FSMC ACTIVE SUSPENSION  ·  RESEARCH PLAN
RESEARCH PROPOSAL  ·  科研小组 开题 / 计划汇报

基于改进模糊滑膜控制的
车辆主动悬架抖振抑制与鲁棒性研究

FSMC
FUZZY SLIDING MODE CONTROL
汇报人  蒋黎阳
2026.09.12
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目录

CONTENTS
四个部分：从问题出发，到可执行的研究计划
车辆行驶示意图（原汇报配图）
研究对象  ·  车辆主动悬架
  1. 01
    项目背景

    被动 → 半主动 → 主动悬架演进
    课题来源与立项依据

  2. 02
    研究现状

    滑模抖振抑制的主流技术路径
    与现存主要缺陷

  3. 03
    技术方案

    1/4 车建模、双参数 FSMC 控制器
    仿真实验方案与评价体系

  4. 04
    研究计划

    七阶段推进、五模块分工
    风险应对与预期成果

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01 / 项目背景   PROJECT BACKGROUND

从被动到主动：悬架的演进

  • 被动悬架刚度、阻尼固定，无主动力；结构简单，难随路况兼顾舒适与安全
  • 半主动悬架阻尼可在线调节（如磁流变减振器），只能耗散能量、不能主动做功
  • 主动悬架作动器主动输出控制力；受带宽、力饱和与变化率约束
统一视角  ·  簧载质量动力学方程
ms z¨s=ks (zu−zs)+cs (z˙u−z˙s)+Fam_s\,\ddot z_s = k_s\,(z_u - z_s) + c_s\,(\dot z_u - \dot z_s) + F_a
Fa≡0⟶cs→cs(t)⟶Fa=u,  ∣Fa∣≤Fmax⁡F_a \equiv 0 \quad\longrightarrow\quad c_s \to c_s(t) \quad\longrightarrow\quad F_a = u,\ \ |F_a| \le F_{\max}
① 被动悬架 1/4 车示意
① 被动悬架
② 半主动悬架 1/4 车示意
② 半主动悬架
③ 主动悬架 1/4 车示意
③ 主动悬架

课题来源

大学生创新训练项目（电气与信息工程学院），依据项目申请书开展研究。

依据① 工程需求

主动悬架能主动施力，但控制力受作动器带宽、饱和与变化率约束，须「正确且可实现」。

依据② 方法痛点

滑模控制对参数摄动与外扰鲁棒，但 sgn(s)\mathrm{sgn}(s) 的不连续切换会引发高频抖振。

依据③ 研究空缺

模糊 / 可变边界层滑模已有先例，缺少统一约束下公平、可复现的比较 → 双参数调节 KK 与 ϕ\phi。

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02 / 研究现状   RESEARCH STATUS

抖振抑制：已有路径与待补的缺口

主流技术路径 MAINSTREAM

  • 边界层 / 饱和函数：以 sat(s/ϕ)\mathrm{sat}(s/\phi) 替代 sgn(s)\mathrm{sgn}(s)，用少量稳态精度换取控制平滑

  • 改进趋近律：如指数、幂次趋近律，调节到达速度与切换幅度

  • 模糊 / 自适应调参：按滑模面状态在线调节切换增益或边界层厚度

  • 高阶 / Super-Twisting：不连续项移入控制量导数，输出连续的控制力

−φφs
u=−K sgn(s)u = -K\,\mathrm{sgn}(s)
u=−K sat(s/ϕ)u = -K\,\mathrm{sat}(s/\phi)

现存主要缺陷 GAPS

  • 单参数调节：多数模糊滑模只调一个参数，缺少切换增益 KK 与边界层 ϕ\phi 的双参数协同研究

  • 理想作动器假设：大量仿真忽略一阶滞后、力饱和与变化率限制等实际工程约束

  • 评价口径不一：抖振多靠波形定性观察，常只看指令力而非实际输出力，缺统一量化指标与消融

  • 缺少公平对比：模型驱动与数据驱动算法很少在完全相同工况下横向比较，鲁棒性统计有限

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03 / 技术方案   SYSTEM MODELLING

系统建模与仿真环境

1/4 车二自由度主动悬架模型
图 1  1/4 车二自由度主动悬架模型仅表征簧载质量垂向振动，不等同座椅 / 人体动力学响应

① 1/4 车二自由度模型

Fs=ks(zu−zs)+cs(z˙u−z˙s)ms z¨s=Fs+Famu z¨u=kt(zr−zu)−Fs−Fa\begin{aligned} F_s &= k_s(z_u - z_s) + c_s(\dot z_u - \dot z_s)\\ m_s\,\ddot z_s &= F_s + F_a\\ m_u\,\ddot z_u &= k_t(z_r - z_u) - F_s - F_a \end{aligned}

