淺析汽車底盤主動懸架控制方法

代寶州 石軍偉

目前，汽車動懸梁已進入到微處理進行控制的時代。控制方法先進、減振效果好、能耗低，是主動懸架發展的主要方向。主動懸架振動控制系統大多由傳感器拾取車身絕對速度、身對車輪的相對速度、車身的加速度等信號，經計算機處理后并發出控制指令進行控制。由電液控制閥或步進電機等執行機構來調節減震器阻尼系數或控制力。

1主動懸架的作用

1.1提高舒適性 傳統懸架系統需要在性能和舒適性間折衷協調。為了使轉向時側傾較小，要求較硬的彈簧，因而乘坐舒適性較差。而主動懸架用計算機獨立地控制每只車輪，能夠在任何時候，在任何車輪上產生符合要求的懸架運動。它不像裝軟彈簧的汽車那樣，遇到大凸起時可以感覺到回彈或顛簸。

1.2控制車身運動 主動懸架在汽車搖擺、制動以及轉彎時，懸架能產生與慣性力相對抗的力，減小了車身位置的變化。

1.3調節車身高度 當汽車在高速公路上行駛時，車身可以調節得低一些，而在通過壞路面時車身可以調節得高些。當你指令汽車抬起壞的車輪時，就可以更換輪胎，所以從理論上講，還可以指令汽車爬上樓梯。

2主動懸架的特點

2.1具有能產生作用力的獨立的動力源。動力源能根據路面的情況和車輛的運動情況隨時產生抽動，產生抽動是主動懸架的關鍵。

2.2執行元件能夠傳遞這種力，并能進行連續控制。

2.3具有多種傳感器，根據各傳感器的輸出信號進行運算，以決定控制內容。

3主動懸架的優點

能控制車身的運動，使汽車在行駛過程中保持車身平穩，高度一致，無傾斜，并能實現負側傾轉彎；另外，在主動懸架系統中，計算機可以編制程序，修改行駛中汽車的復雜動力學特性，例如急轉彎時，來自水平轉動及轉向角傳感器的輸入信號，就能告訴計算機汽車在轉彎時是否打滑，于是計算機調整每一個車輪的負載，迅速改變側滑，使前輪胎進入不足轉向狀態。缺點是：能耗大、成本高；當汽車輪胎載荷突然增加時，活塞容易卡住，駕駛人員雖然感知了這個變化，卻很難控制車輪。

4主動懸架控制方法和途徑

4.1天棚阻尼器控制

天棚阻尼器控制理論由美國得 D.KARNOPP 教授提出，在主動控制懸架的控制中被廣泛采用。天棚阻尼器控制即設想將懸架系統的阻尼器移到車體與某固定的天棚之間，并要求由傳動器產生一個與車身隨機振動的絕對速度成比例且反向的控制力來衰減車身的振動，此絕對速度可通過對測得的車身垂直加速度求積分得到。傳統的被動懸架可以認為是帶阻尼器的雙質量振動系統，當考慮到帶寬和系統的共振特性時，傳統被動懸架性能不能令人滿意。但帶天棚阻尼器的汽車懸架，只要合理選擇參數，可徹底消除系統共振現象。

4.2自適應控制

自適應一般發生在車輛行駛過程中，具有較慢統計特性變化的干擾，即路面輸入干擾。自適應控制方法的基本思想是根據系統當前輸入的相關信息，從預先計算并存儲的參數中選取當前最合適的控制參數。其設計關鍵的選擇能準確、可靠地反映輸入變化的參考變量。自適應控制方法考慮了車輛系統參數的時變性，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，保持性能指標最優。

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（即簡化自適應控制）通過跟蹤一個預先定義的參考模型，按照前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；自校正控制是將受控對象參數在線估計與控制器參數整定相結合，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），是目前應用最廣的一類自適應控制方法。

