现代控制理论在汽车悬架控制中的应用现状

1、综述现代控制理论在汽车悬架控制中的应用现状黑龙江交通高等专科学校孙建民哈尔滨工程大学陈玉强摘要传统汽车悬架无法在各种行驶条件下提供良好的减振性能, 应用现代控制理论保证汽车行驶平顺性和操纵稳定性的研究日益完善。本文论述了最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络控制等几种以现代控制理论为核心的悬架控制技术, 并作出相应的评价。叙词:控制理论悬架振动1引言 汽车振动是影响汽车行驶平顺性和操纵稳定性的重要因素。汽车减振主要使用悬架系统, 它一般由弹性元件和阻尼元件构成, 用以缓冲和吸收因路面不平而产生的激振力, 同时承受汽车转向时产生的侧倾力。而二者在汽车设计中是矛盾的, 基于经典隔振理论的传统

2、悬架系统难以同时满足这种要求。在70年代, 工业发达国家已经开始研究基于振动主动控制的主动、半主动悬架系统1。这种悬架系统是典型的非线性机、电、液一体化动力系统。近年来, 随着电子技术、测控技术、机械动力学等学科的快速发展, 使汽车悬架系统由传统被动隔振发展到振动主动控制。特别是对最优控制、自适应控制、模糊控制、人工神经网络等现代控制技术的研究, 已开始应用于汽车悬架系统的振动控制, 使悬架系统振动控制技术在现代控制理论指导下更趋完善。随着汽车结构和功能的不断改进和完善, 研究汽车振动, 设计新型悬架系统, 将振动控制到最低水平是提高汽车质量的重要措施。2悬架系统的发展根据现代汽车对悬架提出的

3、各种性能要求, 悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善。悬架的结构形式很多, 分类方法也不尽相同。按导向机构的形式,可分为独立悬架和非独立悬架两大类。如果按控制力进行分类, 则可分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架3种基本类型。3种悬架的简化模型如图1所示。图13种振动控制的悬架系统简化模型1. 传感器2. 可调减振器3. 力发生器M簧上质量K 弹簧刚度C 减振器阻尼2. 1被动悬架汽车绝大多数装有由弹簧和减振器组成的机械式悬架。其简化模型如图1(a 所示, 弹簧主要用来支承簧上质量的静载荷, 而减振器主要用于控制响应特性, 由于阻力和簧上质量相对于地面的速度有关, 因此, 在一个振动循环

4、中, 悬架系统便会消耗振动系统的能量起到减振的作用2。这种悬架系统的阻尼和刚度参数一般是通过经验设计或优化设计方法来选择。在汽车行驶过程中就无法随外部状态变化而变化。汽车悬架应满足两个方面的要求, 一方面为提高转弯、制动等操纵过程的稳定性, 要求912000年第5期悬架应具有高阻尼系数; 另一方面为隔开随机路面不平对汽车的扰动, 提高乘坐舒适性, 要求悬架应具有低阻尼系数。由于参数不能任意选择和调节, 限制了被动悬架系统性能的进一步提高。2. 2半主动悬架半主动悬架的研究工作始于1973年, 由D . A . C ro sby 和D . C . Karnopp 首先提出3。其简化模型如图1(b

5、 所示, 它由可变特性的弹簧和减振器组成。其基本工作原理是:根据簧上质量相对车轮的速度响应、加速度响应等反馈信号, 按照一定的控制规律调节可调弹簧的刚度或可调减振器的阻尼力。半主动悬架在产生力的方面近似于被动悬架, 但是半主动悬架的阻尼系数或刚度系数是可变的。通常, 主要以改变减振器的阻尼力为主, 将阻尼分为两、三级, 可由人工选择或根据传感器信号自动确定阻尼级。1984年日产公司研制出一种声纳半主动悬架, 它能通过声纳装置预测前方路面信息, 及时调整悬架减振器的3种状态4。通过改变弹簧刚度构成的半主动悬架由H ubbard 等人于1976年提出5, 弹簧刚度的改变是通过切换空气弹簧实现的。与

6、机械弹簧相比, 空气弹簧有更多的优势。因此国外早在80年代就已将空气弹簧悬架应用于各种车辆。2. 3主动悬架通过输入外部能量使控制机构给悬架系统施加一定控制力的振动控制称为主动控制。主动控制悬架的最初装置是由A P 公司基于气液悬架发展的一种机械系统。现代汽车主动控制悬架简化模型如图1(c 所示, 它由弹性元件和一个力发生器组成。力发生器的作用是改进系统中能源的消耗和供给系统以能量, 该装置的控制目标是要实现一个优质的隔振系统, 而又不需对系统作出较大的变化。因此, 只需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力, 即可实现该控制目标。主动悬架系统通常有两种形式, 即由电机驱动的空气式悬架和

