CN110549809B - 一种基于模糊pid控制器的臂式悬架及其主动位移控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊PID控制器的臂式悬架及其主动位移控制方法，包括臂式悬架、车架、驱动电路、两个位移传感器和模糊PID控制器，臂式悬架设置于车架上，模糊PID控制器通过驱动电路与电机连接，电机上设有脉冲编码器；臂式悬架包括电机、两个纵臂、两个悬臂传动调节机构和两个电磁离合器，两个悬臂传动调节机构分布于电机的两侧，电机的两个输出端分别通过电磁离合器与两个悬臂传动调节机构的一端连接，两个悬臂传动调节机构的另一端与两个纵臂连接，两个位移传感器分别设置于两个纵臂上，位移传感器和脉冲编码器与模糊PID控制器连接。能够改善臂式悬架主动位移控制效果，提高车辆行驶平顺性，且控制平稳，位移控制精度高，不受外界干扰。

Description

一种基于模糊PID控制器的臂式悬架及其主动位移控制方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，具体涉及一种基于模糊PID控制器的臂式悬架及其主动位移控制方法。

背景技术

悬架是现代汽车的重要组成部分，汽车悬架系统的性能是影响汽车平顺性、操纵稳定性和行驶安全性的重要因素。随着汽车技术的发展，传统的被动悬架不能够随路面状况作出相应反应的缺陷逐渐成为提高汽车性能的瓶颈，为此人们开发了能兼顾舒适和操纵稳定的主动悬架，主动悬架不但能很好地隔离路面振动，而且能控制车身运动，另外还可以调节车身的高度，提高汽车在恶劣路面上的通过性，是今后汽车悬架发展的趋势。目前，主动悬架在汽车上的应用仍然极其稀少，其重要原因之一在于其控制难度大，实施困难。因此，若能提供一种可明显提高主动悬架位移控制精度和实时性，同时兼顾汽车行驶平顺性和操纵稳定性的主动悬架位移控制方法，将具有非常重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种基于模糊PID控制器的臂式悬架及其主动位移控制方法，能够改善臂式悬架主动位移控制效果，提高车辆行驶平顺性，且控制平稳，位移控制精度高，不受外界干扰。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于模糊PID控制器的臂式悬架，包括臂式悬架、车架、驱动电路、两个位移传感器和模糊PID控制器，臂式悬架设置于车架上，模糊PID控制器通过驱动电路与电机连接，电机上设有脉冲编码器；

臂式悬架包括电机、两个纵臂、两个悬臂传动调节机构和两个电磁离合器，两个悬臂传动调节机构分布于电机的两侧，电机的两个输出端分别通过电磁离合器与两个悬臂传动调节机构的一端连接，两个悬臂传动调节机构的另一端与两个纵臂连接，两个位移传感器分别设置于两个纵臂上，位移传感器和脉冲编码器与模糊PID控制器连接。

按照上述技术方案，驱动电路与模糊PID控制器之间连接有单片机，单片机与电磁离合器连接，脉冲编码器通过单片机与模糊PID控制器连接。

按照上述技术方案，位移传感器为激光位移传感器。

按照上述技术方案，位移传感器与模糊PID控制器之间连接有数据采集卡。

按照上述技术方案，悬臂传动调节机构包括扭杆弹簧和叶片减振器，两个扭杆弹簧分布于电机的两侧，电机的两个输出端分别通过电磁离合器与两个扭杆弹簧的一端连接，两个扭杆弹簧的另一端分别与两个纵臂连接固定，两个叶片减振器分别套设于两个扭杆弹簧上，两个叶片减振器分别与相应电磁离合器的壳体连接固定，电机固设于车架上。

按照上述技术方案，叶片减振器包括减振器壳体和减振器套筒，减振器套筒套设于减振器壳体内，减振器套筒套设于扭杆弹簧上，减振器壳体的内侧端设有隔板，与减速电机连接固定，减振器套筒的外端与同侧的纵臂连接，减振器壳体与减振器套筒之间的腔体为密封腔，腔体内充满减振油。

