汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制技術(shù)探析

摘要：懸架系統(tǒng)作為汽車底盤的主要組成部分，它的性能直接影響到車輛的平順性及操作穩(wěn)定性。本文對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)不同的控制技術(shù)進(jìn)行了整理，而各種不同的控制技術(shù)并不獨(dú)立，各自之間有一定的關(guān)聯(lián)。目前懸架系統(tǒng)由原來(lái)的被動(dòng)懸架技術(shù)向主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)移，本文為研究主動(dòng)懸架系統(tǒng)的人員提供一定的參考。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)懸架系統(tǒng);控制技術(shù);應(yīng)用

0 ?引言

人類文明的進(jìn)步促使著人類對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高。對(duì)于中國(guó)制造而言，也提出了進(jìn)一步的要求，由之前可簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)功能轉(zhuǎn)為更精確的、更智能的實(shí)現(xiàn)該功能。繼2007年開(kāi)始以來(lái)，中國(guó)的年汽車銷售量及全國(guó)汽車擁有量變?yōu)槿虻谝唬谶@樣一個(gè)龐大數(shù)量的影響下，也對(duì)該行業(yè)提出了更高的性能質(zhì)量要求，其中的影響指標(biāo)有平順性、舒適性等，而為了提高這些性能指標(biāo)，我們?cè)趹壹芟到y(tǒng)中應(yīng)用了一些電控技術(shù)。

對(duì)于懸架系統(tǒng)，通過(guò)專家們的理論分析、模擬仿真、工況測(cè)試等理論結(jié)合實(shí)際的方法，懸架系統(tǒng)逐漸的從純機(jī)械控制到電控再到人工智能?，F(xiàn)在我國(guó)電控懸架系統(tǒng)即主動(dòng)懸架系統(tǒng)的技術(shù)越來(lái)越成熟，那么下邊我們對(duì)主動(dòng)懸架系統(tǒng)中所涉及到的技術(shù)及應(yīng)用做出淺談。

1 ?汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)的分析

車輛穩(wěn)定性及平順性難以在傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架系統(tǒng)中達(dá)到一種最佳狀態(tài)，而主動(dòng)懸架系統(tǒng)可相對(duì)達(dá)到這一最佳狀態(tài)。主動(dòng)懸架系統(tǒng)中包含了傳感器、電子控制單元及執(zhí)行器。傳感器可以將車速及車身高度以電信號(hào)的形式傳回電子控制單元，通過(guò)電子控制單元的邏輯分析（依據(jù)控制算法理論）讓相關(guān)執(zhí)行器去進(jìn)行工作以達(dá)到最佳的運(yùn)行狀況，主動(dòng)懸架系統(tǒng)可以根據(jù)不同的工況去進(jìn)行實(shí)時(shí)的、精確的控制阻尼力及彈簧剛度，從而保證運(yùn)行過(guò)程中的平順性及操作穩(wěn)定性。主動(dòng)懸架系統(tǒng)一般只運(yùn)用在較高檔的汽車中，常采用空氣彈簧（通過(guò)在橡膠氣囊彈性元件中充、放不同量的空氣來(lái)改變?cè)撛膭偠龋?/p>

市面上較為便宜的車中常采用被動(dòng)懸架技術(shù)，這種線性控制技術(shù)，主要由剛性彈簧和液壓減振器組成，剛性彈簧主要起連接和導(dǎo)向作用，振動(dòng)能量主要由液壓減振器中液壓油流過(guò)閥芯所產(chǎn)的阻尼力來(lái)吸收掉。該技術(shù)相對(duì)比較成熟，造價(jià)較低;弊端就是相關(guān)參數(shù)一旦確定之后無(wú)法改變，在大部分工況中無(wú)法同時(shí)滿足平順性及操縱性要求，直接影響車輛運(yùn)行的整體性能。

由于主動(dòng)懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，并且其消極懸架系統(tǒng)滿足不了所有工況的要求，所以在一些客車上常采用半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有比較好的靈活性，其主要通過(guò)彈簧壓縮量來(lái)測(cè)算車速，最終來(lái)選擇合適的剛度值及最優(yōu)阻尼力，其結(jié)構(gòu)組成和被動(dòng)懸架系統(tǒng)一致，只是減振器的閥芯口徑可以改變，通過(guò)其改變來(lái)控制阻尼力的大小，完成最優(yōu)控制。

