汽车悬架及其控制系统研究动态分析.pdf

1、第 l 8 卷 第 2期 2 0 0 6年 4月 黄河水利职业技术学院学报 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 汽车悬架及其控制系统研究动态分析 郑兰霞 ( 黄河水利职业技术学院， 河南 开封4 7 5 0 0 4 ) 摘 要： 综述汽车悬架系统及工作原理， 对以现代控制理论为核心的汽车悬架控制方法予以比较和 分析， 作出了相应的评价， 探讨了汽车悬架控制系统的研究方向和发展趋势。 关键词：

2、 汽车悬架； 控制方法； 研究现状； 发展方向 中图分类号 ： T H1 5 文献标识码 ： A 文章编号： 1 0 0 8 4 8 6 X( 2 0 0 6 ) 0 2 0 0 4 40 4 0 引言 悬架系统是汽车的一个重要组成部分， 它的性能 是影响汽车行驶平顺性、 操纵稳定性和行驶速度的重 要因素。传统的被动悬架是为适应某一种路面而设 计的， 一般由具有固定参数的弹性元件和阻尼元件组 成， 它限制了汽车性能的进一步提高。2 0 世纪 7 0 年 代工业发达国家开始研究基于振动主动控制的主动、 半主动悬架系统。 近年来随着电子技术、 测控技术、 机械动力学等 的快速发展， 汽车悬架系统由

3、传统被动隔振发展到振 动主动控制。特别是信息科学中对最优控制、 自 适应 控制、 模糊控制、 人工神经网络等的研究， 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， 将振动控制到最低限度成为 提高现代汽车质量的重要措施。 l 汽车悬架系统的类型与工作原理 根据现代汽车对悬架提出的各种性能要求 ， 悬架 的结构形式和振动控制方法也在不断地更新和完 善。悬架的结构形式很多， 按导向机构的形式， 可分 为独立悬架和非独立悬架两大类 ； 按控制力则可以分 为被动悬架、半主动悬架和主动悬架 3 种基本类型， 其简化模型如

4、图 1 所示。 1 1 被动悬架 一 般的汽车绝大多数装有由弹簧和减振器组成 的机械式悬架， 简化模型如图 1 ( a ) 所示。其中， 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。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选择的，一旦确 定，在汽车行驶过程中就无法随外部状态变化而改 变。 一般为提高转弯、 制动等操纵过程的稳定性， 要求 悬架应具有高阻尼系数； 为隔开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。被 动悬架由于参数不能任意选择和调节， 限制了其性能 的进一步提高， 因此 减振性能较差。 1 一传感器 ； 2一可

5、调减振 器； 3一力发生器 M一簧上质量； K一弹簧刚度； C一减振器阻尼 ( a )被动悬架 ( b ) 半主动悬架 ( c ) 主动悬架 图 1 3种悬架系统的简化模型 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 半主动悬架 半主动悬架的简化模型如图 1 ( b )所示 ，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和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

6、动悬架在产生力方面近似于被 动悬架， 但是其阻尼系数或刚度系数是可变的。 半主动悬架通常以改变减振器的阻尼力为主， 将 阻尼分为两级或三级， 由人工选择或根据传感器信号 收稿日期： 2 0 0 51 0 2 8 作者简介： 郑兰霞( 1 9 6 4一) ， 女， 山东聊城人， 副教授 ， 从事工程机械教学与研究工作。 维普资讯 郏兰霞： 汽车悬架及其控制系统研究动态分析 自动确定阻尼级。半主动悬架的研究工作始于 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 产公司研制出一种声纳式半主动悬架， 它能通过 声纳装置预测前方路

7、面的信息， 及时调整悬架减振器 的3 种状态。 另外， D A C r o s b y 等人提出了阻尼连续 可调的半主动悬架系统。 通过改变弹簧 刚度构成 的半主动悬架 由 H u b b a r d 等人于 1 9 7 6年提出， 弹簧刚度的改变是通过切 换空气弹簧实现的。与机械弹簧相比， 空气弹簧存在 更多的优势。因此， 国外早在 2 O 世纪 8 O 年代就已将 空气弹簧悬架应用于各种车辆， 与被动悬架相比， 其减振 效果较好。 1 3 主动悬架 主动控制悬架简化模型如图 1 ( C )所示，由弹性 元件和一个力发生器组成。力发生器的作用在于改 进系统中能源的消耗并供给系统以能量， 该装

8、置的控 制目 标是要实现一个优质的隔振系统， 而又无需对系 统作出较大的改变， 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。这种 悬架的减振效果非常理想。 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。其工作原理是： 当路面 激励频率较低时， 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， 通过控制液压缸内的油压来控制汽 车的振动；

