基于改进萤火虫优化算法的汽车悬架PID控制

来源:用户上传      作者:

　　摘 要：为了获得更好的汽车平顺性，构建1/4汽车主动悬架模型，采用悬架动挠度、车身动位移、轮胎动载荷和轮胎垂直速度等4项指标进行近似衡量，提出基于改进萤火虫优化算法（FA）的汽车悬架PID控制，并与基于LQR控制、基于Fuzzy-PID控制下的汽车悬架平顺性进行对比。仿真结果显示，基于改进FA优化的PID控制的4项指标峰值均大幅降低，峰值最高下降36.1%，证明基于改进萤火虫优化算法的PID控制可提高汽车平顺性能。
　　关键词：LQR控制;Fuzzy-PID控制;汽车悬架系统;FA-PID控制
　　DOI： 10. 11907/rjdk.191772
　　开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
　　中图分类号：TP319
　　文献标识码：A
　　文章编号：1672-7800（2020）004-0179-04
　　0 引言
　　汽车舒适性主要依赖于汽车悬架。汽车悬架可分为主动和被动两种，被动悬架结构简单，早期应用较广[1]。然而，被动悬架的参数固定，在外界激励频率发生变化时，隔振有效性降低，而主动悬架可有效克服该缺点，因此逐渐得到市场肯定与学者们的关注。
　　周长城[2]考虑平顺性与安全性等评判因素，研究了主动汽车悬架设计和控制的相关问题;Bharali等[3]建立1/4汽车悬架模型，提出了线性二次型控制（IQR）、模糊PID控制与基于LQR的模糊控制等3种控制器，其仿真结果表明，基于LQR的模糊控制主动悬架隔振性比其它两种主动悬架更佳;么鸣涛等[4]以汽车悬架动挠度为控制器输入变量，建立模糊PID控制器，其仿真结果表明，模糊PID控制既改善了汽车平顺性能，也提高了响应速度;Chao等[5]提出用重力搜索算法（ GSA）确定主动汽车悬架系统模糊PID控制器的最优控制参数，其研究结果表明，CSA可以调整PID控制器参数以达到最佳性能;Wang等[6]建立1/4汽车悬架模型，以车体垂直加速度为控制目标，提出了模糊PID控制策略，并利用改进的文化算法对模糊规则进行优化，实验结果表明，该控制可显著抑制车身加速度、提高乘坐舒适性;Song等[7]為改善悬架系统强非线性与不确定性，通过泰勒公式变换将悬架系统转化为两个不同的线性子系统，设计了基于遗传算法的PID控制器，其仿真结果表明，经遗传算法优化后PID控制悬架系统具有良好的鲁棒性。综上所述，目前对平顺性评价指标与控制方法的对比研究较少。因此本文提出构建1/4主动汽车悬架模型，以PID控制器参数为优化参数，以多指标的汽车平顺性能为目标，提出基于改进萤火虫优化算法的PID控制策略。此外，将基于改进FA-PID控制的汽车悬架与基于LQR控制、基于Fuzzv-PID控制的汽车悬架进行平顺性对比分析。
　　1 汽车悬架模型
　　3 Fuzzy-PID控制
　　本部分内容为Fuzzv-PID控制器设计，主要指将Fuzzy控制器输出端与PID控制器输入端相连接，形成一种新的控制器[13-15]。这种复合控制器适应更多工作环境下的控制
　　5.2不同汽车悬架效果对比
　　为证实改进FA-PID控制器对汽车悬架平顺性控制的有效性，将基于改进FA-PID控制的悬架与被动控制、基于LQR控制、基于Fuzzv-PID控制的悬架控制效果进行对比，仿真结果如图2-5所示[20]。
　　表1给出了被动悬架与其它3种主动汽车悬架的悬架动挠度、车身加速度、轮胎动载荷、轮胎速度峰值及4种悬架的车身加速度均方根值。
　　从表1可以得知主动悬架的悬架动挠度、车身动位移、轮胎动载荷以及轮胎速度峰值较被动悬架最少下降31.6%、22.5%、18.3%和0%。基于LQR控制、基于Fuzzy-PID控制与改进FA-PID控制悬架的车身加速度均方根较被动悬架分别降低24.8%、42.9%和68.69%。
　　6 结语
　　萤火虫算法优化后的PID控制器对汽车悬架系统拥有更好的隔振效果，悬架平顺性优于其它几种控制方式。就悬架平顺性而言，单- LQR控制较复合Fuzzy-PID、FA-PID控制稍显逊色。基于改进FA-PID控制的悬架比LQR控制与Fuzzy-PID控制的悬架，在被动悬架车身加速度均方根方面下降了43.89%和25.79%。本文不足之处在于没有考虑时滞影响及非线性特性，这是下一步研究方向和重点。
　　参考文献：
　　[1] 李琼.基于DSP的半主动悬架预测控制器的研究与开发[Dl.成都：西华大学，2009.