根據(jù)所了解的文獻(xiàn)中得知，雖說(shuō)輪胎的垂向阻尼特性在絕大多數(shù)工況下對(duì)輪胎的垂直剛度影響很小，但在汽車極限的特殊工況下還是有一定的研究?jī)r(jià)值。一些專家提出了輪胎阻尼特性影響簧上質(zhì)量，在理想工況下可以將簧上質(zhì)量的垂直加速度值降低約百分之三十。而汽車懸架系統(tǒng)是主要影響汽車平順性、穩(wěn)定性及舒適性的結(jié)構(gòu)。懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞會(huì)影響到懸架動(dòng)變形量、車體垂直加速度及輪胎動(dòng)載荷。大量的文獻(xiàn)表明主動(dòng)懸架系統(tǒng)能減小車輛的垂向振幅、具有更小的功率譜密度從而實(shí)現(xiàn)更好的運(yùn)行平順性及操作穩(wěn)定性。

關(guān)于主動(dòng)懸架系統(tǒng)的理論性研究是從1/4一自由度建模逐漸到整車七自由度建模，雖說(shuō)1/4一自由度建模具有很大的局限性，但由于其簡(jiǎn)單，故而在設(shè)計(jì)一些新的懸架系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。建模如圖1所示。

2 ?控制算法在汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)的應(yīng)用

汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)中包含有電子控制單元，而它是要通過(guò)傳感器實(shí)時(shí)感知并傳送車輛運(yùn)行的實(shí)際工況，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及相關(guān)運(yùn)算，這種運(yùn)算就是依據(jù)于文中提到的控制算法，該控制算法包含了自適應(yīng)與自校正控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)見(jiàn)控制、隨機(jī)線性最優(yōu)控制、魯棒控制。也就是運(yùn)用不同的控制規(guī)律和模型所對(duì)應(yīng)出來(lái)不同的懸架特性，從而選出對(duì)整車平順性及操作穩(wěn)定性最優(yōu)的一種。

2.1 隨機(jī)線性最優(yōu)控制 ?隨機(jī)線性最優(yōu)控制是由于路面對(duì)車輪的激勵(lì)是一隨機(jī)過(guò)程，他的理論依據(jù)就是線性二次高斯控制，由于其不必知道要求的性能參數(shù)去明確閉環(huán)極點(diǎn)所處位置，可以通過(guò)響應(yīng)曲線得知最佳狀態(tài)及控制變量的相關(guān)數(shù)學(xué)模型，得出輸出參數(shù)，故而大多采用在控制策略的設(shè)計(jì)當(dāng)中。該數(shù)學(xué)模型的建模一般是依據(jù)于工作經(jīng)驗(yàn)所得，由于輸入?yún)?shù)的種類比較多，所以也對(duì)技術(shù)管理人員提出了更高的要求，要求其對(duì)輸入?yún)?shù)進(jìn)行解析，最終實(shí)現(xiàn)減振效果的提升。在達(dá)到最優(yōu)控制之后，還應(yīng)該及時(shí)地對(duì)該系統(tǒng)的反饋進(jìn)行收集并作出進(jìn)一步優(yōu)化升級(jí)，進(jìn)一步去完善該系統(tǒng)的性能。

2.2 模糊控制 ?隨機(jī)線性最優(yōu)控制是依據(jù)于經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行建模，該模型較為復(fù)雜，控制效果不是很理想，而模糊控制不需要建立太精確的模型，所以也減小了建模時(shí)所產(chǎn)生的誤差，把多個(gè)變量參數(shù)進(jìn)行了范圍規(guī)定，所以應(yīng)用該控制技術(shù)可以減少電子控制單元的存儲(chǔ)空間，費(fèi)用降低。該系統(tǒng)可以提高響應(yīng)效率，使得控制更加高效，但控制不是很精確。文獻(xiàn)中查得使用該控制技術(shù)，即使車輛運(yùn)行在極為不平整路面時(shí)，懸架的可靠性較好，同時(shí)執(zhí)行器也在可靠地工作范圍內(nèi)。所以該控制技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中廣泛采用，同時(shí)有利于人工智的優(yōu)化。

2.3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 ?該控制技術(shù)在人工智能時(shí)代逐漸引起人們的重視，該技術(shù)是一種具有并行分布式特點(diǎn)的處理系統(tǒng)，可以像人類一樣進(jìn)行分析處理問(wèn)題，它可以獨(dú)立的通過(guò)傳感器進(jìn)行知識(shí)的獲取，分析這些知識(shí)有無(wú)關(guān)聯(lián)性，把具有關(guān)聯(lián)性的知識(shí)進(jìn)行存儲(chǔ)記憶，故而他有良好的自適應(yīng)性、容錯(cuò)性及推理能力。該電子控制單元通過(guò)一次次的學(xué)習(xí)可以提高該單元的推理分析能力，從而使得主動(dòng)懸架系統(tǒng)的控制越來(lái)越趨于期望值。該技術(shù)有著很優(yōu)越的減振效果，也有著很大的發(fā)展空間，廠家技術(shù)人員通過(guò)對(duì)行駛工況進(jìn)行數(shù)據(jù)積累及分析，極力地提高該技術(shù)的控制優(yōu)越性，使該技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用。

