半主動懸架設計

懸架歷史：隨著世界經濟、科技水平的發(fā)展，人們對汽車的要求也越來越高，因此生產即安全又舒適的高性能汽車成為汽車工業(yè)發(fā)展的新方向。 而作為汽車重要組成部分的懸架，其性能的優(yōu)越直接影響車輛的安全性和舒適性。 因此，懸架的發(fā)展先后經歷了被動懸架、主動懸架的演變過程。然而，由于被動懸架本身結構的限制，其性能相對較差；主動懸架結構復雜、制造成本較高，在商業(yè)上也沒能得到廣泛應用。后來，人們提出了介于前兩種懸架之間的半主動懸架，它既有被動懸架結構簡單、成本低廉，又有主動懸架的優(yōu)越性能，因此，受到人們的廣泛關注。組成：懸架是車架與車橋之間的一切連接和傳力裝置的總稱。主要由彈性元件、減振器和導向機構組成。懸架是汽車的一個重要組成部分，它把車架或車身與車輪彈性的連接起來。因此，其性能的好壞直接影響車輛的行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。其總體結構如圖1.1其總體結構如圖1.1所示。f-r懸架按導向機構、彈性元件和阻尼元件不同，可分成不同的懸架類型。以阻尼元件為例，按阻尼元件的不同，可以分成固定阻尼系數的懸架和可變阻尼系數的半主動懸架兩種。本文就是以可變阻尼系數的半主動懸架為例進行研究的。按其發(fā)展過程來講，懸架先后經歷被動懸架、主動懸架和半主動懸架三種懸架的發(fā)展歷程。迄今為止，被動懸架發(fā)展歷史最悠久，性能比較穩(wěn)定、技術相對成熟，更兼結構簡單、制造成本低廉，因此，仍在各種車輛上廣泛應用。但其彈性和阻尼不能隨外部工況變化而變化，已經遠不能滿足人們對乘坐舒適性和安全性的要求。隨著計算機技術的發(fā)展和傳感器、微處理器及液、電控元件制造技術的提高，使可控懸架在車輛上的應用成為可能。半主動懸架：半主動懸架是指懸架彈性元件剛度和減振器阻尼力之一或兩者均可根據需要進行捌節(jié)的懸架。由于半主動懸架在控制品質上接近于主動懸架，且結構簡單，能量損耗小， 成本低，因而具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?半主動懸架技術發(fā)展現狀根據懸架的阻尼和剛度是否隨著行駛條件的變化而變化，可將懸架分為被動懸架、半主動懸架和主動懸架。隨著生活水平的不斷提高，用戶對汽車舒適性的要求也越來越高，傳統(tǒng)的汽車懸架系統(tǒng)已不能滿足人們的要求。人們希望汽車車身的高度、懸架的剛度、減振器的阻尼大小能隨汽車行駛速度以及路面狀況等行駛條件的變化而自動調節(jié)， 從而實現乘坐舒適性的提高。1973年，美國加州大學戴維斯分校學者的DACr0Sb丫和D.C.Kamopp首先提出了半主動懸架的概念。其基本原理是：用可調剛度彈簧或可調阻尼的減振器組成懸架，并根據簧載質量的加速度響應等反饋信號，按照一定的控制規(guī)律調節(jié)彈簧剛度或減振器的阻尼，以達到較好的減振效果。半主動懸架分為剛度可調和阻尼可調兩大類。目前，在半主動懸架的控制研究中以對阻尼控制的研究居多。阻尼可調半主動懸架又可分為有級可調半主動懸架和連續(xù)可調半主動懸架有級可調半主動懸架的阻尼系數只能取幾個離散的阻尼值，而連續(xù)可調半主動懸架的阻尼系數在一定的范圍內可連續(xù)變化。半主動懸架的建模：1：可調減震器：3.1可調阻尼減振器設計有級可調減振器阻尼可在23檔之間快速切換，切換時間通常為1020ms。有級可調減振器實際上是在減振器結構中采用較為簡單的控制閥，使通流面積在大、中等和最小之間進行有級調節(jié)。通過減振器頂部的電機控制旋轉閥的旋轉位置，使減振器的阻尼在“軟、中、硬”三檔之間變化。有級可調減振器的結構及其控制系統(tǒng)相對簡單，但在適應汽車行駛工況和道路條件的變化方面有一定的局限性。1 .2連續(xù)可調減振器連續(xù)可調減振器的阻尼調節(jié)可采取以下兩種方式。1.2.1節(jié)流孔徑調節(jié)早期的可調阻尼器主要是節(jié)流孔可實時調節(jié)的油液阻器。