基于模糊PID控制的磁流變減振控制器

陳冬　石利云

【摘要】? ? 磁流變減振控制的阻尼具有可控性、非線性、滯后和飽和等特性，控制器的開發(fā)具有非常大的復(fù)雜性。結(jié)合磁流變阻尼控制器的控制原理以及設(shè)計(jì)功能進(jìn)行模糊PID控制，提出采用三閉環(huán)磁流變阻尼控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路。包括加速度環(huán)、電壓環(huán)和電流環(huán)，以保證控制系統(tǒng)的精度和實(shí)時(shí)性，本文詳細(xì)介紹并進(jìn)行了磁流變減振控制器的硬件電路設(shè)計(jì)和DSP控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，對(duì)磁流變減振控制的臺(tái)架試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，磁流變阻尼控制器是準(zhǔn)確可行的。

【關(guān)鍵詞】? ? 磁流變減振? ? 控制器? ? 模糊PID控制

引言：

由于傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜的路況和不斷變化的駕駛條件，需要結(jié)合路面和車輛的變化對(duì)阻尼特性進(jìn)行調(diào)整，從而確保車輛的操做穩(wěn)定性以及乘坐的舒適性，實(shí)施智能減震器至關(guān)重要。磁流變減振器屬于是新型的智能化阻尼系統(tǒng)，具有阻尼的調(diào)解能力大、消耗低、體積小等優(yōu)勢(shì)，已成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。然而，由于磁流變阻尼器的非線性、滯后和飽和特性，使汽車的懸架系統(tǒng)很難將復(fù)雜的多自由度振動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行展示。

現(xiàn)階段，模糊PID控制與其他控制算法進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，具備建模比較簡(jiǎn)單、控制準(zhǔn)確性高、非線性適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)勢(shì)，在智能化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用也在不斷的增加。因此，能夠通過(guò) 對(duì)模糊PID控制算法對(duì)磁流變減振控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)。

一、模糊PID控制器的性能分析

1.1模糊PID控制器的運(yùn)用

模糊PID控制器應(yīng)用于生產(chǎn)生活的諸多方面，在智能生活逐漸進(jìn)入生活階段的時(shí)代，控制器的中控系統(tǒng)將受到更多關(guān)注。智能控制中應(yīng)用最廣泛的方法之一是模糊PID控制器方法，根據(jù)模糊推理規(guī)則實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的在線修改。模糊PID控制器用于電線的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，在節(jié)省原材料的同時(shí)提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，模糊PID控制器還可以有效改善系統(tǒng)在非線性區(qū)域的動(dòng)態(tài)特性，使用模糊控制，可以獲得相當(dāng)數(shù)量的控制權(quán)。模糊PID控制器用于穩(wěn)健的穿梭控制系統(tǒng)，模糊邏輯用于PID控制器的在線自整定。

1.2模糊PID控制器可持續(xù)發(fā)展效益研究

模糊PID控制器的原理可以廣泛應(yīng)用于教育，只有了解教育，才能在未來(lái)的研究生涯中培養(yǎng)出更多的人才，但是學(xué)生沒(méi)有扎實(shí)的試驗(yàn)場(chǎng)地和資金來(lái)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真結(jié)果。雖然是阻礙研究的最現(xiàn)實(shí)因素，但如果仿真運(yùn)行環(huán)境在網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行，則很容易調(diào)整系統(tǒng)以降低研究成本，而且許多直觀的仿真結(jié)果有助于激發(fā)學(xué)生的興趣。在學(xué)習(xí)模糊PID控制器的同時(shí)。造成危險(xiǎn)。如果采用自整定模糊控制器，系統(tǒng)具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，當(dāng)外界干擾進(jìn)入人體時(shí)，可以對(duì)線徑系統(tǒng)中受影響的環(huán)節(jié)進(jìn)行修正。自適應(yīng)模糊PID控制增加了控制器的自適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了控制器參數(shù)在線修改和自動(dòng)調(diào)整的方法。這可以在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中自動(dòng)調(diào)整，以免影響整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的進(jìn)度。

