汽車懸架及其控制系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài)分析.pdf

1、第 l 8 卷 第 2期 2 0 0 6年 4月 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) o u ma l o f Ye l l o w Ri v e r C o n s e r v a n c y T e c h n i c a l I n s t i t u t e V 0 I 1 8 No 2 Ao r ， 2 O o 6 汽車懸架及其控制系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài)分析 鄭蘭霞 ( 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 河南 開封4 7 5 0 0 4 ) 摘 要： 綜述汽車懸架系統(tǒng)及工作原理， 對以現(xiàn)代控制理論為核心的汽車懸架控制方法予以比較和 分析， 作出了相應(yīng)的評價(jià)， 探討了汽車懸架控制系統(tǒng)的研究方向和發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞：

2、 汽車懸架； 控制方法； 研究現(xiàn)狀； 發(fā)展方向 中圖分類號 ： T H1 5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ： A 文章編號： 1 0 0 8 4 8 6 X( 2 0 0 6 ) 0 2 0 0 4 40 4 0 引言 懸架系統(tǒng)是汽車的一個(gè)重要組成部分， 它的性能 是影響汽車行駛平順性、 操縱穩(wěn)定性和行駛速度的重 要因素。傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架是為適應(yīng)某一種路面而設(shè) 計(jì)的， 一般由具有固定參數(shù)的彈性元件和阻尼元件組 成， 它限制了汽車性能的進(jìn)一步提高。2 0 世紀(jì) 7 0 年 代工業(yè)發(fā)達(dá)國家開始研究基于振動(dòng)主動(dòng)控制的主動(dòng)、 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。 近年來隨著電子技術(shù)、 測控技術(shù)、 機(jī)械動(dòng)力學(xué)等 的快速發(fā)展， 汽車懸架系統(tǒng)由

3、傳統(tǒng)被動(dòng)隔振發(fā)展到振 動(dòng)主動(dòng)控制。特別是信息科學(xué)中對最優(yōu)控制、 自 適應(yīng) 控制、 模糊控制、 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的研究， 使懸架系統(tǒng) 振動(dòng)控制技術(shù)在現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下更趨完善 。隨 著汽車結(jié)構(gòu)和功能的不斷改進(jìn)和完善，研究汽車振 動(dòng)， 設(shè)計(jì)新型懸架系統(tǒng)， 將振動(dòng)控制到最低限度成為 提高現(xiàn)代汽車質(zhì)量的重要措施。 l 汽車懸架系統(tǒng)的類型與工作原理 根據(jù)現(xiàn)代汽車對懸架提出的各種性能要求 ， 懸架 的結(jié)構(gòu)形式和振動(dòng)控制方法也在不斷地更新和完 善。懸架的結(jié)構(gòu)形式很多， 按導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的形式， 可分 為獨(dú)立懸架和非獨(dú)立懸架兩大類 ； 按控制力則可以分 為被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架 3 種基本類型， 其簡化模型如

4、圖 1 所示。 1 1 被動(dòng)懸架 一 般的汽車絕大多數(shù)裝有由彈簧和減振器組成 的機(jī)械式懸架， 簡化模型如圖 1 ( a ) 所示。其中， 彈簧 主要用來支承簧上質(zhì)量的靜載荷， 而減振器主要用于 控制響應(yīng)特性。這種懸架系統(tǒng)的阻尼和剛度參數(shù)一 般是通過經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)或優(yōu)化設(shè)計(jì)方法選擇的，一旦確 定，在汽車行駛過程中就無法隨外部狀態(tài)變化而改 變。 一般為提高轉(zhuǎn)彎、 制動(dòng)等操縱過程的穩(wěn)定性， 要求 懸架應(yīng)具有高阻尼系數(shù)； 為隔開路面不平對汽車的擾 動(dòng)提高乘坐舒適性， 要求懸架應(yīng)具有低阻尼系數(shù)。被 動(dòng)懸架由于參數(shù)不能任意選擇和調(diào)節(jié)， 限制了其性能 的進(jìn)一步提高， 因此 減振性能較差。 1 一傳感器 ； 2一可

5、調(diào)減振 器； 3一力發(fā)生器 M一簧上質(zhì)量； K一彈簧剛度； C一減振器阻尼 ( a )被動(dòng)懸架 ( b ) 半主動(dòng)懸架 ( c ) 主動(dòng)懸架 圖 1 3種懸架系統(tǒng)的簡化模型 F i g 1 S i mp l e mo d e l s o f t h r e e k i n d s o f s u s p e n s i o n s y s t e ms 1 2 半主動(dòng)懸架 半主動(dòng)懸架的簡化模型如圖 1 ( b )所示 ，由可變 特性的彈簧和減振器組成。 其基本工作原理是根據(jù)簧 上質(zhì)量相對車輪的速度響應(yīng)和加速度響應(yīng)等反饋信 號， 按照一定的控制規(guī)律調(diào)節(jié)可調(diào)彈簧的剛度或可調(diào) 減振器的阻尼力。 半主

