汽車(chē)懸架控制技術(shù)的概述

1、 汽車(chē)懸架控制技術(shù)的概述 關(guān)鍵詞：車(chē)輛懸架 控制方法 摘要：對(duì)車(chē)輛懸架及其控制系統(tǒng)進(jìn)行了較為全面的敘述，介紹了車(chē)輛懸架的類(lèi)型與工作原理，著重對(duì)以現(xiàn)代控制理論為核心的車(chē)輛懸架控制方法予以比較和分析并作出相應(yīng)的評(píng)價(jià)，對(duì)車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)的發(fā)展方向和應(yīng)用進(jìn)行了研究，為深入研究車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)提供有力的保證。 懸架系統(tǒng)是車(chē)輛的一個(gè)重要組成部分。車(chē)輛懸架性能是影響車(chē)輛行駛平順性、操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重要因素。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，限制了車(chē)輛性能的進(jìn)一步提高。20世紀(jì)70年代工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始研究基于振動(dòng)主動(dòng)控制的主動(dòng)、半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。 近年來(lái)

2、電子技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、機(jī)械動(dòng)力學(xué)等學(xué)科的快速發(fā)展，使車(chē)輛懸架系統(tǒng)由傳統(tǒng)被動(dòng)隔振發(fā)展到振動(dòng)主動(dòng)控制。特別是信息科學(xué)中對(duì)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的研究，不僅使懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下更趨完善，同時(shí)已開(kāi)始應(yīng)用于車(chē)輛懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制，使懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)得以快速發(fā)展。隨著車(chē)輛結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進(jìn)和完善，研究車(chē)輛振動(dòng)，設(shè)計(jì)新型懸架系統(tǒng)，將振動(dòng)控制到最低水平是提高現(xiàn)代車(chē)輛質(zhì)量的重要措施。1 懸架系統(tǒng)的類(lèi)型與工作原理 根據(jù)現(xiàn)代車(chē)輛對(duì)懸架提出的各種性能要求，懸架的結(jié)構(gòu)形式和振動(dòng)控制方法隨時(shí)在更新和完善。懸架的結(jié)構(gòu)形式很多，分類(lèi)方法也不盡相同。按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式，可分為獨(dú)立

3、懸架和非獨(dú)立懸架兩大類(lèi)。按控制力則可分為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架三種基本類(lèi)型。1.1 被動(dòng)懸架 一般的車(chē)輛絕大多數(shù)裝有由彈簧和減振器組成的機(jī)械式懸架。其中，彈簧主要用來(lái)支承簧上質(zhì)量的靜載荷，而減振器主要用于控制響應(yīng)特性。這種懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)一般是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇的，一旦確定，在車(chē)輛行駛過(guò)程中就無(wú)法隨外部狀態(tài)變化而改變。而對(duì)車(chē)輛懸架的要求：一是為提高轉(zhuǎn)彎、制動(dòng)等操縱過(guò)程的穩(wěn)定性，要求懸架應(yīng)具有高阻尼系數(shù)；二是為隔開(kāi)隨機(jī)路面不平對(duì)車(chē)輛的擾動(dòng)，提高乘坐舒適性，要求懸架應(yīng)具有低阻尼系數(shù)。被動(dòng)懸架由于參數(shù)不能任意選擇和調(diào)節(jié)，限制了其性能的進(jìn)一步提高，因此，減振性能很差。1.2

4、 半主動(dòng)懸架 半主動(dòng)懸架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(duì)車(chē)輪的速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)等反饋信號(hào)，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(dòng)懸架在產(chǎn)生力的方面近似于被動(dòng)懸架，但是其阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)是可變的。 通過(guò)改變彈簧剛度構(gòu)成的半主動(dòng)懸架由Hu-bbard等人于1976年提出，彈簧剛度的改變是通過(guò)切換空氣彈簧實(shí)現(xiàn)的。與機(jī)械彈簧相比，空氣彈簧存在更多的優(yōu)勢(shì)。因此國(guó)外早在20世紀(jì)80年代就已將空氣彈簧懸架應(yīng)用于各種車(chē)輛，與被動(dòng)懸架相比其減振效果好。1.3 主動(dòng)懸架 主動(dòng)控制懸架由彈性元件和一個(gè)力發(fā)生器組成。力發(fā)生器的作用在于改進(jìn)系統(tǒng)中能源的消耗并

