汽车主动悬架模糊控制系统Simulink建模及仿真毕业论文

汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 I汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真作者： 指导老师: 安徽农业大学工学院 11 车辆工程 合肥 230036目录1 引言 .21.1 国内外研究情况 .22 汽车主动悬架的建模 .32.1 主动悬架 14 模型 .33 14 汽车主动悬架系统模型的模糊控制 .43.1 模糊控制策略简介 .53.2 输入输出变量模糊子集 .73.3 模糊控制规则 .7 3.4 糊控制器在 matlab 里实现的步骤 .84 Simulink 建模及分析 .94.1 系统模型的建立 .94.2 仿真结果及分析 .115 总结 .13致谢 .14参考文献 .14汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 II摘要汽车悬架对汽车的稳定性，平顺性，和安全性的影响都很大。车辆悬架对车身垂直振动加速度的影响是汽车悬架研发的一个重要方面。汽车主动悬架可以主动按照车辆的当前的行驶状况和激励大小做出各类回响反映，使悬挂始终处于最好的工况中。在 matlab 我们可以很方便的建立悬架的模型并对其进行仿真实验，通过实验我们可以研究各种悬架以及发现在不同的道路状况下哪一种悬架更加具有最适的性能，综上所述利用 matlabj 进行仿真研究找到一种方式为车辆提供优良的机能是主动悬架研究的重点使命。关键词：主动悬架 模糊控制 仿真 建模1 引言当代汽车的组成部分中最重要的就是汽车悬架，因为汽车车身与车轴的连接全靠汽车悬架。汽车车轮和车架之间的所有力和力矩都是由汽车悬架来传递作，这是汽车悬架的作用之一，另外汽车悬架还能是的路面传给车架的冲击力降低，并且使得由地面冲击力所引发的承载体系的振动降到最低，确保了汽车在行驶过程中的的平顺性和汽车车轮在道路不平和装载质量变化时保持良好的运动状态以及确保驾驶员在汽车行驶时能够稳定的操纵，使汽车获得更高的行驶速度。出于这个原因，我们如果想要调整汽车悬架中各种各样的参考数值来将汽车行驶过程中的振动降低到最低限度以此使得车辆的各种性能都变的更好，那么研究和分析车辆振动是最好的方式。因而，我们提高汽车的整体机能的最基础问题就是主动悬架技术的研究与开发。主动悬架控制的设计理论就可以用我们所研究得出的结果，这样我们就能够有效地提高驾乘舒适性和汽车的操作稳定性，以更好地让乘客对于汽车的舒适性和安全性感到满意，所以汽车主动悬架给了我们一个更清晰的研究方向在改良总体车辆性能方面 1。本课题采用了模糊控制的方法并且汽车悬架的性能评价指标采用车身加速度、悬架动挠度和车轮动载荷这三项，在 Simulink 的仿真情境中对二自由度 1/4 车体主动悬架的数学模型，施行一系列仿真，并进行比较，以获得预期目标。国内外研究情况当下，所有的汽车研发人员都有着共同的看法：主动悬架的研究主要在于模糊控制程序的开发和实际操作两方面。开发出一种灵敏度高，性能稳定，可靠，成本低以及低功耗的致动器是所有研发作动器研究员的最终目标。主动悬架控制策略是经典控制理论，当代控制理论和智能车辆动力学理论优秀结合的精华所在。随着时代的发展，对汽车主动悬架的研究也越来越热门，很多专门从事汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 III汽车研发行业的研究员们将工作重心转移到主动悬架控制理论上，并进行了大量的物理实验 2。例如从事研究汽车主动悬架很多年的美国加州大学的教授汤蒲森以及普林斯顿的克莱尔教授，他们分别在最优控制理论研究以及预瞄控制理论方面都都有很大的建树，结构变化控制理论的拓展离不开英国教授卡努浦勤奋努力的研究 3。扎德教授受到广泛尊重学术是因为模糊控制的研究和开发。说完国外我们再来看看国内有什么成果，国内对汽车悬架钻研的时间比较短暂，是从上个世纪九十年代才开始研究与讨论的。