　　[2] 周长城.汽车平顺性与悬架系统设计[M].北京：机械工业出版社，2011.
　　[3]BHARALI J， BURAGOHAIN M. Design and performance analysis offuzzy LQR; fuzzy PID and LQR controller for active suspension sys-tem using 3 degree of freedom quarter car model [C]. Delhi： 2016IEEE lst International Conference on Power Electronics， IntelligentControl and Energy Systems， 2016.
　　[4] 么鸣涛，曹锋，阙瑞义，等.考虑汽车悬架动挠度的模糊PID控制[J].北京理工大学学报，2016， 36（9）：929-934.
　　[5]CHAO C T，LIU M T，CHIOU J S，et al.A GSA-based adaptive fuzzyPID-controller for an active suspension system[ J]. Engineering Com-putations， 2016， 33（6）：1659-1667. 　　[6]WANC W. SONG Y， XUE Y， et al.An optimal vihration control strate-gy for a vehicle's active suspension based on improved cultural algo-rithm[J]. Applied Soft Computing， 2015， 28（ C）： 167-174.
　　[7]SONG R R.The design and optimization of PID suspension controllerbased on genetic algorithm [J]. Applied Mechanics and Materials，2017. 865：492-495.
　　[8]SUN W， CAO H， KAYNAK O.Finite frequency， control for vehicleactive suspension systems[Jl. IEEE Transactions on Control SystemsTechnology， 2011， 19（2）：416-422.
　　[9]MITRAA C，DESAIG J，PATWARDHAN S R. et al. Optimization ofpassive vehicle suspension system by genetic algorithm [J]. ProcediaEngineering， 2016， 144： 1158-1166.
　　[10]RIOFRIO A. SANZ S，MJL B， et al.A LQR-Based controller withestimation of road bank for improving vehicle lateral and rollover sta-bilitv via active suspension[J]. Sensors， 2017， 17（ 10）： 2318.
　　[11]王亚雄，蔡宇萌，王健，等.汽车侧倾运动安全主动悬架LOG控制器设计方法[J].交通运输工程学报，2017，17（5）：138-148.
　　[12]龙金莲，张玉分，卢家暄，等.汽车主动悬架LOR控制器平顺性控制仿真[J].计算机仿真，2018. 35（4）：107-111
　　[13]魏健雄，万舟.基于神经网络PID的气垫船转艏角速度保持控制研究[J].软件导刊，2018，17（3）：18-22.
　　[14] 盛平，朱庆夫.基于模糊PID控制器的叶菜温室测控系统设计[J].软件导刊，2017，16（6）：100-103.
　　[15]PANG H. LIU F，XU Z.Variahle universe fuzzy control for vehiclesemi-active suspension system with MR damper combining fuzzyneural network and particle swarm optimization[J].Neurocomputing，2018（ 306）：130-140，
　　[16] 王德望，赵敏.污水处理系统溶解氧的BP-PID控制算法[J].软件导刊，2018，17（2）：68-70，73.
　　[17]MAHMOODABADI M J，FARHADI F，SAMPOUR S.Firefly algo-rithm based optimum design of vehicle suspension systems[J].Inter-national Journal of Dynamics and Control. 2018（3）：1-13.
　　[18] 李恒.改進的萤火虫算法及其在PID控制器参数整定中的应用[D].合肥：安徽大学，2017.
　　[19]檀润华.路面对汽车激励的时域模型建立及计算机仿真[J].中国公路学报，1998（3）：96-102.
　　[20] 张好好.汽车半主动悬架控制策略及联合仿真研究[D].西安：长安大学，2016.
　　（责任编辑：江艳）
　　作者简介：李胜（1994-），男，上海工程技术大学机械与汽车工程学院硕士，研究方向为振动主动控制及时滞动力系统的实验实现;孙艺瑕（1983-），女，博士，上海工程技术大学讲师、硕士生导师，研究方向为时滞动力系统;刘建均（1991-），男，上海工程技术大学机械与汽车工程学院硕士，研究方向为时滞动力系统参数优化。本文通讯作者：孙艺瑕。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/8/view-15247761.htm