汽車磁流變智能阻尼懸架系統(tǒng)的半主動(dòng)控制研究

劉云云

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們生活水平極大提高，汽車已經(jīng)成為人們基本的代步工具，人們對(duì)于汽車安全性提出了更高的要求，懸架是汽車性能的關(guān)鍵部分，根據(jù)路面情況跟運(yùn)行狀態(tài)，改善控制的智能懸架來提高汽車安全性。為了改善汽車的舒適和安全行駛，提出汽車磁流半主動(dòng)懸架控制方案，設(shè)計(jì)磁流減振器工作模式，改善力學(xué)特征，建立磁流變減振器模型，建立帶磁流變展器模型，參數(shù)表基于控制理論，設(shè)置新型控制理論，以磁流變檢測(cè)，變減震器改善控制技術(shù)，使懸架系統(tǒng)振動(dòng)性能得到了很好的控制。

關(guān)鍵詞：汽車;阻尼器;汽車磁流;懸架系統(tǒng);現(xiàn)狀分析

中圖分類號(hào)：U463? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0006-02

0? 引言

隨著汽車設(shè)計(jì)水平快速增長，已成為最基本的交通工具，汽車逐漸成為國家發(fā)展經(jīng)濟(jì)的一大支柱，也促進(jìn)了社會(huì)的不斷進(jìn)步，懸架作為汽車的主要部分，對(duì)汽車平穩(wěn)起著關(guān)鍵作用，懸架可以分為被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架。被動(dòng)懸架與主動(dòng)懸架的交互設(shè)計(jì)研究，受到了多方的重視，逐漸被應(yīng)用在現(xiàn)在車輛上，對(duì)于主動(dòng)懸架，被動(dòng)懸架的力學(xué)性能跟控制效果雖然比較接近，但是雙方造價(jià)成本都比較低。主懸架造價(jià)成本較低，耗能小，適合推廣，符合現(xiàn)代發(fā)展前景，運(yùn)用相關(guān)控制理論，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)來提高汽車自動(dòng)控制系統(tǒng)的適應(yīng)性、穩(wěn)定性及行駛安全等，最后以提高舒適性為根本目的。目前，半主動(dòng)懸架技術(shù)研究主要集中于磁流變化開發(fā)、磁流變減振器研制等中央集成系統(tǒng)的開發(fā)等。

1? 國內(nèi)外磁流理論研究現(xiàn)狀

1.1 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

為了提高汽車的舒適性，國外很早之前就提出半主動(dòng)懸架這一方式，在1970年，美國加州教授提出半主動(dòng)懸架理論思想，可用剛度調(diào)節(jié)或彈簧阻尼調(diào)節(jié)減震器來實(shí)現(xiàn)懸架，根據(jù)汽車彈簧質(zhì)量，鎮(zhèn)減速度作為反饋信號(hào)，按照控制算法規(guī)律來控制彈簧剛度，達(dá)到懸架阻尼減震狀態(tài)。1980年，日本又提出三種減震狀態(tài)開關(guān)，作用于半主動(dòng)懸架系統(tǒng)，根據(jù)得到反饋信號(hào)，以開關(guān)調(diào)節(jié)內(nèi)阻，利用阻尼可變阻尼器的特性來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)減震，這種控制方法成本較低，減震性更能好，非常接近主動(dòng)懸架系統(tǒng)性能，在汽車領(lǐng)域發(fā)展非常廣泛。而在我國很多高校進(jìn)行了半主動(dòng)懸架相關(guān)研究，提出了LQJ策略方案，以優(yōu)質(zhì)算法運(yùn)用半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。后續(xù)又提出離散型控制系統(tǒng)，駕駛員可以運(yùn)用手動(dòng)擋或自動(dòng)擋來控制減震器。其中，根據(jù)磁流變阻尼器研究提出，懸架系統(tǒng)可以成功在汽車檢測(cè)達(dá)標(biāo)，這是對(duì)基本磁流變阻尼半主動(dòng)懸架發(fā)展的基本原理。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制線等智能控制方式是運(yùn)用于半主動(dòng)懸架系統(tǒng)，由于時(shí)限要求較高，并不完善，很多研究只停留在理論分析階段，汽車適應(yīng)不同路況，行駛的條件具有很大的局限性，針對(duì)磁流變阻尼器半主動(dòng)懸架需要很大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行推測(cè)，我們必須克服困難，為我國半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)做出貢獻(xiàn)。