按照上述技术方案，电机为直流电机。

按照上述技术方案，模糊PID控制器连接有显示屏。

一种采用以上所述的基于模糊PID控制器的臂式悬架的主动位移控制方法，驱动电路与模糊PID控制器之间连接有单片机，单片机与电磁离合器连接，电机上设有脉冲编码器，脉冲编码器与单片机连接，所述的主动位移控制方法包括以下步骤：

1)模糊PID控制器通过激光位移传感器采集纵臂的位移测量值L1和L2；

2)模糊PID控制器将相应时刻两个激光位移传感器的测量值L1和L2与上一时刻两个激光位移传感器的测量值L1′和L2′进行对比；

3)当模糊PID控制器监测到两个位移传感器的相邻时刻测量值之间任一的差值大于某一阈值L时，对两个差值的绝对值|L1-L1′|、|L2-L2′|进行比较，取其中绝对值大的一侧的纵臂作为位移调节对象，而另一侧纵臂则不进行调节；

4)将不调节侧悬架纵臂的位移测量值作为期望值，将需调节侧悬架纵臂的位移测量值作为实际值，模糊PID控制器计算期望值和实际值的位移偏差，模糊PID控制器依据位移偏差作为控制电机转速的控制量输出至单片机；

5)单片机通过脉冲编码器测量电机的转速，并将测量电机转速反馈值信号反馈输入至模糊PID控制器；

6)模糊PID控制器根据电机转速反馈值和控制转速输出控制量至单片机实现对电机转速的精确控制；

7)单片机接收到模糊PID控制器的控制信号后，根据接收的信号将需要调节位移一侧的电磁离合器接通并输出PWM信号经由驱动电路控制电机运转；

8)电机旋转通过悬臂传动调节机构带动相应侧的纵臂旋转，从而实现臂式悬架主动位移的精确调节。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于模糊PID控制器的臂式悬架及其主动位移控制方法，同现有技术相比，结构新颖，简单，设计合理。通过两个激光位移传感器实现臂式悬架位移高度的实时监测，保证了控制的实时性，与此同时，两个激光位移传感器相互佐证，能够大幅减小车辆在动态行进过程中的测量误差，使控制更加精准，采用模糊PID控制器，使得整个系统控制鲁棒性更强，通过脉冲编码器实时反馈电机转速，也能提高臂式悬架位移控制的平稳性。通过显示屏就能够观测到整个悬架的动态，让驾驶员在操作的同时游刃有余。本发明能够改善臂式悬架主动位移控制效果，提高车辆行驶平顺性，且控制平稳，位移控制精度高，不受外界干扰，值得推广应用。

附图说明

图1是本发明实施例中基于模糊PID控制器的臂式悬架的原理图；

图2是本发明实施例中基于模糊PID控制器的臂式悬架的控制框图；

图3是本发明实施例中臂式悬架的结构示意图；

图中，1-纵臂，2-激光位移传感器，3-扭杆弹簧，4-车架，5-减振器壳体，6-电磁离合器，7-电机支架，8-脉冲编码器，9-直流电机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图3所示，本发明提供的一个实施例中的基于模糊PID控制器的臂式悬架，包括臂式悬架、车架4、驱动电路、两个激光位移传感器2和模糊PID控制器，臂式悬架设置于车架4上，模糊PID控制器通过驱动电路与电机连接；

臂式悬架包括电机、两个纵臂1、两个悬臂传动调节机构和两个电磁离合器6，两个悬臂传动调节机构分布于电机的两侧，电机的两个输出端分别通过电磁离合器6与两个悬臂传动调节机构的一端连接，两个悬臂传动调节机构的另一端与两个纵臂1连接，两个激光位移传感器2分别设置于两个纵臂1上，激光位移传感器2与模糊PID控制器连接；电机经电磁离合器6通过悬臂传动调节机构带动纵臂1转动调节。

