談汽車懸架控制系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài)與展望

陳喜亮 李華儒

摘 要：綜述汽車懸架控制系統(tǒng)的基本類型，半主動(dòng)控制和主動(dòng)控制的控制策略。由于智能阻尼裝置具有機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)范圍大，能耗低等特點(diǎn)，是一種非常有前途的半主動(dòng)減振裝置。介紹電流變液體及磁流變液體和裝置的主要特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn)，并給出智能阻尼器的模型。著重論述幾種控制方法在汽車懸架控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，探討今后的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：汽車懸架;半主動(dòng)控制;主動(dòng)控制;非線性控制;智能阻尼裝置

1 引言

懸架是現(xiàn)代汽車的重要總成之一，它對(duì)汽車的平順性、穩(wěn)定性和通過性均有很大影響。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架一般由具有固定參數(shù)的彈性元件和阻尼元件組成，被設(shè)計(jì)為適應(yīng)某一種路面，這就限制了汽車性能的進(jìn)一步提高。自上世紀(jì)70年代以來(lái)，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家開始研究基于控制技術(shù)的主動(dòng)/半主動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)，其研究進(jìn)展和開發(fā)應(yīng)用與機(jī)械動(dòng)力學(xué)、流體傳動(dòng)與控制、測(cè)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、材料科學(xué)、非線性力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的發(fā)展緊密相關(guān)。這些學(xué)科的發(fā)展為懸架系統(tǒng)從被動(dòng)隔振發(fā)展為主動(dòng)控制奠定了基礎(chǔ)。尤其在智能控制技術(shù)及智能材料科學(xué)取得引人矚目進(jìn)展的同時(shí)，已開始應(yīng)用到汽車懸架控制系統(tǒng)，使得汽車懸架控制系統(tǒng)的研究不僅在理論上和方法上取得顯著進(jìn)步，而且也出現(xiàn)了工程實(shí)際應(yīng)用的可能。

2 汽車懸架控制系統(tǒng)的控制方法

汽車懸架控制系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，基于模型的線性控制策略受到很大的限制。目前應(yīng)用于汽車懸架控制系統(tǒng)的控制方法主要有現(xiàn)代控制方法（如自適應(yīng)控制方法、預(yù)見控制方法、最優(yōu)控制方法及魯棒控制方法）和智能控制方法（如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制）以及各種控制方法的復(fù)合。

2.1 自適應(yīng)控制方法

汽車懸架控制系統(tǒng)是含有許多不確定因素的非線性動(dòng)力系統(tǒng)，難以用傳統(tǒng)控制方法達(dá)到預(yù)定的性能要求。應(yīng)用于汽車懸架控制系統(tǒng)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(duì)象參數(shù)再線識(shí)別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法，把非線性自校正控制應(yīng)用于非線性車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)，能適應(yīng)懸架載荷和懸架元件特性的變化，自動(dòng)調(diào)整主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制器來(lái)降低系統(tǒng)的振動(dòng)。模型參考自適應(yīng)控制的原理是當(dāng)外界激勵(lì)條件和汽車自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，被動(dòng)汽車的振動(dòng)輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ?，把非線性“滑模”控制規(guī)則應(yīng)用于電液懸架系統(tǒng)，控制器依賴精確的懸架系統(tǒng)模型，采用自適應(yīng)控制的車輛懸架阻尼減振系統(tǒng)改善汽車的行駛性能，在德國(guó)大眾汽車公司的底盤上得到了應(yīng)用。自適應(yīng)控制與自校正控制方法的基本出發(fā)點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前輸入的相關(guān)信息，從預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)的參數(shù)中選取當(dāng)前最合適的控制參數(shù)。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵的選擇能準(zhǔn)確、可靠地反映輸入變化的參考變量。只要參數(shù)選擇適當(dāng)，控制器即可快速、方便地改變控制參數(shù)，以適應(yīng)當(dāng)前輸入的變化。國(guó)內(nèi)學(xué)者采用自適應(yīng)控制與自校正控制方法對(duì)汽車懸架進(jìn)行的研究。

2.2 最優(yōu)控制方法

應(yīng)用于汽車懸架控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法可分為線性最優(yōu)控制、最優(yōu)預(yù)見控制兩種。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(duì)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(biāo)，同時(shí)保證受控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。把O（1inearquadratic線性二次型）調(diào)節(jié)器控制理論和tOG（1inearquadraticgaussian線性二次高斯型）控制理論應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制]。H控制是設(shè)計(jì)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(duì)于噪聲干擾的輸出取極小的一種最優(yōu)控制方法。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)用控制方法可實(shí)現(xiàn)汽車懸架振動(dòng)控制具有較強(qiáng)的魯棒性。最優(yōu)預(yù)見控制是利用汽車車輪的擾動(dòng)信息預(yù)估路面的干擾輸人，預(yù)見控制的策略就是把所測(cè)量的狀態(tài)變量反饋給前、后控制器實(shí)施最優(yōu)控制。由于實(shí)際的車輛系統(tǒng)往往是時(shí)變的非線性系統(tǒng)，從而使實(shí)際系統(tǒng)達(dá)不到運(yùn)用最優(yōu)控制理論所預(yù)期的性能。因此有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行魯棒性分析，即在各種模型誤差及不確定擾動(dòng)的情況下，研究系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性問題。

3 研究趨勢(shì)

汽車懸架控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)是車輛動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域的國(guó)際性前沿課題，近年來(lái)，隨著相關(guān)學(xué)科和高新技術(shù)的迅猛發(fā)展，使得研究實(shí)用的半主動(dòng)和主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)已進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段，主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)由于其造價(jià)昂貴，需要額外的控制功率等原因，目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階段。今后的研究目標(biāo)是研究和開發(fā)控制有效、耗能低、成本低廉的汽車懸架控制系統(tǒng)，為此，必須解決一些基礎(chǔ)性的理論研究問題和實(shí)際應(yīng)用的技術(shù)問題。