车辆半车半主动悬挂系统PSO-Fuzzy混合控制策略.pdf
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1、第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.007车辆半车半主动悬挂系统 PSO-Fuzzy 混合控制策略 赵羊羊1,雒琦1,韩威2,牟晓斌1,田斌1,马圣杰1,吴向峰1(1.730070 甘肃省 兰州市 甘肃农业大学 机电工程学院;2.714000 陕西省 渭南市 陕西铁路工程职业技术学院)摘要 为了提升车辆半车半主动悬挂系统模糊控制精度,研究了一种基于 PSO 寻优
2、的 Fuzzy 控制算法。根据车辆半车半主动悬挂系统力学原理建立动力学模型,用 2 个 Fuzzy 控制器分别控制前后转向架二系悬挂中的磁流变阻尼器,以此设计 Fuzzy 控制策略。利用 PSO 算法对 Fuzzy 控制器的量化因子 Ka、Kv及比例因子 Ki进行优化,得到PSO-Fuzzy 控制策略。MATLAB/Simulink 仿真结果表明,相比 Fuzzy 控制,基于 PSO-Fuzzy 优化控制下的车辆半车半主动悬挂系统性能得到显著提高,取得了更好的控制效果。关键词 半车半主动悬挂系统;Fuzzy 控制;PSO 优化;MATLAB/Simulink 仿真 中图分类号 U270.1+1
3、 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0032-06引用格式:赵羊羊,雒琦,韩威,等.车辆半车半主动悬挂系统 PSO-Fuzzy 混合控制策略 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):32-37.PSO-Fuzzy-hybrid control strategy of semi-complete vehicle semi-active suspension systemZHAO Yangyang1,LUO Qi1,Han Wei2,MOU Xiaobin1,TIAN Bin1,MA Shengjie1,WU Xiangfeng1(1.School of Mec
4、hanical and Electrical Engineering,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,Gansu,China;2.Shaanxi Railway Institute,Weinan 714000,Shaanxi,China)Abstract In order to improve the fuzzy control accuracy of the semi-active suspension system of semi-complete vehicle,a Fuzzy control algorithm based on
5、 particle swarm optimization(PSO)was studied.According to the mechanical principle of the semi-complete vehicle semi-active suspension system,the dynamic model was established.The Fuzzy control strategy was designed by using two Fuzzy controllers to respectively control the MR dampers in the second
6、series suspension of the front and rear bogies.The PSO-Fuzzy control strategy was obtained by using the PSO algorithm to optimize the quantization factors Ka,Kv and scale factor Ki of the fuzzy controller.The simulation results of MATLAB/Simulink showed that compared with the Fuzzy control,the perfo
7、rmance of the semi-complete vehicle semi-active suspension system based on PSO-Fuzzy control significantly improved,and better control effect was achieved.Key words semi-active suspension system of semi-complete vehicle;Fuzzy control;PSO optimization;MATLAB/Simulink simulation0 引言高速车辆行驶时由于轨道不平顺会使车辆的
8、 2个转向架产生不规则振动,进而使车身发生垂直和点头运动,对车辆的操作稳定性和乘坐舒适性有很大影响。车辆悬挂系统可在一定程度上减弱振动,最早是利用悬挂弹簧和阻尼器的被动能力发挥缓冲作用,随着控制技术的智能化发展,车辆半主动悬挂系统被引入车辆振动控制,其可根据轨道不平顺的实时反馈和车辆响应特性,通过控制理论对磁流变阻尼器进行实时调节,从而提升减振性能1。为了使车辆半主动悬挂系统性能更优,许多控制策略被应用到半主动悬挂的控制中,如经典的PID 控制2、神经网络控制3、模糊控制4以及不同控制策略结合的模糊 PID 控制5、模糊神经网络控制6等。各种控制策略虽能有效对阻尼器进行控制,但控制器参数还不能