6、動(dòng)懸架在產(chǎn)生力方面近似于被 動(dòng)懸架， 但是其阻尼系數(shù)或剛度系數(shù)是可變的。 半主動(dòng)懸架通常以改變減振器的阻尼力為主， 將 阻尼分為兩級或三級， 由人工選擇或根據(jù)傳感器信號 收稿日期： 2 0 0 51 0 2 8 作者簡介： 鄭蘭霞( 1 9 6 4一) ， 女， 山東聊城人， 副教授 ， 從事工程機(jī)械教學(xué)與研究工作。 維普資訊 郟蘭霞： 汽車懸架及其控制系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài)分析 自動(dòng)確定阻尼級。半主動(dòng)懸架的研究工作始于 1 9 7 3 年，由D A C r o s b y 和D C K a mo p p 首先提出。1 9 8 4 年 日 產(chǎn)公司研制出一種聲納式半主動(dòng)懸架， 它能通過 聲納裝置預(yù)測前方路

7、面的信息， 及時(shí)調(diào)整懸架減振器 的3 種狀態(tài)。 另外， D A C r o s b y 等人提出了阻尼連續(xù) 可調(diào)的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)。 通過改變彈簧 剛度構(gòu)成 的半主動(dòng)懸架 由 H u b b a r d 等人于 1 9 7 6年提出， 彈簧剛度的改變是通過切 換空氣彈簧實(shí)現(xiàn)的。與機(jī)械彈簧相比， 空氣彈簧存在 更多的優(yōu)勢。因此， 國外早在 2 O 世紀(jì) 8 O 年代就已將 空氣彈簧懸架應(yīng)用于各種車輛， 與被動(dòng)懸架相比， 其減振 效果較好。 1 3 主動(dòng)懸架 主動(dòng)控制懸架簡化模型如圖 1 ( C )所示，由彈性 元件和一個(gè)力發(fā)生器組成。力發(fā)生器的作用在于改 進(jìn)系統(tǒng)中能源的消耗并供給系統(tǒng)以能量， 該裝

8、置的控 制目 標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)一個(gè)優(yōu)質(zhì)的隔振系統(tǒng)， 而又無需對系 統(tǒng)作出較大的改變， 只需使力發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)正比于 絕對速度負(fù)值的主動(dòng)力， 即可實(shí)現(xiàn)該控制目標(biāo)。這種 懸架的減振效果非常理想。 主動(dòng)懸架系統(tǒng)通常有兩種形式 ， 即由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的 空氣式懸架和由電磁閥驅(qū)動(dòng)的油氣式懸架。日 產(chǎn)和 豐田公司的一些高級車上裝載的油氣式主動(dòng)懸架如 圖 2 所示， 由一個(gè)電液比例閥( 針閥) 和一個(gè)機(jī)械式壓 力伺服滑閥構(gòu)成壓力控制閥。其工作原理是： 當(dāng)路面 激勵(lì)頻率較低時(shí)， 由計(jì)算機(jī)對控制閥的線圈施加一電 流使針閥打開， 在控制閥的出口處即產(chǎn)生一個(gè)與之成 比例的輸出油壓， 通過控制液壓缸內(nèi)的油壓來控制汽 車的振動(dòng)；

9、當(dāng)路面激勵(lì)頻率適中時(shí)， 主要由滑閥的機(jī) 械反饋功能對液壓缸內(nèi)的油壓進(jìn)行伺服控制， 從而進(jìn) 行車體減振； 當(dāng)激勵(lì)頻率較高時(shí)， 則利用與液壓缸連 通的氣體彈簧室吸收振動(dòng)能量而達(dá)到減振。 1 一油泵； 2一滑 閥； 3一 控 制閥； 4一針 閥； 5一線 圈 6一加速度傳感器； 7一液壓缸 ； 8 一氣體彈簧室 圖 2 油氣式 主動(dòng)懸架 F i g 2 Ol e oPn e u ma t i c a c t i v e s u s p e n s i o n 目前， 主動(dòng)懸架由于硬件價(jià)格昂貴、 能量消耗過 大， 僅用于排量較大的高檔車型。因此， 主動(dòng)懸架研 究的主要任務(wù)之一是減少功率消耗 、 提高控