进一步地，驱动电路与模糊PID控制器之间连接有单片机，单片机与电磁离合器6连接。

进一步地，单片机采用STM32F4单片机。

进一步地，电机上设有脉冲编码器8，脉冲编码器8与单片机连接。

进一步地，激光位移传感器2与模糊PID控制器之间连接有数据采集卡。

进一步地，悬臂传动调节机构包括扭杆弹簧3和叶片减振器，两个扭杆弹簧3分布于电机的两侧，电机的两个输出端分别通过电磁离合器6与两个扭杆弹簧3的一端连接，两个扭杆弹簧3的另一端分别与两个纵臂1连接固定，两个叶片减振器分别套设于两个扭杆弹簧3上，两个叶片减振器分别与相应电磁离合器6的壳体连接固定，电机固设于车架4上。

进一步地，纵臂1的下端连接有车轮，由纵臂1、扭杆弹簧3和叶片式减振器构成基本减振功能，电机通过电磁离合器6和扭杆弹簧3带动纵臂1主动扭转调节构成车身高度调节功能，实现车身高度主动调节功能同时具有基本减振功能，便于实现在各种复杂地形下的通过性，大大提高车辆的越障能力，所述的臂式扭转型主动悬架以扭杆弹簧3与叶片减振器为基础进行设计，除了具有传统悬架的减振功能以外，还能够实现主动位移控制，实现对车辆高度的调节，同时还可以通过电磁阀实现对减振器阻尼的调节。本发明应用于车辆上可以大大提高车辆的越障能力。

进一步地，电磁离合器6的壳体与电机的壳体连接，两个扭杆弹簧3的外端通过轴承分别与车架4的两端连接。

进一步地，所述两个电磁离合器6分别安装于所述电机与所述臂式悬架的扭杆弹簧3之间，控制动力传输的中断，臂式悬架属于能够实现左右悬架独立进行主动位移调节的臂式悬架。

进一步地，叶片减振器包括减振器壳体5和减振器套筒，减振器套筒套设于减振器壳体5内，减振器套筒套设于扭杆弹簧3上，减振器壳体5的内侧端设有隔板，与减速电机连接固定，减振器套筒的外端与同侧的纵臂1连接，减振器壳体5与减振器套筒之间的腔体为密封腔，腔体内充满减振油。

进一步地，减振器套筒的外圈设有减振叶片，减振叶片上设有若干阻尼孔。

进一步地，减振器壳体5与减振器套筒之间设有减振隔板，减振隔板与减振器壳体5连接固定。

进一步地，减振叶片和减振隔板周向间隔分布，减振叶片和减振隔板的个数均为2个。

进一步地，所述减振器套筒外部有叶片与壳体隔板形成密封腔，内部套有扭杆弹簧3，扩大端与减振器壳体5间以密封圈实现密封连接，大端内套有角接触球轴承，外端以外花键连接纵臂1，中部外套有骨架油封与减振器壳体5之间实现密封。套筒将纵臂1的扭转化为叶片的旋转，与减振器壳体5配合实现减振作用。

进一步地，所述减振器壳体5内部的隔板与套筒上的叶片形成密封腔，外端套入纵臂1横向伸长段内并与纵臂1以滚针轴承连接，壳体凸肩以第一推力球轴承与纵臂1横向伸长段端面相接触，内部装有骨架油封实现与套筒的密封，壳体内端面以法兰连接端面隔板和输出轴壳体，同时壳体外部开有阻尼孔连接电磁阀。在减振叶片与减振隔板相对运动时，压力将液体压入阻尼孔，阻尼孔的节流作用产生阻尼力，实现减震功能，阻尼孔外接的电磁阀，阻尼孔外的电磁阀与控制系统连接，可实现减振器阻尼调节作用。当纵臂1有横向力传来时，壳体凸肩通过与第一推力球轴承的接触承担纵臂1横向力，将横向力传递到车架4。

进一步地，电机为直流电机9。

进一步地，所述直流电机9采用永磁无刷直流电机9。

进一步地，驱动电路采用30A单路H桥驱动电路，电机为电机，脉冲编码器8为增量式脉冲编码器8，两个激光位移传感器2分别安装于车架4两侧靠近所述臂式悬架纵臂1的地方，用于测量所述车架4两侧离地高度，数据采集卡采用NI板卡。

