电控空气悬架模糊控制系统的开发
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摘要
空气悬架在车辆的行驶过程中，其刚度可以根据路况和需要进行调节。作为半主动悬架中的一种，它对于提高汽车的行驶平顺性、操纵稳定性以及减轻对路面的破坏具有显著的效果。美国、日本和欧洲等发达国家通过制订法规和相应的政策鼓励生产厂家和用户生产和使用装备空气悬架的车辆，并取得明显的经济效益和社会效益。目前空气悬架已经在高档客车、城市公交车辆、重型货车和挂车上得到普及，并且正逐渐成为豪华轿车的标准配置。在我国，随着经济建设的高速发展、人口与物质的高速流动和高速公路里程的增加，公路运输在国民经济中将发挥越来越重要的作用，如何提高运输的效率以及减轻对路面的破坏成为我国汽车工业发展所面临的重大问题，而空气悬架车辆由于其突出的优点，在中国的市场前景将非常乐观。在我国，各厂家顺应市场形势，相继引进空气悬架，大专院校和科研机构也参与进来，共同分析空气弹簧的特性、探讨其与整车的匹配设计，开发控制策略。
本文正以此为背景，同时依托于吉林省科技发展计划项目“汽车电控空气悬架系统研究开发”，论文的内容包括该项目研究的核心部分，即通过仿真手段编制空气悬架的模糊控制算法，开发完整的电控系统。本文在空气悬架试验台上验证了模糊控制算法，为研究工作的进一步深入提供了试验手段。
一、空气悬架系统特性分析
空气悬架系统由空气压缩机、储气筒、气路、电磁阀、空气弹簧、传感器
和电控ECU组成。本文通过空气弹簧充、放气特性试验，建立了空气弹簧刚度与电磁阀开关时间的关系曲线，然后根据曲线拟合出充、放气时弹簧刚度随时间变化的公式，为下文建立模糊控制系统提供数学模型。
二、半主动悬架的控制策略
汽车悬架的设计经历了漫长的发展历程，半主动悬架在同时改善汽车的舒适性和操作性方面具有突出的优点，得到广泛的应用。本文探讨了半主动悬架的各种控制策略，同时根据目前研究对象的具体特点，选择了模糊控制算法作为控制手段。
三、模糊控制系统的设计与改进
模糊控制算法是近年来迅速发展起来的新型控制方法，其最大的特点是允许控制对象没有精确的数字模型，使用语言变量来代替数字变量，在控制过程中包含有大量人的控制经验和知识积累，与人的智能行为相似。它将操作人员的控制经验用具有模糊含义的语言变量加以描述，对于无法建立精确数学模型和被控对象具有较强非线性的控制过程具有明显的控制效果。本文通过分析，认为模糊控制策略适用于非线性的空气悬架系统的控制。模糊控制算法的设计主要包括以下几方面内容：
确定模糊控制器的输入输出变量。
确定输入输出变量的模糊语言值及其相应的隶属函数。
编写模糊控制规则。根据理论分析和操作人员的实际控制经验，用一组条件语句构成控制规则。该控制规则应包括所有工况的控制信息，其优劣直接影响控制效果。
确定解模糊化的方法。模糊控制器的输出是一个模糊集合，而被控对象只能接受精确的控制量，所以需要通过解模糊方法将输出的模糊量转化为精确量。本文采用重心法。
基本模糊控制器设计比较简单，效果比较明显，对被控对象结构参数变化具有一定的适应性，但其适应性范围较窄，控制精度较差，且存在稳态误差。
为了进一步提高模糊控制器的性能，本文设计了参数自调整模糊控制器，具体设计内容包括：
根据误差及误差变化率大小分段调整量化因子和比例因子，以提高系统的动态响应和降低稳态误差。
以积分性能指标为目标函数，采用单纯形法对模糊控制规则进行寻优，使其在工况改变时同样具有较好的适应能力。
在模糊控制输出端增设积分环节，常规模糊控制相当于非线性PD(比例、微分)控制，控制本身存在稳态误差，增设积分环节后，可以消除极限环振荡和稳态误差。
四、仿真分析
根据1/4车辆悬架模型的动力学方程，选取某车型的结构参数，在Matlab Simulink里建立动力学模型；以簧上质量垂直方向的加速度均方根值为控制量，以悬架动行程为约束量，接合上文建立的模糊控制器建立模糊控制仿真模型。然后分别以正弦和随机信号为系统输入，比较参数自调整模糊控制悬架、常规模糊控制悬架与被动悬架的簧上质量均方根值和轮胎对路面的动载荷，来考量模糊控制器的效果。
五、台架试验
为了验证所编制的模糊控制算法是否有效，本文在1/4车辆悬架试验台上通过PLC可编程控制器实现模糊控制算法。分别对施加了模糊控制的悬架和被动悬架进行加载，对比分析试验结果，从试验结果可以看出，对于带模糊控制器的悬架，控制效果评价指标—簧上质量加速度均方根值与路面动载荷均得到降低，本文认为模糊控制算法在试验台上也具有较好的控制效果。
TITLE: The Develop of a Fuzzy Control System For Electro-controlled Air Spring Suspension
SPECIALITY: Automotive Engineering
ADVISER: Zhang Jianwen
During the course of driving, the stiffness of the air spring suspension can be adjusted according to the road conditions and the driver's demands. Air spring suspension is one kind of semi-active suspensions; it helps to improve the ride comfort and control stability, and also remarkably decreases the damages to the road surface. Some developed countries, such as USA、Japan and Germany etc., have built rules and relative polices to encourage automobile companies to produce the vehicles with air spring suspension and consumers to use them, and have achieved remarkable benefits in economy and society. Now air spring suspension is a popularization in luxury passenger cars、city buses、heavy trucks and trailers, and is becoming the standard equipment on the luxury cars. In China, with the developing of the economy