5、供給系統(tǒng)以能量，該裝置的控制目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng)，而又無(wú)需對(duì)系統(tǒng)作出較大的變化。因此，只需使力發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正比于絕對(duì)速度負(fù)值的主動(dòng)力，即可實(shí)現(xiàn)該控制目標(biāo)。這種懸架的減振效果非常理想。 主動(dòng)懸架系統(tǒng)通常有兩種形式，即由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣式懸架和由電磁閥驅(qū)動(dòng)的油氣式懸架。日產(chǎn)和豐田公司的一些高級(jí)車(chē)上裝載的油氣式主動(dòng)懸架，由一個(gè)電液比例閥（針閥）和一個(gè)機(jī)械式壓力伺服滑閥構(gòu)成壓力控制閥。其工作原理是：當(dāng)路面激勵(lì)頻率較低時(shí)，由計(jì)算機(jī)對(duì)控制閥的線(xiàn)圈施加一定的電流使針閥打開(kāi)，在控制閥的出口處即產(chǎn)生一個(gè)與之成比例的輸出油壓，通過(guò)控制油壓缸內(nèi)的油壓以控制車(chē)輛的振動(dòng)；當(dāng)路面激勵(lì)頻率適中時(shí)，主要由滑閥的機(jī)械

6、反饋功能對(duì)油壓缸內(nèi)的油壓進(jìn)行伺服控制，從而進(jìn)行車(chē)體減振；當(dāng)激勵(lì)頻率較高時(shí)，則利用與油壓缸連通的氣體彈簧室吸收振動(dòng)能量而達(dá)到減振。目前，主動(dòng)懸架的商品化存在較大困難，一是硬件價(jià)格昂貴；二是能量消耗過(guò)大，僅用于排量較大的高檔車(chē)型。近年來(lái)，日產(chǎn)和豐田公司宣布在轎車(chē)上成功地應(yīng)用了液力主動(dòng)懸架，主要在高速賽車(chē)上進(jìn)行了試驗(yàn)，其彎道行駛橫向加速度可達(dá)到8g。因此，主動(dòng)懸架研究的主要任務(wù)之一是減少功率消耗、提高控制系統(tǒng)的集成化。2 車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)的控制方法 車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)是一個(gè)含有許多不確定因素的非線(xiàn)性的機(jī)、電、液一體化系統(tǒng)，基于模型的線(xiàn)性控制策略受到很大的限制，也即用傳統(tǒng)控制方法難以達(dá)到其預(yù)定的性能要求

7、。目前應(yīng)用于車(chē)輛懸架控制系統(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(jiàn)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)以及復(fù)合控制方法。2.1 自適應(yīng)控制方法 自適應(yīng)控制是針對(duì)具有一定不確定性的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。自適應(yīng)控制方法可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)變化，從而時(shí)刻保持系統(tǒng)的性能指標(biāo)為最優(yōu)。其基本出發(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)鍵是選擇能準(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。應(yīng)用于車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控

8、制和模型參考自適應(yīng)控制兩類(lèi)控制策略。自校正控制是一種將受控對(duì)象參數(shù)在線(xiàn)識(shí)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(dāng)外界激勵(lì)條件和車(chē)輛自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，被動(dòng)車(chē)輛的振動(dòng)輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ汀２捎米赃m應(yīng)控制的車(chē)輛懸架減振器在德國(guó)大眾汽車(chē)公司的汽車(chē)底盤(pán)上得到了應(yīng)用。合肥工業(yè)大學(xué)陳無(wú)畏等人將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于汽車(chē)半主動(dòng)控制懸架，在實(shí)車(chē)應(yīng)用過(guò)程中，振動(dòng)性能明顯優(yōu)于被動(dòng)懸架。2.2 預(yù)見(jiàn)控制方法 預(yù)見(jiàn)控制方法是利用車(chē)輛前輪的擾動(dòng)信息預(yù)估路面的干擾輸入，將測(cè)量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實(shí)施最優(yōu)控制。由于這種控制技術(shù)可以通過(guò)某種方法提前檢測(cè)到前方路面的狀態(tài)和變化，將使控

