汽車懸架控制系統(tǒng)的類型與方法研究

李 靖

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汽車懸架控制系統(tǒng)的類型與方法研究

李 靖

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

分析了汽車懸架控制系統(tǒng)的基本類型及其特點，重點探討半主動控制和主動控制懸架系統(tǒng)中常用的幾種控制方法。并為今后汽車懸架控制系統(tǒng)的發(fā)展方向提出了些許建議。

汽車；懸架；主動控制；半主動控制

懸架是現(xiàn)代汽車的重要總成之一,是提高車輛平順性(乘座舒適性)和安全性(操縱穩(wěn)定性)、減少動載荷引起零部件損壞的關(guān)鍵,但基于經(jīng)典隔振理論的傳統(tǒng)懸架無法同時兼顧這三方面的要求。從上世紀70年代起,國外一些專家學(xué)者就開始研究基于控制技術(shù)的主動/半主動懸架系統(tǒng)。引入控制技術(shù)后的懸架是一類復(fù)雜的非線性動力系統(tǒng),其研制及應(yīng)用涉及機械動力學(xué)、測控技術(shù)、電子技術(shù)、流體傳動及控制、計算機技術(shù)、非線性力學(xué)等許多學(xué)科。

1 車輛懸架控制系統(tǒng)的類型

車輛懸架的振動控制可分為被動控制、半主動控制和主動控制三種基本類型。凡不需要輸入能量的振動控制稱為被動控制;輸入少量能量調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)的控制稱為半主動控制;通過輸入外部能量使控制機構(gòu)給于懸架系統(tǒng)施加一定控制力的振動控制稱為主動控制。

1.1 被動控制懸架

汽車被動控制懸架（被動懸架1/4車型簡圖如圖1）由于無需輸入外部能量和結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點而得到廣泛應(yīng)用。但隨著汽車性能的不斷完善與發(fā)展,對懸架提出更高的要求。為滿足現(xiàn)代汽車對懸架提出的各種性能要求,懸架的結(jié)構(gòu)形式一直在不斷地更新與完善。盡管如此,傳統(tǒng)的被動控制依然受到許多限制,主要是難于同時改善在不同路面上高速行駛車輛的穩(wěn)定性和行駛平順性。因此,被動控制的減振效果較差。

圖1 被動懸架

1.2 半主動控制懸架

汽車半主動懸架（半主動懸架1/4車型簡圖如圖2）由可變特性的彈簧和減振器組成。其基本工作原理是根據(jù)簧上質(zhì)量相對車輪的速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剛度或可調(diào)減振器的阻尼力。半主動懸架在產(chǎn)生力的方面近似于被動懸架，但是半主動懸架的阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)是可變的。通常以改變減振器的阻尼力為主，將阻尼分為兩和三級，由人工選擇或根據(jù)傳感器信號自動確定阻尼級。其研究工作始于1974年美國加州大學(xué)戴維斯分校Karno-pp的研究工作。通過輸入少量控制能量調(diào)節(jié)減振器的液力阻尼, 改善懸架的振動特性。若以xa1表示懸掛質(zhì)量(車身)速度,xa2表示非懸掛質(zhì)量(車橋)速度,c表示阻尼系數(shù),則Karno-pp控制規(guī)則的數(shù)學(xué)表達式為：

這一控制規(guī)則反映出,既要對作用在彈簧上、正比于車身絕對速度x1的振動進行抑制,也要使和彈簧變形速度(x1-x2)成比例的粘性阻尼力起作用,這是on和off的開關(guān)式控制方法。Hobslscher R,Huang Z用語言變量修改其控制規(guī)則的表達方式,則為

圖2 半主動懸架

1.3 主動控制懸架

汽車主動控制懸架（主動懸架1/4車型簡圖如圖3）是在被動懸架原有彈性元件和阻尼元件的基礎(chǔ)上加一個主動力裝置,設(shè)計者可根據(jù)預(yù)期目的, 通過這個主動力裝置和預(yù)定的控制策略來改變懸架的特性,以獲得較好的工況。主動懸架能夠根據(jù)工況變化，實時主動地調(diào)整和產(chǎn)生所需的懸架控制力，以抑制車身的振動，使懸架處于最優(yōu)減振狀態(tài)，達到同時改善汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的目的。

圖3 主動懸架

主動控制懸架通常包括三部分：傳感器、控制器以及執(zhí)行機構(gòu)，并由它們與汽車系統(tǒng)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。其中控制器是整個系統(tǒng)的信息處理和管理中心，它接受來自各個傳感器的信號，依據(jù)特定的數(shù)據(jù)處理方法和控制規(guī)律，決定并控制執(zhí)行機構(gòu)的動作，從而達到改變車身的運動狀態(tài)、滿足隔振減振要求的目的。

2 汽車懸架系統(tǒng)的控制方法

汽車懸架控制系統(tǒng)大多由傳感器拾取車身絕對速度、車身對車輪的相對速度、車身的加速度等信號,經(jīng)計算機處理發(fā)出指令進行控制。由于車輛懸架控制系統(tǒng)是十分復(fù)雜的非線性動力系統(tǒng),基于模型的線性反饋控制策略受到極大的限制。目前應(yīng)用于車輛懸架控制系統(tǒng)的控制方法主要有天棚阻尼與開關(guān)阻尼控制方法，最優(yōu)控制方法、自適應(yīng)控制方法、基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的智能控制方法等控制方法。