进一步地，模糊PID控制器连接有显示屏。

一种采用以上所述的基于模糊PID控制器的臂式悬架的主动位移控制方法，驱动电路与模糊PID控制器之间连接有单片机，单片机与电磁离合器6连接，电机上设有脉冲编码器8，脉冲编码器8与单片机连接，所述的主动位移控制方法包括以下步骤：

1)模糊PID控制器通过激光位移传感器2实时采集纵臂1的位移测量值L1和L2；

2)在每个采样时刻，模糊PID控制器将相应时刻两个激光位移传感器2的测量值L1和L2与上一时刻两个激光位移传感器2的测量值L1′和L2′进行对比；

3)当模糊PID控制器监测到相邻时刻测量值之间任一的差值大于某一阈值L时，对两个差值的绝对值|L1-L1′|、|L2-L2′|进行比较，取其中绝对值大的一侧的纵臂1作为位移调节对象，而另一侧纵臂1则不进行调节；

4)将不调节侧悬架纵臂1的位移测量值作为期望值，将需调节侧悬架纵臂1的位移测量值作为实际值，模糊PID控制器计算期望值和实际值的位移偏差，模糊PID控制器根据模糊规则依据位移偏差信号作为控制电机转速的控制量输出至单片机；

5)单片机通过脉冲编码器8测量电机的转速，并将测量电机转速反馈值信号反馈输入至模糊PID控制器；

6)模糊PID控制器根据电机转速反馈值和控制转速输出控制量至单片机实现对电机转速的精确控制；

7)单片机接收到模糊PID控制器的控制信号后，根据接收的信号将需要调节位移一侧的电磁离合器6接通并输出PWM信号经由驱动电路控制电机运转；

8)电机旋转通过悬臂传动调节机构带动相应侧的纵臂1旋转，从而实现臂式悬架主动位移的精确调节。

本发明的工作原理：

如附图1所示，本发明包括驱动电路、直流电机9、两个电磁离合器6、臂式悬架、车架4、脉冲编码器8、单片机、两个激光位移传感器2、数据采集卡、模糊PID控制器以及显示屏。所述驱动电路输出端与所述直流电机9电连接，所述直流电机9输出端与所述电磁离合器6相连，所述电磁离合器6输出端与所述臂式悬架的扭杆弹簧3相连，所述臂式悬架安装在所述车架4上，所述脉冲编码器8安装在直流电机9上，所述脉冲编码器8输出端与所述单片机相连，所述单片机输出端连接所述驱动电路以及所述模糊PID控制器，所述激光位移传感器2安装于车架4两侧靠近臂式悬架纵臂1处，所述激光位移传感器2输出端与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡输出端连接所述模糊PID控制器输入端，所述模糊PID控制器输出端与所述单片机相连，所述模糊PID控制器通过线路连接所述显示屏，所述驱动电路用于对所述直流电机9的工作状态进行控制，所述直流电机9用于驱动臂式悬架进行主动位移调节，所述电磁离合器6用于控制直流电机9动力向扭杆弹簧3的传输与否，所述车架4作为控制系统的载体，所述脉冲编码器8用于测量直流电机9转速，所述单片机用于采集处理来自所述脉冲编码器8的转速信号并将其传递给所述模糊PID控制器，所述单片机用于完成对驱动电路的控制，所述单片机用于完成对电磁离合器6的控制，所述激光位移传感器2用于测量所述车架4离地高度，所述数据采集卡用于采集激光位移传感器2信号并将其转换为数字信号传递给所述模糊PID控制器，所述模糊PID控制器用于完成所述臂式悬架位移数据和所述直流电机9转速信号的融合、分析、处理计算以及控制量输出，所述显示屏用于完成采集数据的对比与显示。

本发明中，驱动电路采用30A单路H桥驱动电路，直流电机9采用永磁无刷直流电机9，脉冲编码器8属于增量式脉冲编码器8，数据采集卡采用NI板卡，单片机采用STM32F4单片机。

