汽车悬架控制系统的研究

农业装备与车辆工程２００６年第２期汽车悬架控制系统的研究凌锡亮（集美大学机械工程学院，福建厦门３６１０２１）摘要：综述了汽车悬架控制系统的基本类型及其特点，并介绍了它们的发展概况。

重点论述了半主动控制和主动控制悬架系统中常用的几种控制方法，对今后的研究方向和发展趋势进行了初步的探讨。

关键词：汽车悬架；半主动控制；主动控制中图分类号：Ｕ４６３．３３文献标识码：Ａ文章编号：１６７３－３１４２（２００６）０２－０００８－０３ＴｈｅＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇＳｙｓｔｅｍｏｎＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎＬｉｎｇＸｉｌｉａｎｇ（ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＪｉｍｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ３６１０２１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｂａｓｉｃｔｙｐｅｓｏｆｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｏｎａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｉｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｒｅｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅｔｈｅｉｒｐｒｅｓｅｎｔｓｉｔｕａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．Ｂｅｃａｕｓｅｏｆｔｈｅｉｍｐｏｒｔａｎｃｅｏｆｓｅｍｉ－ａｃｔｉｖｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎａｎｄａｃｔｉｖｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ，ｅｍｐｈａｓｅｓａｒｅｐｕｔｏｎｔｈｅｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｓｅｖｅｒａｌｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓ．Ｉｎｔｈｅｅｎｄｏｆｔｈｅｐａｐｅｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｔｒｅｎｄｓａｎｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｒｅｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ；ｓｅｍｉ－ａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ；ａｃｔｉｖｅｃｏｎｔｒｏｌ收稿日期：２００５－１１－２４作者简介：凌锡亮（１９５６－），男，高级工程师，主要从事汽车设计和教学科研工作。

０引言悬架是现代汽车的重要总成之一，它对汽车的稳定性、平顺性及通过性均有非常大的影响。

从上世纪７０年代起，国外一些专家学者就开始研究基于控制技术的主动／半主动悬架系统。

引入控制技术后的悬架是一类复杂的非线性动力系统，其研制及应用涉及机械动力学、测控技术、电子技术、流体传动及控制、计算机技术、非线性力学等许多学科。

这些学科的快速发展为汽车悬架系统性能的不断提高奠定了基础。

１汽车悬架控制系统的类型汽车悬架控制系统通常可分为被动控制、半主动控制和主动控制三种基本类型。

不需输入能量控制的称为被动控制；仅需输入少量能量控制用于调节阻尼系数的称为半主动控制；由控制机构对悬架系统施加一定控制力的控制称为主动控制。

１．１被动控制悬架被动控制悬架的作用是由外力所引起的，不需要输入外部能量，同时还具有结构简单等优点而得到广泛应用。

１．２半主动控制悬架半主动悬架是指悬架弹性元件的刚度和减振器的阻尼系数之一可以根据需要进行调节控制的悬架。

半主动悬架系统基本上不需要其它的外加能源。

只要选择合适的控制逻辑，就可以达到像主动减振一样的减振效果。

目前半主动悬架研究主要集中在调节减振器阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构，通过传感器检测汽车行驶状况、道路条件变化和车身的加速度，由ＥＣＵ根据控制策略发出脉冲控制信号，实现对减振器阻尼系数的有级可调或无级可调。

典型的半主动悬架系统模型如图１所示。

１．２．１有级可调减振器有级可调减振器阻尼可在２～３档之间快速切换。

在结构中采用较简单的控制阀，实现有级调控，系统简单，但适应汽车行驶工况和道路条件变化的农业装备与车辆工程ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ２００６年第２期（总第１７５期）Ｎｏ．２２００６（Ｔｏｔａｌｌｙ１７５）・８・２００６年２月图１半主动悬架系统模型ｓ－传感器Ｍ－簧上质量ｋ－弹簧刚度ｃ－减振器阻尼凌锡亮：汽车悬架控制系统的研究能力较差。

其设计关键是发展先进的阀技术，增加阻尼变化的档数，缩短切换时间，实现复杂控制策略，提高悬架控制性能。

１．２．２无级可调减振器无级可调减振器的阻尼调节可分为节流孔径调节和减振液粘性调节两种方式。

节流孔径调节是通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼。

这类减振器因结构和成本等缺点较少使用。

减振液粘性调节是使用粘性连续可控的电流变或磁流变液体作为减振液，实现阻尼无级变化，改变减振器的阻尼力。

在应力、温度、粘度和稳定性等性能方面，磁流要比电流好，所以现在倾向于选用磁流变液体的减振器。

１．３主动控制悬架汽车主动悬架是在被动悬架原有弹性元件和阻尼元件基础上增加主动力装置，通过主动力装置和预定的控制策略改变悬架特性，获得较好的性能。

主动悬架能够有效地抑制车身侧倾，保持车身水平。

汽车主动悬架和被动悬架的对比简图如图２所示。

主动悬架的作用主要有３个方面：（１）提高舒适性（２）控制车身运动（３）调节车身高度通过输入外部能量施加控制力悬架的主动控制采用流体传动的控制系统。

主动液力减振器研究方向之一是采用复合减振方法减少外部能量的消耗。

２汽车悬架控制系统的控制方法汽车悬架控制系统大多由传感器拾取车身绝对速度、车身对车轮的相对速度、车身的加速度等信号，经计算机处理发出指令进行控制。

应用于汽车悬架控制系统的控制方法主要是各种现代控制方法，分述如下。

２．１最优控制最优控制是确定明确的目标函数后，通过数学方法计算出使该函数取极值时的控制输入。

在汽车悬架系统上应用较多的有：线性最优控制、Ｈ∞最优控制和最优预见控制等。

线性最优控制建立在系统较为理想的模型基础上，采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标，保证受控结构在动态稳定条件下实现最优控制。