2.4 自適應(yīng)與自校正控制 ?自適應(yīng)與自校正控制技術(shù)是將傳感器搜集到的信息傳輸?shù)诫娮涌刂茊卧?，然后與寄存器中存儲(chǔ)的參數(shù)中選擇與當(dāng)前傳輸進(jìn)來(lái)最接近的參數(shù)，然后對(duì)執(zhí)行器進(jìn)行控制。正常情況下，該技術(shù)可依據(jù)不同的輸入?yún)?shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整及控制，但在較復(fù)雜工況時(shí)，該技術(shù)控制精度不高，運(yùn)算較為復(fù)雜，而為實(shí)現(xiàn)較為精確地控制，寄存器中存儲(chǔ)信息量較為龐大。而輸入的參數(shù)受路面激勵(lì)及車輛自身參數(shù)變化的影響，所以輸入?yún)?shù)不能及時(shí)、精確地輸入，故而在實(shí)際復(fù)雜的工況下，該控制技術(shù)下的電子控制單元的控制精度及響應(yīng)性會(huì)極大地降低。

2.5 預(yù)見(jiàn)控制 ?該控制技術(shù)是采用超聲波傳感器提前獲知運(yùn)行前方路面譜信息，由于電控單元提前獲知路面參數(shù)，就可以提前進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，提前響應(yīng)，也能提高控制精度，該控制技術(shù)在汽車上沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，但在列車系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)用，效果也較為顯著。

2.6 魯棒控制 ?該控制技術(shù)是對(duì)上述控制方法所存在的缺陷如數(shù)學(xué)模型誤差、輸入?yún)?shù)實(shí)時(shí)變化等進(jìn)行改進(jìn)，是對(duì)控制系統(tǒng)保證閉環(huán)回路穩(wěn)定的條件下對(duì)其不確定性進(jìn)行優(yōu)化處理，文獻(xiàn)中也提到了，無(wú)論是1/4一自由度模型還是整車七自由度模型在采用魯棒控制技術(shù)之后都提高了輸入?yún)?shù)的精度從而完成執(zhí)行器的精確控制。

3 ?結(jié)束語(yǔ)

汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)依然很多，實(shí)現(xiàn)人工智能的路程還很遠(yuǎn)，需要大量的路試數(shù)據(jù)的積累，同時(shí)還受制造成本的約束。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，主動(dòng)懸架系統(tǒng)需要在傳感器技術(shù)、電子控制單元技術(shù)及智能執(zhí)行器之間進(jìn)行完美的結(jié)合才能更好地實(shí)現(xiàn)車輛平順性及穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

[1]Hrovat D.Survey of advanced suspension developments and related optimal control applications[J].Automatica， 1997，33 （10）： 1781-1817.

[2]趙永強(qiáng)，何長(zhǎng)安.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制的主動(dòng)懸掛系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)仿真，2003，20（1）.

[3]陳鑫，蘭鳳崇，陳吉清，等.微型電動(dòng)汽車懸架系統(tǒng)設(shè)計(jì)與平順性分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2018，32（8）：24-31.

[4]桑楠，魏民祥.車輛主動(dòng)前輪轉(zhuǎn)向與主動(dòng)懸架的自抗擾控制方法[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，41（2）：165-172.

[5]王紅，邱官升.汽車電控懸架系統(tǒng)檢修關(guān)鍵技術(shù)研究[J].技術(shù)交流，2019，35（6）：153-155.

[6]來(lái)飛，胡博.汽車主動(dòng)懸架技術(shù)的研究現(xiàn)狀[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，43（4）：519-526.

[7]黃鎮(zhèn)財(cái).汽車懸架系統(tǒng)電控減振技術(shù)應(yīng)用探析[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019，19：38-39.

[8]陳鵬.汽車懸架系統(tǒng)電控減振技術(shù)及應(yīng)用[J].時(shí)代汽車，2018，296（05）：119-120.

[9]劉海妹，倪彰，貝紹軼，等.電動(dòng)汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)阻尼可調(diào)減振器設(shè)計(jì)及固有頻率試驗(yàn)[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，39（10）：147-154.

[10]王瑩.汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)及其魯棒控制研究[J].廣東工業(yè)大學(xué)，2005.

基金項(xiàng)目：天地科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)資金專項(xiàng)（2018-TD-QN035）。

作者簡(jiǎn)介：孟源（1988-），男，山西太原人，碩士研究生，講師，2014年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，長(zhǎng)期從事車輛底盤等方面的教學(xué)及科研工作。