車載穩定隔振平臺研究綜述＊

袁道發 李金杭 吳量 馬芳武

（吉林大學 汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

主題詞：車載穩定 隔振平臺 半主動式懸架 控制策略

1 前言

穩定隔振平臺是一種隔離空間的沖擊和振動的減振裝置，常用于測量儀器和光學儀器等精密設備的振動防護[1]。其結構主要由上、下平臺和中間減振機構（也稱隔振平臺懸架）3部分構成。

在地質勘探、工業機床、航空探索等領域中，許多精密儀器都需要嚴格隔振，比如重力梯度儀、雷達通信系統、深空偵察，以及機械制造業和飛機駕駛模擬器制造業等，為這些儀器提供穩定工作環境的隔振平臺具有重要意義[2-3]。

在特種車輛被應用于各種復雜場景中時，經常需要將精密儀器安裝到特種運載車輛上。運載車輛受到來自地形及車速的變化影響，外部加速度的擾動隨機性較強、所受沖擊較大，長期的振動和沖擊會影響儀器的工作精度和使用壽命。為了使車載儀器高精度地運行，有必要采取措施來有效隔離和緩沖其在動態環境中所受到的振動[4]。因此，根據車載儀器的使用要求進行相應的隔振設計具有重要的意義[5]。

相對于車輛懸架，對車載平臺懸架的研究比較少，但2者具有很多相似之處，車載隔振平臺可以理解為偏重平順性的二級懸架系統。因此許多車輛懸架系統的研究成果，同樣可應用到車載隔振平臺懸架中，在本文中不嚴格區分車輛懸架和車載隔振平臺懸架。

2 車載隔振平臺概述

2.1 車載隔振平臺的應用

路面振動通常是由道路不平度產生的，車輛懸掛系統可在不同程度上隔離這些振動[6]。然而，車輛懸架系統的設計可能受路面附著穩定性和懸架工作行程等其他性能指標的限制。車載隔振平臺在車身和車載儀器之間起到承載和隔振的作用，且該平臺系統僅關注所承載儀器設備的平順性。

2.1.1 地質勘探領域

車載穩定平臺在地質勘探領域[7]中有很重要的研究價值，地質勘探設備如重力梯度儀、冷原子梯度儀等在野外崎嶇路面工作時，需要搭載到裝備車輛上，而路面不平引起的振動將由車輛傳遞至精密儀器[8]，從而導致其工作環境可靠性下降，測量精度降低，因此需要在搭載車輛與精密儀器間加入隔振平臺[9]，來保證精密設備的工作環境穩定性。

英國ARKeX公司研制了EGG（Explorational Grav?ity Gradiometer，勘探型重力梯度儀）并設計了超穩定平臺以克服振動干擾，使EGG保持在垂直位置，承載重力梯度儀負載的水平穩定平臺的精度很高，能有效隔離各種振動（圖1）。

圖1 ARKeX公司EGG系統[45]

現在國內大部分重力梯度儀的配套搭載平臺是以陀螺穩定平臺作為搭載平臺的，但傳統的陀螺穩定平臺在車載時一般只能保證轉角位置的平衡而無法兼顧隔振方面的工作[10]。

南京航空航天大學李耀等人研究的六維隔振平臺[11]采用了主被動一體式控制方式，阻尼器與金屬彈簧并聯，以橡膠墊片輔助減振。與被動式和主動式進行對比并，驗證了主被動一體式的有效性。重慶大學的衛凱凱[12]設計了一種以空氣彈簧為被動隔振元件，音圈電機為主動隔振元件的車載超穩平臺隔振方案，并進行了主動控制系統的軟、硬件開發，在結構設計、控制算法研究等方面取得了一定成果。

吉林大學的馬芳武團隊[13-14]設計了一種應用于路面車載復雜環境下的6自由度并聯隔振平臺，隔振系統的彈性元件由8個連續可調阻尼器和4個空氣彈簧組成。安裝在隔振平臺之上的位移傳感器和加速度傳感器分別監測平臺x，y，z 3個方向的位移信號和加速度信號，控制器根據收集到的傳感器信號得到平臺的運動狀態，連續可調阻尼由指令信號控制，以實現不同的參數特性。如圖2所示隔振平臺固定在車輛后車廂內部，其上平臺部分用于搭載探測設備。

圖2 隔振平臺搭載車[14]

2.1.2 醫療領域

在救護車行駛過程中，難免遇到拐彎、制動、顛簸路面等情況，傷員會受到來自多個方向的振動影響。研究表明，有將近10%的傷員在救護車送往醫院的途中會產生病情惡化。因此研發醫療隔振系統，對醫療救護產業有很重要的意義。

