【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(lái)被應(yīng)用在車輛懸架系統(tǒng) 中的新型控制方法，其最大特點(diǎn)是允許控制對(duì)象沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型，用語(yǔ)言變量代替數(shù)字變量，這樣在控制過(guò)程中就包含有大量人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，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(yǔ)言的形式描述，而不是以數(shù)值形式給出。 1965 年，美國(guó)的自動(dòng)控制理論專家扎德 (L． A． Zadah)在加州大學(xué)首先提出了模糊集合的概念，開(kāi)創(chuàng)了模糊數(shù)學(xué)及其應(yīng)用的新紀(jì)元。 1973 年，他繼續(xù)豐富和發(fā)展了懸架的分類 被動(dòng)懸架 半主動(dòng)懸架 主動(dòng)懸架 三類懸架模型示意簡(jiǎn)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(dòng)消振 控制方式 無(wú) 電動(dòng)，液壓，氣動(dòng)調(diào)節(jié)阻尼 電動(dòng)，液壓，氣動(dòng)的力發(fā)生器 調(diào)節(jié)元件 彈簧，阻尼固定的機(jī)械減振器 可調(diào)阻尼值的自動(dòng)控制減震器 自動(dòng)控制發(fā)生器，主動(dòng)減震 頻寬帶 無(wú)限制 ≤ 20Hz ＞ 15 Hz 垂直力學(xué)特性改善 無(wú)改善 中等 大范圍 橫向力學(xué)特性改善 無(wú)改善 中等 大范圍 成本 小 中 很大 能量消耗 無(wú) 很小 很大 模糊集合論，提出了一種把邏輯規(guī)則的語(yǔ)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(shí)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(gè)主要特點(diǎn)： (1)語(yǔ)言標(biāo)量代替數(shù)學(xué)變量或兩者結(jié)合應(yīng)用；(2)用模糊條件語(yǔ)句來(lái)描述變量間的函數(shù)關(guān)系； (3)用模糊算法來(lái)描述復(fù)雜關(guān)系。從此，模糊邏輯成為人們研究的一個(gè)熱門(mén)課題，模糊控制技術(shù)的最大特點(diǎn)是適宜于在各個(gè)領(lǐng)域中廣泛的應(yīng)用。模糊控制在化工，機(jī)械，冶金，工業(yè)爐窖，水處理，食品生產(chǎn)等多個(gè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用。 汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)振動(dòng)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(biāo)系統(tǒng)，非線性系統(tǒng)以及無(wú)適當(dāng)傳感器可檢測(cè)的系統(tǒng)中的良好應(yīng)用效果。我 國(guó)模糊控制理論及應(yīng)用的研究工作是從 1979 年開(kāi)始的，大多數(shù)是在高等院校和研究所中進(jìn)行理論研究，如對(duì)模糊控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模糊推理算法、自學(xué)習(xí)和自組織模糊控制器以及模糊控制穩(wěn)定性問(wèn)題等的研究。 2 汽車主動(dòng)懸架建模 主動(dòng)懸架系統(tǒng)模型分類 懸架系統(tǒng)是一個(gè)非常復(fù)雜的振動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)其動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行精確的描述、分析以及求解都是相當(dāng)困難的。懸架系統(tǒng)的特點(diǎn)有以下幾個(gè)特點(diǎn)： a：不確定性 (懸架系統(tǒng)的特性參數(shù)非常多，建立模型時(shí)如果有一些影響因素沒(méi)有充分考慮，則在建立模型時(shí)忽略的因素發(fā)揮作用與否將直接導(dǎo)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(duì)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(shí)際應(yīng)用的模型往往是線性的，難以保證高精度 )。 c：時(shí)變性 (懸架系統(tǒng)的一些物理參數(shù)在使用過(guò)程中會(huì)隨時(shí)間的推移而發(fā)生相 應(yīng)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(shí)際應(yīng)用中這些變化是不可避免的，它們輕則導(dǎo)致系統(tǒng)難以迅速準(zhǔn)確地達(dá)到控制目標(biāo)，嚴(yán)重的甚至使整個(gè)系統(tǒng)失穩(wěn) )。 鑒于懸架系統(tǒng)的復(fù)雜性，所以在推導(dǎo)懸架的數(shù)學(xué)模型過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)分析 問(wèn)題和研究側(cè)重點(diǎn)的要求進(jìn)行簡(jiǎn)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(jì)和控制理論時(shí)，常采用四分之一車體模型，它能較好的 體現(xiàn)垂直振動(dòng)的問(wèn)題，本文研究模型是并聯(lián)式主動(dòng)懸架，這種懸架是在被動(dòng)懸架 基礎(chǔ)上加作動(dòng)器，可以節(jié)省作動(dòng)器的能耗。如圖： 圖 21 1/4 懸架模型 由機(jī)械振動(dòng)學(xué) 的研究方法，建立兩自由度主動(dòng)懸架的動(dòng)力學(xué)方程： （ 21） （ 22） 對(duì)上式中若令 u=O，則主動(dòng)懸架模型退化為被動(dòng)懸架，本文以后章節(jié)將利用被動(dòng)模型的計(jì)算結(jié)果和主動(dòng)模型的結(jié)果作以比較。 其中各符號(hào)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(lì)， K1為輪胎等效剛度， K2為懸架彈簧等效剛， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為非懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直速度， z2錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直速度， 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 為非懸置質(zhì)量質(zhì)心的垂直加速度， 錯(cuò)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(dòng)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(jiǎn)介 系統(tǒng)仿真是近幾十年發(fā)展起來(lái)的綜合性技術(shù)科學(xué)，它是分析評(píng)價(jià)現(xiàn)有系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)或設(shè)計(jì)優(yōu)化系統(tǒng)性能與功能的一種先進(jìn)而有效的技術(shù)手段，系統(tǒng)仿真可縮短設(shè)計(jì)周期、降低費(fèi)用。