汽车智能悬架系统

汽车悬架的前沿智能控制策略
模糊PID控制原理图
由于汽车悬架智能控制系统具有非线性、迟滞性和饱和特性,难以用精确的数学模型 描述。因此,采用常规的线性控制方法,难以达到良好的控制效果。模糊控制具有建模简单、 控制精度高和非线性适应性强等优点,相对于传统的PID控制,模糊控制具有响应快、超调小 和鲁棒性强等特点,可以获得良好的控制效果。但由于受到控制器存储量的限制,模糊规则 的划分只能是有限的,不可能无限细分下去,从而限制了模糊控制的精度,控制性能比较粗糙。 因此,我们提出了将传统的PID控制与模糊控制相结合构成模糊PID控制,并通过研究模糊PID 的控制原理和实验仿真分析验证该控制策略的有效性与可行性。
MR智能减振与标准减振的减振效果比较
前冲
视频 链接
侧翻
22标准减振系统
MR智能减振系统
磁流变液的研究现状
磁流变液（MRF）属于可控流体，是由非胶体的细小颗粒分散溶于绝缘载液 中形成的随外加磁场变化而可控制其粘度的稳定的悬浮液。在无外磁场作用时， 其具有良好的流动性，而在强磁场作用下，磁流变液可在毫秒级时间内连续、可 逆地转变为具有高粘度、低流动性的 Bingham 体，其表观粘度可增大两个数量 级以上，呈现类似固体的力学性质。正是由于它的这种连续、可逆、迅速和易于 控制的特点，使得其应用空间广阔。 关键技术问题： 零场粘度比较大； 饱和剪切屈服应力仍然需要提升； 长期使用中的沉淀、团聚、稳定性问题； 温度稳定性问题； 长期使用的摩擦、磨损问题。
自感知自供电自适应控制磁流变减振器结构
课题组后期研究方向
国内外关于磁流变减振器自供电、自感知方面的研究刚 刚起步，仅有香港中文大学、美国部分大学的学者在自供电 、自感知开展研究，尚没有见到提出将传感、驱动、控制、 供电集成于一体的磁流变自感知自供电自适应减振器研究思 路和方法。 为此，项目组在前期对汽车磁流变半主动悬架研究的基 础上，申请了发明专利“自感知自供电自适应控制磁流变减 振系统”，目前已公开受理！
悬架的种类和工作原理
被动悬架
汽车被动悬架无需输入外部能量，其优点是结构简单，缺陷是难于满足不同路 面上高速行驶车辆的操作稳定性和行驶平顺性，减振效果较差。
半主动悬架
半主动悬架系统属于无源控制，系统输入少量的调节能量来局部改变系统的动特 性（阻尼系数），其结构简单、能耗低、控制品质接近主动悬架。综合来看性价比最 高，所以已成为国内外研究开发的热点。
汽车悬架简介
横向推力杆 横向稳定杆 阻尼元件
弹性元件
纵向推力杆
汽车悬架简介
视频演示：悬架概述
汽车悬架简介
汽车悬架是连接车身与车桥的力传动部件总成。其主 要作用是将来自路面的横向、纵向和垂直方向的力以及力 矩传递给车身使车辆能够正常稳定地运行。 汽车悬架装置通常由弹性元件、导向装置和减振器三 部分组成。悬架性能影响车辆的动态附着性能，对整车的 平顺性（乘坐舒适性）、安全性（操纵稳定性、制动性、 动力性）、经济性等均有很大的影响。车辆悬架系统性能 降低会导致制动点头，俯仰和测倾振动加剧，轮胎磨损加 剧，转向系统及悬架系统和车身零件的振动加剧等。
课题组后期研究方向
1、通过对振动能量的采集及利用，有效地避免了磁流变减 振器对电能的依赖，使磁流变减振器在电能难以保证的环境 中也能应用。 2、通过将状态自感知模块集成到磁流变减振器中，在采集 能量的同时能对磁流变减振器工作状态参数的提取，极大地 提高了系统的可靠性，大幅降低了传感系统的成本，为推广 磁流变技术具有重要的意义。 3、通过集成到磁流变减振器中的控制模块，根据磁流变减 振器所处的状态，自适应地调节输出的阻尼力，从而提高了 磁流变减振系统的自适应能力。 4、本发明结构比较紧凑，使传感、控制、供电以及驱动为 一体，可极大地提高系统的可靠性、降低系统的成本，与现 有的磁流变减振系统比较，因此具有比较高的性价比。
主动悬架
Baidu Nhomakorabea
主动悬架系统由刚度可调弹簧、阻尼可调减震器及作动器组成。在各种实际工况下， 传感器将采集到的反映车身变化及悬架振动的信号传给控制器，控制器控制作动器产生 合适的力来调节车身的振动。同时，通过各种反馈信息调节弹簧刚度和减震器阻尼系数。 这样，主动悬架在各种工况下都能保持最佳状态，以保证行驶过程中具有良好的操纵稳 定性、行驶平时性，且在一定程度上保证了行车安全。