并且，由于国家科学技术水平，生产的需要，研究条件等各种约束条件下，研究进展与发现与其他国家相比，还有很大差距，国内专家在车辆主动悬挂上的成就难以与国外相比。当前，对汽车主动悬架进行了一些理论控制和实物试验等方面研发的有浙大的朱善安教授，清华大学的舒庆教授等人。就现在来看，国内许多汽车研究人员喜欢利用Matlab 软件及 Simulink 建模仿真的方法对主动悬架系统作研究开发，例如北理工大学的章一鸣教授在上述两个软件的利用方面有着独特的见解和实际操作经验。如郝雪玲采用 Matlab / Simulink 软件进行了 1/4 二自由度的主动悬架系统的模拟仿真和实车测试车辆悬挂 的具体条件 4-5。由于车辆模型自由度较多，影操控稳定性和驾乘舒适性的因素很多，所以用 Matlab 与 ADAMS 相结合的车辆模型车辆主动悬挂技术的研究是必要的 6。总的来说，汽车悬挂系统的建模仿真和有效的控制理论成为当前主动悬架研究与发明的一大主题。这些研究使得汽车悬架控制的理论基础得到极大的扩充，促进了主动悬架在汽车上的全面应用 7。另外全球的一些经济实力强大研究人员众多的汽车公司和一些由政府支持的汽车研发部门的研究并不是只在理论上进行探索，同时也在软件仿真和实车试验上投入大量的金钱和精力。通过各国汽车行业精英们的不懈努力的研发，终于成功的研发出各种各样比较理想和符合实际应用的主动悬架。在这之后，那些老牌汽车公司就把这些研究成果应用到了实车上面，例如，瑞典汽车公司曾优化主动悬架控制系统并安装在沃尔沃轿车以及菲亚特汽车在八十年代后期把油气悬架系统安装在一款车上 8上。宝马、奔驰公司则在一些豪华轿车上安装主动液压悬架系统，极大地改善了汽车的行驶安全性和操纵稳定性9。第 2 章 主动悬挂建模2.1 主动悬挂 1/4 车辆模型汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 IV为了实现良好的控制效果，在经典以及现代控制理论中，以确定性自动控制系统来说，它是在用数学表达式来描述某一类被控制对象的动态特性这一前提下，再建立这个系统的一个数学模型，最后再根据选择的型号成为预期中最好的数学模型，最终设计出这个系统的模糊控制器，这样我们目的就可以实现10。为了将这个目旳实现，我们就需要模型给建立出来，而且要用数学计算的方式把模型准确无误的创建出。因此，在汽车悬架控制策略的研究，首先“道路-车-人”系统综合分析，建立振动悬挂系统精确的数学模型。就像不同的人有不同的看法也有不同的性格特点，所以悬挂系统被作为控制对象也不尽相同，所以有关悬挂系统的研究都是根据所研究悬架的特性进行调查。向控制对象的角度来看，悬挂系统具有以下特征：时变性悬挂系统所使用的参数在使用过程中，由于各种原因一些性能参数会随时间发生变化，例如一个弹簧阻尼和弹性元件的刚度，装载质量，这些参数的改变在实验操作过程中是避免不了的，由于这些原因不仅会造成我们建立的系统不能够快速且精准地实现目标控制，而且还会在变化较大情况下使得整个系统变得不稳定；不确定性确定悬架系统的参数有许多，一些学者已经建立了包含 81 个参数的悬挂模型，但即便如此，也还有需要斟酌的因素，一些简化的模型创建考虑较少，因而难免疏忽了一些因素，这些因素被疏忽，但它们是不是会有用处我们不得而知，这就造成了悬挂系统不确定性；非线性系统有许多非线性因素，这是因为轮胎、阻尼和刚度都是属于非线性的，以及还有非线性弹簧和减震器阻尼不对称以及轮胎的跳空状况 11。与此同时，悬架系统各种参数有许多耦合。在本文中，以四分之一的两个自由度的车辆模型模糊控制策略作为研究的起点，并得出控制策略。如图所示 1/4 悬架模型：图 21 四分之一悬架模型根据运动力学的牛顿定律，动力学方程可确定如下：0)()()( 0112121 uxkxkxcm汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 V（1）0)()(12122 uxkxcxm（2） 上述式： 非吊挂质量的质心的垂直加速度吊挂质量质心的垂直加速度2非吊挂质量的质心的垂直加速度1x吊挂质量重心垂直加速度2m1为非悬置质量，m 2为悬置质量,c 悬架等效阻尼，k 1轮胎等效刚度,k 2悬架弹簧等效刚度；上式中若令 u=0,则主动悬架变为被动悬架，结尾的结论将会用到被动悬架与主动悬架进行相互比较得出所需结论。