2.1 半主動懸架常用的控制方法

70年代初，Crosby和Karnop首先提出了半主動懸架控制的概念，圖4為典型的兩自由度半主動懸架系統(tǒng)控制示意圖。該系統(tǒng)由一彈性元件與可調(diào)阻尼器構(gòu)成。此可調(diào)阻尼器在其力的產(chǎn)生方面非常相似于被動懸架中的阻尼器,但其阻尼值是根據(jù)車身質(zhì)量的加速度響應(yīng)等反饋信號,按照一定的控制規(guī)律而瞬態(tài)變化的,因此其減振效果又接近于全主動懸架。由于半主動懸架中彈簧剛度為一定值,所以它的自適應(yīng)性能要稍遜于全主動懸架。

圖4 典型的半主動懸架控制示意圖

近年來，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用控制理論在汽車半主動懸架控制系統(tǒng)的研究上做了大量的研究工作主要包括:最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、天棚阻尼與開關(guān)阻尼控制、模糊控制、預(yù)見控制和魯棒控制等。

2.1.1 最優(yōu)控制

應(yīng)用于車輛懸架控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法可以分為線性最優(yōu)控制、H∞最優(yōu)控制和最優(yōu)預(yù)報控制等三種。線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想模型基礎(chǔ)上,采用受控對象的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標,同時保證受控結(jié)構(gòu)動態(tài)穩(wěn)定性條件下實現(xiàn)最優(yōu)控制。把LQ(Linear Quadratic 線性二次型)調(diào)節(jié)器控制理論和LQG(Linear Quadratic Gaussian線性二次高斯型)控制理論應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)實現(xiàn)最優(yōu)控制。H∞控制是設(shè)計控制器在保證閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下,使相對于噪聲干擾的輸出取極小的一種最優(yōu)控制法。為了模擬由于車身質(zhì)量、輪胎剛度、減振器阻尼系數(shù)以及車輛結(jié)構(gòu)高頻柔度模態(tài)等變化不確定的誤差,應(yīng)用H∞控制方法可實現(xiàn)車輛懸架振動控制具有較強的魯棒性。最優(yōu)預(yù)報控制是利用車輛前輪的擾動信息預(yù)估路面的干擾輸入,預(yù)報控制的策略就是把所測量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實施最優(yōu)控制。

其中，LQR(linear quadratic regulator)即線性二次型調(diào)節(jié)器算法理論使用最為廣泛，其對象是現(xiàn)代控制理論中以狀態(tài)空間形式給出的線性系統(tǒng),而目標函數(shù)為對象狀態(tài)和控制輸入的二次型函數(shù)。LQR最優(yōu)設(shè)計是指設(shè)計出的狀態(tài)反饋控制器K要使二次型目標函數(shù)J取最小值,而K由權(quán)矩陣Q與R唯一決定,故此Q、R的選擇尤為重要。LQR理論是現(xiàn)代控制理論中發(fā)展最早也最為成熟的一種狀態(tài)空間設(shè)計法。

算法概要如下：

設(shè)懸架自由度彈簧阻尼系統(tǒng)動力方程為：

2.1.2 自適應(yīng)模糊控制

由于車輛懸架振動系統(tǒng)是含有許多不確定因素的非線性動力系統(tǒng),難以用定常反饋系統(tǒng)達到預(yù)定的控制性能要求。應(yīng)用于車輛懸架振動控制的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策略。自校正控制是一種將受控對象參數(shù)在線識別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法。模型參考自適應(yīng)控制的原理是當外界激勵條件和車輛自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時, 被控車輛的振動輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ汀?/p>

自適應(yīng)控制存在的問題表現(xiàn)在自校正控制過程需要在線辨識大量的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所以導(dǎo)致計算量大，實時性不好。而模型參考自適應(yīng)控制方法涉及路面信息獲得的精度問題，這一點與預(yù)測控制存在的問題相似。另外，當懸掛系統(tǒng)參數(shù)由于突然的沖擊而在較大的范圍變化時，自適應(yīng)控制的魯棒性將變壞。

2.1.3 天棚阻尼與開關(guān)阻尼控制

天棚阻尼與開關(guān)阻尼控制原理是在車身上安裝一個與車身振動速度成正比的阻尼器，產(chǎn)生與車體絕對速度成正比的控制力，可以完全防止車身與懸架系統(tǒng)產(chǎn)生共振，達到衰減振動的目的。在天棚控制方式中，控制力取決于車體的絕對速度的反饋，不需要很多傳感器也不需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型，可靠性較好。