9、当路面激励频率适中时， 主要由滑阀的机 械反馈功能对液压缸内的油压进行伺服控制， 从而进 行车体减振； 当激励频率较高时， 则利用与液压缸连 通的气体弹簧室吸收振动能量而达到减振。 1 一油泵； 2一滑 阀； 3一 控 制阀； 4一针 阀； 5一线 圈 6一加速度传感器； 7一液压缸 ； 8 一气体弹簧室 图 2 油气式 主动悬架 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， 主动悬架由于硬件价格昂贵、 能量消耗过 大， 仅用于排量较大的高档车型。因此， 主动悬架研 究的主要任务之一是减少功率消耗 、 提高控

10、制系统的 集成化。 2 汽车悬架控制系统的控制方法 汽车悬架控制系统是一个含有许多不确定因素 的非线性的机、 电、 液一体化系统， 由于模型的线性控 制策略受到很大的限制， 用传统控制方法难以达到其 预定的性能要求。目前应用于汽车悬架控制系统的 控制方法主要有现代控制方法 ( 如自 适应控制方法、 预见控制方法 、 最优控制方法及鲁棒控制方法 ) 和智 能控制方法( 如模糊控制、 神经网络控制) 以及复合控 制方法。 2 1 自适应控制方法 自适应控制是针对具有一定不确定性 的系统而 设计的， 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。其基本出发点是根据系 统当前输

11、入的相关信息， 从预先计算并存储的参数中 选取当前最合适的控制参数。其设计关键是选择能 准确、 可靠地反映输入变化的参考变量， 只要参数选 择适当， 控制器即可快速 、 方便地改变控制参数， 以适 应当前输入的变化。 应用 于汽车悬架控制系统 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类控制策 略。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， 如图3 所示。模 型参考 自适应控制的原理是当外界激励条件和汽车 自身参数状态发生变化时， 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 架减振器在德国大众汽车公司 的汽车底盘上得到

12、了 应用。合肥工业大学陈无畏教授等人将自适应控制 技术应用于汽车半主动控制悬架，在实车应用过程 中， 减振性能明显优于被动悬架。 图 3 自校正 自适应控制框图 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 预见控制方法 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 统有足够的时问采取措施 ， 因此 ， 可大大降低系统的

13、 能耗。根据预见信息的测量及利用方法不同， 可构成 4 5 维普资讯 黄河水利职业技术学院学报 2 0 0 6年第 2期 不同的预见控制系统， 如对四轮进行预见控制和利用 前轮扰动信息对后轮进行预见控制。一个控制系统， 如果在决定控制指令时，不仅考虑系统当时的状态， 而且还对系统未来的目 标值或干扰予以考虑， 这样一 种预见控制的方法， 往往能弥补因系统响应速度不足 所带来的缺陷，降低系统控制能量的峰值和消耗量， 从而改善系统的控制性能。 2 3 最优控制方法 最优控制首先要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，

14、 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。应用于汽车悬架控制系 统的最优控制方法常用的有线性最优控制和 H 。 最 优控制等。 2 3 1 线性最优控制 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， 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。 2 3 2 最优控制 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。 应用

15、 最优控制方法可 以模拟由于车身质量、 轮胎刚度和减振器阻尼系数等 变化不确定的误差， 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。由于实际的车辆系统 往往是时变的非线性系统， 从而使实际系统达不到运 用最优控制理论所预期的性能。因此有必要对 系统 进行鲁棒性分析， 即在各种模型误差及不确定扰动的 情况下 ， 研究系统的鲁棒稳定性问题。 2 。 4 智能控制方法 智能控制是一门新兴的学科， 是针对系统及其控 制环境和任务的不确定性而提出来 的。智能控制过 程含有复杂性、 不确定性， 且一般不存在已知算法的 非传统数学公式化的过程。在智能控制过程中， 以知 识信息为基础进行推理和学习

16、， 用启发式方法来引导 求解。因此 ， 就智能控制过程而言， 系统应该设计成 为对环境和任务的变化有快速的应变能力， 且能完成 各种难以用传统的分析数学和统计数学方法定义得 清楚的任务。目前， 智能控制技术已广泛应用于各种 系统中， 智能性已成为衡量产品和技术的标准。应用 于汽车悬架系统的智能控制主要有模糊控制和神经 网络控制。 2 4 1 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， 结构控 制框图如图4 所示。 其控制器的输入量可选择

17、车身加 速度和车身与车轮的相对速度 ， 输出量为动力装置产 生的作用力。 图 4模糊控制框 图 F i g 4 Fu z z y c o n t r o l 模糊控制方法应用于汽车悬架系统的研究文献 较多， 其中具有代表性的是 日 本德岛大学芳村敏夫教 授的研究工作， 他同时把模糊控制方法应用于汽车悬 架半主动和主动控制系统， 其结果证明了模糊控制方 法的有效性。 日本名古屋大学桥山智训等采用 G A ( g e n e t i c a l g o r i t h m 遗传算法) 设计车辆悬架半主动系 统的模糊控制器， 计算机模拟结果显示结合 G A的模 糊推理方法比常规方法更有效。 2 4