论文参数采用以下数据：m1=36,m2=240,k1=160000,k2=16000,c=9803 1/4 汽车主动悬架系统模型的模糊控制31 模糊控制策略简介模胡控制技术是树立在模糊数学的基础上的，因为只有数学模型不明确的被控制对象才需要使用模糊控技术，而且所有非线性的模型使用模糊控制来操作的话会更加方便快捷以及更加的实用。传统的 PID 控制器其响应较慢，而模糊控制器则相对更快，而且传统的 PID 控制器其超调也比模糊控制器大很多，最重要的是传统 PID 控制器对过程参数转变比较明感且不能克服非线性因素的影响，但模糊控制器就可以。由于模糊概念不可以绝对的用属于或不属于某集合来表示，所以它不可以用经典集合加以表述。在实际实验操作中要想成功运行系统必需处理这三个问题即知识表示，推理策略和知识获得，只有处理好这三个问题后的模糊控制系统才能得以实现，综上所述，我们可以知道它是一种计算机控制，并且需要以模糊集合论，模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础。模胡控制系统的布局如图所示图 31 结构图模糊控制器的基础设计：模糊控制器的构造名是基于输入和输出变量的数量，其变量可分为两个系统，一个是单个可变控制系统中，而另一个是一个多变量控制系统。和模糊控制系统也可以分为单因素和多因素模糊控制。根据所汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 VI输入的变量数目不同的单可变的模糊控制器可被定义为不同的尺寸。一维和二维模糊控制器的单变量的单变量模糊控制器是，它是一些两类。现在基本上控制选择的量和规定的输入误差 e 和误差变化率 ec，如上所述，二维模糊控制器输入变量，它可以更严格地反映了实验过程输出变量的动态特性，所以它的使用是更普遍 12。此外，我们还通常选择一个控制量，并输入误差 E 作为输入变量为一维模糊控制器的量。在模糊控制控制量的给定数量的语言，模糊控制器是一台计算机，模糊基于所述转换的输入信息的精确量的作用，根据模糊推理，模糊输出手动控制策略控制规则的决策总结和转换的确切数额，作为反馈控制操作以便于来控制目标 13。常见于图中所示的两维单变量模糊控制系统框图图 32 二维变量系统框图32 输入输出变量子集本文所做的模糊控制器，其所需的所有变量都采用 7 个模糊语言变量值（又称模糊子集）来描写，即负大（NL） ，负中（NM） ，负小（NS） ，零（Z） ，正小（PS） ，正中（PM） ，正大（PL）。输入变量车身加速度 a 和车身速率 v 的模糊子集使用钟形隶属函数，该函数可由下面的通式来表达：（3）其中 ai，bi，ci 集合唯一定型了语言变量 Li 所对应的隶属函数的形状，同时它也形成了模糊控制器的可调整参数序列。借助试错法对控制器的特性缓缓调试，使其机能保持最优状态。 输出变量控制力转变的各语言变量的参数设置如表所示：u表 3-13.3 模糊控制规则模糊控制规则是模糊控制器，其描述与量，他们的模糊关系之间的控制器的变量 NL NM NS Z PS PM PLic-6 -4 -2 0 2 4 6ibiiii acxcbaxu1(),(汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 VII输入和输出相关联的语言的方法的一个重要组成部分。模糊控制规则是基于专家或技术人员操做的操控体验，通过给出的推理方式。首先，还是模糊控制规则，并通过不断调整来得到最终的模糊控制规则。控制器的这两个输入使用七种语言来描述模糊集，其中有 49 控制规则。因为身体和主体加速度 a 速度 V这两个量是在需要降低过程的控制，因此，模糊规则系统是通过试错方法，得到模糊控制规则调整，如表表 32在任何时候的 t，控制力的转变量 u 的隶属度由下式算出：)(,)(vaF本次仿真实验规则表中的模糊关系由其中的 F 表示定义。