10、制系統(tǒng)的 集成化。 2 汽車懸架控制系統(tǒng)的控制方法 汽車懸架控制系統(tǒng)是一個(gè)含有許多不確定因素 的非線性的機(jī)、 電、 液一體化系統(tǒng)， 由于模型的線性控 制策略受到很大的限制， 用傳統(tǒng)控制方法難以達(dá)到其 預(yù)定的性能要求。目前應(yīng)用于汽車懸架控制系統(tǒng)的 控制方法主要有現(xiàn)代控制方法 ( 如自 適應(yīng)控制方法、 預(yù)見控制方法 、 最優(yōu)控制方法及魯棒控制方法 ) 和智 能控制方法( 如模糊控制、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制) 以及復(fù)合控 制方法。 2 1 自適應(yīng)控制方法 自適應(yīng)控制是針對具有一定不確定性 的系統(tǒng)而 設(shè)計(jì)的， 可以 自動(dòng)檢測系統(tǒng)的參數(shù)變化 ， 從而時(shí)刻保 持系統(tǒng)的性能指標(biāo)為最優(yōu)。其基本出發(fā)點(diǎn)是根據(jù)系 統(tǒng)當(dāng)前輸

11、入的相關(guān)信息， 從預(yù)先計(jì)算并存儲的參數(shù)中 選取當(dāng)前最合適的控制參數(shù)。其設(shè)計(jì)關(guān)鍵是選擇能 準(zhǔn)確、 可靠地反映輸入變化的參考變量， 只要參數(shù)選 擇適當(dāng)， 控制器即可快速 、 方便地改變控制參數(shù)， 以適 應(yīng)當(dāng)前輸入的變化。 應(yīng)用 于汽車懸架控制系統(tǒng) 的 自適應(yīng)控制方法主 要有 自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策 略。自校正控制是一種將受控對象參數(shù)在線識別與 控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法， 如圖3 所示。模 型參考 自適應(yīng)控制的原理是當(dāng)外界激勵(lì)條件和汽車 自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)， 汽車的振動(dòng)輸出仍能跟蹤 所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ汀２捎米赃m應(yīng)控制的汽車懸 架減振器在德國大眾汽車公司 的汽車底盤上得到

12、了 應(yīng)用。合肥工業(yè)大學(xué)陳無畏教授等人將自適應(yīng)控制 技術(shù)應(yīng)用于汽車半主動(dòng)控制懸架，在實(shí)車應(yīng)用過程 中， 減振性能明顯優(yōu)于被動(dòng)懸架。 圖 3 自校正 自適應(yīng)控制框圖 F i g 3 S e l f c o r r e c t i o n a n d s e l f a d a p t a t i o n c o n t r o l 2 2 預(yù)見控制方法 預(yù)見控制方法是利用車輛前輪的擾動(dòng)信息預(yù)估 路面的干擾輸入 ， 將測量的狀態(tài)變量反饋給前后控制 器實(shí)施最優(yōu)控制。由于這種控制技術(shù)可以通過某種 方法提前檢測到前方路面 的狀態(tài)和變化 ， 將使控制系 統(tǒng)有足夠的時(shí)問采取措施 ， 因此 ， 可大大降低系統(tǒng)的

13、 能耗。根據(jù)預(yù)見信息的測量及利用方法不同， 可構(gòu)成 4 5 維普資訊 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào) 2 0 0 6年第 2期 不同的預(yù)見控制系統(tǒng)， 如對四輪進(jìn)行預(yù)見控制和利用 前輪擾動(dòng)信息對后輪進(jìn)行預(yù)見控制。一個(gè)控制系統(tǒng)， 如果在決定控制指令時(shí)，不僅考慮系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)， 而且還對系統(tǒng)未來的目 標(biāo)值或干擾予以考慮， 這樣一 種預(yù)見控制的方法， 往往能彌補(bǔ)因系統(tǒng)響應(yīng)速度不足 所帶來的缺陷，降低系統(tǒng)控制能量的峰值和消耗量， 從而改善系統(tǒng)的控制性能。 2 3 最優(yōu)控制方法 最優(yōu)控制首先要確定一個(gè)明確的目標(biāo)函數(shù)， 通過 一 定的數(shù)學(xué)方法計(jì)算出使該函數(shù)取極值時(shí)的控制輸 入。一般情況下，目標(biāo)函數(shù)的確定要靠經(jīng)驗(yàn)，