Chae等人[15]為了降低救護車行駛中的振動對病人產生的二次傷害，設計了一種基于磁流變阻尼器的隔振床，可以隔離垂向、側傾、俯仰方向的振動，并通過實驗證明可以明顯降低顛簸路面對病人產生的振動影響。魏春雨等人[16]在新型醫療救護隔振平臺的研究中采用并聯形式隔振平臺，運用拉格朗日建模方法建立了串聯被動隔振平臺系統模型，并對剛度阻尼參數進行仿真優化，顯著提高了醫療救護隔振平臺的隔振性能。合肥工業大學的王海森[17]提出一種將X型液壓互聯懸架系統和空氣彈簧擔架隔振系統相結合的新型救護車擔架隔振系統，建立救護車擔架隔振系統10自由度模型，提出臥姿傷員舒適性指標，并進行仿真實驗，顯著提高了救護車擔架的隔振效果。

2.1.3 載人領域

此外隔振平臺在載人領域主要體現在座椅懸架上。大量的研究表明，農用車輛、林用車輛以及其他工程車輛的駕駛員，在作業過程中會受到強烈的振動沖擊，從而引發脊椎畸變等職業疾病，甚至會影響到呼吸作用、語言能力和心臟健康。因此對座椅平臺隔振研究非常有必要[18-19]。

山東大學的劉杉[20]針對坐姿人體低頻耐受性差的問題，建立了6自由度“車輪-車身-座椅-人體”隔振系統模型，采用加速粒子群算法對座椅懸架中的剛度、阻尼系數進行了參數優化，提升了座椅懸架系統低頻段隔振性能。Wei等人[21]研究了車輛主動座椅懸掛系統的輸出反饋控制問題，提出了一種新的輸出反饋h∞控制器的優化設計方法，主要目標是降低座椅垂直加速度，以提高車輛乘坐舒適性。在非線性被動隔振領域，南京航空航天大學的王勇等人[22]將準零剛度隔振器運用到汽車座椅的隔振中，建立了準零剛度隔振器8自由度“車-座椅-人”耦合動力學模型，并與等效的線性被動座椅懸架進行對比分析，證明其對座椅乘坐舒適性有明顯改善。

2.2 車載隔振平臺分類

車載隔振平臺的類型很多，按減振機構的控制方式一般可分為被動隔振平臺、主動隔振平臺和半主動隔振平臺。

2.2.1 被動隔振

被動減振機構簡單，易于實現，無需外部供能。線性被動減振機構，通常由線性彈簧和阻尼器并聯組成。不過只有當激勵頻率大于固有頻率的2倍時，線性被動減振機構才能起到隔振作用。可以通過減小剛度，來增加隔振頻帶范圍，但是其靜態位移也會增加，系統承載能力降低，線性被動減振機構難以解決這些問題[22]。

近幾年，國內外研究機構提出一類具有準零剛度的非線性懸架[23]，將準零剛度隔振器運用到汽車座椅的隔振中，能夠解決傳統線性被動座椅懸架中存在的問題。文獻[24]中提出了4種嵌入負剛度單元的座椅懸架系統，并對準零剛度隔振器進行了遺傳算法優化。準零剛度隔振器一般由正剛度彈性元件和負剛度調節機構并聯組成，使系統在靜態平衡位置處的剛度趨于0[22]。正剛度彈性元件一般為垂直彈簧，而負剛度調節機構有多種形式，很多學者用了不同的負剛度機構進行了實驗，例如連桿、電磁彈簧[25]和斜置彈簧[26，27]等。

這種非線性被動懸架，雖然優于線性被動懸架，但是不能從根本上消除被動懸架的缺陷。

2.2.2 主動隔振

主動隔振元件的構成一般是彈簧元件和力發生器。工作原理是：控制器根據傳感器測得的位移、加速度等信息，以特定的控制策略讓力發生器產生相應的控制力，從而實現優化懸架隔振效果的目的。可控力發生器可以是電機、液壓或氣壓等裝置。

哈爾濱工業大學與清華大學共同研制了八作動器隔振平臺[28]，采用氣壓作動器的方式研究主動隔振能力，阻尼器與彈簧并聯，結構上是在原有的Stewart機構上增加了2條伸縮桿，提高了隔振平臺的穩定性和可靠性，增加了系統的剛度和承載能力。Thompson[29]發表了電液伺服懸架系統的系統理論，并在主動懸架實驗中采用了線性反饋調術節技術。2020年Zhang等人[30]研究了一種由汽車主動懸架、主動座椅懸架和人體模型組成的集成主動懸架系統，設計了基于神經網絡的控制算法，并通過仿真實例，驗證了控制模型的優越性。