截止去年底，我国汽车保有量达1.37亿辆，全国有31 个城市的汽车数量超过100万辆，其中北京、天津、成都 、深圳、上海、广州、苏州、杭州等8个城市汽车数量超 过200万辆，北京市汽车超过500万辆。 由此可见，汽车已成为人们日常生活密不可分的一部 分，并将在未来很长一段时间内和人们保持密切的关系。 于是，汽车的安全性、舒适性成为人们关注的热点问题。 而良好的汽车悬架性能是保证汽车整车的平顺性（乘坐舒 适性）、安全性（操纵稳定性、制动性、动力性）、经济 性等的重要因数。
基于磁流变减振器的智能控制系统
磁流变智能悬架减振过程控制示意图
被控对象的振动响应信息被传入控制器，控制器根据预先设定的控制规律改变阻尼通 道内磁流变液的磁场强度，产生不同屈服应力和表观黏度系数，由此控制阻尼力，进而达 到汽车悬架智能减振的目的。 目前应用于悬架控制的理论涉及到几乎所有先进的控制方法和策略，概括起来主要有： 天棚阻尼控制、最优控制、预测控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制、神经网络控制、 复合控制等。
悬架系统减振性能评价指标
车辆减振系统的性能好坏有三个评价指标:车身垂直加速度、悬架动位移和轮胎动载 荷。车身垂直加速度直接反映车辆行驶的平顺性。平顺性评价方法有主观评价和客观评价 方法，主观评价方法根据个人感觉的不同,因人而异,平顺性的好坏难以判断；客观评价方 法中常用的车身垂直加速度的幅值及其均方根值。悬架动位移太大会撞击限位块,严重情况 下会击穿悬架,同时会改变车轮定位参数,使汽车的平顺性和操纵稳定性变差，悬架动位移 过小会向车身传递更多的冲击,使乘坐舒适性变差。轮胎动载荷关系到轮胎的接地性,因此 也是悬架性能的一个评价指标，片面地追求乘坐舒适性会增大轮胎的动载荷,当动载荷变化 的幅值大于静载荷时(大于1)时,会使轮胎发生“轮跳”现象,影响汽车的接地安全性和操纵 稳定性。 有关仿真结果表明,反映车辆平顺性的车身垂直加速度与反映操纵稳定性的轮胎动载荷 是相互矛盾的,车身垂直加速度减小,相应的轮胎动载荷增大,反之亦然,但轮胎动载荷增大 幅度小于车身加速度降低的幅度。因此，在保证操纵稳定性的前提下,适当的调节减振器阻 尼特性，可以有效提高车辆行驶的平顺性。
油液阻尼器和磁流变阻尼器对比
磁流变减振器的优点
与传统的油液减振器相比，磁流变减振器的优点较为突出。磁 流变减振器是一种以磁流变液的磁流变效应为工作基础的减振设备 ，属于半主动式的智能减振器，相比传统减振器的被动减振效果， 磁流变减振器能够根据汽车行驶时的路面状况，实时调整自身阻尼 力的大小，以达到主动减振的效果，能更好地改善汽车行驶时的舒 适性与安全性。简而言之，它具有以下优点： 结构简单； 响应快； 工作阻尼力大； 阻尼力连续可调； 适应性强（可适应各型路面）。
悬架的种类和工作原理
车桥是否断开
独立悬架 非独立悬架
悬架
根据悬架的阻尼 和刚度是否随着 行驶条件的变化 而变化
被动悬架
半主动悬架
全主动悬架
汽车悬架简介
汽车悬架的作用： 弹性件受到冲击时会产生长时间持续的振动,容易使驾驶 员疲劳而发生车祸,故减振元件必须快速衰减振动。 当汽车轮胎受到冲击而跳动时,应使其运动轨迹符合一定 的要求,否则会降低汽车的平顺性和稳定性。 导向构件在传力的同时,必须对方向进行控制。 当汽车轮胎受到冲击时，弹性元件对冲击进行缓冲，防止 对汽车构件和人员造成损伤。
悬架的种类和工作原理
独立悬挂系统因其车轮触地性良好、乘坐舒适性及操纵安定性大幅提升、左右两轮可 自由运动，轮胎与地面的自由度大，车辆操控性较好等优点目前被汽车厂家普遍采用。其 质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧， 改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行驶 稳定性。左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬挂系统 存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。
悬架的种类和工作原理
非独立汽车悬架
独立汽车悬架
悬架的种类和工作原理