每一个模糊子关系 F 都是由模糊控制规则构成的，模糊控制器输入与输出之间的模糊关系是所有的模糊子关系的总和，我们可以用最大_最小合成推理规则对任何一组模糊输入 a 和 v 进行运算获得模糊子集 14。u3.4 糊控制器在 matlab 里实现的步骤根据前面几个章节所做的准备，我们在 matlab 的命令窗口中输入 fuzzy，按回车键就会出现下面这幅的界面：NL NM NS Z PS PM PLNL PL PL PM PS PS PS ZNM PL PM PS Z PS Z NSNS PM PS Z Z Z NS NMZ PM PS Z Z Z NS NMPS PM PS Z Z Z NS NMPM PS Z NS Z NS NM NLPL Z NS NS NS NM NL NLvua汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 VIII图 3-3 输入 fuzzy 后的界面这个就是我们进行模糊控制器编辑的窗口，因为我们选择的二维控制结构，把我们所以我们要增加一个输出窗口得到如下界面:图 3-4 增加输入方块然 后 我 们 就 需 要 把 输 入 输 出 变 量 改 变 成 模 糊 的 语 言 规 则 ， 也 就 是 说 我 们 要把 输 入 输 出 的 精 确 量 和 应 语 言 变 量 的 模 糊 集 合 相 对 应 起 来 ， 将 上 文 所 得 的 隶属 函 数 和 模 糊 控 制 规 则 输 入 ， 这 两 个 步 骤 我 们 需 要 在 matlab 中的 Member Function Edt 窗口中完成，完成之后我们可以得到如下几幅图的界面：汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 IX图 3-5 编辑模糊规则 图 3-6 编辑隶属函数图 37 观察规则 图 38 观察规则曲面最 后 我 们 matlab里 面 的 Export to disk 中 ， 可 以 的 到 到 一 个 .fis 文 件 ， 这 就 是 我 们 所 设计 的 模 糊 控 制 器如下图所示就是本文模糊控制器的控制程序图3 9模糊控制器的控制程序4 Simulink 建模及分析4.1 系统模型的建立依据前面建立的动态物理模型和推导的数学微分方程，利用 Simulink 建立汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 X如图所示的动态仿真模型,接着输入本次仿真实验所需要用到的参数，点击开始仿真按钮后，我们就可以从仿真模型的示波器中，分别获得车身位移图，速度图，加速度图。此次仿真实验的动力学模型在 simulink 中创建的仿真图 4-1 如下：汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 XI图 4-1 主动悬架模型4.2 仿真结果及分析此次仿真实验的变量取值可以从 MATLAB 中的 Workspace 中获取，我们需要在在命令窗口中输入本次仿真实验参数。其中试验参数如下：m1=36，m 2=240，k 1=160000，k 2=16000,c2=980 和在阶跃信号幅值为 0.1m 的输入下悬架仿真结果如下图 4-2 所示StepScope3Scope2Scope11sIntegrator31sIntegrator21sIntegrator11sIntegrator-K-Gain9 -K-Gain8-K-Gain7-K-Gain6 -K-Gain5-K-Gain4 -K-Gain3-K-Gain2-K-Gain11-K-Gain10-K-Gain1-K-GainFuzzy Logic Controllerdu/dtDerivative1du/dtDerivative汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 XII图 4-2 模糊控制仿真图但是因为汽车在实际行驶过程中有很多特性，所以我们可以把阶跃信号换成宽白噪声，这样我们可以得到更加详细的结果仿真图。