and the high way, road transportation will play a more important role, so, how to improve the transportation efficiency and decrease the damage to the road surface becomes a serious problem for the our automobile industry. Since air spring suspension takes on outstanding virtues, the vehicles with air spring suspension will have very good market in China. Some automobile companies have introduced the air spring suspension into China, and many universities and institutes have helped to research the function of air spring、the matching with vehicle and the design of control arithmetic.
The paper is just born of this background. It is based on the project of JiLin
Science and technology's development in 2001 "The research of Automobile electronic control system for air spring suspension". It includes the key part of the research. The main work is to build control arithmetic and control system for air spring suspension. At the same time a test rig for air spring suspension has been designed. It can provide test method to verify the control arithmetic.
1、Characteristic analysis of air spring suspension system
The system consists of air compressor 、air canister 、air lines、electro-magnetic valve、air spring、sensors and ECU. Through the test, the paper obtained the relation curve between stiffness of air spring and on/off time of electro-magnetic valve, and then established the formula. Therefore the mathematics model had been ready for designing of a fuzzy controller. 2、Control arithmetic used on the semi-active suspension
The development of the vehicle suspension has undergone a long way. Because the semi-active suspension takes on outstanding virtues in improving the ride comfort and control stability, it gains popular applications. The paper did a detailed research on kinds of control strategies, and according to the characteristic of air spring, selected the fuzzy control arithmetic as the control method. 3、The designing and improvement of fuzzy control system
Fuzzy control method is quickly developing nowaday, one of its most important characteristics is that it is adapt to the controlled objects having no accurate mathematics model. The arithmetic is based on a lot of practical experiences and accumulated knowledge, alike the human's intelligent acts. It uses a series of language variables with fuzzy meaning to describe operator's practical experience. In particular, it can achieve very outstanding result of the control processes that have no accurate mathematics model or take on nonlinear characteristic. Through analysis, the paper chose the fuzzy control method because it is suitable for air spring suspension system. The main work of fuzzy control arithmetic includes the followings: (1) Choosing fuzzy controller inputs and outputs.
(2) Determining the fuzzy linguistic descriptions of inputs and outputs, and
their relative membership functions.