14、 最優(yōu)控 制的解只有在極少數(shù)情況下才能得 出解析解 ， 有的可 以通過計(jì)算機(jī)得到數(shù)值解。應(yīng)用于汽車懸架控制系 統(tǒng)的最優(yōu)控制方法常用的有線性最優(yōu)控制和 H 。 最 優(yōu)控制等。 2 3 1 線性最優(yōu)控制 線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想的模型基 礎(chǔ)上， 采用受控對象的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二 次型作為性能指標(biāo)， 同時(shí)保證受控結(jié)構(gòu)在動(dòng)態(tài)穩(wěn)定條 件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。例如， 將線性二次型調(diào)節(jié)器控制 理論和線性二次高斯型控制理論應(yīng)用于車輛懸架系 統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制。 2 3 2 最優(yōu)控制 最優(yōu)控制方法是通過設(shè)計(jì)控制器，在確保閉 環(huán)系統(tǒng)各回路穩(wěn)定的條件下， 使相對于干擾的輸出取 最小的一種最優(yōu)控制方法。 應(yīng)用

15、 最優(yōu)控制方法可 以模擬由于車身質(zhì)量、 輪胎剛度和減振器阻尼系數(shù)等 變化不確定的誤差， 使汽車懸架振動(dòng)控制具有較強(qiáng)的 適應(yīng)不確定因素影響的能力。由于實(shí)際的車輛系統(tǒng) 往往是時(shí)變的非線性系統(tǒng)， 從而使實(shí)際系統(tǒng)達(dá)不到運(yùn) 用最優(yōu)控制理論所預(yù)期的性能。因此有必要對 系統(tǒng) 進(jìn)行魯棒性分析， 即在各種模型誤差及不確定擾動(dòng)的 情況下 ， 研究系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性問題。 2 。 4 智能控制方法 智能控制是一門新興的學(xué)科， 是針對系統(tǒng)及其控 制環(huán)境和任務(wù)的不確定性而提出來 的。智能控制過 程含有復(fù)雜性、 不確定性， 且一般不存在已知算法的 非傳統(tǒng)數(shù)學(xué)公式化的過程。在智能控制過程中， 以知 識信息為基礎(chǔ)進(jìn)行推理和學(xué)習(xí)

16、， 用啟發(fā)式方法來引導(dǎo) 求解。因此 ， 就智能控制過程而言， 系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成 為對環(huán)境和任務(wù)的變化有快速的應(yīng)變能力， 且能完成 各種難以用傳統(tǒng)的分析數(shù)學(xué)和統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法定義得 清楚的任務(wù)。目前， 智能控制技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種 系統(tǒng)中， 智能性已成為衡量產(chǎn)品和技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)用 于汽車懸架系統(tǒng)的智能控制主要有模糊控制和神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)控制。 2 4 1 模糊 控 制 模糊控制是近年來迅速發(fā)展起來的新型控制方 法 ， 其特點(diǎn)是允許控制對象沒有精確的數(shù)學(xué)模型， 使 用語言變量代替數(shù)字變量， 在控制過程中包含有大量 人的控制經(jīng)驗(yàn)和知識， 與人的智能行為相似， 結(jié)構(gòu)控 制框圖如圖4 所示。 其控制器的輸入量可選擇

17、車身加 速度和車身與車輪的相對速度 ， 輸出量為動(dòng)力裝置產(chǎn) 生的作用力。 圖 4模糊控制框 圖 F i g 4 Fu z z y c o n t r o l 模糊控制方法應(yīng)用于汽車懸架系統(tǒng)的研究文獻(xiàn) 較多， 其中具有代表性的是 日 本德島大學(xué)芳村敏夫教 授的研究工作， 他同時(shí)把模糊控制方法應(yīng)用于汽車懸 架半主動(dòng)和主動(dòng)控制系統(tǒng)， 其結(jié)果證明了模糊控制方 法的有效性。 日本名古屋大學(xué)橋山智訓(xùn)等采用 G A ( g e n e t i c a l g o r i t h m 遺傳算法) 設(shè)計(jì)車輛懸架半主動(dòng)系 統(tǒng)的模糊控制器， 計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果顯示結(jié)合 G A的模 糊推理方法比常規(guī)方法更有效。 2 4