4.3隨機最優控制

隨著現代控制理論的應用，提出了主動懸架隨機最優控制方法。主動架最優控制的目標是提高汽車的平順性和操縱穩定性，反映在物理量上就是要減小輪胎的變形，提高接地性，限制懸架的動撓度，同時應降低對控制能量的消耗。這種控制方法，通過建立系統的狀態方程式提出控制目標及加權系數，然后應用控制理論求解出所設目標下的最優控制方案。與天棚阻尼器控制方式相比，由于考慮了系統中更多變量的影響，因而控制效果更好。而且.，現代控制方式的應用，主要是在系統的控制軟件方面做一些改善，并不增加系統的復雜性。

4.4預見控制

預見控制是前后懸架的協調控制，它通過對前懸架簧上質量加速度和簧下質量相對位移的測量值來預測后懸架傳動器的控制力。當系統遇到較大或突變的干擾時，由于能量供應峰值和元件響應速度的限制，系統很可能無法輸出所需的控制力而達不到希望的控制效果。而預見控制，由于通過某種方法提前檢測到前方道路的狀態和變化，使系統有余地采取相應地措施，有可能降低系統的能量消耗且大幅度改善系統控制效能，取得較好的效果。它的基本方法有兩類：一是將前輪懸架的狀態信息作為后輪懸架前饋信息；二是對四輪全進行預見控制，由于超前預測了路面輸入，因而系統的性能有較大幅度的提高。從理論上看，這種系統應能取得最為理想的控制效果，但需要設置特殊的傳感器。目前未見有批量實用車上市。

4.5智能控制

90年代以來，智能控制（模糊控制和神經網絡控制）等非線性控制方法應用到主動懸架的分析研究中。它們能在特定環境和采用定性描述方式的多種目標分析中提供有效的方案難解決各類問題，具有系統辨識（結構和參數辨識）功能。模糊控制方法具有自動調節輸入變量的組合、隸屬函數的參數和模糊規則數目等學習功能。

4.6最優控制

車輛的懸架系統是一個高階的數學模型，對其采用最優控制的前提是獲得大量的狀態信息。在實際工程中，大部分的狀態變量要利用 Kalman 濾波獲得，通過求解 Riccati 方程，在使性能指標最小的基礎上，綜合控制規律，這就是通常所說的 LQG 控制。由于需要大量的狀態信息，對硬件系統的要求很高，而且狀態重構帶來一系列的問題，因而 LQG 最優控制在實際中采用的很少。但由于它的結果是理論最優的，因而還是有眾多學者對它進了各種改進，期望提高該控制策略。最優控制方面研究得比較多，但應用到實際中的還少見報道。國外在最優控制方而的研究，大多集中在上世紀 90 年代初以前。

4.7反饋控制

反饋控制實現了執行機構實時連續調節，對控制系統的穩定性、精確性和反應速度要求較高，需要測量的信息和計算量較大，通常采用最優控制算法和自適應控制算法，將懸架處理成跟蹤問題或隨機干擾濾波器問題。最優控制算法是應用狀態空間方法，采用狀態變量表達加權的二次性能指標，通過求解優化問題獲得控制執行機構的最優控制規律。這種控制規律在某種意義上是使一定的性能指標。

5結語

建立了一種主動懸架的控制策略，能更好地權衡舒適性、操縱穩定性和安全性.首先建立集成了考慮懸架限位的阻尼連續變化（CVD）天棚控制算法的整車模型，并在不同路面和車速下進行仿真分析，建立由懸架動行程均方值估計路面不平度等級的方法；其次，提出一種考慮路面不平度等級的自適應型主動懸架控制策略；然后采用遺傳算法對不同工況下的控制參數進行離線優化；最后將優化后的控制參數用于在線控制，并與傳統的被動懸架以及天棚控制的主動懸架進行對比分析能有效提高汽車平順性、穩定性和行駛安全性。

參考文獻：

[1]馬寶山.汽車懸架振動主動控制技術研究.《哈爾濱工程大學》2010

[2]王艷霞.汽車懸架振動主動控制技術.《現代商貿工業》2011

[3]賈啟芬.汽車懸架振動系統的若干控制技術和發展.《機床與液壓》2011

[4]孫維超.汽車懸架系統的主動振動控制.《哈爾濱工業大學》2010

（作者單位：精誠工科汽車系統有限公司底盤研究院）