汽车悬架控制系统发展概述
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近十多年以来 " 悬架控制系统的发展日新月异 " 成果较多 # 如福特公司生产的雷鸟轿车上的行驶平 顺性程序控 制 悬 架 系 统 % #4 4 N (& N ( 中的减振器 配置了一种快速作 用 旋 转 式 螺 管 电 磁 开 关 " 在传感 器和一台 # ’ * /微处 理 器 为 基 础 的 电 子 系 统 的 配 合 根据驾驶员的指示和车辆的运行状态 " 电磁开关 下" 可以调节阻尼 # 其他成功的应用还有奔驰车的自适 应阻尼控制悬架系 统 $ 凯迪拉克轿车的路感悬架系 统% & $ 以及 对 阻 尼 和 刚 度 进 行 综 合 控 制 的 丰 田 N 2 2 电子悬架控 制 系 统 和 凌 志 7 2 " * *的电子控制空气 悬架系统等 # 在军用汽车领域 " 磁流变液阻尼器得到了应用 # 美国内华达大学的研究人员将磁流变阻尼器应用于 美军高机动多用途轮式车辆 % " 图.为该 <99UV&
动作历时很短 # 鉴 于 此 ’ 目前最优预测控制多采用 超声波传感器等测量方法对车辆前方道路的实际情 用此信息来控制悬架执行机构的动作 # 况进行采集 ’ 它能通 ) $ ’ " 年日产公司研制出声纳 式 半 主 动 悬 架 ’ 及时调整悬架减振 过声纳装置预测前 方 路 面 信 息 ’ 器的状态 # 预测 控 制 的 问 题 表 现 在 预 测 距 离 是 一 定 的’ 因 此预测提前时间取决于车速 ’ 这样必然具有时变性 ’ 而预测控制仍以线 性 时 不 变 系 统 为 研 究 对 象 ’ 测量 参数的时变性和非线性对系统的影响还没有得到解 决 # 另外 ’ 用预测 信 息 来 控 制 悬 架 执 行 机 构 的 动 作 的核心技术是信号 的 获 取 精 度 问 题 ’ 要求不受干扰 地真实反映路面信息 ’ 这往往导致成本 & 可靠性方面 的投入相应增大 ’ 应用中要重点考虑 # . C "! 自适应控制策略 自适应控制方法应用于汽车悬架控制系统的有 自校正控制和模型参考自适应控制两类 # 自适应控 制考虑了车辆系统 参 数 的 时 变 性 ’ 通过自动检测系 统的参数变化来调 节 控 制 策 略 ’ 从而使系统实时逼 近最优状态 # 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 # 自适应控制存在的问题表现在自校正控制过程 需要在线辨识大量的结构参数 ’ 所以导致计算量大 ’ 实时性不好 # 而模型参考自适应控制方法涉及路面 信息获得的精度问 题 ’ 这一点与预测控制存在的问 题相似 # 另外 ’ 当悬挂系统参数由于突然的冲击而 在较大的范围变化时 ’ 自适应控制的鲁棒性将变坏 # . C /! 模糊控制与神经网络控制 基于专家知识和经验的模糊 在过去的 , * 年中 ’ 控制及神经网络控 制 逐 步 成 为 解 决 具 有 非 线 性 & 复 杂和不确定因素系统的有效方法 # 在车辆悬架控制领域较早应用模糊控制的是 他将模糊控制方法应用到 汽车 主 P H Q R S @ T F E 教授 ’ 动& 半主动悬架 当 中 # 该 车 辆 系 统 由 非 线 性 微 分 方 程模型描述 ’ 通过 模 糊 推 理 从 若 干 类 阻 尼 力 中 选 择 合适的阻尼力 # 仿真结果显示应用模糊控制的半主 动悬架系统大大减小了车身振动加速度 # 随后进行 的实车试验取得了较为理想的结果 # 模糊控制和神经网络控制是建立在专家知识和 经验的基础上的 ’ 因此人为因素在其中占据着很重 要的角色 # 专家的 知 识 在 一 定 程 度 上 是 $ 主 观% 的’ 如果专家知识的集合不能真实或准确地反应车辆的 状态 ’ 那么控制就失去了准确性 # . C #! 复合控制 当前应用于汽车悬架振动控制的控制策略很 ! " " # 年 $ 月 !!!!! !! ’ $ !