開關(guān)阻尼控制思想的阻尼力算法可用以下公式表示

2.2 主動懸架常用的控制方法

主動懸架控制機構(gòu)是由電控單元ECU和傳感器等組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)，通過傳感器監(jiān)測道路條件、汽車運行狀態(tài)，按照設(shè)定的控制規(guī)律向執(zhí)行機構(gòu)（空氣彈簧、動力源等）適時地發(fā)出控制信號，以調(diào)節(jié)懸架剛度和阻尼系數(shù)，主動地調(diào)整和產(chǎn)生所需的控制力，使懸架始終處于最佳減振狀態(tài)。典型的主動懸架控制示意圖如圖5。

圖5 典型的主動懸架控制示意圖

其中，基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車輛主動懸架控制技術(shù)、基于免疫算法的車輛主動懸架控制技術(shù)為兩種十分典型的主動懸架控制技術(shù)。

2.2.1 基于遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車輛主動懸架控制技術(shù)

遺傳算法作為一種非確定性的擬自然算法,為復(fù)雜系統(tǒng)的優(yōu)化提供了一種新的方法,實踐證明其效果顯著；其基本思想是模擬自然界遺傳機制和生物進化論而形成的一種隨機搜索與優(yōu)化算法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指將具有一定處理能力的單元按一定方式相互聯(lián)結(jié)以模擬人類神經(jīng)系統(tǒng)的信息處理機制，能夠有效地解決各類復(fù)雜問題。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用雙隱層的結(jié)構(gòu),學(xué)習(xí)算法中的權(quán)系數(shù)學(xué)習(xí)規(guī)律采用學(xué)習(xí)率自適應(yīng)調(diào)整與動量項相結(jié)合的改進算法,即

動量項使調(diào)節(jié)向著誤差曲面底部的平均方向變化,起到緩沖平滑的作用,使學(xué)習(xí)速率加快。

遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法流程圖見圖6，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)進行模擬,同時應(yīng)用遺傳算法進行尋優(yōu),調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值,使得懸架系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)達到預(yù)期效果。基于遺傳算法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的懸架控制方法對于改善車輛行駛平順性有顯著效果,所提出的控制方法對所建立的主動懸架模型有良好的適應(yīng)性。

圖6 控制算法流程圖

2.2.2 基于免疫算法的車輛主動懸架控制技術(shù)

免疫的實質(zhì)是抵御外界抗原侵入的自我保護能力和自適應(yīng)能力。免疫算法的優(yōu)點在于具有良好的系統(tǒng)響應(yīng)性和自主性，有很好的智能型和魯棒性，因此被運用到車輛懸架系統(tǒng)中，進行相應(yīng)的系統(tǒng)仿真分析。

汽車主動懸架的免疫控制系統(tǒng),以車身加速度和速度、懸架和車輪變形為輸入,力發(fā)生器控制力為輸出。免疫控制器在接受模型狀態(tài)輸入后,根據(jù)免疫算法得出最佳的控制力,從而使懸架的性能得到提高，其主動懸架的免疫控制系統(tǒng)框圖見圖7。免疫控制器在接受模型狀態(tài)輸入后,根據(jù)免疫算法得出最佳的控制力,從而使懸架的性能得到提高。算法實現(xiàn)流程見圖8。

圖7 汽車主動懸架的免疫控制系統(tǒng)框圖

圖8 免疫算法實現(xiàn)流程圖

3 結(jié)束語

本文首先對三類懸架（被動懸架、半主動懸架、主動懸架）作了簡單的敘述，然后分別闡述了半主動懸架和主動懸架常用的控制方法及理論。然而隨著相關(guān)學(xué)科和高新技術(shù)的迅猛發(fā)展,特別是高效價廉微處理機的普及,使得研究實用的半主動和主動懸架振動控制系統(tǒng)成為現(xiàn)實。半主動懸架控制系統(tǒng)剛開始進入實際應(yīng)用階段;主動懸架控制系統(tǒng)由于其造價昂貴、需要額外的控制用功率等原因,至今仍停留在實驗室和真車試驗階段。最后，為了更理想地實現(xiàn)汽車懸架控制系統(tǒng)的研究目標,必須解決如下幾個方面的問題：（1）研制高效能的減振器,如液力減振器、阻尼連續(xù)可調(diào)的磁流變減振器等。尤其是以磁流變可控流體器件的半主動懸架系統(tǒng),它具有結(jié)構(gòu)簡單、耗能低、反應(yīng)迅速等特點,具有較為廣闊的應(yīng)用前景。（2）充分運用現(xiàn)代控制理論及相關(guān)學(xué)科的技術(shù),處理好懸架系統(tǒng)的非線形控制問題,研制高效能、低成本的控制器。（3）目前主動懸架系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性也難以保證,因此簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、提高可靠性和適應(yīng)性也是重要的研究方向。

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Study on the Type and Method of Automobile Suspension Control System

LI Jing

(School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan Hubei 430070, China)

This paper summarizes the basic types and characteristics of automobile suspension control system, focuses on the semi-active control and active control of several commonly used control methods of suspension system.And it puts forward some suggestions for the future development direction of automobile suspension control system.

automobile; Suspension; Active Control; Semi-Active Control

U463.33

A

2095－414X(2013)03－0052－05

李靖（1990-），男，碩士研究生，研究方向：汽車綠色可循環(huán)設(shè)計.