本发明中，臂式悬架采用的是如图2中所示的臂式悬架，包括直流电机9、两个电磁离合器6、两个扭杆弹簧3、两个纵臂1、两个叶片减振器和车架4，两个电磁离合器6分布于直流电机9的两侧，直流电机9的两个输出端分别与两个电磁离合器6的一端连接，两个电磁离合器6的另一端分别与两个扭杆弹簧3一端连接固定，两个扭杆弹簧3另一端与纵臂1连接，两个叶片减振器分别套设于两个扭杆弹簧3上，两个叶片减振器分别与直流电机9的两端连接固定，直流电机9固设于车架4上，两个扭杆弹簧3的外端通过轴承分别与车架4的两端连接。实现车身高度主动调节同时具有基本减振功能，便于实现在各种复杂地形下的通过性，大大提高车辆的越障能力。

本发明的工作步骤如下，如图3所示，两个激光位移传感器2的测量值L1、L2经由数据采集卡采样后，输入模糊PID控制器；在每个采样时刻，模糊PID控制器将该时刻两个激光位移传感器2的测量值L1、L2与上一时刻的测量值L1′、L2′进行对比，当监测到两者之间任一的差值大于某一阈值L时，对两个差值的绝对值|L1-L1′|、|L2-L2′|进行比较，此时取其中绝对值大的一侧的悬架作为位移调节对象，而另一侧则不进行调节；假设某时刻|L1-L1′|>|L2-L2′|，则将激光位移传感器2对应一侧的悬架(假设是左侧)作为此时的位移调节对象，将L2作为期望的距离值对左侧悬架位移进行调节，反之亦然；计算左侧悬架主动位移的期望值L2和实际值L1的偏差，模糊PID控制器根据模糊规则将位移偏差信号转换为对应的直流电机9控制转速vs；脉冲编码器8测量直流电机9的转速，其信号经由单片机处理后作为模糊PID控制器的一个反馈输入v；模糊PID控制器根据直流电机9转速反馈值和控制转速输出控制量u至单片机实现对直流电机9转速的精确控制；单片机接收到模糊PID控制器的控制信号后，输出信号将需要调节位移一侧的电磁离合器6接通并输出PWM信号经由驱动电路控制直流电机9运转；直流电机9旋转带动臂式悬架的扭杆弹簧3旋转，纵臂1旋转，从而实现臂式悬架主动位移的精确调节。

一种基于模糊PID控制器的臂式悬架主动位移控制方法，包括驱动电路、直流电机9、两个电磁离合器6、臂式悬架、车架4、脉冲编码器8、单片机、两个激光位移传感器2、数据采集卡、模糊PID控制器以及显示屏。所述驱动电路输出端与所述直流电机9电连接，所述直流电机9输出端与所述电磁离合器6相连，所述电磁离合器6输出端与所述臂式悬架的扭杆弹簧3相连，所述臂式悬架安装在所述车架4上，所述脉冲编码器8安装在直流电机9上，所述脉冲编码器8输出端与所述单片机相连，所述单片机输出端连接所述驱动电路以及所述模糊PID控制器，所述激光位移传感器2安装于车架4两侧靠近臂式悬架纵臂1处，所述激光位移传感器2输出端与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡输出端连接所述模糊PID控制器输入端，所述模糊PID控制器输出端与所述单片机相连，所述模糊PID控制器通过线路连接所述显示屏，所述驱动电路用于对所述直流电机9的工作状态进行控制，所述直流电机9用于驱动臂式悬架进行主动位移调节，所述电磁离合器6用于控制直流电机9动力向扭杆弹簧3的传输与否，所述车架4作为控制系统的载体，所述脉冲编码器8用于测量直流电机9转速，所述单片机用于采集处理来自所述脉冲编码器8的转速信号并将其传递给所述模糊PID控制器，所述单片机用于完成对驱动电路的控制，所述单片机用于完成对电磁离合器6的控制，所述激光位移传感器2用于测量所述车架4离地高度，所述数据采集卡用于采集激光位移传感器2信号并将其转换为数字信号传递给所述模糊PID控制器，所述模糊PID控制器用于完成所述臂式悬架位移数据和所述直流电机9转速信号的融合、分析、处理计算以及控制量输出，所述显示屏用于完成采集数据的对比与显示。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用所述的基于模糊PID控制器的臂式悬架的主动位移控制方法，其特征在于，所述的基于模糊PID控制器的臂式悬架包括臂式悬架、车架、驱动电路、两个位移传感器和模糊PID控制器，臂式悬架设置于车架上；