7、由电磁阀驱动的油气式悬架。日产和丰田公司的一些高级车上装载的油气式主动悬架如图2所示, 由一个电液比例阀(针阀 和一个机械式压力伺服滑阀构成压力控制阀。其工作原理为:当路面激励频率较低(2H z 以下 时, 由计算机对控制阀的线圈施加一电流使针阀打开, 在控制阀的出口处即产生一个与之成比例的输出油压, 通过控制油压缸内的油压以控制汽车的振动; 当路面激励频率适中(27H z 时, 主要由滑阀的机械反馈功能对油压缸内的油压进行伺服控制, 从而进行车体减振; 当激励频率较高(7H z 以上 时, 则利用与油压缸连通的气体弹簧室吸收振动能量而达到减振6。图2油气式主动悬架系统1. 油泵2. 滑阀3.

8、 控制阀4. 针阀5. 线圈6. 加速度传感器7. 油压缸8. 气体弹簧室但是主动悬架的商品化存在严重困难, 一是硬件价格昂贵; 二是能量消耗过大, 目前仅用于排量较大的高档车型。随着控制技术的发展, 减少功率消耗、提高控制系统的集成化是主动悬架研究的主要任务。3悬架控制技术及应用现状目前, 汽车悬架已进入到利用微处理器进行控制的时代, 运用较优的控制方法, 得到高性能的减振效果, 且使能耗尽可能的低是汽车悬架发展的主要方向。汽车悬架振动控制系统大多由传感器拾取车身绝对速度、车身对车轮的相对速度、车身的加速度等信号, 经计算机处理并发出指令进行控制。由电液控制阀或步进电机等执行机构调节减振器的

9、阻尼系数或控制力。由于悬架系统是很复杂的非线性动力系统, 因此基于模型的线性反馈控制是不适用的。应用现代控制理论保证汽车行驶平顺性和操纵稳定性的研究日益完善。3. 1最优控制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, 最优控制的解只有在极少数情况下才能得出解析解, 有的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, 常用的有线性最优控制、H 最优控制和最优预见控02汽车研究与开发制等。线性最优控制是建立在系统较为理想的模型基础上, 采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标,

10、同时保证受控结构在动态稳定条件下实现最优控制。例如, 将线性二次型调节器控制理论和线性二次高斯型控制理论应用于车辆悬架系统以实现最优控制。H 最优控制方法是通过设计控制器, 在确保闭环系统各回路稳定的条件下, 使相对于干扰的输出取最小的一种最优控制方法。为了模拟由于车身质量、轮胎刚度以及减振器阻尼系数等变化不确定的误差, 应用H 最优控制方法可使汽车悬架振动控制具有较强的适应不确定因素影响的能力7。最优预见控制方法是利用车辆前轮的扰动信息预估路面的干扰输入, 将测量的状态变量反馈给前后控制器实施最优控制。由于这种控制技术可以通过某种方法提前检测到前方路面的状态和变化, 将使控制系统有足够的时间

11、采取措施。因此, 可大大降低系统的能耗, 且改善系统的控制性能。根据预见信息的测量及利用方法不同, 可构成不同的预见控制系统, 如对四轮全进行预见控制和利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制8。对四轮全进行预见控制是在车的前部设有特殊的预见传感器, 以测试前方路况, 然后将信息传给控制器。控制器将相应信号送至四个轮中的每一个悬架执行机构, 这种系统需要设置特殊的传感器。在利用前轮信息对后轮进行预见控制中, 在决定后轮的控制指令时, 控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息, 而且也根据当时的车速和前后轮间的跨距, 并考虑前轮各传感器所得到的信息。因此, 在后轮的执行机构上, 实行的是反馈加前向反

12、馈的双作用控制。在该系统中无需设置特殊的预见传感器, 只需改变控制软件, 便可提高后轮的减振效果。采用最优预见控制方法, 预见时间的选择对控制效果影响很大。3. 2自适应控制自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的。自适应控制方法可以自动检测系统的参数变化, 从而时刻保持系统的性能指标为最优。应用于汽车悬架振动控制的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两种方法。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。模型参考自适应控制的原理是:当外界激励条件和自身参数状态发生变化时, 被控汽车的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采用自适应控制的汽车悬架减