)’ 控制思想 & # 原理是在车身上安装一个与车身 振 动
速度成正比的阻尼 器 " 可以完全防止车身与悬架系 统产生共振 " 达 到 衰 减 振 动 的 目 的# 在 天 棚 控 制 方 式中 " 控制力取决于车体的绝对速度的反馈 " 不需要 很多传感器也不需要复杂的数学模型 " 可靠性较好 # 控制力可以表示为 (
摘!要! 分析了汽车悬架主动"半主动控制的基本原理 ! 从 控 制 策 略# 执行机构以及应用情况三方面对汽车悬架控 制系统的发展状况作了分析 # 总结及趋势预测 ! 为今后汽车悬架控制系统的发展方向提出了建议 $ 关键词 ! 汽车 ! 悬架 ! 控制 ! 发展
!! 前言 悬架依据其可控性可以分为不可控的被动悬架 和可控的智能悬架两大类 # 在多变环境或性能要求 高且影响因素复杂 的 情 况 下 " 被动悬架难以满足期 望的性能要求 $ 而智能悬架能够对行驶路面 % 汽车的 工况和载荷等状况 进 行 监 测 " 进而控制悬架本身特 性及工作 状 态 " 使 汽 车 的 整 体 行 驶 性 能 达 到 最 佳# 智能悬架中主动 % 半主动悬架在近年来得到了迅速 较好地解决了安全性和舒适性这一对矛盾 " 将 发展 " 其缓和至相对较低 # "! 主动悬架与半主动悬架 主动悬架是一个动力 驱动系统 " 包括测量系统 % 反 馈 控 制 中 心% 能量源和 执行器四个部分 # 其原理 是测量系统通过传感器获 传递给 得 车 辆 振 动 信 息" 控 制 中 心 进 行 处 理" 进而 由控制中心发出指令给能 量 源 产 生 控 制 力" 再由执 行 器 进 行 控 制" 衰减悬架 的振动 # 由于主动悬架结构复杂 " 成本高 " 需要很大 的能量消耗 " 它的发展受到了一定的制约 " 只在少数 半主动悬架具有 高级轿车中有所 应 用 # 与 之 相 比 " 结构简单 % 成本较 低 % 基 本 不 需 要 消 耗 能 量 等 优 点" 而对振动的控制效果在一定程度上却可以接近主动 悬架 " 远远优于被动悬架 " 因而越来越受到业界的重 视" 得到了飞速发展 # 图 ) 为主动悬架的原理图 " 其 中 1 代 表 力 发 生 器# 图 , 为 一 种 典 型 半 主 动 悬 架 的结构示意图 #
-( 车应用的阻尼器 ’ #
制的复合
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( ) ! "#$ % & ’ ( ) 为车体垂直振动速度 # !! 式中 $ % & ’ 为比例系数 "
但是天棚阻 尼 是 理 论 上 的 理 想 状 态 #D E F G H I I 为实现 $ 天棚 % 控 制 思 想 又 提 出 了 开 关 阻 尼 的 概 念# 原理是根据控制信 号 调 节 阻 尼 器 阻 尼 的 $ 软% & $ 硬% 设置 ’ 进而调整 阻 尼 力 的 大 小 # 其 优 点 是 作 动 器 消 耗振动能量 # 最 早 应 用 于 实 车 的 是 美 国 J H F K公司 的产品 ’ 反映效 果 良 好 # 开 关 阻 尼 控 制 思 想 的 阻 尼 力算法可用以下公式表示 ( ( ( ( ) , ) #( )) ) #( !! ’* ’*" * * + " ( *!!!!! ( )) ) #( ’*# * ( * , 为 比 例 系 数" ) 为簧载质 !! 式中 ( + 为阻 尼 力 " ( 量的垂直运动 速 度 ’ ’ 为非簧载质量的垂直运动速
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度 # 目前开关阻尼的控制已经有所应用 # . C ,! 最优控制 在车辆上运用的最优控制方法常用的有线性最 优控制 & -L 最 优 控 制 等# 线 性 最 优 控 制 理 论 是 早 期经典控制理论的 代 表 ’ 已经过了理论到实践的考 验’ 是目前比较成熟和完整的半主动悬架控制理论 # 其中使用 7 MN 算 法 的 理 论 及 实 践 应 用 比 较 成 熟 ’ 算法概要如下