输出：簧载加速度  ·  悬架动行程  ·  轮胎动载荷

② 作动器物理约束

τa F˙a+Fa=satFmax⁡(uc)∣F˙a∣≤Rmax⁡\begin{aligned} &\tau_a\,\dot F_a + F_a = \mathrm{sat}_{F_{\max}}(u_c)\\ &|\dot F_a| \le R_{\max}\end{aligned}

纯时延 TdT_d 独立建模，避免与一阶滞后混淆；区分指令力 ucu_c 与实际力 FaF_a，二者分别参与抖振评估

③ 路面激励生成

Gq(n)=Gq(n0) (nn0)−wG_q(n) = G_q(n_0)\,\left(\dfrac{n}{n_0}\right)^{-w}

按 ISO 8608 生成 A–D 级随机路面；凸块确定性路面用于瞬态测试；固定随机种子保证可复现。Gq(n0)G_q(n_0) 取值待填（须标文献来源）

④ 仿真环境

MATLAB/Simulink + Fuzzy Logic Toolbox；求解器、步长、采样率全局统一；参数集中配置，不零散分布在模块内部。

参数表 ms, mu, ks, cs, kt, τa, Fmax⁡, Rmax⁡m_s,\ m_u,\ k_s,\ c_s,\ k_t,\ \tau_a,\ F_{\max},\ R_{\max}：待填（须标文献来源）

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03 / 技术方案   CONTROLLER DESIGN

改进双参数模糊滑膜控制器  FSMC-dual

滑动面  SLIDING SURFACE
s=c e+e˙s = c\,e + \dot e
控制律  CONTROL LAW
u=ueq−K sat ⁣(sϕ)u = u_{\mathrm{eq}} - K\,\mathrm{sat}\!\left(\dfrac{s}{\phi}\right)
  • 基线：SMC-sign / SMC-fixed-BL 对照
  • 模糊推理在线调节 KK 与边界层 ϕ\phi
  • 满足滑模到达条件，闭环稳定
1/4 车二自由度主动悬架模型（示意）
图 2  1/4 车二自由度主动悬架模型（示意）
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03 / 技术方案   EXPERIMENT & METRICS

仿真实验方案与评价指标

七组对照 × 多工况：同一路面种子、同一步长、同一作动器约束下公平比较
舒适代理  ·  簧载加速度 RMS
aRMS=1T∫0Tz¨s 2(t) dta_{\mathrm{RMS}} = \sqrt{\dfrac{1}{T}\displaystyle\int_0^{T} \ddot z_s^{\,2}(t)\,\mathrm{d}t}
抖振  ·  频域高频能量占比 JHFJ_{\mathrm{HF}}
JHF=∫fcfN∣U(f)∣2 df∫0fN∣U(f)∣2 dfJ_{\mathrm{HF}} = \dfrac{\int_{f_c}^{f_N} |U(f)|^2\,\mathrm{d}f}{\int_{0}^{f_N} |U(f)|^2\,\mathrm{d}f}
抖振  ·  时域总变差 TV
TV(u)=1T∑k∣u[k]−u[k−1]∣TV(u) = \dfrac{1}{T}\sum_{k} \bigl|u[k] - u[k-1]\bigr|

实验工况与对照

同种子 · 同步长 · 同约束

ISO 8608 A–D 级随机路面凸块路面 · 瞬态响应参数摄动 · 鲁棒性
PassiveSkyhookSMC-signSMC-fixed-BLFSMC-KFSMC-φFSMC-dual

评价指标

ucu_c 与 FaF_a 分别计算；抖振下降但车辆指标恶化仍算失败

簧载加速度 RMS悬架动行程 RMS / 峰值轮胎动载荷 RMS / 峰值
抖振 JHFJ_{\mathrm{HF}} + TV（ucu_c / FaF_a）控制努力 · 力 RMS / 能量饱和时间占比
七组 × 各工况结果对比表：待团队真实仿真结果替换
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04 / 研究计划   RESEARCH PLAN  ·  上半程

上半程：从模型到 FSMC 核心闭环

2026.092026.102026.112026.122027.012027.022027.032027.04
① 基础模型
2026.09–10
② 抖振基线
2026.10–12
③ 固定边界层
2027.01
④ 双参数 FSMC
2027.02–04