9、制系統(tǒng)有足夠的時(shí)間采取措施。因此，可大大降低系統(tǒng)的能耗，且改善系統(tǒng)的控制性能。根據(jù)預(yù)見(jiàn)信息的測(cè)量及利用方法不同，可構(gòu)成不同的預(yù)見(jiàn)控制系統(tǒng)，如對(duì)四輪進(jìn)行預(yù)見(jiàn)控制和利用前輪擾動(dòng)信息對(duì)后輪進(jìn)行預(yù)見(jiàn)控制。一個(gè)控制系統(tǒng)，如果在決定控制指令時(shí)，不僅考慮系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)，而且還對(duì)系統(tǒng)未來(lái)的目標(biāo)值或干擾予以考慮，這樣一種預(yù)見(jiàn)控制的方法，往往能彌補(bǔ)因系統(tǒng)響應(yīng)速度不足所帶來(lái)的缺陷而提高控制性能，降低系統(tǒng)控制能量峰值和控制能量消耗量。2.3 最優(yōu)控制方法 最優(yōu)控制首先要確定一個(gè)明確的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)一定的數(shù)學(xué)方法計(jì)算出使該函數(shù)取極值時(shí)的控制輸入。一般情況下，目標(biāo)函數(shù)的確定要靠經(jīng)驗(yàn)，最優(yōu)控制的解只有在極少數(shù)情況下才能得出

10、解析解，有的可以通過(guò)計(jì)算機(jī)得到數(shù)值解。應(yīng)用于汽車(chē)懸架控制系統(tǒng)的最優(yōu)控制方法常用的有線(xiàn)性最優(yōu)控制和H最優(yōu)控制等。 線(xiàn)性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想的模型基礎(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)保證受控結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。例如，將線(xiàn)性二次型調(diào)節(jié)器控制理論和線(xiàn)性二次高斯型控制理論應(yīng)用于車(chē)輛懸架系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。 H最優(yōu)控制方法是通過(guò)設(shè)計(jì)控制器，在確保閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，使相對(duì)于干擾的輸出取最小的一種最優(yōu)控制方法。為了模擬由于車(chē)身質(zhì)量、輪胎剛度和減振器阻尼系數(shù)等變化不確定的誤差，應(yīng)用H最優(yōu)控制方法可使汽車(chē)懸架振動(dòng)控制具有較強(qiáng)的適應(yīng)不確定因素影響的能

11、力。由于實(shí)際的車(chē)輛系統(tǒng)往往是時(shí)變的非線(xiàn)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(wèn)題。2.4 智能控制方法 智能控制是一門(mén)新興的學(xué)科領(lǐng)域，是針對(duì)系統(tǒng)及其控制環(huán)境和任務(wù)的不確定性而提出來(lái)的。智能控制過(guò)程是含有復(fù)雜性、不確定性，且一般不存在已知算法的非傳統(tǒng)數(shù)學(xué)公式化的過(guò)程。在智能控制過(guò)程中，以知識(shí)信息為基礎(chǔ)進(jìn)行推理和學(xué)習(xí)，用啟發(fā)式方法來(lái)引導(dǎo)求解。因此，就智能控制過(guò)程而言，系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成為對(duì)環(huán)境和任務(wù)的變化有快速的應(yīng)變能力，且能完成各種難以用傳統(tǒng)的分析數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法定義得清楚的任務(wù)。目前，智