收稿日期 ! , * * # + ) , + ) / 作者简介 ! 宋永刚 " 男" 在职硕士生 " 主要从事军用汽车发展论证与研究 # ) $ - 年生 " 图 !! 主动悬架原理图 图 "! 典型半自动悬架示意图
半主 动 悬 架 与 主 动 悬 架 结 构 相 似" 只是半主动 悬架用可调刚度的弹性元件或是可调阻尼的减振器 代替主动悬架的力发生器 # 图 , 的半主动悬架系统 中" 一个连续可调 的 阻 尼 器 与 一 个 传 统 的 普 通 弹 簧 需要假定系 统 中 的 阻 尼 器 能 够 完 全 独 立 于 悬 并联 " 架的相对运动 " 且能根据力控制信号做出反应 # 悬架 控 制 系 统 的 发 展 概 况 可 以 从 控 制 策 略% 执 行机构以及实际应用几个方面来分析 # #! 控制策略研究 目 前 应 用 于 悬 架 控 制 系 统 的 控 制 理 论 比 较 多" 主要有天棚控制 % 最优控制 % 预测控制 % 模糊控制 % 自 适应控制 % 神经网络控制以及复合控制等等 # . C )! 天棚阻尼与开关阻尼控制思想 美 国学 者 D ) $ "年" E F G H I I 等提出 了天 棚 阻 尼
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中图分类号 ! " # ! " # . C . .! 文献标识码 ! 0! 文章编号 ! ) * * " + * , , # , * * * ) + * * . * + * "
汽车悬架控制系统发展概述
, 宋永刚)! ! 张进秋)! 魏 ! 健,
百度文库
) C 装甲兵工程学院技术保障工程系 ! 北京 !) * * * , , C 总装备部汽车试验场 !!!! 江苏南京 !, ) * * , ’
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多" 而得到的效 果 只 能 说 是 优 越 于 被 动 悬 架 # 原 因 解决办 是各种控制策略都 有 自 身 无 法 弥 补 的 缺 陷 " 法就是将两种甚至 多 种 控 制 策 略 相 结 合 " 对悬架进 行复合控制 # 纵观车辆主动 $ 半主动控制领域 " 只运 而采用复合 用一种控制策略的 成 功 案 例 并 不 多 见 " 控制策略的成功应用却很多 # 近期的文献记载的控 制策略设计有应用于越野车辆 % 坦克等 & 的自适应控 制与 7 最优预见控制与神 M8 控 制 的 联 合 控 制 " /( 经网 络 控 制 的 复 合 ’ " 以及模糊控制与神经网络控
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设悬架自由度弹簧阻尼系统动力方程为 ( / ( * * .+ 0. 0. 0." 3 4) 5 5 1$+ 1 2+ 16 !) * 表示外部激励的 ) 阶 向 量" * 是) 维 5 7* 4) 5 8* !!!) 控制力向量 " 控 制 力 位 置 矩 阵" 3 是) 9O8* 6 是) 9 外部激励位置矩阵 # O 7* 状态空间表达式的形式为 ( ( *" : * * * )) 5 )) 5 4) 5 5 1; 1!) * 为状态向量) " )) 5 , 9* : 为系统矩阵) , 9 !! 式中 ( " " O, 9* ; 为控制力位置矩阵) , 9O8* - 为外部激 励位置矩阵 ) # , 9O 7* 采用 7 MN 模 态 控 制 算 法 设 计 主 动 最 优 控 制力 ( *"#< * 4) 5 =) 5 !! 国内在相关领域研究比较深入的是装甲兵工程 学院 关 于 履 带 车 辆 悬 挂 系 统 的 半 主 动 控 制 策 略
.研究 , #
. C .! 预测控制 预测 控 制 方 法 提 出 比 较 早 ’ 它可以预先确定前 方路面的信息 ’ 并利 用 这 一 信 息 和 车 辆 当 时 信 息 来 决定控制行为 # 由于预测控制是利用车辆前轮的扰 动信息预估路面的 干 扰 输 入 ’ 将车辆的前轮悬架的 状态参数值反馈给控制器进行控制 ’ 因此 ’ 控制系统 有一定的时间来采取措施 # 然而信息的获得来自前 轮’ 因此要求系统对 信 息 进 行 处 理 并 由 控 制 器 采 取