(3) Putting control knowledge into rule-bases. To establish control rules ,which is made up with a set of If－Then sentences, on the base of experiment and theorist analysis. The rul
本文正以此为背景，同时依托于吉林省科技发展计划项目“汽车电控空气悬架系统研究开发”，论文的内容包括该项目研究的核心部分，即通过仿真手段编制空气悬架的模糊控制算法，开发完整的电控系统。本文在空气悬架试验台上验证了模糊控制算法，为研究工作的进一步深入提供了试验手段。
一、空气悬架系统特性分析
空气悬架系统由空气压缩机、储气筒、气路、电磁阀、空气弹簧、传感器
和电控ECU组成。本文通过空气弹簧充、放气特性试验，建立了空气弹簧刚度与电磁阀开关时间的关系曲线，然后根据曲线拟合出充、放气时弹簧刚度随时间变化的公式，为下文建立模糊控制系统提供数学模型。
二、半主动悬架的控制策略
汽车悬架的设计经历了漫长的发展历程，半主动悬架在同时改善汽车的舒适性和操作性方面具有突出的优点，得到广泛的应用。本文探讨了半主动悬架的各种控制策略，同时根据目前研究对象的具体特点，选择了模糊控制算法作为控制手段。
三、模糊控制系统的设计与改进
模糊控制算法是近年来迅速发展起来的新型控制方法，其最大的特点是允许控制对象没有精确的数字模型，使用语言变量来代替数字变量，在控制过程中包含有大量人的控制经验和知识积累，与人的智能行为相似。它将操作人员的控制经验用具有模糊含义的语言变量加以描述，对于无法建立精确数学模型和被控对象具有较强非线性的控制过程具有明显的控制效果。本文通过分析，认为模糊控制策略适用于非线性的空气悬架系统的控制。模糊控制算法的设计主要包括以下几方面内容：
确定模糊控制器的输入输出变量。
确定输入输出变量的模糊语言值及其相应的隶属函数。
编写模糊控制规则。根据理论分析和操作人员的实际控制经验，用一组条件语句构成控制规则。该控制规则应包括所有工况的控制信息，其优劣直接影响控制效果。
确定解模糊化的方法。模糊控制器的输出是一个模糊集合，而被控对象只能接受精确的控制量，所以需要通过解模糊方法将输出的模糊量转化为精确量。本文采用重心法。
基本模糊控制器设计比较简单，效果比较明显，对被控对象结构参数变化具有一定的适应性，但其适应性范围较窄，控制精度较差，且存在稳态误差。
为了进一步提高模糊控制器的性能，本文设计了参数自调整模糊控制器，具体设计内容包括：
根据误差及误差变化率大小分段调整量化因子和比例因子，以提高系统的动态响应和降低稳态误差。
以积分性能指标为目标函数，采用单纯形法对模糊控制规则进行寻优，使其在工况改变时同样具有较好的适应能力。
在模糊控制输出端增设积分环节，常规模糊控制相当于非线性PD(比例、微分)控制，控制本身存在稳态误差，增设积分环节后，可以消除极限环振荡和稳态误差。
四、仿真分析
根据1/4车辆悬架模型的动力学方程，选取某车型的结构参数，在Matlab Simulink里建立动力学模型；以簧上质量垂直方向的加速度均方根值为控制量，以悬架动行程为约束量，接合上文建立的模糊控制器建立模糊控制仿真模型。然后分别以正弦和随机信号为系统输入，比较参数自调整模糊控制悬架、常规模糊控制悬架与被动悬架的簧上质量均方根值和轮胎对路面的动载荷，来考量模糊控制器的效果。
五、台架试验
为了验证所编制的模糊控制算法是否有效，本文在1/4车辆悬架试验台上通过PLC可编程控制器实现模糊控制算法。分别对施加了模糊控制的悬架和被动悬架进行加载，对比分析试验结果，从试验结果可以看出，对于带模糊控制器的悬架，控制效果评价指标—簧上质量加速度均方根值与路面动载荷均得到降低，本文认为模糊控制算法在试验台上也具有较好的控制效果。
TITLE: The Develop of a Fuzzy Control System For Electro-controlled Air Spring Suspension
SPECIALITY: Automotive Engineering
ADVISER: Zhang Jianwen
During the course of driving, the stiffness of the air spring suspension can be adjusted according to the road conditions and the driver's demands. Air spring suspension is one kind of semi-active suspensions; it helps to improve the ride comfort and control stability, and also remarkably decreases the damages to the road surface. Some developed countries, such as USA、Japan and Germany etc., have built rules and relative polices to encourage automobile companies to produce the vehicles with air spring suspension and consumers to use them, and have achieved remarkable benefits in economy and society. Now air spring suspension is a popularization in luxury passenger cars、city buses、heavy trucks and trailers, and is becoming the standard equipment on the luxury cars. In China, with the developing of the economy and the high way, road transportation will play a more important role, so, how to improve the transportation efficiency and decrease the damage to the road surface becomes a serious problem for the our automobile industry. Since air spring suspension takes on outstanding virtues, the vehicles with air spring suspension will have very good market in China. Some automobile companies have introduced the air spring suspension into China, and many universities and institutes have helped to research the function of air spring、the matching with vehicle and the design of control arithmetic.