在工程設(shè)計(jì)、航空航天、交通運(yùn)輸、生態(tài)環(huán) 境、通信網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)集成等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)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(xué)仿真及數(shù)學(xué)物理混合仿真。 Matlab 是 Math Works 公司于 1982 年推出的一套進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理的一種交互式程序設(shè)計(jì)的高技術(shù)工程計(jì)算語(yǔ)言， Matlab 是 Matrix Laboratory 即矩陣實(shí)驗(yàn)室的縮寫(xiě)，最初由 UNPACK 和 EISPACK 計(jì)劃研制，主要用于方便矩陣的存取，其基本元素是無(wú)需定義維數(shù)的矩陣。經(jīng)過(guò)十幾年的完善和擴(kuò)充，現(xiàn) 已 成為解決數(shù)學(xué)問(wèn)題的最重要的工具之一。廣泛應(yīng)用于應(yīng)用數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、工程、經(jīng)濟(jì)等幾乎所有需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算的場(chǎng)合，是一種集科學(xué)計(jì)算、圖象處理、聲音處理于一身的具有廣泛應(yīng)用前景的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)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(kuò)展了 Matlab 的應(yīng)用范圍。 Simulink 是運(yùn)行在 Matlab 環(huán)境下，用于建模、仿真和分析動(dòng)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)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(fù)雜的系統(tǒng)模型，從而對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)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(guò)程是交互的，可以隨時(shí)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(wèn) 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(yīng)用中可能使用的模塊，如電機(jī)系統(tǒng)、機(jī)構(gòu)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等的模塊集，這是目前其他計(jì)算機(jī)語(yǔ)言無(wú)法做到的．它 支持線性和非線性系統(tǒng)，能夠在連續(xù)時(shí)間域、離散時(shí)間域或者兩者的混合時(shí)間域里進(jìn)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(lì)信號(hào)模型及懸架系統(tǒng)評(píng)價(jià)參數(shù) 路面激勵(lì)信號(hào)模型：路面的激勵(lì)信號(hào)可以分為沖擊和振動(dòng)兩類。結(jié)合系統(tǒng)仿真模型列表說(shuō)明如下： 表 21 路面激勵(lì)類 其中白噪聲是指功率譜密度在整個(gè)頻域內(nèi)均勻分布的噪聲。所有頻率具有相同能量的隨機(jī)噪聲稱為白噪聲。此信號(hào)在各個(gè)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(hào)的這種具有平坦功率譜的性質(zhì)被稱作是“白色的”，此信號(hào)也因此被稱作白噪聲。相對(duì)的，其他不具有這一性質(zhì)的噪聲信號(hào)被稱為有色噪聲。 路面激勵(lì) 激勵(lì)信號(hào)實(shí)際產(chǎn)生原因 對(duì)人員車輛實(shí)際影響 相對(duì)的激勵(lì)信號(hào)模型 振動(dòng) 來(lái)自于持續(xù)的不平路面例如瀝青，沙石路面 振動(dòng)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，會(huì)對(duì)人員造成不適，損害車輛的機(jī)械性能 用白噪聲代替實(shí)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(huì)對(duì)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(yùn)動(dòng)定律，在對(duì)其進(jìn)行受力分析的基礎(chǔ)上，建立其動(dòng)力學(xué)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(lì)模型，提出懸架性能的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，將路面的激勵(lì)信號(hào)分為沖擊和振動(dòng)兩類，并選用白噪聲信號(hào)模擬實(shí)際的持續(xù)小的不平整路面振動(dòng)，選用階躍與矩形脈沖來(lái)模擬實(shí)際凸起和凹坑的沖擊。再者按照車輛設(shè)計(jì)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(dòng)撓度和車輪動(dòng)載荷三項(xiàng)指標(biāo)作為懸架性能的評(píng)價(jià)參數(shù)。為下一步的仿真研究做好了準(zhǔn)備工作。 3 基于 1／ 4 汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)模型的模糊控制 3． 1 模糊控制策略簡(jiǎn)介 模糊控制是以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量以及模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的一種計(jì)算機(jī)控制方法。是智能控制的主要方法之一，它的知識(shí)模 型是由一組模糊推理產(chǎn)生規(guī)則構(gòu)成的，它的人機(jī)對(duì)話能力較強(qiáng)，能夠方便地將專家的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)和思想加入到知識(shí)模型中。模糊集合是一種特別定義的集合，它可用來(lái)描述模糊現(xiàn)象。有關(guān)模糊集合、模糊邏輯等的數(shù)學(xué)理論，被稱為模糊數(shù)學(xué)。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(duì)集合中的對(duì)象關(guān)系進(jìn)行嚴(yán)格的劃分，一個(gè)對(duì)象要么完全屬于這個(gè)集合，要么就完全不屬于這個(gè)集合，不存在介于兩者之間的情況。模糊集合是沒(méi)有精確邊界的集合，即從屬于一個(gè)集合到不屬于一個(gè)集合之間的轉(zhuǎn)變是逐漸的，這個(gè)平滑的轉(zhuǎn)變是由隸屬函數(shù)來(lái)表征的。 對(duì)這類 系統(tǒng)的控制，模糊控制的誕生就顯得意義重大。因?yàn)槟：刂撇粡?qiáng)求建立數(shù)學(xué)模型，根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)的輸入輸出數(shù)據(jù)，參考現(xiàn)場(chǎng)操作人員的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，就可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)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