通過步進電機驅動減振器的閥桿，連續(xù)調節(jié)減振器節(jié)流閥的通流面積來改變阻尼，節(jié)流閥可采用電磁閥或其它形式的驅動閥來實現。這類減振器的主要問題是節(jié)流閥結構復雜，制造成本高。1.2.2減振液粘性調節(jié)使用黏度連續(xù)可調的電流變或磁流變液體作為減振液，從而實現阻尼無級變化，是當前的研究熱點。電流變液體在外加電場作用下，其流體材料性能，如剪切強度、粘度等會發(fā)生顯著的變化，將其作為減震液，只需通過改變電場強度，使電流變液體的粘度改變，就可改變減振器的阻尼力。電流變減振器的阻尼可隨電場強度的改變而連續(xù)變化，無須高精度的節(jié)流閥，結構簡單，制造成本較低，且無液壓閥的振動、沖擊與噪聲，不需要復雜的驅動機構，作為半主動懸架的執(zhí)行器是一個非常好的選擇。但電流變液體存在如，電致屈服強度小，溫度工作范圍不寬，零電場粘度偏高，懸浮液中固體顆粒與基礎液體之間比重相差較大，易分離、沉降，穩(wěn)定性差，對雜質敏感等問題。要使電流變減振器響應迅速、工作可靠，必須解決以下幾個問題：設計一個體積小、重量輕、能任意調節(jié)的高壓電源；為保證電流變液體的正常_T作溫度，有一個散熱系統(tǒng)；高壓電源的絕緣與封裝。國外如德國Bayer公司和美國Lord公司都已有電流變減震器產品。磁流變液體是指在外加磁場的作用下，流變材料性能發(fā)生急劇變化的流體。通過控制磁場強度，可實現磁流變減振器阻尼的連續(xù)、無級調節(jié)。磁流變減振器具有電流變減振器相似的特點，磁流變液是一種由細小的磁性顆粒懸浮于絕緣介質中形成的液體。其黏度隨著外加磁場強度的增加而遞增，直至半固態(tài)，而一旦外加磁場消失，它又自行恢復原狀，整個過程可在毫秒級時間內完成。美國Lord公司、福特公司德國BASF等紛紛投入巨資進行了研究，女吐ord公司開發(fā)的磁流變液MRX-I26PD,采用單出桿活塞缸結構設計的磁流變減振器已用于大型載重汽車半主動懸架減振系統(tǒng)。電流變液與磁流變液的特性如表1所示。它們都能滿足汽車工作要求。但在屈服應力、溫度

范圍、塑性粘度和穩(wěn)定性等性能方面磁流變液體強于電流變液體。早期的可調阻尼器主要是節(jié)流孔可實時調節(jié)的油液阻尼器。通過步進電機驅動減振器的閥桿，連續(xù)調節(jié)減振器節(jié)流閥的通流面積來改變阻尼， 節(jié)流閥可采用電磁閥或其它形式的驅動閥來實現。這類減振器的主要問題是節(jié)流閥結構復雜，制造成本高。3 .2可調阻尼減振器特性試驗試驗在MT公司生產的850SHOOKABSORBERTESTSYS進行，試驗時，將可調阻尼減振器的阻尼分成8級，分別代表可調阻尼減振器的步進電動機轉過12。、24。、36。、48。、60。、72。、84。、96。，采用正弦波作為輸入，分別得到8種工況下拉伸與壓縮過程中的示功圖（圖2）以及速度特性圖（圖3）。（fc格訕（fc格訕Tim2可調冏尼減檢^匚況（uar刖亦功圖10jf.00jf400』帚，圖3可詭陰尼減振器Twiir時的逋度特性試驗結果表明，設計的可調減振器在5種激振頻率下的示功圖飽滿、圓滑，基本沒有空行程和畸形；拉伸和壓縮行程時，活塞的拉伸與壓縮速度和阻尼力近似為線性關系，因此，這為半主動懸架阻尼控制模型建立時分析其速度特性提供了重要依據。2半主動懸架控制策略近年來，國內外學者對半主動懸架控制方法進行了大量的研究， 控制方法幾乎涉及到所有的控制理論的所有分支，許多控制方法如天棚阻尼控制、PID控制、最優(yōu)控制、 自適應控制、神經網絡控制、滑模變結構控制、模糊控制等在半主動懸架上得到了應用。2. 1天棚阻尼控制天棚阻尼控制方法是最早提出的控制方法。該控制方法是由美國D.KARNOPP教授提出，在早期的半主動懸架上得到了廣泛應用，但天棚阻尼控制只解決了懸架系統(tǒng)的舒適性而沒有很好解決操縱穩(wěn)定性問題。因此，目前研究的重點是改進型的天棚阻尼控制方法。