1.3模糊PID控制器中待解決的故障

參數(shù)調(diào)整困難，動(dòng)態(tài)特性不理想，非線性系統(tǒng)控制效果差。這是PID控制的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。然而，對(duì)控制器操作有效性的要求越來(lái)越高。改善控制器存在的不足，提高控制器整體性能的現(xiàn)狀顯得尤為重要?；谀：?guī)則和模糊推理和除霧的仿真優(yōu)化線徑控制系統(tǒng)在當(dāng)今的實(shí)驗(yàn)室中非常有用，但它們存在控制效果大和非線性參數(shù)曲線延遲大的缺點(diǎn)。模糊PID控制系統(tǒng)采用模糊數(shù)學(xué)的基本理論方法，由計(jì)算機(jī)計(jì)算系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)，選擇合適的PID初始參數(shù)，有效縮短實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)間，保證操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性。模糊PID控制單元對(duì)操作系統(tǒng)和操作工具的要求還是很高的，如果環(huán)節(jié)出現(xiàn)錯(cuò)誤，就無(wú)法得到最終正確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢允褂肅ohen-Coon調(diào)諧公式獲得PID控制器的最佳初始參數(shù)，并使用Smith預(yù)測(cè)器有效補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)中的純延遲對(duì)象，以達(dá)到理想的控制效果。

二、磁流變減振控制器的控制原理及功能

磁流變減振控制器可以根據(jù)來(lái)自監(jiān)測(cè)體和車輪運(yùn)動(dòng)傳感器的輸入信息實(shí)時(shí)響應(yīng)道路狀況和駕駛環(huán)境，使用電磁響應(yīng)。該控制系統(tǒng)是一種經(jīng)濟(jì)可靠的部件結(jié)構(gòu)，可提供快速、平穩(wěn)和連續(xù)可變的阻尼力，減少車身振動(dòng)，增加輪胎對(duì)各種路面的附著力。與傳統(tǒng)的阻尼系統(tǒng)不同，磁流變緩沖器沒(méi)有小閥門結(jié)構(gòu)，阻尼效果不是靠液體的流動(dòng)阻力來(lái)實(shí)現(xiàn)的。磁性駕駛控制系統(tǒng)提供卓越的車身控制并緩沖每個(gè)車輪的后坐力，以最大限度地提高車輛穩(wěn)定性并提高駕駛性能和舒適度。磁驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)使用磁流變（MR）流體和緩沖器，無(wú)需機(jī)電控制閥，提供快速響應(yīng)和強(qiáng)大的阻尼力控制。磁流變液是一種由小軟磁顆粒和非磁性材料組成的軟磁懸浮液，具有高導(dǎo)磁率和低磁滯，在強(qiáng)磁場(chǎng)的作用下具有低粘度。正是磁流變流體的這種流變可控性，使得阻尼力連續(xù)可變，從而達(dá)到主動(dòng)控制振動(dòng)的目的。當(dāng)液體注入減震器活塞的電磁線圈時(shí)，線圈的磁場(chǎng)會(huì)改變其流變特性（或產(chǎn)生流體阻力），無(wú)需機(jī)電控制閥和簡(jiǎn)單的機(jī)械裝置即可產(chǎn)生快速響應(yīng)和可控性。車載控制器根據(jù)四個(gè)懸架位移傳感器、車側(cè)加速度傳感器和方向盤轉(zhuǎn)角傳感器的數(shù)據(jù)，以百萬(wàn)分之一秒的頻率連續(xù)調(diào)節(jié)阻尼力。