但是目前主動隔振懸架沒有廣泛普及，仍停留在理論和實驗的階段，主要原因如下：

（1）可控力的發生器需要外部持續提供能量，能耗很大。

（2）主動懸架系統，比被動懸架額外增加了力發生器、傳感器、控制器等零部件，結構復雜，一旦出現故障會導致整個隔振系統失效。

2.2.3 半主動隔振

半主動懸架的概念是Crosby和Karnopp首先提出的。半主動懸架的機械結構形式類似于被動懸架，但是半主動懸架的彈簧剛度或者減振器阻尼系數是可以調節的，可以根據不同的振動情況，進行主動調節，實現衰減振動的目的。除了可調節彈簧、阻尼之外，吉林大學的Wu等人[7]設計了一種采用慣容器的半主動控制隔振平臺（如圖3所示），對車載平臺的減振有很好的優化效果。

圖3 半主動隔振平臺

研究表明，半主動懸架相對于主動懸架而言，具有結構簡單，成本較低，可靠性高等優點，并在大多數情況下具有與主動懸架相近的性能[31]。

半主動懸架減振元件最常用的是可調阻尼器，可調阻尼器包括多級可調阻尼器與連續可調式阻尼器2種。相比于多級式，連續可調式阻尼器一般具有更好的調節能力。在連續可調式阻尼器中，目前主要又分為磁流變液式阻尼器與電磁閥式阻尼器。磁流變式阻尼器是通過改變施加在阻尼液的高壓大小來控制阻尼器中的阻尼液特性從而實現阻尼調節功能。Jiang等人[32]為了更好的研究半主動懸架的控制算法，建立了一個精確的磁流變阻尼器動力學模型，并進行了實驗驗證。重慶大學的廖昌榮等人[33]對磁流變阻尼器的Bingham模型參數進行測試，提出了基于混合工作模式的磁流變阻尼器設計原理，開發了微型汽車磁流變阻尼器，經國家客車質量檢測中心測試，其可控阻尼特性優良。而電磁閥式阻尼器是通過調節阻尼減振器中電磁閥的閥門開度來控制阻尼液的流動，從而改變阻尼器的阻尼特性。陳雙[34]等人以電磁閥式阻尼可調減振器為研究對象，建立AMEsim模型進行仿真并與實物模型特性實驗對比。雖然目前在學術領域，針對磁流變式阻尼器的研究更多，但是在實際的工程應用領域，電磁閥式連續可變阻尼器是當前最符合半主動懸架系統要求的隔振元件之一。

圖4 連續可調阻尼器[14]

3 控制策略概述

一般在控制策略的應用上，并不嚴格區分主動和半主動，應用于主動隔振平臺中的控制策略加上一定的條件約束，即可應用到半主動隔振平臺上。在目前研究的控制策略中比較有代表性的是經典控制中的天棚控制、線性最優控制和非線性模糊控制。

3.1 經典天棚控制

經典控制策略是指一些較早提出的簡單控制策略，主要適用于比較簡單的控制系統模型。天棚阻尼控制的思想是上平臺和假想的“天棚”之間安裝一個阻尼可調的天棚阻尼器，該阻尼器起到耗能的作用，但是實際上無法實現這樣理想控制力，通常是在懸架中加入一個可調阻尼器來模擬理想的天棚控制力。理論上，阻尼力總是與其相對運動速度方向相反，大小成比例。所以可以通過判斷車體垂向速度和垂向加速度的方向來分析2者之間的影響關系，依據工況不同程度地控制平臺速度來間接抑制平臺加速度，達到提高穩定性的目的，其控制邏輯如公式1所示：

其中vp是車載隔振平臺垂向速度，vc是車身垂向速度，ap是車載隔振平臺垂向加速度。文獻[35]中張磊、張進秋等人建立了半主動車輛懸架模型，并分別用傳統天棚阻尼控制和改進天棚阻尼控制對模型進行了仿真實驗，驗證了改進型天棚阻尼控制能顯著提升車輛乘坐舒適性。弗吉尼亞理工大學的Liu等人[36]基于能量流分析，設計了一種新型的天棚-能量驅動減振混合算法，該算法具有控制低頻振動的特點。

天棚控制算法屬于經典控制理論，相關技術十分成熟，在工程上的應用也十分廣泛。

3.2 線性最優控制

最優控制是建立在系統狀態方程的基礎之上，根據被控對象的動態特性，選定一定的控制范圍，使得被控對象在滿足一定的技術需求情況下受控。該控制方法需要確定一個合理的目標函數，并使得該目標函數中包含的各項指標可以達到的最優值狀態。因此，應用于半主動控制上的最優控制算法一般都是選取系統的位移、加速度、相對動撓度等運動狀態參數作為控制算法的目標函數。在懸架控制領域，研究較多的線性最優控制主要包括線性二次型最優控制（LQR）和線性二次型高斯最優控制（LQG）2種。