2.2最優(yōu)控制最優(yōu)控制是一種理論上最成熟、應用最廣泛的控制方式，它一般可分為線性最優(yōu)控制、最優(yōu)預測控制和H00最優(yōu)控制。線性最優(yōu)控制是將LQ(Linear—Quadratic)控制理論應用于車輛懸架系統(tǒng)中，其性能指標函數采用系統(tǒng)的狀態(tài)響應與輸入的加權二次型，在保證受控結構動態(tài)穩(wěn)定性的條件下，把線性二次型調節(jié)控制器理論和線性二次高斯型控制理論用于車輛半主動懸架系統(tǒng)中實現最優(yōu)控制。Hoo最優(yōu)控制是在閉環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下，相對于噪聲干擾的輸出取極小值的一種最優(yōu)控制方式，在車身質量、輪胎剛度、減振阻尼系統(tǒng)、車輛結構等存在不確定變化誤差時，采用Hoo最優(yōu)控制可使車輛懸架系統(tǒng)的減振控制具有較強的魯棒性。2.3自適應控制自適應控制具有參數辨識功能，能適應懸架載荷和元件特性的變化，自動調整控制參數，保持其性能最優(yōu)。應用于車輛懸架系統(tǒng)自適應控制方法主要有模型參考自適應控制和自校正控制兩類，其中自校正控制是目前應用較廣的一類。采用自適應控制的車輛懸架阻尼減振系統(tǒng)改善車輛的行駛特性，在德國大眾汽車公司的底盤得到了應用。2.4預測控制車輛懸架系統(tǒng)的預測控制是指通過傳感器將車輛前方路面信息預先傳給懸架裝置，使參數的調節(jié)與實際需求同步。預測控制可以通過某種方法提前測得前方路況的信息，使得控制系統(tǒng)有足夠的時間采取措施。預測控制可以分為兩類：一是用前輪懸架的狀態(tài)信息對后輪懸架進行預測控制；二是測量車輛行駛過程中前方道路的狀態(tài)信息，以此信息來對前后輪懸架進行預測控制。采用預測控制的關鍵是要獲得具有一定精度、不受干擾和反映路面真實情況的信息。2.6滑模變結構控制滑模變結構控制是控制理論的一個重要分支。它適用于線性或非線性系統(tǒng)，方法簡單，易于實現，對模型參數的不確定性和外界擾動具有高度的魯棒性?；Ｗ兘Y構控制本質上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現為控制的不連續(xù)性，這種控制策略與其它控制的不同之處在于系統(tǒng)的“結構”并不固定，而是可以在動態(tài)過程中根據系統(tǒng)當前的狀態(tài)(如偏差及其各階導數等)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動，由于滑動模態(tài)可以進行設計且與對象參數及擾動無關，這就使得變結構控制具有快速響應、對參數變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辯識，物理實現簡單等優(yōu)點。2.7模糊控制自20世紀90年代以來，模糊控制被應用到汽車半主動懸架系統(tǒng)的控制中。模糊控制是一種新型智能控制技術，與傳統(tǒng)控制相比，其系統(tǒng)的魯棒性好，尤其適用于非線性、時變和滯后系統(tǒng)。它的最大特點是允許控制對象沒有精確的數學模型，使用語言變量代替數字變量，與人的智能行為相似，由于車輛的部分參數經常變化以及在不同道路條件下行駛等特點，模糊控制尤為使用。2. 5神經網絡神經網絡是近20年來迅速發(fā)展起來的一門新興交叉學科，它是以大量處理單元（神經元）為節(jié)點，按某種拓撲結構所構成的高度并行的非線性動力學系統(tǒng)，其特點是具有自學習能力和大規(guī)模并行處理的能力，因而在車輛懸架系統(tǒng)減振控制中有著廣泛的應用前景。目前，神經網絡控制方法越來越多地應用在特定環(huán)境以及采用固定描述方式的多種目的的設計中。