主动悬架安全控制技术【引言】主动控制悬架可使汽车乘坐舒适性和操纵安全性同时得到改善。

介绍了国内外汽车主动悬架系统的现状及发展,重点介绍了几种常见的控制方法。

简介：悬架系统的主要作用是有效地减缓路面不平而引起的车体振动(乘坐舒适性)以及操纵安全性。

随着汽车性能的不断完善与发展,对悬架也提出了更高的要求。

为了满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求,悬架的结构形式一直在不断地更新和完善,尽管这样,传统的被动悬架依然受到许多限制,主要是难于同时改善在不平路面上高速行驶车辆的稳定性和行驶平顺性,即使采用优化设计也只能保证悬架在特定的激励发生变化后,悬架的性能亦随之发生变化。

事实上,被动悬架的潜力在目前已接近极限,为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制,近年来,汽车工业中出现的主动悬架成为了一条改善汽车悬架性能的新途径。

主动悬架控制系统是一个闭环控制系统，它能根据系统的运动状态和当前的激励情况，主动做出反应来控制系统的振动，在控制过程中，可以根据外界输入。

与系统状态的变化实时调节控制系统参数，以获得最好的减振效果。

主动悬架通常可分为：有源主动悬架和无源主动悬架两大类。

有源主动悬架一般又简称为主动悬架，主动悬架一般由执行机构和控制决策部分构成。

其基本原理是根据被控系统的动态特性，采用由外部输入能量的控制方法使被控系统实现减振。

主动悬架系统的执行部分一般包括液压执行机构、动力源等，执行机构上装有控制器，它执行决策部分的命令。

一般用力发生器完全地或部分地代替被动悬架中的弹簧和阻尼器。

力的大小由控制规律决定。

决策部分为一车载微机系统，包含各种传装置、测量仪器和信号反馈处理等系统。

微机接收来自传感器的信号，经预定控制程序处理后，由控制器发出命令，决定执行机构所需的动作，从而形成闭环控制。

主动悬架具有如下显著优点：（１）在悬架静扰度较小的前提下，能获得较低的固有频率和动扰度。

（２）悬架的动力学特性，不随汽车的载荷变化而改变。

`（３）对任何形式的激励均能做出快速的反应，并能根据激励的变化而使悬架变“硬”或变“软＂。

无源主动悬架又称为半主动悬架，它由一个弹性元件和一个系数能在较大范围内调节的阻尼器构成。

悬架的减振方式和工作原理与被动悬架相近。

不同的是悬架参数在一定的范围内可以调节，以获得最佳减振性能。

在车辆悬架中，弹性元件除了用于吸收和存储能量外，还得承受车体的静止质量，所以，在无源条件下，改变刚度要比改变阻尼困难得多。

所以目前大部分无源主动悬架实际上仅讨论阻尼的控制。

与有源主动悬架相比，无源主动悬架的最大优点是工作是几乎不消耗动力，因此越来越受到人们的重视。

本文中所述主动悬架均指有源主动悬架。

主动悬架的出现已成为车辆工程理论和实践中的重大改革，它同时改善了车辆的舒适性和安全性。

但是主动悬架的执行机构需要选用高精度的伺服缸（如液压缸、油气缸），需要复杂的传感器和仪器设备，需要较多的外部动力来控制执行机构。

这就决定了主动悬架系统的结构复杂、研制成本较高，而且系统可靠性始终是值得研究提高的一个问题。

但考虑到主动悬架具有的多种其他悬架系统所无法比拟的优点，主动悬架将是今后车辆悬架系统发展的重要方向，因此对主动悬架控制进行研究具有很大的实际意义。

车辆主动悬架的研究在国内外,尤其在国外得到了广泛的开展,许多大学与汽车大公司对主动悬架进行了理论与实践的研究,并取得了很好的效果。

对主动悬架的研究主要从两个方面展开:一是各种可能模型的主动悬架及其控制规律的特性研究与被动悬架相比较。

二是控制规律的设计。

采用不同的控制规律和数学模型,所获得的悬架特性是不一样的,因此采用什么样的模型和控制规律以及与之对应的悬架特性是什么,是主动悬架研究的一个重要方面。

常见控制方法1自适应与自校正控制方法自适应与自校正悬架系统可看作一个可自动改变其控制律参数以适应于车辆当前的工作条件的控制系统。

自适应一般发生在车辆行驶过程中的,具有较慢统计特性变化的干扰,即路面输入干扰。

自校正是指对运行初始的静态干扰,如车身质量的变化。

自适应与自控制方法的基本思想是根据系统当前输入的相关信息,从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。

