言。 Matlab 所提供的函數(shù)及基本工具箱函數(shù)，而且可以方便地構(gòu)造出專用的函數(shù)，從而大大擴展了 Matlab 的應用范圍。 Simulink 是運行在 Matlab 環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動態(tài)系統(tǒng)的軟件包，它是由 Math Works 公司在 1990 年前后推出的產(chǎn)品，其名字有兩重含義，仿真 (simu)與模塊連接 (1ink)， 表示該環(huán)境可以用框圖的方式對系統(tǒng)進行仿真。 Simulink 提供的面向框圖的仿真及概念仿真功能，使得用戶能很容易地建立各種復雜的系統(tǒng)模型，從而對其進行準確的仿真。使用 Simulink 可以很容易創(chuàng)建新的模型，或者是修改舊的模型。仿真過程是交互的，可以隨時修改參數(shù)，并且能夠立即看到仿真結(jié)果。在 Simulink 中能夠直接訪問 Matlab 中所有的工具箱，并可得到可視化的分析結(jié)果。此外， Simulink 還提供了各種工程應用中可能使用的模塊，如電機系統(tǒng)、機構(gòu)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的模塊集，這是目前其他計算機語言無法做到的．它 支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時間域、離散時間域或者兩者的混合時間域里進行建模，它同樣支持具有多種采樣速率的系統(tǒng)瞄制。 路面激勵信號模型及懸架系統(tǒng)評價參數(shù) 路面激勵信號模型：路面的激勵信號可以分為沖擊和振動兩類。結(jié)合系統(tǒng)仿真模型列表說明如下： 表 21 路面激勵類 其中白噪聲是指功率譜密度在整個頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。所有頻率具有相同能量的隨機噪聲稱為白噪聲。此信號在各個頻段上的功率是一樣的，由于白光是由各種頻率 (顏色 )的單色光混合而成，因而此信號的這種具有平坦功率譜的性質(zhì)被稱作是“白色的”，此信號也因此被稱作白噪聲。相對的，其他不具有這一性質(zhì)的噪聲信號被稱為有色噪聲。 路面激勵 激勵信號實際產(chǎn)生原因 對人員車輛實際影響 相對的激勵信號模型 振動 來自于持續(xù)的不平路面例如瀝青，沙石路面 振動的時間相對較長，會對人員造成不適，損害車輛的機械性能 用白噪聲代替實際的小的不平整的路面 沖擊 路面突變處，如 坑洼路面 沖擊大，會對車輛或者人員造成損傷 沖擊往往用階躍，巨型脈沖，三角波或者正弦波代替 根據(jù)牛頓運動定律，在對其進行受力分析的基礎(chǔ)上，建立其動力學方程，以此作為本文控制策略仿真的基礎(chǔ)。另一方面建 立了路面激勵模型，提出懸架性能的評價標準，將路面的激勵信號分為沖擊和振動兩類，并選用白噪聲信號模擬實際的持續(xù)小的不平整路面振動，選用階躍與矩形脈沖來模擬實際凸起和凹坑的沖擊。再者按照車輛設(shè)計要求的平順性和操縱穩(wěn)定性。選取了車身的加速度，懸架動撓度和車輪動載荷三項指標作為懸架性能的評價參數(shù)。為下一步的仿真研究做好了準備工作。 3 基于 1／ 4 汽車主動懸架系統(tǒng)模型的模糊控制 3． 1 模糊控制策略簡介 模糊控制是以模糊集合論、模糊語言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計算機控制方法。是智能控制的主要方法之一，它的知識模 型是由一組模糊推理產(chǎn)生規(guī)則構(gòu)成的，它的人機對話能力較強，能夠方便地將專家的經(jīng)驗知識和思想加入到知識模型中。模糊集合是一種特別定義的集合，它可用來描述模糊現(xiàn)象。有關(guān)模糊集合、模糊邏輯等的數(shù)學理論，被稱為模糊數(shù)學。它與經(jīng)典集合是不同的。經(jīng)典集合是具有精確邊界的集合。經(jīng)典集合對集合中的對象關(guān)系進行嚴格的劃分，一個對象要么完全屬于這個集合，要么就完全不屬于這個集合，不存在介于兩者之間的情況。模糊集合是沒有精確邊界的集合，即從屬于一個集合到不屬于一個集合之間的轉(zhuǎn)變是逐漸的，這個平滑的轉(zhuǎn)變是由隸屬函數(shù)來表征的。 對這類 系統(tǒng)的控制，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因為模糊控制不強求建立數(shù)學模型，根據(jù)實際系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場操作人員的運行經(jīng)驗，就可對系統(tǒng)進行實時控制。模糊控制獲得巨大成功的主要原因在于它具有如下一些突出特