徐銳良，李三妞，郭志軍,劉美洲，倪　倩，羅躍輝

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)　471003；2.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司 第三裝配廠，河南 洛陽(yáng)　471004)

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拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架建模及控制研究

徐銳良1，李三妞1，郭志軍1,劉美洲1，倪倩1，羅躍輝2

(1.河南科技大學(xué) 車輛與交通工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng)471003；2.中國(guó)一拖集團(tuán)有限公司 第三裝配廠，河南 洛陽(yáng)471004)

摘要：為了改善拖拉機(jī)的乘坐舒適性，提出了將磁流變阻尼器應(yīng)用于座椅懸架的新設(shè)計(jì)思路。為此，利用地面輸入模型、磁流變阻尼器模型和傳統(tǒng)被動(dòng)座椅懸架模型建立了新型的半主動(dòng)座椅懸架模型，并設(shè)計(jì)了PID控制器和模糊控制器，在MatLab/Simulink仿真環(huán)境下對(duì)半主動(dòng)座椅懸架與被動(dòng)座椅懸架進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明：半主動(dòng)座椅懸架相比于傳統(tǒng)的被動(dòng)座椅懸架，在減振方面效果明顯；而在兩種控制方法中，模糊控制效果最佳。

關(guān)鍵詞：座椅懸架；磁流變阻尼器；控制；仿真；拖拉機(jī)

0引言

中國(guó)是傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國(guó)，而拖拉機(jī)及其改裝車是最傳統(tǒng)、最必不可少的農(nóng)用機(jī)械。拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)存在路面不平、路況多變等客觀現(xiàn)實(shí)，而以往拖拉機(jī)座椅設(shè)備比較簡(jiǎn)陋，為了改善乘坐舒適性，對(duì)拖拉機(jī)座椅的研究和改進(jìn)成為必要。為此，可以從輪胎、車架和駕駛座3個(gè)方面實(shí)現(xiàn)減振，但要求改變駕駛座的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性時(shí)不會(huì)影響整車的其他性能[1]，而且改變座椅性能應(yīng)具有制造周期短、見(jiàn)效快及方便易行的優(yōu)點(diǎn)。

目前，一些大馬力拖拉機(jī)為了提高乘坐舒適性，駕駛座采用了空氣彈簧的被動(dòng)懸架。這種懸架雖然有一定減振作用，但由于它只是被動(dòng)地去適應(yīng)地面?zhèn)髦磷蔚恼駝?dòng)[2]，而且其阻尼特性是根據(jù)固定體重的駕駛員而設(shè)計(jì)的，這種懸架的缺點(diǎn)也非常明顯。由磁流變液(MRF)制成的磁流變液阻尼器(MRD)應(yīng)用于座椅懸架上，可以有效耗散地面激勵(lì)引起的車輛對(duì)駕駛員的振動(dòng)，改善乘坐舒適性[3]；而且由于MRD具有響應(yīng)快、造價(jià)低、壽命長(zhǎng)、可調(diào)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到人們極高關(guān)注。

因?yàn)楸粍?dòng)座椅懸架的改善空間非常有限，不能有效地減小低頻段振動(dòng)。所以，本文重點(diǎn)敘述在被動(dòng)座椅懸架模型的基礎(chǔ)上構(gòu)建半主動(dòng)座椅懸架的模型來(lái)增加拖拉機(jī)乘坐舒適性的方法。同時(shí)，提出將MRD應(yīng)用于拖拉機(jī)座椅懸架中，構(gòu)建出阻尼可調(diào)的半主動(dòng)座椅懸架模型，并采用PID控制和模糊控制策略進(jìn)行Simulink仿真，驗(yàn)證模型的正確性。

1建立各種模型

1.1座椅模型

本文采用某拖拉機(jī)的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合理論動(dòng)力學(xué)建模的基本理論和前人建模經(jīng)驗(yàn)[4-5]，建立了1/2車型的五自由度振動(dòng)模型。同時(shí)，在此基礎(chǔ)上，改座椅懸架的固定阻尼為可變阻尼，建立了基于磁流變阻尼器的半主動(dòng)模型，如圖1所示。