其中，有限带宽白噪声的功率谱权威： unGf202)(4)(汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 XIII本次仿真我们假设汽车在实际行驶过程中其速度功率的幅值是一个常数,我们选择 c 级路面为我们仿真使用路面，给出的数值如下： 12010 /61*25(,.,/2 mnGmnsu）得到的仿真结果如下所示:图 43 把阶跃信号换成白噪声后的系统仿真结果图5 结论设计过程中，我们可以把这次实验目的看成是一次对悬架搜索合适的控制算汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 XIV法，以便所设计悬架可以依据车辆在实际行驶过程中的运转状态和道路表面条件，自动的微调完成悬架的刚度和阻尼以确保所设计悬架具有最佳的乘坐舒适性和操纵稳定性。通过本次的建模仿真实验，我观察到在阶跃信号下主动悬架相对于被动悬架来说其具有更快的变换速度。通过模糊控制器后，在阶跃信号路面上的主动悬架相对于被动悬架来说，通过上面的仿真图对比可以看出主动悬架的车身位移、速度、加速度的峰值全都有所下降，而且波形衰减很是明显直至最终成为一条直线即表明平稳下来这就可以表明此次仿真实验可以调整主动悬架去适应不同种类的道路，使得在汽车行驶过程中具有最佳乘坐舒适性和平稳性。可以从所获得的成果的两两的比较中可以看出进行过两次输入后，不仅有良好的改善了悬挂系统，并且提高乘坐的舒适性，以及一定程度上也提高了驾驶的安全性致谢在这次毕业设计中，我的指导老师宋老师给了我很多帮助，对我在设计中所遇到的问题都给了耐心全面的解答，使得我成功的完成了此次设计，所以在此我要感谢宋老师给予我的帮助，并且宋老师的严谨的教学态度，高深的学术水平都给我留下了深刻的印象，在此我还要感谢在本次设计过程中给予我无私帮助的所有老师和同学，也感谢本次参加答辩的各位老师在炎热的天气下花费时间来听我答辩。最后再次感谢所有老师和同学！参 考 文 献1 宋晓琳, 赵丕云. 用于汽车主动悬架的模糊控制器的研究J. 湖南大学学报, 2000, 27(2):42-46. DOI:10.3321/j.issn:1000-2472.2000.02.010.2jimaT，Aksatu Y， et a1.Development ofa hydraulic active suspensionJ，SAE paper 931971，2001 3 熊明洁.小型纯电动汽车麦弗逊悬架的建模与优化J，国际新能源汽车会议，20114 郝雪玲.驾驶员座椅悬架系统主动控制研究与仿真分析J，机床与液压，20115 Hoogterp F B.Active suspension in the automotive industry and the militaryJ，SAE paper 961037，2005：96101.6 冀功祥.越野车液压主动悬架系统控制策略的研究D.长春：吉林大学硕士学位论文，2007. 7 王淑琴.越野车电液主动悬架模糊控制的研究D.长春：吉林大学硕士学位汽车主动悬架模糊控制系统 Simulink 建模及仿真 XV论文，2006. 8 张正. 汽车主动悬架控制策略及仿真研究D. 青岛理工大学, 2012.9 余志生.汽车理论M，北京：机械工业出版社，1999 10 周柔，郭志峰.主动悬架控制技术研究J，计算机与现代化，No.197，2012. 11 刘勺华.基于 MATLATB 的汽车半主动悬架模糊控制与联合仿真J.机械设计与制造，2011.12 乔铁柱, 闫来清. 模糊 PID 控制及在恒压供液系统的应用 J. 煤炭工程, 2011, (10):95-97. DOI:10.3969/j.issn.1671-0959.2011.10.036.13 郑卫国主编. MATLAB 程序设计教程.中国水利水电出版社.200514 余强, 魏朗, 陈荫三. 主动悬架系统的连续模糊控制J. 汽车技术, 1999, (1):9