输出 悬挂质量
+
路面随机输入
自适应器 输出 非悬挂质量
阻力可调减振器
某半主动悬架阻尼自适应控制系统框图
23
3.6.4 汽车半主动悬架的共性问题
半主动悬架同时具有主动悬架、被动悬架的特征， 而且在更多方面保留有被动悬架的固有特征。概 括起来主要有以下几点： (1) 半主动悬架系统以闭环的方式控制阻尼力，包 括传感器、电子控制单元(ECU)以及调制阻尼力 的伺服阀，在这一方面类似主动悬架。 (2) 可以采用各种可能的控制策略，如天棚阻尼控 制、简单线性反馈控制、最优控制、相对控制， 也可以采用自适应控制，这也类似主动悬架。
7
3.2.1 汽车被动悬架系统模型
汽车悬架系统是一个多输入多输出系统，但为了研 究问题的方便，在研究悬架系统时，普遍采用单 轮模型，它是二自由度线性系统。 在建立汽车被动悬架系统模型时，作如下假设： (1) 取1/4汽车作为分析模型； (2) 只考虑垂直方向振动； (3) 不考虑非线性因素； (4) 认为轮胎不离开地面。
4
2．主动悬架 主动悬架与被动悬架相比，有以下特点： (1) 主动悬架能供给能量和调节能量，被动悬架只 能靠弹性元件变形储存和释放能量； (2) 主动悬架能产生许多变量函数的力，从而适应 外部环境广泛的干扰。
5
3.1.3 悬架的评价指标
根据汽车整车性能对悬架的要求，通常用以下三个 参数来评价悬架的优劣，即： (1) 车身垂直加速度(舒适性)； (2) 车轮相对动载(安全性)； (3) 悬架动挠度(防止悬架冲击缓冲块)。 在设计时，这三个参数应尽可能小，但在客观上存 在矛盾，特别是被动悬架。在悬架设计时，要综 合考虑这些参数的选取。
11
2．最优控制 最优控制是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，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 H 制、 最优控制和最优预见控制等。
6
3.2 汽车被动悬架
目前，多数汽车的悬架都为被动悬架，即汽车的车 轮和车身状态只能被动地取决于路面及行驶状况、 汽车的弹性元件、减振器和导向机构等。汽车的 乘坐舒适性和操纵稳定性是一对矛盾，如果要保 证汽车的乘坐舒适性，就要求悬架比较柔和；要 保证汽车的操纵稳定性，就要求悬架具有较大的 弹簧刚度和阻尼较大的减振器。
13
3.4 汽车主动悬架系统的控制功能
1．车速路面感应控制 车速路面感应控制主要是随着车速和路面的变化改变悬架的刚度和阻尼， 使之处于“软”或“硬”状态。每种状态按照刚度和阻尼的大小依次 有低、中、高三种状态。 2．车身姿态控制 车身姿势控制主要是指车速和转向急剧变化时对车身姿态进行控制，以 保证汽车的乘坐舒适性和稳定性。这种控制包括三种控制功能，即转 向时的车身侧倾控制、制动时的车身点头控制和起步时的车身俯仰控 制。 3．车身高度控制 车身高度控制分为常规和高两种控制模式，每种控制模式按车身的高度 从低到高的顺序，又分为低、中、高三种状态。
25
3.7 汽车空气悬架
汽车主动悬架可以明显改善乘坐舒适性和操纵稳定 性，但成本高、功率消耗大，在当前技术条件下， 主动悬架很难在汽车上得到普遍采用，主要应用 对象为数量较少的高档轿车。近年来发展起来的 电控空气悬架，同时具备主动悬架、半主动悬架 和被动悬架的特性。
26
3.7.1 空气悬架组成及特点
∞
12
3．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最优。 4．模糊控制 汽车主动悬架系统是一个复杂的非线性系统，其数学模型相当复杂，采 用已有的常规的控制理论很难达到好的控制效果。而模糊控制系统由 于不需要建立精确的数学模型，可以避免因系统建模误差带来的影响， 从而取得较好的控制效果。另外，利用模糊控制，可以利用较少的状 态量作为反馈控制信号，从而减少传感器数量，降低成本。 5．神经网络控制 神经网络具有自适应学习、并行分布处理和较强的稳健性、容错性等特 点，适合于对复杂系统进行建模和控制。近年来，采用神经网络控制 汽车主动悬架已引起重视。
14
3.5 汽车全主动悬架
汽车全主动悬架是一种具有作功能力的悬架，在悬 架系统中附加一个可控制作用力的装置，因此需 要一套提供能量的设备。全主动悬架可根据汽车 载荷、路面状况、行驶速度，启动、制动、转向 等行驶条件的变化，自动调节悬架的刚度、阻尼 和车身高度等控制参数，同时满足汽车行驶平顺 性和操纵稳定性的要求。
10
3.3 汽车主动悬架控制技术
1．PID控制 以经典控制理论为基础的PID控制不需要了解被控 对象的数学模型，只要根据经验进行调节器参数 在线调整，即可取得较为满意的结果。不足的是 对被控对象参数变化比较敏感。研究查表法变参 数PID控制和模糊PID控制方法在半主动悬架控制 系统中应用有一定的价值。
20
