基于單輪車輛懸架的Fuzzy-PID控制器設計和仿真

摘要：研究車輛主動空氣懸架的控制問題，在車輛主動空氣懸的常規PID控制器的基礎上，運用模糊推理對常規PID控削器進行參數在線修訂，設計了基于單輪車輛主動空氣懸架的Fuzzy-PID控制器，并對Fuzzy-PID控制的單輪車輛主動空氣懸架進行Matlab建模和仿真試驗。仿真結果表明，與車輛被動空氣懸架、常規PID控制的車輛主動空氣懸架相比，Fuzzy-PID控制的車輛主動空氣懸架可大大降低車身加速度和懸架動行程，提高車輛乘坐舒適性和操縱穩定性，具有良好的魯棒性，從而驗證了Fuzzy-PID控制器的有效性和實用性。
關鍵詞：車輛工程；汽車行駛平版性；模糊控制；Fuzzy-PID控制器；主動懸架

隨著高速公路的日益發展，人們對汽車高速行駛時平順性和安全性的要求越來越高。良好的車輛懸架系統可以有效地降低由于路面不規則激勵造成過大車體加速度，使車輛具有良好的行駛平順性和安全性。自主動懸架的概念提出以來，人們已經探求用各種控制理論算法設計主動懸架控制器。研究其在提高設計主動懸架中的應用效果。
模糊邏輯基于人類模糊思維這一抽象機理，它強調的重點是應用的簡單和方便。自20世紀60年代，模糊數學的建立為模糊推理系統尤其是模糊控制系統的應用奠定了理論基礎。目前，模糊推理系統已成功應用于自動控制、數據分類、決策分析、專家系統以及計算機視覺系統之中。
本文研究車輛主動空氣懸架的控制問題，在車輛主動空氣懸的常規PID控制器的基礎上，運用模糊推理對常規PID控制器進行參數在線修訂，控制策略融合了PID控制和模糊控制的優點，設計了基于單輪車輛主動空氣懸架的Fuzzy—PID控制器，并對Fuzzy—PID控制的單輪車輛主動空氣懸架進行Matlab建模和仿真試驗。仿真結果表明，與車輛被動空氣懸架、常規PID控制的車輛主動空氣懸架相比，Fuzzy—PID控制的車輛主動空氣懸架可大大降低車身加速度和懸架動行程，提高車輛乘坐舒適性和操縱穩定性，具有良好的魯棒性，從而驗證了Fuzzy—PID控制器的有效性和實用性。

1 單輪車輛主動懸架和路面激勵
設計車輛懸架系統時，可把單輪車輛主動懸架模型(即單輪車輛模型)簡化成一個彈簧-阻尼系統，該系統的力學模型如圖1所示。

單輪車輛主動懸架的數學模型為：

式中，m1為車身質量，m2為懸架質量，x1為車身垂直位移，X2為懸架垂直位移，U為路面激勵，k1和k2為彈簧胡克系數，b1和b2為阻尼系數。
路面不平度隨機激勵為：

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。