18、2 神经网络控 制 神经网络是一个由大量处理单元 ( 神经元) 组成 的高度并行的非线性动力系统， 其特点是可学习性和 巨量并行性， 故在汽车悬架控制系统中有广泛的应用 前景。研究表明， 用神经网络控制的非线性悬架系统 和用传统的 L Q ( 1 i n e a r q u a d r a t i c线性二次型) 调节器 控制的悬架相比具有更好的性能。 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， 它是由大量类似于人脑神经元的基 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， 控制框图如图5 所示。作为一种并行分布

19、 图 5神经网络控制框图 Fi g 5 Ne u r a l n e t wo r k c o n t r o l 式处理系统 ， 它具有 自动获得知识 、 联想记忆 ， 自适应 性、 良好的容错性和推广能力。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 维普资讯 郑兰霞： 汽车悬架及其控制系统研究动态分析 方式的多种 目的的设计中。 2 5 复合控制方法 目 前， 汽车悬架控制方法的研究几乎涉及到控制 理论的所有分支， 各种控制方法均有其特点和不足之 处。而采用复合控制方法则往往能收到意想不到的 效果， 如自 适应控制与鲁棒控制的复合、自 适应控制 与神经网络控制的复

20、合、 神经网络控制与最优预见控 制的复合以及神经网络控制与模糊控制的复合等。 研究表明， 复合控制方法更适用于汽车悬架这样复杂 的非线性系统的建模与控制， 也是悬架控制研究今后 的一个重点内容。 3 结语 汽车行驶平顺性和操纵稳定性逐渐受到人们的 重视， 传统的被动悬架已不能满足需要。为使悬架系 统能够适应不同道路及速度条件， 各种新型电子控制 悬架得到了迅速发展。特别是近年来随着相关学科 和高新技术的发展， 使得研究实用的半主动和主动悬 架控制系统成为现实。半主动悬架控制系统已进入 实际应用阶段，主动悬架控制系统由于其造价昂贵， 需要额外的控制功率等原因， 目前仍停留在实验室阶 段 。 今后

21、， 汽车悬架控制系统的研究 目 标是研究和开 发控制有效、 能耗低、 成本低廉的汽车悬架控制系统， 必须解决的问题有： ( 1 ) 研究汽车悬架非线性系统的 建模，分析其非线性动力学行为甚至可能出现的分 岔、 混沌现象， 为汽车( 半) 主动悬架的设计提供重要 的理论依据和保证； ( 2 ) 充分运用智能控制技术和非 线性控制理论及动力系统的分岔理论， 研究并开发高 效、 快速、 可靠、 智能型的控制方法和成本低廉的控制 器； ( 3 ) 研究和开发高效高性能的减振器， 如液力减振 器 、 阻尼连续可调的磁流变 ( 或电流变) 减振器等 ， 尤 其是以磁流变可控流体器件为主动器的半主动悬架 系

22、统是一个全新概念的可控悬架系统 ，它具有简单 、 能耗低、 反应迅速等特点， 具有广阔的应用前景。 参考文献 ： 【 1 】陈无畏，王志君 ，范迪彬 汽车半主动 悬架的神经 网络 自 适应控制 【 J 】 汽车工程 ， 1 9 9 8 ， 2 0 ( 1 ) ： 3 1 3 6 【 2 】方敏 ， 王峻 。 陈无畏 汽车半主动悬架的 自适应 L Q G 控制 【 J 】 汽车工程 ， 1 9 9 7 ， 1 9 ( 4 ) ： 2 0 0 2 0 5 + 【 3 】黄兴惠， 金迭锋， 赵六奇 线性最优控制主动悬架系统的 鲁棒稳定性分析 【 J 】 汽车工程 ， 1 9 9 8 ， 2 0 (

23、4 ) ： 1 62 0 【 4 】 肖 武， 宋晓琳 模糊控制 汽车主动 悬架系统 的鲁棒性分 析【 J 1 客车技术与研究， 1 9 9 9 ， 2 1 ( 4 ) ： 61 0 【 5 】 方锡邦 ， 陈无畏 模 糊控制技 术及其在汽 车半 主动 悬架 中 的应用【 J 】 机械 工程 学报 。 1 9 9 9 ， 3 5 ( 3 ) ： 3 6 4 0 【 6 】陈无畏， 王其东汽车半主动悬架的非线性神经网络 自适 应控 制研 究【 J 】 机械 工程 学报 ， 2 0 o o ， 3 6 ( 1 ) ： 3 2 3 7 【 7 】陈无畏。 王启瑞， 朱婉玲 基于遗传算法和控制的悬架系 统集成设计【 J 】 振动工程学报， 2 0 0 3 1 6 ( 2 ) ： 2 0 2 5 【 8 1余志生 ，汽车理论 【 M】 3版 ，北京：机械 工业 出版社， 2 0