3.6.1 汽车半主动悬架系统的控制原理
汽车半主动悬架系统的控制原理
21
3.6.2 汽车半主动悬架系统模型
研究汽车半主动悬架的主动控制时，采用下图所示 的两自由度模型，其中减振器的阻尼是可调的， 可调阻尼器是由常规阻尼器和变化阻尼力组成。
两自由度模型
22
3.6.3 汽车半主动悬架阻尼自适应控制
3
3.1.2 悬架分类及特点
1．被动悬架 被动悬架由弹性元件(弹簧)与减振器(阻尼器)组成，在汽车 行驶过程中，这种悬架的弹性刚度和阻尼系数不随路况的 改变而改变，它只能使汽车的某些性能在一定的路况下得 到一定的改善。即使采用优化方法设计也只能使其有限度 地适应某些路况。另外，汽车在不同的工况下，如汽车在 加速、减速、超车、转弯以及载荷变化时，其要求与之相 适应的悬架参数就不尽相同。因此，汽车被动悬架系统由 于其弹性元件的刚度和减振器的阻尼在汽车行驶过程中无 法进行调节，从而使汽车的许多性能在很大程度上受到限 制。
2 J = ∫ q1&&2 + q2 z 2 + q3 z3 + q4 u 2 dt z2 0 ∞
17
3.5.3 汽车全主动悬架的模糊控制
1．模糊控制器的结构选择 结构选择将直接影响模糊控制器的性能。 2．模糊控制规则的选取 模糊控制规则是模糊控制器的核心，它用语言的方式描述了控制器输入 量和输出量之间的关系，即它们之间的模糊关系。 3．确定系统的模糊输出量 每一个模糊控制规则将形成一个模糊子关系，即 R1 = a (NL) × V (NL) × u (PL) R2 = a (NL) × V (NS) × u (PL) M R25 = a (PL) × V (PL) × u (NL)
18
4．进行模糊判决 利用模糊关系 R ，对于任意一组模糊输入 a 和 V ， 所求得的控制器输出 u 是一个模糊子集，但被控 对象只能接受精确的控制量，这就需要进行输出 信息的模糊判决，即将模糊量转化为精确量。
19
3.6 汽车半主动悬架
被动悬架结构简单，但不能兼顾舒适性和稳定性， 而且隔振效果较差。主动悬架能获得一个优质的 隔振系统，实现理想悬架的控制目标，但能量消 耗大，成本高，结构复杂，限制了使用。半主动 悬架介于被动悬架和主动悬架之间，它是通过改 变减振器的阻尼特性适应不同的道路和行驶状况 的需要，改善乘坐舒适性和操纵稳定性。由于半 主动悬架在控制品质上接近主动悬架，且结构简 单，无须力源，能量损耗小，因此被广泛使用。
ω2
S0
9
3.2.3 被动悬架的频域特性
对式
m M d 2 z1 dz dz = K t ( z0 − z1 ) − Cs 1 − 2 − Ks ( z1 − z2 ) 2 dt dt dt d 2 z2 dz dz = Cs 1 − 2 + Ks ( z1 − z2 ) − f b 2 dt dt dt
第3章 汽车悬架系统
1
3.1 概
述
传统的悬架只能保证在一种特定的道路状态和速度下达到性 能最优。随着高速公路的迅速发展，以及人们对汽车平顺 性和安全性要求的提高，传统的悬架已不能满足要求，人 们希望悬架的刚度、减振器的阻尼系数、车身高度能随汽 车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件变化而变化，使 悬架性能总是处于最佳状态附近。同时满足汽车行驶平顺 性、操纵稳定性等方面的要求，于是现代各种悬架控制技 术和方案得到了长足的发展，各种形式的电子控制悬架系 统相继在一些高级轿车上采用。
28
3.7.2 汽车空气弹簧特性
1．空气弹簧刚度特性 汽车空气悬架中空气弹簧与常见的线性刚度钢板弹 簧不同，它具有非线性刚度特性。 空气弹簧的承载能力为
F = Pi × Ae
29
2．空气弹簧有效面积特性 对于膜式空气弹簧，当活塞座轮廓为圆柱形时，有效面积几 乎不随位移变化而变化，此时空气弹簧刚度计算公式可简 化为
2
3.1.1 悬架系统的作用
悬架系统的作用除传递作用于车轮、车架或车身之 间的一切力和力矩之外，还应具有以下基本功能： (1) 具有良好的减振和缓冲性能，以缓和路面不平 传给车架或车身的冲击，使汽车行驶平顺、乘坐 舒适； (2) 车轮跳动时使车轮定位参数变化小，保证良好 的汽车操纵稳定性； (3) 使车轮与地面有良好附着性，减小车轮动载变 化，以保证良好的安全性。
24
(3) 无论采用什么样的控制方式，由于半主动悬架系统不能 提供能量，而只能耗损能量，所以在进行控制器设计时， 尽管可以采用线性反馈、最优全状态反馈，但最终能在半 主动悬架系统实现时，一定具有非线性的切换函数或约束 条件。因此，半主动悬架系统是本质非线性的，在消耗能 量时具有主动悬架的特征，而在补充能量时表现为被动悬 架的特征。 (4) 半主动悬架本质上是可调阻尼系统，它可以产生任何期 望的阻尼力替代被动阻尼力。 (5) 半主动悬架仅有电控装置和驱动机构需要消耗能量，因 而消耗的能量小，系统的结构简单、成本低。