1.2 磁流變液技術(shù)研究

磁流變液技術(shù)包括顆粒性與積液，瓷硫顆粒通常具有高導(dǎo)磁性積液，具有較低粘性和較高工作溫度，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，具有高抗磁穿特性。沒有外部磁場(chǎng)時(shí)，磁流變液中磁鐵顆粒非常隨機(jī)，磁流液形態(tài)為流動(dòng)液體，只需較小力即可使其流動(dòng)，在磁場(chǎng)作用后，鐵磁顆粒會(huì)沿著磁感線方向規(guī)律流動(dòng)，隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度逐漸增大。磁鐵顆粒沿磁場(chǎng)方向排列越來密切，液體逐漸變?yōu)榘牍腆w，需要提供更大的力才能使其流動(dòng)，這種變化會(huì)在瞬間完成，而且可逆，這種磁場(chǎng)變化成為影響磁流變液的變化效應(yīng)。在20世紀(jì)90年代的時(shí)候，國內(nèi)學(xué)者也逐漸開始了磁流變液技術(shù)研究，我國在磁流變液制備性能測(cè)試等力學(xué)機(jī)理方面取得了很大的成果，在國家儀表研究中心制備磁流變液及檢測(cè)技術(shù)方面有較高水平。

1.3 磁流變阻尼器研究現(xiàn)狀

磁流變阻尼器研究可采用磁流變液制成新型磁流變阻尼器來實(shí)現(xiàn)系數(shù)及連續(xù)調(diào)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)體積小性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在工程領(lǐng)域帶來了新的突破，目前在基建車輛等多方領(lǐng)域均有運(yùn)用。尤其是在汽車行業(yè)，半主動(dòng)懸架已在高端車型中逐漸普及開來。電阻尼控制器是一項(xiàng)非常難的領(lǐng)域，必須要求設(shè)計(jì)精準(zhǔn)，控制方式準(zhǔn)確來保證輸出具有良好的減震效果，相比制造領(lǐng)域迅速發(fā)展，控制器研究較少，主要集中在開環(huán)控制器方面。磁流變阻尼器的開環(huán)控制通常采用MSD模式控制器對(duì)其進(jìn)行控制，這種控制效果非常好，影響反應(yīng)速度快，尤其是精密程度非常依賴模型精準(zhǔn)性與簡(jiǎn)潔性，同時(shí)保持精準(zhǔn)性高的模型往往復(fù)雜，需要對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，而簡(jiǎn)化后的模型喪失了原有的精準(zhǔn)性，控制器的精度也無法達(dá)到要求，近年來有學(xué)者提出采用精神網(wǎng)絡(luò)控制器，但是智能運(yùn)算法需要處理器性能較高，模糊控制算法與其他相比比較簡(jiǎn)單，所以通常采用mer的智能控制法。后期要提出線性反饋控制方法，采用一模型作為補(bǔ)償器的控制對(duì)象，可以改善閉環(huán)控制的精度及噪音問題。