近十多年以来 " 悬架控制系统的发展日新月异 " 成果较多 # 如福特公司生产的雷鸟轿车上的行驶平 顺性程序控 制 悬 架 系 统 % #4 4 N (& N ( 中的减振器 配置了一种快速作 用 旋 转 式 螺 管 电 磁 开 关 " 在传感 器和一台 # ’ * /微处 理 器 为 基 础 的 电 子 系 统 的 配 合 根据驾驶员的指示和车辆的运行状态 " 电磁开关 下" 可以调节阻尼 # 其他成功的应用还有奔驰车的自适 应阻尼控制悬架系 统 $ 凯迪拉克轿车的路感悬架系 统% & $ 以及 对 阻 尼 和 刚 度 进 行 综 合 控 制 的 丰 田 N 2 2 电子悬架控 制 系 统 和 凌 志 7 2 " * *的电子控制空气 悬架系统等 # 在军用汽车领域 " 磁流变液阻尼器得到了应用 # 美国内华达大学的研究人员将磁流变阻尼器应用于 美军高机动多用途轮式车辆 % " 图.为该 <99UV&
动作历时很短 # 鉴 于 此 ’ 目前最优预测控制多采用 超声波传感器等测量方法对车辆前方道路的实际情 用此信息来控制悬架执行机构的动作 # 况进行采集 ’ 它能通 ) $ ’ " 年日产公司研制出声纳 式 半 主 动 悬 架 ’ 及时调整悬架减振 过声纳装置预测前 方 路 面 信 息 ’ 器的状态 # 预测 控 制 的 问 题 表 现 在 预 测 距 离 是 一 定 的’ 因 此预测提前时间取决于车速 ’ 这样必然具有时变性 ’ 而预测控制仍以线 性 时 不 变 系 统 为 研 究 对 象 ’ 测量 参数的时变性和非线性对系统的影响还没有得到解 决 # 另外 ’ 用预测 信 息 来 控 制 悬 架 执 行 机 构 的 动 作 的核心技术是信号 的 获 取 精 度 问 题 ’ 要求不受干扰 地真实反映路面信息 ’ 这往往导致成本 & 可靠性方面 的投入相应增大 ’ 应用中要重点考虑 # . C "! 自适应控制策略 自适应控制方法应用于汽车悬架控制系统的有 自校正控制和模型参考自适应控制两类 # 自适应控 制考虑了车辆系统 参 数 的 时 变 性 ’ 通过自动检测系 统的参数变化来调 节 控 制 策 略 ’ 从而使系统实时逼 近最优状态 # 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 # 自适应控制存在的问题表现在自校正控制过程 需要在线辨识大量的结构参数 ’ 所以导致计算量大 ’ 实时性不好 # 而模型参考自适应控制方法涉及路面 信息获得的精度问 题 ’ 这一点与预测控制存在的问 题相似 # 另外 ’ 当悬挂系统参数由于突然的冲击而 在较大的范围变化时 ’ 自适应控制的鲁棒性将变坏 # . C /! 模糊控制与神经网络控制 基于专家知识和经验的模糊 在过去的 , * 年中 ’ 控制及神经网络控 制 逐 步 成 为 解 决 具 有 非 线 性 & 复 杂和不确定因素系统的有效方法 # 在车辆悬架控制领域较早应用模糊控制的是 他将模糊控制方法应用到 汽车 主 P H Q R S @ T F E 教授 ’ 动& 半主动悬架 当 中 # 该 车 辆 系 统 由 非 线 性 微 分 方 程模型描述 ’ 通过 模 糊 推 理 从 若 干 类 阻 尼 力 中 选 择 合适的阻尼力 # 仿真结果显示应用模糊控制的半主 动悬架系统大大减小了车身振动加速度 # 随后进行 的实车试验取得了较为理想的结果 # 模糊控制和神经网络控制是建立在专家知识和 经验的基础上的 ’ 因此人为因素在其中占据着很重 要的角色 # 专家的 知 识 在 一 定 程 度 上 是 $ 主 观% 的’ 如果专家知识的集合不能真实或准确地反应车辆的 状态 ’ 那么控制就失去了准确性 # . C #! 复合控制 当前应用于汽车悬架振动控制的控制策略很 ! " " # 年 $ 月 !!!!! !! ’ $ !