非独立悬挂的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时，另一侧车轮也相应 跳动，使整个车身振动或倾斜。非独立悬挂系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架 相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身的下面。非独立悬挂系统具 有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但是其舒适性 及操纵稳定性都较差。
基于MRD的汽车智能悬架系统
目录
1. 项目背景 2. 汽车悬架简介 3. 磁流变智能悬架的设计
4. 技术难点及研究成果展示
项目背景
2007-2012年中国汽车保有量及增长
项目背景
2006-2011年全国百户家庭汽车保有量走势图
项目背景
2007-2012年中国汽车保有量（民用汽车、私人汽车）
项目背景
半主动悬架
目前，在半主动悬架系统中改变弹簧刚度要比改变阻尼困难，因此半主动悬架研究 主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可调减振器作为执行机构。从简式减 振器阻尼产生机理来看，实现阻尼调节的方式有两种： 一是调节减振器油液的黏度； 二是调节节流口的开度。 磁流变减振器就是采用第一种途径（即调节减振器油液的黏度），通过控制外部电 流强度来控制阻尼通道间隙处的磁场强度，最终改变磁流变液黏度，继而达到阻尼力可 控的期望。 汽车磁流变半主动悬架系统的主要原理:采用传感器装置(如加速度传感器)实时感知 路面激励及汽车簧上和簧下质量的振动信号，对这些信号进行分析和处理，并把有用信 号传递给处理器，处理器根据采用的控制策略和控制算法，分析处理这些信息，并发出 控制信号，对悬架系统进行控制，驱动磁流变阻尼器产生控制力，达到实时减振要求和 目的，从而实现汽车悬架系统的智能化和半主动控制。 磁流变减振器结构简单，制造成本不高，且无液压阀的振动冲击和噪声，不需要复 杂的驱动机构。磁流变液体响应快，在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等方面 有很好的性能。
磁流变减振器的研究现状
磁流变减振器的主要工作模式：
流动模式
剪切模式
挤压模式
磁流变减振器的工作原理
磁流变减振器就是调节减振器油液的黏度，通过控制外部电流强度来控制阻尼通道间 隙处的磁场强度，最终改变磁流变液黏度，继而达到阻尼力可控的期望。
课题组现阶段研究成果
课题组后期研究方向
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
课题组后期研究方向
（1）由双伸杆磁流变减振器、振动能量采集装置、能量存 储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统组成； （2）振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感 知模块及自适应控制系统与磁流变减振器集成为一体； （3）通过能量采集装置将系统的机械能量转化为电能，电 能由能量存储及管理模块进行存储与管理，对传感器、控制 器及磁流变减振器供电； （4）通过状态自感知模块实现磁流变减振器自身工作状态 的感知，为自适应控制提供决策依据； （5）自适应控制器根据磁流变减振器自身工作状态自适应 调节磁流变阻尼器的工作阻尼力 。
悬架系统经典控制策略
天棚控制策略和地棚控制策略对比分析 skyhook阻尼控制策略能够大幅降低车身垂向振动加速度，而且有良好的鲁棒性。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。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，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，与天棚刚好相反。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，可以兼顾平顺性和操纵稳定性的要求，目前 产业化的半主动悬架系统中采用的控制策略大都是基于skyhook理论的阻尼控制策略。