2? 懸架及汽車建模

2.1 懸架結(jié)構(gòu)與分類

懸架作為汽車上最重要的部件與車軸和車身相互連接，主要提供的傳遞作用來保證車架與車輪之間的力與例句，緩解行駛過程中外界帶傳給車架的沖擊，在和減小振動(dòng)，保證汽車平穩(wěn)行駛，使汽車具有較高的舒適性。那汽車的懸架結(jié)構(gòu)一般由減震器跟彈簧元件導(dǎo)向結(jié)構(gòu)組成，減震器也通常被稱為緩震器，以改善阻尼器大小來控制振動(dòng)，使汽車達(dá)到最好的減震狀態(tài)，彈簧能保證汽車內(nèi)做有非常高的舒適性，可以很好的吸收或釋放能量穩(wěn)定桿，與汽車減震器配合，提供穩(wěn)定性。根據(jù)懸架裝置的不同，可將懸架結(jié)構(gòu)分為獨(dú)立系統(tǒng)跟非獨(dú)立系統(tǒng)，非獨(dú)立懸架系統(tǒng)是由車輪的剛性軸車輪單位安裝在整體車架上，是在獨(dú)立系統(tǒng)中，車輪則相對(duì)獨(dú)立，與車架沒有相互連接。根據(jù)懸架系統(tǒng)的阻尼是否滿足汽車行駛狀態(tài)，懸架系統(tǒng)可分為被動(dòng)懸架主動(dòng)懸架，在被動(dòng)懸架系統(tǒng)中，懸架系統(tǒng)的剛度和阻尼必須按照規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，是固定不變的，而在汽車行駛狀態(tài)下無法對(duì)其進(jìn)行控制，極大地降低了減震效果，而半主動(dòng)懸架是阻尼可調(diào)空的，可以吸收儲(chǔ)存能量，主動(dòng)懸架采用可控原件組成，根據(jù)汽車的行駛狀態(tài)跟路況進(jìn)行時(shí)刻調(diào)整，保證汽車懸架達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

2.2 半主動(dòng)懸架控制策略

半主動(dòng)懸架控制策略分為經(jīng)典控制策略、現(xiàn)在控制策略和智能控制策略。半主動(dòng)控制策略第一種是經(jīng)典控制策略，主要包括天棚阻尼控制，是最具有代表性的經(jīng)典控制策略，其控制思想通過虛擬空間進(jìn)行彈簧載荷之間安裝阻尼器來調(diào)整彈簧質(zhì)量振動(dòng)。該阻尼器就稱為天棚阻尼器，是天棚阻尼控制策略的形變，根據(jù)車輛狀態(tài)控制電流來保證車的正常運(yùn)行，提高車運(yùn)行平順性，但是無法改變操控系數(shù)，盡管控制策略效果有限，但方便實(shí)現(xiàn)可靠性比較高，相對(duì)于其他控制相結(jié)合，可以很好的減震，因此，經(jīng)典控制策略，在半主動(dòng)懸架控制領(lǐng)域占有重大地位。第二種是現(xiàn)代控制策略，半主動(dòng)懸架中的現(xiàn)代控制策略，包括自動(dòng)適應(yīng)控制等，其中二次型最優(yōu)控制作為性能控制指標(biāo)應(yīng)對(duì)調(diào)節(jié)器，實(shí)現(xiàn)指標(biāo)調(diào)節(jié)最優(yōu)化，車輛須按系統(tǒng)控制，通常有三到四個(gè)線形控制，二次型最優(yōu)化，即隨機(jī)多量控制，在多目標(biāo)控制方面具有非常突出的效果，但受到模型參數(shù)的影響比較大，車輛懸架系統(tǒng)作為參數(shù)非線性系統(tǒng)，常規(guī)策略很難達(dá)到預(yù)計(jì)效果，自動(dòng)實(shí)行策略，根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)及時(shí)變化調(diào)整，能在很大程度上改善系統(tǒng)參數(shù)帶來的影響。第三種是智能控制策略，模糊控制是最常見的智能控制策略，它通過模仿人類規(guī)則來根據(jù)信號(hào)輸入輸出，將人類控制應(yīng)用于智能懸架系統(tǒng)，仿真實(shí)驗(yàn)車身的垂向振動(dòng)與俯仰振動(dòng)都有較好的防護(hù)效果，根據(jù)車身實(shí)時(shí)振動(dòng)修改，控制器雖然模糊控制效果比較好，但是穩(wěn)定性能比較差，一輛車型模型在一定范圍內(nèi)有它相對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)效果，超出這些范圍，模糊控制效果無法實(shí)現(xiàn)，半主動(dòng)懸架控制策略種類非常多，各種方法也都有自己的優(yōu)勢(shì)，往往運(yùn)用兩種及兩種以上控制策略相互互補(bǔ)，因此，復(fù)合控制是車輛懸架控制系統(tǒng)中主要研究方向。

