汽车半主动悬架系统的研究现状与发展

汽车半主动悬架系统的研究现状与发展

[摘要] 文阐述了半主动悬架的产生及发展,着重论述半主动悬架的控制方法,探讨该技术存在的问题今后研究的方向。

[关键词]半主动悬架主动悬架控制发展

前言

现代汽车正朝者多目标综合控制和智能化控制的方向发展。悬架系统智能化解决了传统被动悬架存在的舒适性和稳定性不能兼顾的问题,代表了悬架系统发展的方向。国外在60年代提出了主动悬架,主动悬架采用有源可控元件组成闭环系统,能获得一个优质的隔振系统,使悬架始终处于最佳减振状态。但要由外部提供较大的控制能量、结构复杂、造价昂贵使其广泛应用受到很大限制。半主动悬架是1974年由美国加州大学戴维斯分校机械工程系D.E.Karnopp教授等提出的一种半主动隔振方案在车辆上的实现。采用无源但可控的阻尼器在工作中消耗能量小,控制易于实现,造价低,并且性能接近主动悬架,因而得到广泛重视。

1、半主动悬架的控制

从控制形式上看,有连续变化阻尼(阻尼力无级可调)的半主动悬架系统和开关式(阻尼力有级可调)半主动悬架系统,前者又称为主动阻尼控制系统,后者又称为半主动阻尼控制系统。连续变化阻尼的半主动悬架在控制作用下,其阻尼力可以在最小值与最大值之间连续调节。研究表明:只要合适选择控制逻辑,半主动悬架就几乎可以达到像主动悬架一样的阻尼调节范围(如图1-1)。但其控制方法和控制系统较为复杂。开关式半主动悬架系统的减振器采用较为简单的方式,控制方法大为简化,同时也降低了控制系统的复杂性。通常半主动阻尼控制是根据不同的路面条件和不同的行驶要求,实现阻尼的软、硬两种工况或软、中、硬三种工况有级转换。开关式悬架系统的性能低于连续变化阻尼的方式。

(a) 被动悬架; (b) 有级半主动悬架; (c) 无级半主动悬架; (d) 主动悬架

由于悬架系统是很复杂的非线性系统,因此,基于模型的线性反馈控制是不适用的。目前,基于现代控制理论的发展,半主动悬架控制系统的研究主要有以下几个方面。

(1)天棚阻尼控制方法。天棚阻尼控制方法由于其控制算法简单,得到了广泛的应用。但天棚阻尼控制只解决了悬架系统的舒适性而没有很好解决操纵稳定性问题。因此,目前研究的重点是改进型的理想天棚阻尼控制方法,即设想系统中车体与某“固定天棚”之间存在一个虚拟惯性阻尼器,如图1-2所示。其控制原理是,根据簧载质量的速度响应等反馈信号,按照一定的控制规律调节可调阻尼器的阻尼系数。这种控制方式是目前研究较多且有效的。

(2)PID控制方法。以经典控制理论为基础的PID控制不需要了解被控对象的数学模型,只要根据经验进行调节器参数在线调整,即可取得满意的结果,不足的是对被控对象参数变化比较敏感。研究查表法变参数PID控制和模糊PID控制方法在半主动悬架控制系统中应用有一定的实际的意义。

(3)最优控制方法。线性最优控制方法在系统建模时,忽略了高阶动态环节,如车架、轮胎的高阶模态以及减振器、传感器的动态特性等,所得到的控制参数是根据确定的系统参数计算出来的,仅对理想的数学模型保证预期的性能。当系统参数变化到一定程度时,会使系统变得不稳定,控制参数不再使性能指标最优,有时甚至会使悬架性能恶化。实际的悬架系统是含有许多不确定因素的非线性、时变、高阶动力系统,难以用定常反馈系统达到预定的性能要求。所以最优控制方法在半主动悬架控制系统中应用很少。

(4)自适应控制方法。自适应控制方法应用于汽车悬架控制系统有自校正控制和模型参考自适应控制两类控制策略。自校正控制是一种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在外界激励条件和车辆自身参数状态发生变化时,被控车辆的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统改善车辆的行驶特性,在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用。

(5)模糊控制方法。自90年代以来,模糊控制被应用在汽车悬架控制系统中。在控制过程中,首先要把由各传感器测出的精确量转化成为适于模糊运算的模糊量,然后将这些量在模糊控制器中加以运算,最后再将运算结果中的模糊量转化为精确量,以便对各执行器进行具体的操作控制。其过程如图1-3所示,日本德芳大学芳村敏夫教授把模糊控制理论应用于汽车悬架半主动和主动控制系统,采用模糊推理分别构成半主动和主动控制规则,通过进行计算机模拟分析来控制车身的的垂直振动和俯仰振动,其结果证实了采用模糊控制的有效性。模糊控制方法在半主动悬架系统中的应用效果比常规控制方法有效,但模糊控制器的稳定性只通过一些模拟过程测试,判断其稳定性的标准还不存在;控制器只适用于一定的汽车参数;改变轮胎性能会使控制结果明显变坏;路面性质对控制效果影响较大。因此,模糊控制方法在半主动悬架控制系统中应用从理论上无法判定,只能通过系统实测才能确定。

(6)神经网络控制方法。神经网络是一个由大量处理单元所组成的高度并行的非线性动力系统,其特点是可学习性和并行性,故在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。但神经网络不适于表达基于规则的知识,需要较长的训练时间,因此,神经网络须与其它控制方法相结合构成复合控制模式才能具有更大的实际应用。

2、主动悬架控制目前存在的问题

(1) 理论的的阻尼器设计较多,实用的可控阻尼器不多;

(2) 阻尼器的可靠性需近百万次的实验来检验,延长实用化的进程;

(3) 控制效果大多用计算机软件仿真来进行,与实际系统存在一定差距。

3、半主动悬架今后研究方向

总之,半主动悬架控制方法较多,各种方法均有利弊,综合应用各种方法开发系统控制器是发展方向。从有关文献分析看,日本、德国、韩国等汽车发达国家,基本都是基于天棚阻尼控制理论、模糊控制理论和自适应控制理论为主线的复合控制策略。

任何控制系统总存在不可避免的时滞,它会导致反馈控制系统预料外的失稳,出现对安全性极为不利的轮跳。因此,在汽车半主动悬架振动控制系统开发过程中,应该结合实际车型研究和开发控制有效、实用简单、造价合理的控制器,并经过大量的实车测试,才能推广应用。

参考文献:

[1] 方子帆等.汽车半主动悬架系统研究进展[J] .重庆大学学报,2003,1.

[2] 鲁植雄.汽车电子控制悬架故障诊断图解[M] .江苏科学技术出版社,2003.

[3] 张庙康,胡海岩.车辆悬架振动控制系统研究的进展[J] .振动、测试与诊断,1997.