臂式悬架包括电机、两个纵臂、两个悬臂传动调节机构和两个电磁离合器，两个悬臂传动调节机构分布于电机的两侧，电机的两个输出端分别通过电磁离合器与两个悬臂传动调节机构的一端连接，两个悬臂传动调节机构的另一端与两个纵臂连接，两个位移传感器分别设置于两个纵臂上，电机上设有脉冲编码器，位移传感器和脉冲编码器与模糊PID控制器连接，模糊PID控制器通过驱动电路与电机连接；驱动电路与模糊PID控制器之间连接有单片机，单片机与电磁离合器连接，电机通过脉冲编码器与单片机连接；

所述的主动位移控制方法，包括以下步骤：

1）模糊PID控制器通过两个位移传感器分别采集两个纵臂的位移测量值L1和L2；

2）模糊PID控制器将相应时刻两个位移传感器的测量值L1和L2与上一时刻两个位移传感器的测量值L1′和L2′进行对比；

3）当模糊PID控制器监测到两个位移传感器的相邻时刻测量值之间任一的差值大于某一阈值L时，对两个差值的绝对值|L1- L1′|、 |L2- L2′|进行比较，取其中绝对值大的一侧的纵臂作为位移调节对象，而另一侧纵臂则不进行调节；

4）将不调节侧悬架纵臂的位移测量值作为期望值，将需调节侧悬架纵臂的位移测量值作为实际值，模糊PID控制器计算期望值和实际值的位移偏差，模糊PID控制器依据位移偏差作为控制电机转速的控制量输出至单片机；

5）单片机通过脉冲编码器测量电机的转速，并将测量电机转速反馈值信号反馈输入至模糊PID控制器；

6）模糊PID控制器根据电机转速反馈值和控制转速输出控制量至单片机实现对电机转速的精确控制；

7）单片机接收到模糊PID控制器的控制信号后，根据接收的信号将需要调节位移一侧的电磁离合器接通并输出PWM信号经由驱动电路控制电机运转；

8）电机旋转通过悬臂传动调节机构带动相应侧的纵臂旋转，从而实现臂式悬架主动位移的精确调节。

2.根据权利要求1所述的主动位移控制方法，其特征在于，脉冲编码器通过单片机与模糊PID控制器连接。

3.根据权利要求1所述的主动位移控制方法，其特征在于，位移传感器为激光位移传感器。

4.根据权利要求1所述的主动位移控制方法，其特征在于，位移传感器与模糊PID控制器之间连接有数据采集卡。

5.根据权利要求1所述的主动位移控制方法，其特征在于，悬臂传动调节机构包括扭杆弹簧和叶片减振器，两个扭杆弹簧分布于电机的两侧，电机的两个输出端分别通过电磁离合器与两个扭杆弹簧的一端连接，两个扭杆弹簧的另一端分别与两个纵臂连接固定，两个叶片减振器分别套设于两个扭杆弹簧上，两个叶片减振器分别与相应电磁离合器的壳体连接固定，电机固设于车架上。

6.根据权利要求5所述的主动位移控制方法，其特征在于，叶片减振器包括减振器壳体和减振器套筒，减振器套筒套设于减振器壳体内，减振器套筒套设于扭杆弹簧上，减振器壳体的内侧端设有隔板，与减速电机连接固定，减振器套筒的外端与同侧的纵臂连接，减振器壳体与减振器套筒之间的腔体为密封腔，腔体内充满减振油。

7.根据权利要求1所述的主动位移控制方法，其特征在于，电机为直流电机。

8.根据权利要求1所述的主动位移控制方法，其特征在于，模糊PID控制器连接有显示屏。

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