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但是天棚阻 尼 是 理 论 上 的 理 想 状 态 #D E F G H I I 为实现 $ 天棚 % 控 制 思 想 又 提 出 了 开 关 阻 尼 的 概 念# 原理是根据控制信 号 调 节 阻 尼 器 阻 尼 的 $ 软% & $ 硬% 设置 ’ 进而调整 阻 尼 力 的 大 小 # 其 优 点 是 作 动 器 消 耗振动能量 # 最 早 应 用 于 实 车 的 是 美 国 J H F K公司 的产品 ’ 反映效 果 良 好 # 开 关 阻 尼 控 制 思 想 的 阻 尼 力算法可用以下公式表示 ( ( ( ( ) , ) #( )) ) #( !! ’* ’*" * * + " ( *!!!!! ( )) ) #( ’*# * ( * , 为 比 例 系 数" ) 为簧载质 !! 式中 ( + 为阻 尼 力 " ( 量的垂直运动 速 度 ’ ’ 为非簧载质量的垂直运动速
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收稿日期 ! , * * # + ) , + ) / 作者简介 ! 宋永刚 " 男" 在职硕士生 " 主要从事军用汽车发展论证与研究 # ) $ - 年生 " 图 !! 主动悬架原理图 图 "! 典型半自动悬架示意图
半主 动 悬 架 与 主 动 悬 架 结 构 相 似" 只是半主动 悬架用可调刚度的弹性元件或是可调阻尼的减振器 代替主动悬架的力发生器 # 图 , 的半主动悬架系统 中" 一个连续可调 的 阻 尼 器 与 一 个 传 统 的 普 通 弹 簧 需要假定系 统 中 的 阻 尼 器 能 够 完 全 独 立 于 悬 并联 " 架的相对运动 " 且能根据力控制信号做出反应 # 悬架 控 制 系 统 的 发 展 概 况 可 以 从 控 制 策 略% 执 行机构以及实际应用几个方面来分析 # #! 控制策略研究 目 前 应 用 于 悬 架 控 制 系 统 的 控 制 理 论 比 较 多" 主要有天棚控制 % 最优控制 % 预测控制 % 模糊控制 % 自 适应控制 % 神经网络控制以及复合控制等等 # . C )! 天棚阻尼与开关阻尼控制思想 美 国学 者 D ) $ "年" E F G H I I 等提出 了天 棚 阻 尼
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设悬架自由度弹簧阻尼系统动力方程为 ( / ( * * .+ 0. 0. 0." 3 4) 5 5 1$+ 1 2+ 16 !) * 表示外部激励的 ) 阶 向 量" * 是) 维 5 7* 4) 5 8* !!!) 控制力向量 " 控 制 力 位 置 矩 阵" 3 是) 9O8* 6 是) 9 外部激励位置矩阵 # O 7* 状态空间表达式的形式为 ( ( *" : * * * )) 5 )) 5 4) 5 5 1; 1!) * 为状态向量) " )) 5 , 9* : 为系统矩阵) , 9 !! 式中 ( " " O, 9* ; 为控制力位置矩阵) , 9O8* - 为外部激 励位置矩阵 ) # , 9O 7* 采用 7 MN 模 态 控 制 算 法 设 计 主 动 最 优 控 制力 ( *"#< * 4) 5 =) 5 !! 国内在相关领域研究比较深入的是装甲兵工程 学院 关 于 履 带 车 辆 悬 挂 系 统 的 半 主 动 控 制 策 略
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