三、基于模糊PID控制的磁流變減振控制器的應(yīng)用——以智能汽車為例

3.1智能汽車自動(dòng)駕駛控制概述

智能車輛自動(dòng)駕駛是指自動(dòng)或智能駕駛，結(jié)合了車載傳感器、控制器、數(shù)據(jù)處理器、執(zhí)行器和其他設(shè)備的連接特性。依靠車聯(lián)網(wǎng)、V2X等最新的移動(dòng)通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。參與對(duì)象信息共享的實(shí)施例可以在展現(xiàn)上述功能的同時(shí)滿足高效、安全、舒適、節(jié)能的自動(dòng)駕駛要求。主要控制原則是：依靠環(huán)境感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)周圍環(huán)境的感知、獲取環(huán)境信息、車輛的轉(zhuǎn)向和速度由車載中央計(jì)算機(jī)、獨(dú)立控制，安全穩(wěn)定地到達(dá)預(yù)定目的地。

3.2智能汽車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)架構(gòu)框架在減少交通事故、提高運(yùn)輸效率、完成特種作業(yè)以及國(guó)防和軍事應(yīng)用方面具有重要作用。第一，核心技術(shù)。以環(huán)境感知技術(shù)和車輛控制技術(shù)為智能價(jià)值核心，主控核心是軌跡規(guī)劃和控制執(zhí)行兩大核心技術(shù)。第二，處理模塊。軟件架構(gòu)：認(rèn)知形式、驅(qū)動(dòng)認(rèn)知圖表示語(yǔ)言、專為通用而設(shè)計(jì)。智能決策模塊間接結(jié)合傳感器信息，實(shí)現(xiàn)多傳感器識(shí)別信息、行車地圖、車聯(lián)網(wǎng)通信等自主決策。第三，垂直和水平控制。主要內(nèi)容包括車輛行駛、制動(dòng)控制、方向盤角度調(diào)節(jié)和輪胎力控制。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)自動(dòng)駕駛的高度智能控制性能體現(xiàn)在對(duì)道路和周邊交通狀況的即時(shí)獲取。自動(dòng)駕駛的基本前提是交通信息系統(tǒng)的完整性和高性能、車載傳感器和智能控制系統(tǒng)的高可靠性。在基于模糊PID控制器的研究中，可以考慮采用手動(dòng)和自動(dòng)相互轉(zhuǎn)換來(lái)開發(fā)道路條件簡(jiǎn)單的高速公路路段的自動(dòng)駕駛路段。系統(tǒng)控制器的內(nèi)容可分為車道保持系統(tǒng)LKA、自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)ACC、自動(dòng)泊車系統(tǒng)、緊急制動(dòng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。PID控制是一種明確的面向目標(biāo)的控制，基于車載互聯(lián)網(wǎng)、視覺(jué)、雷達(dá)等獲取輸入信息后，需要通過(guò)智能平臺(tái)獲取車輛的目標(biāo)值或車輛的位置或速度，車輛為動(dòng)態(tài)控制，即智能決策層模糊PID控制算法后，獲取控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)等指標(biāo)進(jìn)行控制，即控制執(zhí)行。

3.3可行性分析

基于模糊PID控制器的智能汽車自動(dòng)駕駛控制比PID控制和前饋開環(huán)控制更直觀地建立類似于發(fā)動(dòng)機(jī)和車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程的線性模型。該設(shè)計(jì)基于模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、軋制時(shí)域優(yōu)化控制等智能控制策略，精度高，適應(yīng)性低。自主系統(tǒng)應(yīng)用的常見示例是巡航控制和防撞控制。在實(shí)際車載傳感器控制中，比較優(yōu)勢(shì)更大。

基于車輛橫向控制的基本設(shè)計(jì)方法是駕駛員模擬方法。在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，隨著電子控制技術(shù)和電氣化的發(fā)展，基于汽車整體集成控制，在智能網(wǎng)路交通環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了自環(huán)境感知、定位導(dǎo)航和V2X通信的并行控制，形成非常安全的信息系統(tǒng)。

3.4控制規(guī)則

模糊PID邏輯控制策略主要控制技術(shù)融合了模糊理論、模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理等數(shù)字控制技術(shù)。智能汽車自動(dòng)駕駛控制模型的設(shè)計(jì)，本質(zhì)上建立了更加精確的數(shù)學(xué)模型，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和數(shù)字建模領(lǐng)域達(dá)到了仿真控制效果。