圖1　半主動(dòng)座椅懸架模型

根據(jù)牛頓第二定律，被動(dòng)模型和半主動(dòng)模型的動(dòng)力學(xué)方程分別為

(1)

(2)

1.2地面輸入模型

傳遞到拖拉機(jī)座椅的振動(dòng)來(lái)源主要有發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)和地面輸入兩個(gè)方面。由于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)引起的周期振動(dòng)及其高頻振動(dòng)在很大程度上已經(jīng)被座椅系統(tǒng)隔離，所以應(yīng)主要探討由地面不平所引起的低頻范圍內(nèi)的隨機(jī)振動(dòng)[5]。根據(jù)田間路面不平、路況多變的實(shí)際情況，本文選取E級(jí)路面激勵(lì)為非公路田間崎嶇路面，采取車速為2km/h。其路面不平度的時(shí)域表達(dá)式見(jiàn)式(3)，仿真框圖如圖2所示。

(3)

其中，q(t)為路面位移；G0為E級(jí)路面不平度系數(shù)；u為車輛前進(jìn)速度；w為均值為0的高斯白噪聲；f0為下截止頻率[6]。

1.3磁流變阻尼器力學(xué)模型

參考Bingham粘彈-塑性模型，可以將磁流變阻尼器的阻尼力等效為基值阻尼與可控阻尼之和；而兩者分別與速度和電流相關(guān)[7]，其表達(dá)式為

Fd=FM+Fv,Fv=ceVP

(4)

關(guān)于可控阻尼力與電流之間的復(fù)雜關(guān)系，因條件限制，本文無(wú)法進(jìn)行試驗(yàn)，且該部分不是本文研究的重點(diǎn)。因此，本文采用了文獻(xiàn)[8]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行三階擬合得出阻尼力與電流的關(guān)系為

FM=0.2967I3-1.557I2+2.742I-0.2073

(5)

圖2　路面輸入模型

2控制策略

由于拖拉機(jī)乘坐舒適性是以駕駛員承受的加速度來(lái)評(píng)價(jià)的[9]，因此本文以駕駛座的垂向加速度的均方根值(RMS值)最小作為控制的最終目標(biāo)。MRD產(chǎn)生的阻尼力FM是輸入電流與座椅相對(duì)運(yùn)行的非線性函數(shù)，所以選擇可調(diào)磁流變阻尼器運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流作為控制的目標(biāo)[8]，可以根據(jù)最終目標(biāo)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制，達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)。基于前人研究成果及MRD的非線性特性，本文分別將PID控制、模糊控制應(yīng)用于半主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)中進(jìn)行仿真，并與傳統(tǒng)被動(dòng)模型進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1PID控制

PID控制器作為一種線性控制器，主要是根據(jù)偏差的變化情況來(lái)調(diào)節(jié)被控量的。本文采用位移式PID算法，算法表達(dá)式見(jiàn)式(6)，其仿真框圖如圖3所示。

(6)

圖3　PID控制器

2.2模糊控制

在設(shè)計(jì)模糊控制器時(shí)，以拖拉機(jī)駕駛座的速度和速度變化率分別設(shè)定為控制器的兩個(gè)輸入E和dE，阻尼器的控制電流設(shè)定為輸出目標(biāo)U；非模糊化(defuzzifi cation)采取重心法(centroid)；E、dE、U的隸屬函數(shù)均采用三角函數(shù)；模糊子集的論域分別為[-2 2]、[-2 2]、[0 6]；模糊子集分別為{NB(負(fù)大)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PB(正大)}、{NB(負(fù)大)，NS(負(fù)小)，Z(零)，PS(正小)，PB(正大)}、{Z(零)，S(小)，SM(小中)，M(中)，MB(中大)，B(大)}；模糊規(guī)則語(yǔ)句為“if A and B，then C”；模糊規(guī)則及模糊控制器如表1和圖4[10]所示。

