汽車主動懸架的自適應控制研究

李國軍

（晉中職業技術學院，山西 晉中 030600）

引言

懸架系統是汽車底盤非常重要的組成系統，它對汽車的舒適性能有著十分重要的影響。相對于傳統的被動懸架，主動懸架更好地協調和提高了汽車行駛過程中的平順性與操縱穩定性，從而進一步提高汽車的整體性能。近年來汽車主動懸架的研究和開發工作成了國內外觀注的重點，并且已成為汽車動力學與智能控制領域比較前沿的課題。汽車主動懸架設計的關鍵就是能尋求一個能夠為汽車提供良好控制性能的控制律。主動懸架系統的智能控制設計的本質可概括為一個典型的不確定、多變量系統的控制問題。但是大部分現有的主動懸架智能控制方法都存在一些特點，比如過于復雜、原理繁瑣、附加條件過多，這些都不利于工程應用。因此，為了使控制方法簡便實用而且有效，應用于主動懸架的自適應控制方法主要有增益調度控制、模型參考自適應控制和自校正控制三類。本論文中主動懸架設計以自校正控制為核心，以處理主動懸架的不確定、多變量特性，即用簡單的控制方法實現對復雜系統進行有效的控制。

1 懸架的結構組成與作用

懸架的作用是把路面作用于車輪上的法向反力、切向反力和側向反力以及這些反力所造成的力矩都傳遞到車架上，緩和并衰減汽車在行駛中產生的沖擊與振動，保證汽車正常行駛[1]。

懸架可分為傳統懸架（被動懸架）與電子控制懸架（主動懸架）。

被動懸架由彈性元件、減振器和導向機構所組成，這種懸架只能被動地承受地面對車身的各種作用力，無法對各種情況進行主動調節。彈性元件主要使彈性系統在受到沖擊后產生振動，主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、氣體彈簧、扭桿彈簧等組成。減振器主要用于加速車架與車身振動的衰減，以改善汽車的行駛平順性，主要有雙向作用減振器和充氣減振器等。導向機構主要用于確保車輪和車架之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動時車輪定位參數的變化不會過大，使汽車具有良好的操縱穩定性[1]。

電子控制懸架由感應各種運行狀態的各種傳感器、電子控制單元、執行機構等組成，主要作用是通過控制調節懸架的剛度和阻尼力，使汽車的懸架特性與道路和行駛狀態相適應，從而保證滿足汽車行駛的平順性和操縱穩定性的要求，使懸架性能總是處于最佳狀態。基本功能有車高調整、減振器阻尼力控制和彈簧剛度控制等。工作原理：利用傳感器把汽車行駛時路面的狀況和車身狀態進行檢測，將檢測信號輸入計算機進行處理，計算機通過驅動電子控制懸架系統的執行器動作，完成懸架特性參數的調整。主動懸架分類：主動油氣懸架、主動空氣懸架、主動液力懸架。

2 自校正自適應控制系統是提高懸架性能的關鍵

汽車舒適性主要是指汽車為乘員提供舒適的乘坐環境和方便的操作條件，它包括汽車平順性、空氣調節性能、乘坐環境及駕駛員操縱性能等。這些因素都是不確定的。

自適應控制器的特點就是它能修正自己的特性以響應過程和擾動的動力學特性變化，使整個控制系統始終獲得滿意的性能。

自適應控制系統有三個顯著特點：

1）控制器可調。自適應控制系統的控制器能在控制的過程中根據一定的自適應控制規則，不斷改變自已的結構與參數；

2）增加了自適應回路。自適應控制系統在常規反饋控制系統基礎上增加了自適應回路，它的主要作用就是根據系統運行情況，自動調整控制器，以適應被控對象特性的變化；

3）適用對象。自適應控制適用于被控對象特性未知或擾動特性變化范圍很大，同時又要求經常保持高性能指標的一類系統，設計時不需要完全知道被控對象的數學模型。

應用于主動懸架的自適應控制方法主要有增益調度控制、模型參考自適應控制和自校正控制三類：增益調度控制是一種開環自適應控制，通過監測過程的運行條件來改變控制器參數；模型參考自適應控制采用跟蹤一個預先定義的參考模型，根據反饋和輔助控制器參數的自適應控制規則，使非線性時變的懸架系統達到預期的最優性能；自校正控制通過將受控對象參數在線估計與控制器參數充分結合，形成一個能自動校正控制器參數的離散實時計算機控制系統（即數據采樣系統），這是目前應用最廣的一類自適應控制方法。

自校正控制系統又稱自優化控制，通過采集的過程輸入、輸出信息，實現過程模型的在線辨識和參數估計。在獲得的過程模型或估計參數的基礎上，按照一定的性能優化準則，計算控制參數，使得閉環系統能夠達到最優的控制品質，如圖1所示。

圖1 自校正控制系統結構圖

3 自校正控制器實現自適應控制系統

通過自校正控制器的動力學模型的建立與仿真能很好地反映自校正控制器對汽車自適應控制系統的作用。

3.1 主動懸架動力學模型的建立

動力學模型如圖2所示：

圖2 車輛動力學模型

建立基于主動懸架的1/4車體的2自由度模型。

根據牛頓定律和力矩平衡，得出如下的運動方程：

3.2 1/4車體二自由度主動懸架建模與仿真

選取1/4車體被動懸架結構及路面仿真參數如下：1/4車身質量（簧載質量）mb=360 kg；懸架剛度Ks= 20 000 N/m；車輪質量（非簧載質量）mw=40 kg；輪胎剛度Kt= 200 000 N/m；懸架阻尼系數Cs=1 000 kg；B級路面不平度G=0.000 005 m3/周期 ；車速V=20 m/s；下截止頻率f0=0.01 Hz。

根據主動懸架運動學方程，建立其Matlabsimulink仿真結果如圖3和圖4所示：

圖3 簧載質量加速度

簧載質量加速度和輪胎動載荷是衡量汽車行駛平順性的一個重要指標，采用自校正控制的主動懸架有效地降低了車身加速度和輪胎動載荷。

4 結語

汽車舒適性是汽車性能的一個重要的因素。通過采用主動懸架的自校正自適應系統，汽車在減小輪胎動載荷和懸置質量加速度方面都達到了令人滿意的效果，使汽車懸架系統在各種狀態下都能有效地減振，并且使汽車的平順性得到提高，大大提高了汽車的舒適性。但是自適應系統還不成熟，還需要我們繼續創新發展。

圖4 輪胎動載荷

[1] 李春明,焦傳君.汽車構造[M].北京:北京理工大學出版社,2012.