汽车主动悬架控制系统的发展研究

目录

1引言1

2汽车悬架系统的类型和应用1

2.1被动悬架1

2.2主动悬架2

2.3半主动悬架2

3主动悬架控制系统国内外研究现状2

4汽车悬架的控制策略3

4.1天棚阻尼与开关阻尼控制3

4.2随机线性二次最优控制3

4.3模糊控制4

4.4神经网络控制4

4.5预测控制4

4.6滑模变结构控制5

4.7复合控制5

5控制方法的展望5

5.1注重控制策略的综合运用5

5.2注重汽车其他系统与主动悬架系统的联合控制研究5

5.3注重悬架系统模型的降阶研究6

6结论6

参考文献：6

汽车主动（半主动）悬架控制系统的

研究发展

1引言

汽车主动悬架目前是国内外研究的热点问题，研究的关键技术主要在控制策略的选择上及执行器的研发方面。国外由于成本问题，一些油气主动悬架也仅限用在一些高级轿车上，国内在此方面还处在研发及试验阶段，离主动悬架系统普遍使用在轿车上的时代还较远。

2汽车悬架系统的类型和应用

悬架是车架与车桥之间一切传力装置的总称，它的主要功用是传递作用在车轮和车架之间的力和力矩，缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并衰减由此引起的振动，以保证汽车能平顺行驶。衡量悬架性能好坏的主要指标是汽车行驶的平顺性; 即乘坐舒适性和操纵稳定性，但这两个方面是相互排斥的性能要求。由于被动悬架的刚度和阻尼系数是固定的，无法根据不同的使用要求自适应地改变，在结构设计上只能是满足平顺性和操纵稳定性之间矛盾的折衷。

为服这个缺陷，国外在五十年代提出了“主动悬架”的概念。主动悬架的特点是能根据外界输入或车辆本身状态的变化进行动态自适应调节。主动悬架包控制单元和力发生器，力发生器的作用下使悬架的特性得到控制，如同改变了悬架的刚度和阻尼系数，其中最关键的是控制算法的优劣。

2.1被动悬架

被动悬架, 由弹性元件和不可变参数的减振器组成, 只能在特定工况下达到最优, 缺少对变载荷、变车速、不可预测路况的适应性。被动悬架是传统的机械结构，由弹簧、减震器和导向机构组成。被动悬架的刚度和阻尼系数均不可调，只能在特定的工况下达到最优减振效果，存在明显的共振峰，难以同时获得良好的乘坐舒适性和操纵稳定性，缺乏灵活性。但被动悬架因结构简单、设计容易和制造方便，且无须额外的能量输入，目前在中低档轿车上应用最为广泛[1]。为了进一步改善被动悬架的减振效果,满足现代汽车对悬架提出的更高的性能要求，在桑塔纳、夏利和赛欧等轿车上加强了通过优化寻找最优悬架参数和对悬架导向机构的研究，采用了带有横向稳定杆的多连杆机构悬架系统，在一定程度上改善了被动悬架减振效果。

2.2主动悬架

主动悬架, 采用有源或无源可控元件组成一个闭环或开环的控制系统, 可根据路面激励后外部输入变化通过执行机构主动地调整悬架控制力, 使悬架总是处于最佳减振状态。主动悬架由控制系统和执行机构组成, 按执行机构有/ 无源液压系统分为全主动悬架和半主动悬架。半主动悬架与全主动悬架相比工作消耗功率小, 结构简单, 造价低且在运行品质上与全主动悬架接近, 因此倍受关注。

2.3半主动悬架

半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于改变弹簧刚度在目前只有通过切换空气弹簧或油气弹簧来实现。国外, 早在80 年代就已将空气悬架广泛用于拖拉机和牵引车, 我国也有在载货车上成功应用空气悬架的离子, 为弹簧刚度控制在国内的

实现奠定了基础。另外, 法国雪铁龙轿车有应用可自动调节悬架刚度和阻尼的半主动油气悬架的例子, 由于空气弹簧和油气弹簧组件的高精度要求及寿命低、成本高等因素, 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。

3主动悬架控制系统国内外研究现状

国外关于车辆主动悬架系统的研究已有四十多年的历史，特别是20 世纪80 年代后，美、日、德、英等发达国家对这项研究非常重视。目前，世界各大汽车公司及相关研究机构都在投入相当大的人力和物力，研制性价比高的车辆悬架系统，以便在车辆上得以广泛应用。为此，采用新型控制技术，研究和开发一类控制有效、能耗低、造价合理的车辆悬架控制系统不仅是应用研究的重要目标，而且必将是决定理论研究是否有价值的重要评价标准。

主动悬架控制理论实质上是经典控制理论、现代控制理论与汽车动力学理论相结合的产物。在过去的几十年中，国内外许多学者在主动悬架控制理论方面进行了大量的研究。国外有影响的学者有Karnopp、Thompson、Crola 和Langlois 等。研究的控制理论内容涉及天棚阻尼控制理论，随机最优控制理论，变结构控制理论等。随着现代控制理论的发展与渗透，自适应控制理论，模糊控制，H 无穷控制理论，神经网络控制等也日显其优越性。国内，丁科等人对主动悬架的神经网络控制进行了研究[2]。何渝生等将LQG 最优控制理论应用于主动控制[3]。

4汽车悬架的控制策略

4.1天棚阻尼与开关阻尼控制

天棚阻尼控制是提出最早的一种半主动悬架控制方法。Karnopp提出了近似实现理想“天棚”阻尼的“on-off”半主动控制策略。由于其所需测试仪器少,控制算法简单,因而是目前研究最多,也是应用最多的方法。根据天棚阻尼控制提出的地棚阻尼控制是以非簧载质量为控制对象的一种控制策略。单一的天棚阻尼控制提高了舒适性,却没有解决好操纵稳定性问题,地棚阻尼控制则和天棚相反。综合天棚和地棚阻尼控制的优点而产生的混合阻尼控制算法[4]: F =αFsky + (1 -α) Fgnd ,可以兼顾平顺性和操纵稳定性的要求,是一种值得研究、易于投入实用的控制算法。

自适应控制

自适应控制是一种实时调节控制器的方法，其研究对象是具有一定不确定性的系统。这里所谓的“不确定性”是指描述被控对象及其环境的数学模型不是完全确定的，其中包含一些未知因素和随机因素。在悬架控制系统的设计中，自适应控制能自动监测系统参数的变化，并实时地调节控制策略，从而使系统具有良好的性能。目前，比较完善的自适应理论有模型参考自适应控制和自校正控制。前者可对控制器的参数进行直接更新，而后者是采用参数估计的方式间接地对控制器进行更新。但是，自适应控制仅适合于悬架参数在某一特定X围内缓慢变化的情况。当系统参数的变化超出特定的X围时，系统的控制效果将会变差。

4.2随机线性二次最优控制

自20 世纪五六十年代，当最优控制理论在空间技术领域得以应用时，就有关于车辆主动悬架最优控制研究的文献发表。但最先将随机最优控制理论应用于主动悬架的研究中，并对其方法加以系统描述的是Thompson。最优控制是首先确定一个明确的目标函数，通过一定的数学方法计算出使该函数取极值时的控制输入。一般情况下，目标函数的确定要靠经验，最优控制的解可以通过计算机得到数值解。在汽车悬架系统上应用的最优控制较多。应用随机线性二次最优控制理论，对系统有下列几点要求：①受控系统是线性的；②系统的性能指标要以二次型的形式表达；③系统出入为高斯分布的白噪声；④系统的状态均为可测[5][6]。

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。所以优控制方法在半主动悬架控制系统中应用很少。