9、精确设置。鉴于此,学者利用遗传优化7、粒子群优化8-10等算法对上述控制器进行优化,以期得到精确的控制器参数,使半主动悬挂系统得到更精确的控制。本文采用粒子群优化算法的全局随机搜索能力对模糊控制器的参数进行优化,在一群随机粒子中经过无数次迭代之后得到最优解。根据车辆半车半主动悬挂系统力学原理,建立半车 6 自由度悬挂系统模型,以此为控制对象,设计基于粒子群优化的半车半主动悬挂系统模糊控制策略,对比分析在普通 Fuzzy 和 PSO-Fuzzy 控制下半主动悬挂系统控制效果的优劣。基金项目:甘肃农业大学盛彤笙创新基金(GSAU-STS-2018-26);甘肃农业大学国家级大学生创新创业训练计划项
10、目(202110733013);甘肃农业大学校级新工科研究与实践项目(以新能源汽车为导向的车辆工程专业改造升级探索与实践)收稿日期:2022-10-2533第 61 卷第 10 期1 建立模型1.1 车辆半车半主动悬挂系统模型将车辆半车结构进行简化,简化后的模型具有 6 个自由度,分别是车身和前后转向架的垂直、点头运动,建立如图 1 所示的高速车辆半车半主动悬挂系统动力学模型。6 自由度半车半主动悬挂系统的运动微分方程如式(1),参数含义如表 1 所示。()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()m zk zzc zzk zz
11、c zzFFJl k zzc zzFl k zzc zzFm zk zzc zzFk zzc zzk zzc zzJl k zzc zzl k zzc zzm zk zzc zzFk zzc zzk zzc zzJl k zzc zzl k zzc zz000000cccccttttttttttctttttttttt222211122111222122221212222221112211112222122221221112211122111111011101120212021101101110101202120211222212222122130313031404140422013031303
12、014041404iii+-+-+-+-+=+-+-+-+-+=-+-+-+-+-=+-+-+-=-+-+-+-+-=+-+-+-=poopopoooopoooooopoooopoooooopoooo888888BBBBBBZ (1)表 1 参数含义Tab.1 Parameter meaning参数含义m1、m2/kg转向架构架、车身质量Jt1、Jt2、J2/(kg m2)转向架构架、车身点头转动惯量c1、c2/(kN s)/m)一系悬挂、磁流变阻尼器基值阻尼k1、k2/(kN/m)一系、二系弹簧刚度Z01、Z02、Z03、Z04/m轨道高低不平度Z11、Z12/m前后转向架构架质心垂直位移Z
13、t1、Zt2、Zt3、Zt4/m前后转向架发生点头后实际位移Z2/m车身质心垂直位移参数含义Z21、Z22/m车身发生点头后实际位移t1、t2、2/rad前后转向架构架、车身点头转角Fc1、Fc2/kN前后悬挂磁流变阻尼器阻尼力l0/m轴距l2/m定距之半1.2 轨道不平顺模型随机轨道不平顺模型由轨道等级、车辆运行速度与白噪声共同推导而来,其中的轨道等级选择第 6 级轨道。轨道功率谱密度为()()SkAvcvc2222XX XXX=+(2)V$X=(3)()()ddSSvvXX=(4)()()ddSSvvXX=(5)则轨道谱的时间频率为()()()SVkAVkAV1vcvccvc2222222
14、223 X XXXXX=+=+(6)高斯白噪声信号为W()=1/2 (m2s)/rad (7)将式(7)代入式(6),得到传递函数()()()()G jWSVkAV2vcvc2222223r XX=+(8)令()()G js sVkAV2cvc23rXX=+,s=j,则()()()W sS ss sVkAV2vcvc23rXX=+(9)将式(9)反拉普拉斯变换,可将轨面垂直加速度响应表达为zVzkAV W2gcgvc23rXX=-+po (10)2 设计 PSO 优化 Fuzzy 控制方案2.1 Fuzzy 控制策略因前、后二系悬挂中分别需要对各自磁流变阻尼器进行 Fuzzy 控制,所以选择控
15、制变量时,以车身与各自悬挂连接部位的垂直振动加速度和各自构架与车身的速度相差值为 2 个输入变量,以各自磁流变阻尼器电流 i 为输出变量。输入变量模糊子集表示为NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB输出变量模糊子集表示为LL,LM,LH,S,M,HL,HM,HH图 1 车辆半车半主动悬挂系统动力学模型Fig.1 Dynamic model of semi-active suspension system of semi-complete vehiclem2J2K2K1K1K1K1K2C2C1l0l0C1C1C1C2Fc1Fc2z21z11z01z02 z03z04zt1zt2 zt3zt4z
16、12z22z22m1m1JJ2l2(续表)赵羊羊 等:车辆半车半主动悬挂系统 PSO-Fuzzy 混合控制策略 34农业装备与车辆工程 2023 年隶属度函数为()expc2iii22n pvp=-fjp (11)输入、输出变量范围:垂直加速度-amax,amax,速度差-bmax,bmax,电流 i 0,imax。论 域:A=-a,-a+1,0,a-1,a,B=-b,-b+1,0,b-1,b,I=0,i-1,i,分别取a=6、b=6、i=2。由于 amax a,bmax b,imax i,则得到量化、比例因子为Kaamaxa=,Kbbmaxv=,Kiimaxi=(12)即:Ka=6.667,
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