這里簡單介紹一下線性二次型最優控制的原理，對于以下的狀態空間方程：

設代價函數J為，

設計一個控制輸入量u，使得代價函數J最小，這樣的問題稱為線性二次型最優控制問題。Q和R分別表示狀態變量和控制輸入變量的加權系數矩陣，均為正定矩陣，N為上述2種變量關聯性的加權矩陣。

最優控制力為：

通過構建黎卡提方程：

即可推導出反饋增益矩陣K。控制邏輯框圖5。

這里的最優控制目標可以是隔振上平臺的垂向加速度和隔振平臺懸架系統的動撓度。

圖5 線性二次型最優控制邏輯

東北大學的郭立新等人[37]提出一種車輛主動懸架和座椅主動懸架集成變增益LQR控制算法，以車身垂向加速度和座椅垂向加速度為控制目標，進行了LQR半主動控制仿真實驗，獲得了較好的控制效果。安那大學的Prassad[38]設計了一種基于LQR控制策略的自適應空氣懸架系統，通過粒子群算法對控制器進行了優化，并與PID控制器對比仿真，證明其對乘坐舒適性有很大的改善。陳晨[39]通過MATLAB仿真平臺建立了8自由度“車-椅”動力學模型，并設計了LQG控制器，仿真證明該控制器能夠保證車輛舒適性能。江蘇大學的祖廣浩[40]等人針對磁流變半主動懸架中的時滯問題，設計了一種史密斯預估器-泰勒級數拓展LQG步長算法控制器。

線性最優控制具有以下不足之處：

（1）目標函數中各個目標權重的選取有很大的主觀性；

（2）最優控制理論對時域的減振問題能夠較好地解決，然而很難處理好頻域減振問題。

3.3 非線性模糊控制

模糊控制是以模糊集合論等數學方法為基礎，根據經驗和理論分析，建立非線性的模糊模型與模糊邏輯規則集，對于系統的不確定性具有很強的魯棒性，隔振平臺懸架系統是一個復雜的非線性系統，因此可以利用模糊控制方法對其進行控制仿真。其基本思想是將人們的手動控制經驗用語言加以描述，構成一系列條件語句，即控制規則，再利用模糊理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理，將模糊的控制規則上升為數值運算，利用計算機運用程序來實現[41]。

其控制邏輯如圖6所示，模糊控制器接收懸架系統的輸出信號p及其變化率作為輸入量，計算得到控制力輸出u，作為懸架系統的反饋控制力。為了提高隔振性能，信號p可以是隔振懸架動撓度和隔振上平臺的垂向加速度。

江蘇大學的Sun等人[42]，基于空氣彈簧和多檔可調阻尼器的混合模型，設計了模型預測控制和模糊控制方法，優化了阻尼減振器的檔位切換效果。伍倫貢大學的Tang等人[43]基于磁流變半主動懸架設計了TS模糊控制模型，并與天棚算法相對比，驗證了其更好的減振性能。Li等人[44]基于Lyapunov穩定性理論，研究了具有不確定性的主動懸架自適應模糊控制問題，并考慮了執行器故障問題，設計了T-S模糊控制模型，最后通過仿真實例驗證了提出的方法的可行性。

圖6 非線性模糊控制邏輯

4 總結與展望

綜上所述，本文對車載穩定隔振平臺進行了詳細介紹，闡述了其在地質勘探、醫療、特種車輛載人等領域的應用。詳細分析了隔振平臺懸架的控制形式，并討論了經典天棚控制、線性最優控制和非線性模糊控制在半主動及主動隔振平臺懸架中的應用。由于經濟性和實用性等因素，被動懸架仍是車載隔振平臺上應用最多的一種懸架，目前非線性懸架是被動懸架研究的熱點，但是被動懸架的參數不能根據振動環境來實時調節，有著天生的局限性。主動懸架能適用于各種控制策略，可以實現對懸架的精準控制，有很高的研究價值，但是由于其耗能高、結構復雜并沒有在工程應用中普及。綜合來看，半主動懸架不需要外界能量輸入，可以根據振動環境調節懸架參數，因而有更好的應用前景。目前對控制策略的研究已經逐步從經典控制理論過渡到現代控制理論，由于懸架系統的非線性，如果使用線性化非線性模型的方法，在精度上難以達到滿意的效果，除了上述模糊控制，線性參變系統（LPV）的出現有效地解決了復雜非線性系統的建模問題，目前國內對LPV應用于車輛懸架的研究非常少，是未來的研究熱點。