Ｈ∞最优控制方法是通过设计控制器，在确保闭环系统各回路稳定条件下，使相对于干扰输出取最小的一种最优控制方法。

图２汽车主动悬架与被动悬架（ａ）被动悬架简图（ｂ）主动悬架简图ｓＭｋｃ减振器执行器动力源・９・农业装备与车辆工程２００６年第２期最优预见控制方法不仅考虑车辆即时的状态，还利用前轮的扰动信息预估路面干扰输入，将测量状态变量反馈给前后控制器实施。

对四轮进行全预见控制和后轮进行单预见控制。

２．２自适应控制自适应控制是针对具有不确定性的系统而设计的，可以自动检测系统参数变化，保持系统的性能指标为最优。

有自校正控制和模型参考自适应控制两种方法。

自校正控制是将受控对象参数在线识别与控制器参数整定相结合的控制方法。

模型参考自适应控制是指当外界激励条件和自身参数状态发生变化时，被控悬架系统的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。

２．３模糊控制模糊控制其最大特点是允许控制对象没有精确的数学模型，使用语言变量代替数字变量，在控制过程中包含有大量人的控制经验和知识，与人的智能行为相似。

２．４神经网络控制神经网络控制应用在特定环境以及采用固定描述方式的多种目的设计中。

作为一种并行分布式处理系统，它具有自动知识获得、联想记忆、自适应性、可学习性和巨量并行性。

故在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。

３今后研究和开发工作展望汽车悬架控制系统的研制是涉及多学科领域的前沿课题。

目前，半主动悬架控制系统已进入实际应用阶段，主动悬架控制系统还停留在实验阶段。

随着相关学科及技术的迅猛发展，半主动和主动悬架控制系统的研制必然是今后汽车悬架发展的方向。

为了更理想地实现汽车悬架控制系统的研究目标，必须解决如下几个方面的问题。

１）研制高效能减振器，如液力减振器、阻尼连续可调的磁流变（或电流变）减振器等。

尤其是以磁流变可控流体器件的半主动悬架系统，它具有结构简单、耗能低、反应迅速等特点，具有广阔的应用前景。

２）充分运用现代控制理论及相关学科的技术，处理好悬架系统的非线形控制问题，研制高效能、低成本的控制器。

３）目前主动悬架系统控制结构复杂，可靠性也难以保证，因此简化系统结构．提高可靠性和适应性也是重要的研究方向。

参考文献［１］方敏，王峻，陈无畏．汽车半主动悬架的自适应ＬＱＧ控制［Ｊ］．汽车工程，１９９７，１９（４）：２００～２０５．［２］庄继德，陈善华．可切换半主动悬架的一种自适应控制策略［Ｊ］．中国公路学报，１９９８，１１（３）：１０３～１０９．［３］陈龙，李德超．车辆半主动悬架自适应模糊控制器设计与仿真［Ｊ］．江苏理工大学学报（自然科学版），２００１，２２（６）：１８～２１．［４］ＫＡＭＯＰＰＤ，ＨＥＥＳＳＧ．Ｅ１ｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙｃｏｎｔｒｏ１１ａｂｌｅｖｅｈｉｃｌｅｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓ［Ｊ］．ＶｅｈｉｃｌｅＳｙｓｔｅｍＤｙｎａｍｉｃｓ，１９９１，２０：２０７～２１７．［５］ＹＯＳＨＩＭＵＲＡＴ．ＡＳｅｍｉ－ａｃｔｉｖｅＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎｏｆＰａｓｓｅｎｇｅｒＣａｒｓＵｓｉｎｇＦｕｚｚｙＲｅａｓｏｎｉｎｇａｎｄｔｈｅＦｉｅｌｄ－ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｙｓｔｅｍＳｃｉｅｎｃｅ，１９９８，２７（１５）：１５０～１６４．近日，清华大学与北京大陆汽车俱乐部（ＣＡＡ）签署协议，双方将世界公认的汽车安全新车评估体系ＮＣＡＰ引入国内，命名为中国新车评估体系（ＮＣＡＰＣＨＩＮＡ）。

根据协议，大陆汽车俱乐部将在该项目第一阶段的５年内，投入３０００万元用于购置车辆以及碰撞试验；清华大学汽车碰撞实验室将负责具体的碰撞试验。

据介绍，“新车评估体系”将抽取新近上市的车辆在高速行驶的状况下进行碰撞试验，然后由清华大学专家测量汽车安全性能以及对乘车人员造成的伤害，并向社会公布透明和公正的实验结果。

为保证“新车评估体系”的公平、独立和透明，首批接受碰撞测试的汽车都将由消费者通过网上投票选举产生，２００６年“新车评估体系”的汽车碰撞测试将着重于１．６Ｌ－２．０Ｌ的中型汽车。

清华大学汽车碰撞试验室主任张金换教授指出，“新车评估体系”与政府颁布的汽车安全准入标准并不抵触，而是对现有标准的补充和支持。

ＮＣＡＰ汽车碰撞测试所规定的实车碰撞速度往往比国家安全法规规定的碰撞速度要高，从而在更严重的碰撞环境下评价车内乘员的伤害程度，并将试验车的安全性能进行分级，从而为消费者选车提供参考，也为汽车制造商们提供丰富和详尽的安全数据。

国内首个关于汽车安全指标的第三方新车评估体系诞生・１０・。