① 基础模型

建立 1/4 车二自由度非线性模型；搭建 ISO 随机路面模块；搭建被动悬架与 Skyhook 模型

通过：固有频率与文献参数一致，单位与符号全部检查通过

② 抖振基线

搭建 SMC-sign；加入一阶滞后、饱和、速率限制等作动器约束

通过：同工况下复现指令与实际输出的高频抖振；记录抖振随采样率与作动器带宽的变化

③ 固定边界层

搭建 SMC-fixed-BL，作为后续模糊在线调参的对照基线

通过：量化精度—平滑折中，确定边界层 ϕ\phi 的合理取值范围

④ 双参数 FSMC

FSMC-K / FSMC-φ / FSMC-dual 消融对照；调试双参数在线规则，无效则退回单参数

交付：完成模糊规则说明与稳定性、有界性证明；对比三组控制器性能与抖振

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04 / 研究计划   RESEARCH PLAN  ·  下半程

下半程：鲁棒性验证与成果固化

05  ·  2027.05–08

鲁棒性与统计验证

  • 参数摄动：簧载质量 ±30%、作动器时滞 5–15 ms
  • 加入传感器噪声，悬架刚度、阻尼参数偏差
  • 蒙特卡洛：先 30 次测试，再扩展至 50–100 次
ms′=ms(1+δ),δ∈[−0.3, 0.3]τd∈[5, 15] ms\begin{aligned}&m_s' = m_s(1+\delta),\quad \delta\in[-0.3,\,0.3]\\ &\tau_d \in [5,\,15]\ \mathrm{ms}\end{aligned}

通过：无失稳、不持续饱和，跨工况控制改进趋势稳定

06  ·  2027.09–12

强基线与扩展

  • 搭建 Super-Twisting 高阶滑模，作为更强的对比基线
  • 有余力时探索 TD3、SAC（DDPG 作兼容基线）
  • 所有控制器共用同一车辆模型、路面种子与评价指标
u=−k1 ∣s∣1/2 sgn(s)+vv˙=−k2 sgn(s)\begin{aligned} u &= -k_1\,|s|^{1/2}\,\mathrm{sgn}(s) + v\\ \dot v &= -k_2\,\mathrm{sgn}(s)\end{aligned}

原则：公平对比与消融，比增加新算法更重要

07  ·  2028.01–04

成果固化与复现

  • 完成学术论文撰写与投稿
  • 申请软件著作权 1 项
  • 整理仿真代码、数据字典与复现脚本
论文投稿软件著作权代码 + 数据字典

目标：全部实验可复现，新电脑一键复现

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04 / 研究计划   RESEARCH PLAN  ·  分工

五大分工模块：一条主线，四组并行

负责人 LEAD

  • 车辆动力学建模
  • SMC、FSMC 主控制器设计
  • 理论推导与报告主讲
协作链路（示意）
模型组路面 · 参数
负责人控制器
算法组实验 · 统计
集成组图表 · 复现
硬件组作动器约束

四个专项小组 TEAMS

  • 硬件组作动器滞后、延迟建模 · 力饱和与速率限制 · 控制努力指标统计

  • 模型组ISO 8608 随机路面生成 · 参数来源整理 · 噪声与悬架、轮胎约束

  • 算法组指标计算脚本 · 实验编排与自动化 · 蒙特卡洛统计复现

  • 集成组图表制作与可视化 · 代码打包、数据字典 · 复现脚本编写

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04 / 研究计划   RISKS & OUTCOMES

风险与成果

风险提前预判、留好退路；成果以可复现的平台、论文、软著与数据集交付。

模糊规则表 3×3 （初稿 · 示意，正式规则以实测设计为准）
∣s∣|s| \ 趋势远离（+）接近（−）边界层内
∣s∣|s| 大K↑  ϕ↓K\uparrow\ \ \phi\downarrowK↓  ϕ↑K\downarrow\ \ \phi\uparrow保持
∣s∣|s| 中K↑  ϕ↔K\uparrow\ \ \phi\leftrightarrowK↓  ϕ↑K\downarrow\ \ \phi\uparrow保持
∣s∣|s| 小K↔  ϕ↔K\leftrightarrow\ \ \phi\leftrightarrowK↔  ϕ↔K\leftrightarrow\ \ \phi\leftrightarrow避免反向

先少量规则、逐条记录物理理由，消融后再加密（可扩至 5×5）；KK、ϕ\phi 均设硬边界。

01风险与应对

  • 模糊规则相互影响 → 先少量规则（3×3），做消融后再加密

  • 作动器频繁饱和 → 显式约束力上限，统计饱和时间占比

  • 符号函数微分放大噪声 → 比较滤波差分 / 跟踪微分器 / 观测器，选取最优

  • 1/4 车结论≠整车性能 → 严格限定适用边界，不宣称整车人体舒适性

02预期成果

1

套 · 仿真平台MATLAB/Simulink

1

篇 · 学术论文撰写与投稿

1

项 · 软件著作权申请

1

套 · 实验数据集仿真实验数据

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谢谢

Q&A
敬请批评指正
汇报人  蒋黎阳2026.09.12
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