四、結(jié)束語(yǔ)

采用模糊自適應(yīng)PID控制器的車輛行駛控制仿真設(shè)計(jì)，旨在解決前車自動(dòng)跟車，接收前車傳輸?shù)男旭偁顟B(tài)，計(jì)算前方路況，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛控制的實(shí)現(xiàn)。主要設(shè)計(jì)過(guò)程是基于預(yù)覽理論設(shè)計(jì)汽車的自動(dòng)跟隨模型并指定要跟隨的物理量。模糊PID控制器設(shè)計(jì)控制方法跟蹤給定的物理量，仿真結(jié)果為獲得。該方法已被證明具有良好的魯棒性，可確保智能汽車具有良好的路況計(jì)算和車輛跟蹤精度。并且模糊PID人智能控制器比傳統(tǒng)的PID控制器更健壯，控制精度更高。智能小車設(shè)計(jì)采用高性價(jià)比、低功耗的KL26芯片作為微控制器，設(shè)計(jì)生產(chǎn)智能跟蹤小車，并采用機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)、單片機(jī)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)靈活的自動(dòng)控制。旨在實(shí)現(xiàn)快速、穩(wěn)定和安全的駕駛。使用MATLAB/GUIDE軟件創(chuàng)建可視化界面，通過(guò)可視化界面輸入常規(guī)人工勢(shì)場(chǎng)方法的多個(gè)障礙物的位置信息。場(chǎng)法適應(yīng)性好，證實(shí)了改進(jìn)后的人工錯(cuò)位對(duì)直、斷、彎、方障礙物的改進(jìn)。以具有碼輪測(cè)速功能和LCD顯示功能的智能車為控制對(duì)象，以主控芯片為主控制器的開發(fā)板，可以滿足巡航控制實(shí)驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)PID控制器的公共部分在速度跟蹤過(guò)程中設(shè)置FTP-72標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試曲線，通過(guò)設(shè)置實(shí)際駕駛數(shù)據(jù)來(lái)初始化個(gè)性模型，與普通模型配合自動(dòng)調(diào)整特殊模型參數(shù)。應(yīng)用基于FTP-72 的車輛測(cè)試或US06的駕駛循環(huán)測(cè)試來(lái)評(píng)估候選換檔時(shí)間表。

基于Matlab/Simulink軟件環(huán)境對(duì)自動(dòng)變速器汽車實(shí)現(xiàn)車輛跟隨器動(dòng)力學(xué)仿真建模，并利用PID控制實(shí)現(xiàn)加速度補(bǔ)償。實(shí)際加速度車輛上層通過(guò)油門和剎車的切換控制進(jìn)行控制可以。通過(guò)構(gòu)建基于T-S模糊模型的多層前饋模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來(lái)提高神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的收斂速度，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)車速控制采用PID控制算法，確保一定的舒適度。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]李華琳， 陳勇， 黃琦，等. 基于模糊PID控制的磁流變減振控制器[J]. 兵工自動(dòng)化， 2010.

[2]李華琳. 基于模糊PID的磁流變減振控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 電子科技大學(xué)， 2010.

[3]Yuan Feifei， 袁非非， Guo Xiaoshuang，等. 磁流變阻尼器自適應(yīng)模糊PID控制系統(tǒng)仿真[C]// 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì). 中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)， 2015.

本文系河北省教育廳青年基金項(xiàng)目“磁流變液在智能研磨中應(yīng)用的研究”成果，項(xiàng)目編號(hào)：QN2018206

陳冬（1982），男，漢族，河北石家莊，工程碩士，河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，講師，研究方向：機(jī)電一體化，工業(yè)機(jī)器人;

石利云（1985），女，漢族，河北石家莊，碩士，河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，講師，研究方向：機(jī)電一體化。