12、能控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種系統(tǒng)中，智能性已成為衡量產(chǎn)品和高技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用于汽車(chē)懸架系統(tǒng)的智能控制主要有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。 模糊控制是近年來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的新型控制方法，其特點(diǎn)是允許控制對(duì)象沒(méi)有精確的數(shù)學(xué)模型，使用語(yǔ)言變量代替數(shù)字變量，在控制過(guò)程中包含有大量人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，與人的智能行為相似,結(jié)構(gòu)控制框圖如圖4所示。其控制器的輸入量可選擇車(chē)身加速度和車(chē)身與車(chē)輪的相對(duì)速度，輸出量為動(dòng)力裝置產(chǎn)生的作用力。 模糊控制方法應(yīng)用于車(chē)輛懸架系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)較多，其中具有代表性的是日本德島大學(xué)芳村敏夫教授的研究工作，他同時(shí)把模糊控制方法應(yīng)用于車(chē)輛懸架半主動(dòng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)，其結(jié)果證明了模糊控制方法的有效

13、性。日本名古屋大學(xué)橋山智訓(xùn)等采用GA(genetic algorithm 遺傳算法)設(shè)計(jì)車(chē)輛懸架半主動(dòng)系統(tǒng)的模糊控制器，計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示結(jié)合GA的模糊推理方法比常規(guī)方法更有效。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量處理單元(神經(jīng)元)組成的高度并行的非線(xiàn)性動(dòng)力系統(tǒng)，其特點(diǎn)是可學(xué)習(xí)性和巨量并行性，故在車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用前景。研究表明用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的非線(xiàn)性懸架系統(tǒng)，和用傳統(tǒng)的LQ（linear quadratic 線(xiàn)性二次型）調(diào)節(jié)器控制的懸架相比具有更好的性能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是生物學(xué)中腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某種抽象、簡(jiǎn)化和模擬，它是由大量類(lèi)似于人腦神經(jīng)元的基本信息處理單元通過(guò)廣泛連接而構(gòu)成的高度非線(xiàn)性超大規(guī)模連續(xù)

14、時(shí)間動(dòng)力系統(tǒng)，反映了人腦功能的若干基本特性，控制框圖如圖5所示。作為一種并行分布式處理系統(tǒng)，它具有自動(dòng)知識(shí)獲得、聯(lián)想記憶、自適應(yīng)性、良好的容錯(cuò)性和推廣能力。目前，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法越來(lái)越多地應(yīng)用在特定環(huán)境以及采用固定描述方式的多種目的的設(shè)計(jì)中。2.5 復(fù)合控制方法 現(xiàn)在，車(chē)輛懸架控制方法的研究幾乎涉及到控制理論的所有分支，各種控制方法均有其特點(diǎn)和不足之處。而采用復(fù)合控制方法則往往能得到意想不到的結(jié)果，如自適應(yīng)控制與魯棒控制的復(fù)合、自適應(yīng)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與最優(yōu)預(yù)見(jiàn)控制的復(fù)合以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制的復(fù)合等。研究表明，復(fù)合控制方法更適用于車(chē)輛懸架這樣復(fù)雜非線(xiàn)性系統(tǒng)的建模與控制

15、，也是懸架控制研究今后的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。3 半主動(dòng)懸架的自適應(yīng)模糊控制3.1 懸架模型本文采用二自度14車(chē)體模型進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)與分析，模型結(jié)構(gòu)如圖11所示。其中，為非簧載質(zhì)量；為簧載質(zhì)量；為懸架彈簧剛度；為輪胎剛度；為阻尼器的阻尼系數(shù)；變量.和分別代表路面激勵(lì)、非簧載質(zhì)量及簧載質(zhì)量的位移。為連續(xù)可調(diào)阻尼器的阻尼力,3 結(jié)束語(yǔ) 當(dāng)前，車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)是車(chē)輛動(dòng)力學(xué)與控制領(lǐng)域的國(guó)際性前沿課題。車(chē)輛行駛平順性和操縱穩(wěn)定性逐漸受到人們的重視，傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架已不能滿(mǎn)足需要。為使懸架系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同道路及速度條件，各種新型電子控制懸架得到了迅速發(fā)展。特別是近年來(lái)相關(guān)學(xué)科和高新技術(shù)的發(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，車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)的研究目標(biāo)是研究和開(kāi)發(fā)控制有效、能耗低、成本低廉的車(chē)輛懸架控制系統(tǒng)。為此必須解決的理論研究和實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題：一