18、2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控 制 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由大量處理單元 ( 神經(jīng)元) 組成 的高度并行的非線性動(dòng)力系統(tǒng)， 其特點(diǎn)是可學(xué)習(xí)性和 巨量并行性， 故在汽車懸架控制系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用 前景。研究表明， 用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的非線性懸架系統(tǒng) 和用傳統(tǒng)的 L Q ( 1 i n e a r q u a d r a t i c線性二次型) 調(diào)節(jié)器 控制的懸架相比具有更好的性能。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是生物學(xué)中腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的某種抽 象、 簡化和模擬， 它是由大量類似于人腦神經(jīng)元的基 本信息處理單元通過廣泛連接而構(gòu)成的高度非線性 超大規(guī)模連續(xù)時(shí)間動(dòng)力系統(tǒng) ， 反映 了人腦功能的若干 基本特性， 控制框圖如圖5 所示。作為一種并行分布

19、 圖 5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制框圖 Fi g 5 Ne u r a l n e t wo r k c o n t r o l 式處理系統(tǒng) ， 它具有 自動(dòng)獲得知識 、 聯(lián)想記憶 ， 自適應(yīng) 性、 良好的容錯(cuò)性和推廣能力。目 前， 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制 方法越來越多地應(yīng)用在特定環(huán)境以及采用固定描述 維普資訊 鄭蘭霞： 汽車懸架及其控制系統(tǒng)研究動(dòng)態(tài)分析 方式的多種 目的的設(shè)計(jì)中。 2 5 復(fù)合控制方法 目 前， 汽車懸架控制方法的研究幾乎涉及到控制 理論的所有分支， 各種控制方法均有其特點(diǎn)和不足之 處。而采用復(fù)合控制方法則往往能收到意想不到的 效果， 如自 適應(yīng)控制與魯棒控制的復(fù)合、自 適應(yīng)控制 與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)

20、合、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與最優(yōu)預(yù)見控 制的復(fù)合以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制的復(fù)合等。 研究表明， 復(fù)合控制方法更適用于汽車懸架這樣復(fù)雜 的非線性系統(tǒng)的建模與控制， 也是懸架控制研究今后 的一個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容。 3 結(jié)語 汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性逐漸受到人們的 重視， 傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架已不能滿足需要。為使懸架系 統(tǒng)能夠適應(yīng)不同道路及速度條件， 各種新型電子控制 懸架得到了迅速發(fā)展。特別是近年來隨著相關(guān)學(xué)科 和高新技術(shù)的發(fā)展， 使得研究實(shí)用的半主動(dòng)和主動(dòng)懸 架控制系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。半主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)已進(jìn)入 實(shí)際應(yīng)用階段，主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)由于其造價(jià)昂貴， 需要額外的控制功率等原因， 目前仍停留在實(shí)驗(yàn)室階 段 。 今后

21、， 汽車懸架控制系統(tǒng)的研究 目 標(biāo)是研究和開 發(fā)控制有效、 能耗低、 成本低廉的汽車懸架控制系統(tǒng)， 必須解決的問題有： ( 1 ) 研究汽車懸架非線性系統(tǒng)的 建模，分析其非線性動(dòng)力學(xué)行為甚至可能出現(xiàn)的分 岔、 混沌現(xiàn)象， 為汽車( 半) 主動(dòng)懸架的設(shè)計(jì)提供重要 的理論依據(jù)和保證； ( 2 ) 充分運(yùn)用智能控制技術(shù)和非 線性控制理論及動(dòng)力系統(tǒng)的分岔理論， 研究并開發(fā)高 效、 快速、 可靠、 智能型的控制方法和成本低廉的控制 器； ( 3 ) 研究和開發(fā)高效高性能的減振器， 如液力減振 器 、 阻尼連續(xù)可調(diào)的磁流變 ( 或電流變) 減振器等 ， 尤 其是以磁流變可控流體器件為主動(dòng)器的半主動(dòng)懸架 系

22、統(tǒng)是一個(gè)全新概念的可控懸架系統(tǒng) ，它具有簡單 、 能耗低、 反應(yīng)迅速等特點(diǎn)， 具有廣闊的應(yīng)用前景。 參考文獻(xiàn) ： 【 1 】陳無畏，王志君 ，范迪彬 汽車半主動(dòng) 懸架的神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò) 自 適應(yīng)控制 【 J 】 汽車工程 ， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 1 ) ： 3 1 3 6 【 2 】方敏 ， 王峻 。 陳無畏 汽車半主動(dòng)懸架的 自適應(yīng) L Q G 控制 【 J 】 汽車工程 ， 1 9 9 7 ， 1 9 ( 4 ) ： 2 0 0 2 0 5 + 【 3 】黃興惠， 金迭鋒， 趙六奇 線性最優(yōu)控制主動(dòng)懸架系統(tǒng)的 魯棒穩(wěn)定性分析 【 J 】 汽車工程 ， 1 9 9 8 ， 2 0 (

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