基于新型趋近律的半主动悬架模糊滑模控制

基于新型趋近律的半主动悬架模糊滑模控制

江腾飞

安徽江淮汽车集团股份有限公司   安徽合肥 230022

摘要：针对纯电动汽车行驶的舒适性与安全性，本文研究提出了一种基于新型趋近律的半主动悬架模糊滑模控制设计方案。为了应对滑模控制所导致的抖振与收敛速度慢等情况，将新型趋近律引入其中，然后综合模糊滑模控制，仿真分析了纯电动汽车的半主动悬架，结果证明，本文所提出的设计方案提升了乘车的舒适性和行车的安全性。

关键词：趋近律；半主动悬架；模糊；滑模控制

纯电动汽车行驶过程中，驾驶员既要控制车速，保证行车的平稳性，还要应对长时间驾驶带来的疲劳感，增加了行车的安全风险，这就要实现纯电动汽车半主动悬架系统的智能控制目标。基于此，文章基于新型趋近律，设计出模糊滑模控制装置，旨在促进状态轨迹快速、稳定地朝着滑模切换面收敛，以此来控制纯电动汽车的稳定，防止抖振情况的发生。

1半主动悬架模糊滑模控制器设计

纯电动汽车半主动悬架的整个模糊控制系统的设计必须综合考量参数存在的不确定性、非线性与非理想执行装置的存在，还要确保悬架动态位移与轮胎承载力在安全区间，结合半主动悬架数学模型、参考天棚模型、跟踪误差模[1]。上述因素存在的关系为：

，

其中，与为悬架弹簧上、下质量质心的位移，与代表悬架弹簧上、下质量，代表悬架最大动态位移，代表汽车轮胎动载荷。由此设计的新型趋近律的模糊滑模控制器如图一所示：

图一 新型趋近律的模糊滑模控制器

纯电动汽车半主动悬架得到的路面激励信息，然后把悬架弹簧下质量（）的运行状态当成参考天棚系统的输入，两个系统各自把所属的簧上质量位移信息和，以及加速信息，作为信号输入，建立跟踪误差模型，把非线性参数、不确定参数以及非理想执行器等因素导致的不确定量集合成统一的整体；接着将跟踪误差模型的输出量当成输入构建滑模面函数，把和当成2D模糊滑模控制器的输入，以保证控制系统的稳定，然后把计算获得的（控制力）反馈到半主动悬架中，用来调整和控制汽车车身的高度，以确保纯电动汽车长途行驶的舒适性和安全性。

2半主动悬架模糊滑模控制器的仿真分析

2.1半主动悬架仿真参数

本次研究采用的是贴近实体路况的白色噪声法对汽车行驶路面的激励信号进行仿真模拟，并将C级公路路面的不平整性当成系统的输入，如此就可获得路面的不平整性系数[2]。为了有效验证本次研究提出的半主动悬架模糊滑模控制器设计的控制效果，采用MATLAB和Simulink建模仿真软件仿真分析半主动悬架及其控制系统，获得行车安全性与舒适性的的仿真结果。

2.2行车舒适性仿真分析

为了对纯电动汽车长途行驶舒适性进行有效的验证，将汽车垂向加速度以及悬架动挠度当成评价指标，对比分析了基于模糊滑模控制的早期控制悬架、新型的控制悬架以及被动悬架。与被动悬架相比，这两种模糊滑模控制悬架汽车的垂向加速度以及悬架动挠度都有明显的下降，新型的模糊滑模控制悬架的优化情况更加明显，并具有较高的稳定性。为了使优化的模糊滑模控制悬架能够更加直观、形象的展示，使其和早期的模糊滑模控制悬架以及被动悬架的行车舒适性效果形成鲜明的对比，通过频域分析法对汽车垂向加速度以及悬架动挠度展开了分析，获得的结果如图二所示。针对垂向振动来说，人体的敏感度处在4Hz到12Hz之间，优化后的模糊滑模控制悬架的汽车垂向加速度以及悬架动挠度的频域值明显小于模糊滑模与被动悬架，由此表明优化后的模糊滑模控制悬架可行性较高，提升了纯电动汽车长途行驶的舒适性[3]。

图二 汽车垂向加速度以及悬架动挠度的频域对比

2.3行车安全性仿真分析

为了对纯电动汽车长途行驶安全性进行有效的验证，把车轮动载荷当成评价指标，对比分析了优化后的模糊滑模控制悬架和早期的模糊滑模控制以及被动悬架，获得的分析结果如图三所示。在两种模糊滑模控制下的悬架汽车的车轮动载荷有一定的减小。通过频域分析法对车轮动载荷进行分析，获得的结果如图四所示，在4Hz到12Hz区间，优化的模糊滑模控制悬架下的车轮动载荷下降显著，有效提升了纯电动汽车长途行驶的安全性。

图三 模糊滑模控制悬架的行车安全性时域对比

图四 汽车悬架的行车安全性频域对比

针对悬架各项性能指标进行均方根值的计算，获得的结果入表一所示。由此可知，与被动悬架相比，优化后的模糊滑模控制悬架，汽车垂向加速度下降了84.8%，而悬架动挠度下降了38.5%，以及车轮动载荷下降了47.9%，与早期的模糊滑模控制悬架相比，汽车垂向加速度降低了78.9%，而车轮动载荷下降了13.6%，以及悬架动挠度下降了31.4%。

表一 悬架性能指标均方根值的比对结果

3结论

本次研究把纯电动汽车悬架的弹簧下质量的运动状态当成模糊滑模控制系统的输入指标，良好的解决了路面高度信息获取难的问题。基于新型趋近律函数的引入，悬架滑模控制所导致的系统抖振以及收敛速度慢的情况得到了明显的改善，通过将非线性项引入到滑模面的建立中，促使了整个滑模控制系统效果的实现。通过半主动悬架模糊滑模控制器的仿真分析以及获得的分析结果可知，在纯电动汽车的长途行驶中，将汽车垂向加速度以及悬架动挠度当作评价指标的长途行驶的舒适性，以及将车轮动载荷当作评价指标的长途行驶的安全性均获得了有效的提升。纯电动汽车实际行驶的垂向与横向运动需要精确的描述，未来可以将研究的焦点聚集在汽车振动模型的构建的精准性上，在以此为基础的智能控制研究可结合本文研究的滑模控制，从而进一步提高纯电动汽车长途行驶的舒适性和安全性。

参考文献

[1]王小龙,黄晋英,吕海峰,等.基于滑模观测器的车辆半主动座椅悬架系统H_(∞)最优控制[J].振动与冲击,2022,41(13):246-248.

[2]葛宇超,刘刚,苗丰,等.馈能磁流变半主动悬架模糊滑模控制[J].液压与气动,2022,46(09):90-91.

[3]韩卫沙.模糊滑模控制的研究及其在汽车半主动悬架上的应用[D].河北工程大学,2023,(03):124-125.