汽車半主動懸架系統(tǒng)具有非線性特點，常規(guī)的控制策略對非線性系統(tǒng)有一定的局限性，神經網絡的控制方法在車輛懸架控制系統(tǒng)中有著廣泛的應用前景建立神經網絡控制：其控制線路圖如圖所示為了評價神經網絡控制結構的為了評價神經網絡控制結構的性能，這里建立如下評價方法【4】J= 心嚴+捋】⑹式中J一評價函數的綜合指標X,-Xd一車輪動位移x2——車身加速度q-車輪動位移的加權系數則神經網絡控制半主動懸架評價函數為J{nr)=- (⑴+Xi(IT)] (7)式(7)的值得到了降低，在一定程度下說明車輛性能得到了較好地協調，這是神經網絡訓練的目的，因此，可按照梯度下降學習法，反求神經網絡的參數即可實現。對神經網絡參數求偏導，反求神經網絡的參數，即應用BP算法的反向過程.令1*1-XZ(X(/T),cfGT))=J(nT)⑻n*!/(XW).cfT))二忒^門+吐妙兀(仍_"尢(,門 i c加2 馬」 (9)式中X=[x,-x0Xj-X,X)X2]tT一采樣時間將式(7)對神經網絡參數求偏導御權重更新函數Az丁、 a/(?r)Au<nT)=-//——=dw(nT)“Mp/a"),q(i7i)ara7)In葛"aror)亦07)dl(X(iT\cSiT))dcAiT) (10)dct(iT)dw(iT)式中a—神經網絡訓練步長閾值更新函數WnT)=db{nT)“ai(x(iT)c(iT”ax(叮)+"7葛"、dX(iT)-db(iT)dc/iT)db(iT)由式(2)可得(10如兀（廳）4■◎空"也“巧一.5型出⑷ （12）式⑴）和式（1習中的各項可以由式⑼分別■導求得*根據弗隋式洌絡BP爨法的徐1E權值公式.進行神經網絡枚1ft和陶血更新上權重更新WJ?H+1）7）*兩廳Au<nT） （13）闞值展新帆5+on二b[nT）*站01巧 （14）因此，半主動懸架的神經網絡直接學習算法可歸納為：①訓練樣本的采集；將控制阻尼 Cr初始化為0,選擇合適的路面輸入，運行半主動懸架模型，得到用于神經網絡訓練的初始甩對樣本（葺，墨），并輸出狀態(tài)矢量x的數據。②計算被動懸架性能指標，并設定神經網絡訓練終止條件。③反求神經網絡參數。④更新神經網絡參數。⑤運行神經網絡控制模型（正向計算過程）和半主動懸架模型，采集新的訓練數據和狀態(tài)矢量數據。⑥計算半主動懸架評價函數，并判斷是否達到了神經網絡訓練的終止條件，如果達到了，則結束訓練過程，保存神經網絡參數，否則返回第③步繼續(xù)訓練。5.2半主動懸架的仿真計算基于建立的半主動懸架模型和直接學習神經網絡控制模型，利用Matlab5.3+Simulillk3.0+T001b-oox進行了仿真（計算結果見圖5和表），仿真采用4階Runge-Kutta法，步長為O.02s，可調阻尼Cr=10002000Ns/m可調阻尼減振器試驗拉伸阻尼范圍為0.752.14kN s/m考慮到仿真試驗的需要，仿真試驗時對可調阻尼范圍進行了適當放大，計算時的l/4車輛模型參數為：M1=30Kg,M2=220Kg,Kl=200000N/mK=20KN/mC0=1470N*s/m分別以正弦波、線性增加的掃頻波(f=0 20Hz)和濾波白噪聲作為路面輸入進行仿真。結果表明，對于頻率為5Hz的正弦波路面激勵信號輸入，車身加速度和車輪動載荷得到了較大的改善，而這一頻率的信號正是人體比較敏感的垂直振動信號，而采用直接學習方法的神經網絡控制器在人體反映敏感的頻帶性能優(yōu)良，較好地改善車輛的乘坐舒適性和行駛安全性；對于掃頻波路面速度激勵信號輸入，半主動懸架較好地協調了車輛的性能，在人體反映敏感的頻帶，車身加速度得到了很好的控制，在高頻共振區(qū)，該神經網絡控制效果有所減弱：對于濾波白噪聲路面速度激勵信號輸入，在保證行駛安全性(車輛動載荷和懸架動撓度)的同時，乘坐舒適性得到了一定的提高。仿真計算結果如下圖斗Jt禍氣H 斗Jt禍氣H FUif1粘、%伽心 忌代■的nwe?-2&ik半左想架nn>c7fl3.W352.C101297a.60?51I2JU2732人14I.J1SJlt$4JKOlU1WJm2JW33.?}0