13、振器在德国大众汽车公司的汽车底盘上得到了应用。3. 3模糊控制模糊控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法, 其最大特点是允许控制对象没有精确的数学模型, 使用语言变量代替数字变量, 在控制过程中包含有大量人的控制经验和知识, 与人的智能行为相似。自90年代以来, 模糊控制方法被应用在汽车悬架系统中。日本德岛大学芳村敏夫教授把模糊理论应用于汽车悬架半主动和主动控制系统, 采用模糊推理分别构成半主动和主动控制规则, 进行计算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动, 其结果证实了采用模糊控制方法的有效性。合肥工业大学方锡邦等人将模糊控制技术应用于汽车半主动控制悬架9。在实车应用过程中, 振动性能明

14、显优于被动悬架。3. 4神经网络控制目前, 神经网络控制方法越来越多地应用在特定环境以及采用固定描述方式的多种目的的设计中。人工神经网络是生物学中脑神经网络的某种抽象、简化和模拟, 它是由大量类似人脑神经元的基本信息处理单元通过广泛连接而构成的高度非线性超大规模连续时间动力系统, 反映了人脑功能的若干基本特性。作为一种并行分布式处理系统, 它具有自动知识获得、联想记忆、自适应性、良好的容错性和推广能力。神经网络具有可学习性和巨量并行性, 故在汽车悬架振动控制中有广泛的应用前景。应用神经网络控制的非线性悬架系统, 和用线性二次调节器控制的悬架相比, 具有更好的性能10。4结束语传统的被动悬架已不

15、能满足人们对汽车行驶平顺性和操纵稳定性的要求。为了使悬架系统能够适应不同道路及速度条件, 出现了一系列悬架减振控制技术, 各种新型电子控制悬架得到了迅速发展。同时, 现代控制理论在汽车悬架振动控制中得到广泛应用, 但是在实际应用中选取哪一种或几种综合的控制方法, 应结合实际(下转第52页122000年第5期专题研究 图5检测工艺流程图车辆进入三工位, 光电信号 向三工位微机提供车辆到位信号, 微机启动检测程序, 首先控制灯光仪分别对左、右前照灯发光强度和光轴偏移进行检测, 检完前照灯后进行声级测试。车辆向前行驶, 光电信号 控制侧滑检测的起止时间。灯光强度、上下光偏、左右光偏、声级和侧滑5个信

16、号由前置放大器采集和放大后送三工位微机处理。由于侧滑输入信号较大, 在其输入端加载衰减器, 加以衰减, 然后采用跟随器电路作缓冲隔离输出; 底检信息通过底检微机进行触摸和登录输入。全线检测过程中, L ED 显示屏实时显示各项目检测操作规程和检测结果, 音箱同时发出语音提示信息。6检测工艺流程车辆检测、办理技术等级评定和二级维护签章实行封闭式自动检测和流水作业办公。车辆进站由车场调度员负责安排外检, 外检合格后由引车员驾驶车辆上线检测, 检测合格后由行业管理部门办理签章手续。检测工艺流程如图5所示。收稿日期:1999-12-26(上接第21页工况。因此, 采用新型控制技术, 研究和开发一类控制

17、有效、能耗低、造价合理的汽车悬架控制系统具有较高的经济效益和社会效益。针对悬架系统的非线性特点, 研究适宜的悬架控制技术, 是汽车悬架振动性能改进的关键。参考文献1章一鸣等. 车辆悬挂阻尼的微机控制. 汽车工程, 1990, 22丁文镜. 减振理论. 北京:清华大学出版社, 19983周世铭等. 非线性连续反馈控制车辆半主动悬架. 汽车工程,1996, 44惠敢. 声纳悬架装置. 国外汽车, 1988, 65H rovat D . Su rvey of advanced su spen si on developm en ts andrelated op ti m al con tro l a

18、pp licati on s . A u tomoatica , 1997, 33(106刘少军. 汽车主动控制悬架系统的发展. 汽车技术, 1996, 37Yam ahua M . A pp licati on of h infin ity con tro l to activesu spen si on system s . A u tom atica , 1994, 30(10 8A rak i Y .Peviewcon tro l of activesu spen si on u singdistu rbance info rm ati on of fron t w heel. T ran sact