2.3 研究存在的不足

磁流液變技術(shù)及磁流變阻尼器的發(fā)展以來，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多設(shè)計(jì)測(cè)試，在懸架系統(tǒng)，控制理論方面都取得了很大的進(jìn)展，然而控制模擬器及半主動(dòng)懸架策略方面存在的很多問題，首先在研究過程中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建立M2D模型，因此要保證數(shù)據(jù)必須精準(zhǔn)，數(shù)學(xué)模型的選擇非常重要，而現(xiàn)有的各種MSD模型在精準(zhǔn)簡(jiǎn)潔上存在著很大的矛盾，其次，在研究過程中常常采用開環(huán)控制方案對(duì)Led進(jìn)行開環(huán)控制，雖然在仿真過程中有很高的精準(zhǔn)性，但無法消除其誤差，使用能力非常差，閉環(huán)理論控制系統(tǒng)的能力受非線性影響。使控制穩(wěn)定性很差，因此MSD控制系統(tǒng)也是目前研究的問題之一，在控制理論也存在很多分支，可以應(yīng)用于半主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制，但實(shí)際過程中人員傾向于簡(jiǎn)單算法，懸架系統(tǒng)控制屬于多目標(biāo)，選擇性控制經(jīng)典策略控制，往往指的是單目標(biāo)控制效果較差，因此在經(jīng)典控制策略上進(jìn)行改進(jìn)，提高均衡能力具有重要意義，為此保證車輛舒適性，被動(dòng)懸架系統(tǒng)中的減震器與拉伸阻尼通常會(huì)產(chǎn)生很大的壓縮阻尼系數(shù)，在半主動(dòng)懸架系統(tǒng)中，這一問題很少被改善，因此，必須對(duì)產(chǎn)生的非對(duì)稱阻尼力半主動(dòng)懸架控制算法進(jìn)行更深層次的研究來改善這些問題。

3? 結(jié)語

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)汽車舒適度要求也越來越高，汽車舒適度與汽車行駛平穩(wěn)相關(guān)，互相有關(guān)聯(lián)，而汽車平穩(wěn)、平順行駛與全駕駛系統(tǒng)有著相當(dāng)密切的關(guān)聯(lián)，懸架作為汽車最重要組成部分也是現(xiàn)在的研究重點(diǎn)，基于磁流變阻尼器半主動(dòng)懸架系統(tǒng)可以很好的改善被動(dòng)懸架在操控穩(wěn)定性與舒適性之間上的矛盾，并具有耗能小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、防震等優(yōu)點(diǎn)，半主動(dòng)懸架作為汽車懸架應(yīng)用較為廣泛，因此，汽車懸架的主要研究都集中在磁流變阻尼器的半主動(dòng)控制懸架上。雖然磁流變阻尼器的半主動(dòng)控制懸架與車模型對(duì)整體車身減震效果較好，但是對(duì)于不同路面的綜合要求，基于磁流變阻尼器的半控制系統(tǒng)，懸架汽車模型濕度較高，減震效果也較好，其中應(yīng)用阻尼力可調(diào)范圍較大的磁流變阻尼器的半主動(dòng)控制懸架對(duì)車身模型減震作用，可以進(jìn)行較好的改善，磁流變阻尼器的半主動(dòng)控制對(duì)不同車型懸架控制系統(tǒng)影響效果不一樣，因此，一定要特定汽車懸架制作相對(duì)應(yīng)的變阻尼器來保證汽車乘坐舒適性。

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