圖4　模糊控制器

dEENBNSZPSPBNBBMSMZNSMBSMSMSMSZMZZSMMPSSSSMMMSPBSMMSMBB

3基于MatLab/Simulink的仿真及分析

3.1仿真

本文根據(jù)前面建立的地面輸入模型、磁流變阻尼器模型、“車-椅”動(dòng)力學(xué)模型，以及PID控制器和模糊控制器模型，在Simulink環(huán)境中分別建立了被動(dòng)控制、PID控制和模糊控制的仿真框圖，如圖5、圖6和圖7所示。同時(shí)，結(jié)合MatLab編程繪制仿真結(jié)果。為便于明顯觀察和對(duì)比分析3種控制，只截取仿真結(jié)果的其中一段圖像進(jìn)行展示，并且將3種控制的加速度和速度分別繪于2個(gè)圖中。將3種控制的加速度及速度的均方根值、變化范圍和改變幅度制成表格形式，如表2所示。加速度仿真結(jié)果如圖8所示，速度仿真結(jié)果如圖9所示。

3.2分析

由圖8和圖9可知：當(dāng)拖拉機(jī)行車路況發(fā)生改變時(shí)，PID控制和模糊控制策略均能很好地跟蹤模型。對(duì)比仿真結(jié)果圖8、圖9和均方根值表2可知：當(dāng)白噪聲信號(hào)激勵(lì)路面時(shí)，基于兩種控制的磁流變半主動(dòng)座椅懸架的座椅加速度和速度都遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的被動(dòng)座椅懸架；本文所建立的拖拉機(jī)五自由度模型正確可靠；采用磁流變阻尼器的半主動(dòng)座椅懸架可以有效地衰減振動(dòng)。表2中，對(duì)比PID控制、模糊控制下的座椅加速度、速度相對(duì)于傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的改善百分比和變化范圍可以看出：兩種控制都具有非常明顯的效果，而其中模糊控制為最佳。

圖6　PID控制

圖7　模糊控制

圖8　加速度仿真結(jié)果圖

圖9　速度仿真結(jié)果圖

被動(dòng)PID模糊加速度RMS值20.816.4682.141變化范圍[-67.4665,68.5076][-50.8964,54.6505][-28.0497,26.1485]改善幅度———68.9%89.7%

續(xù)表2

4結(jié)論

仿真結(jié)果表明：無(wú)論是PID控制，還是模糊控制，對(duì)基于磁流變阻尼器的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架系統(tǒng)都有非常有效的減振效果。本文建立的模糊控制模型中，存在運(yùn)行速度偏慢的問(wèn)題，初步判定原因是模型偏于復(fù)雜，這將是系統(tǒng)須進(jìn)一步解決和完善的問(wèn)題。本文所建立的基于磁流變阻尼器的拖拉機(jī)半主動(dòng)座椅懸架模型為今后改進(jìn)拖拉機(jī)的舒適性提供了一種現(xiàn)實(shí)可行的思路和方向，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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Modeling and Control of Tractor Semi-active Seat Suspension System

Xu Ruiliang1, Li Sanniu1, Guo Zhijun1, Liu Meizhou1, Ni Qian1, Luo Yuehui2

(1.Vehicle & Motive Power Engineering College, Henan University of Science and Techonology, Luoyang 471003，China;2. Third Assembly Plant,YTO Group Corporation, Luoyang 471004, China)

Abstract：A new idea is designed of applying MRD with the seat suspension to enhance comfort of tractor.The random roughness of road surface input model,the MRD model and the passive seat suspension model are used to establish this semi-active seat suspension system,the PID controller and the fuzzy controller.With the Matlab / Simulink software,the dissertation has a completed simulating analysis between semi-active seat suspension and traditional passive seat suspension. The simulation results indicate that the semi-active suspension is better than the passive seat suspension in restraining the vibtation and enhancing the comfort,and the fuzzy controller is better than the PID controller.

Key words：seat suspension；magneto-rheological damper；control；simulation；tractor

文章編號(hào)：1003-188X(2016)01-0039-05

中圖分類號(hào)：S219.032.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：徐銳良(1966-)，男，河南洛陽(yáng)人，副教授，碩士生導(dǎo)師，(E-mail )lyxrl@163.com。通訊作者：李三妞(1989-)，女，河南新鄉(xiāng)人，碩士研究生，(E-mail )1054945965@qq.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2012AA111204)

收稿日期：2015-01-15