The paper is just born of this background. It is based on the project of JiLin
Science and technology's development in 2001 "The research of Automobile electronic control system for air spring suspension". It includes the key part of the research. The main work is to build control arithmetic and control system for air spring suspension. At the same time a test rig for air spring suspension has been designed. It can provide test method to verify the control arithmetic.
1、Characteristic analysis of air spring suspension system
The system consists of air compressor 、air canister 、air lines、electro-magnetic valve、air spring、sensors and ECU. Through the test, the paper obtained the relation curve between stiffness of air spring and on/off time of electro-magnetic valve, and then established the formula. Therefore the mathematics model had been ready for designing of a fuzzy controller. 2、Control arithmetic used on the semi-active suspension
The development of the vehicle suspension has undergone a long way. Because the semi-active suspension takes on outstanding virtues in improving the ride comfort and control stability, it gains popular applications. The paper did a detailed research on kinds of control strategies, and according to the characteristic of air spring, selected the fuzzy control arithmetic as the control method. 3、The designing and improvement of fuzzy control system
Fuzzy control method is quickly developing nowaday, one of its most important characteristics is that it is adapt to the controlled objects having no accurate mathematics model. The arithmetic is based on a lot of practical experiences and accumulated knowledge, alike the human's intelligent acts. It uses a series of language variables with fuzzy meaning to describe operator's practical experience. In particular, it can achieve very outstanding result of the control processes that have no accurate mathematics model or take on nonlinear characteristic. Through analysis, the paper chose the fuzzy control method because it is suitable for air spring suspension system. The main work of fuzzy control arithmetic includes the followings: (1) Choosing fuzzy controller inputs and outputs.
(2) Determining the fuzzy linguistic descriptions of inputs and outputs, and
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(3) Putting control knowledge into rule-bases. To establish control rules ,which is made up with a set of If－Then sentences, on the base of experiment and theorist analysis. The rul
引文
1.
吉林大学汽车学院空气悬架课题组.商用车空气悬架的应用技术研究调研综合技术报告. 2001.8
2.
J.R. EVANS．Rail Vehicle Dynamic Simulation using VAMPIRE．Vehicle System Dynamics Supplement, 1999(31)
3.
Toyofuku, Katsuya．Study on dynamic characteristic analysis of air spring with auxiliary chamber．JSAE Review，v 20 n 3 1999 Elsevier Science B.V.
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Jon Bunne and Roger Jable．Air Suspension Factors in Driveline Vibration．SAE Paper 962207
5.
John Woodrooffe．Heavy Truck Suspension Dynamics：Methods for Evaluating Suspension Road Friendliness and Ride Quality．SAE Paper 962152
6.
Alf Homeyer等著（德）,郭荣生译.采用现代方法设计空气弹簧系统．国外铁道车辆.1999(3)
7.
郭孔辉.空气弹簧特性理论的初步研究（上）（中）（下）.汽车与拖拉机，1959（22）(22)（23）（24）
8.
郭惠球等．解放牌公共汽车改装空气悬挂的经验介绍．汽车与拖拉机，1959（10）
9.
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中华人民共和国国家标准—汽车悬架用空气弹簧——橡胶气囊．GB/T
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19.
北京柯布克集团. 美国荷力-纽威国际公司空气悬挂产派品培训课程
20.
济南塞夫车桥有限公司产品介绍.空气弹簧系统.
21.
庄德军.膜式空气弹簧非线性弹性特性有限元分析.吉林大学硕士学位论文.2003
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长春汽车研究所悬架组．大客车的空气悬架．汽车技术，1980（6）
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