其设计关键的选择能准确,可靠地反映输入变化的参考变量。

只要变量选择得当,控制器即可快速,方便地相应改变控制参数以适应当前输入变化。

车辆参数变化可能显著影响系统的输出,这将会使控制器难以区别系统输出的变化是来自于路面输入的变化或是来自于车辆参数的变化,从而选择不到真正合适的控制参数。

考虑车辆参数变化较大的情况,可采用自适应于路面输入和车辆参数的变化的自校正控制系统。

2天棚阻尼器控制方法天棚阻尼器控制理论是由美国的 D.KARNOPP教授提出,在主动控制悬架的控制中被广泛采用。

天棚阻尼器控制设想将系统中的阻尼器移至车体与某固定的天棚之间。

就主动悬架而言,也就是要求有执行机构产生一个与车体的上下振动绝对速度成比例的控制力来衰减车体的振动。

传统的被动悬架可以认为是带阻尼器的双质量振动系统,当考虑到带宽和系统的共振特性时,传统被动悬架性能不能令人满意。

但带天棚阻尼器的汽车悬架,只要合理选择参数,可彻底消除系统共振现象。

3最优控制方法、鲁棒控制方法通过建立系统的状态方程式提出控制目标及加权系数,然后应用控制理论求解出所设目标下的最优控制方案。

较天棚阻尼器控制方法而言,它对系统中更多的变量的影响加以考虑,因而控制效果更好。

而且现代控制方式的应用,主要是在系统的控制软件方面做一些改善,并不增加系统的复杂性。

根据最优控制理论设计出的主动悬架,只对数学模型保证预期的性能。

但是对于实际的车辆系统,存在着各种不满足理想条件下的不确定因素。

首先实际的车辆系统都是非线性的和时变的系统。

其次实际系统是一个复杂的高维系统,建模时忽略了系统的高阶动态环节,如车架,轮胎的高阶模态,传感器,作动器的动态特性等。

所有这些因素的存在,都是实际系统偏离理论模型,从而使实际系统达不到理论所预言的性能。

因此有必要对系统作鲁棒性分析,即在各种模型误差及不确定扰动的情况下,研究系统的稳定性问题,并且研究系统在受到多大的扰动时仍能保持稳定,即系统的鲁棒性。

研究表明:指标的权重系数,状态测量方式,簧上质量和悬架刚度对系统的鲁棒稳定性有重要影响,而作动器和传感器的动态环节对其影响不大。

利用LTR方法可以对LQG系统进行鲁棒稳定性恢复,同时使系统的性能损失减到最低限度。

4预见控制方法天棚阻尼器控制方法和最优控制都是根据当时道路和车辆的状态反馈而决定控制力,而预见控制方法却对即将出现的情况加以考虑以求进一步提高系统的控制性能。

当遇到较大或突变干扰时,由于系统的能量供应峰值和元件响应速度的限制,很可能无法输出所需的控制力而达不到希望的控制效果。

而预见控制方法,由于通过某种方法提前检测到前方道路的状态和变化,使系统有余的采取相应的措施,有可能降低系统的能量消耗且大幅度改善系统控制性能,取得一举两得的效果。

根据预见信息的获取及利用方法的不同,可构成不同的预见控制系统,大致有如下两种:(1)对四轮全进行预见控制。

这种预见控制系统在车的前部设置有特制的预见传感器以测试前方道路的凹凸情况,然后将这些信息传至控制器。

控制器根据这些信息计算出控制指令,并将相应信号送至四个车轮中的每一个悬架机构。

从理论上看,这种系统应取得最为理想的控制效果,但需要设置特殊的传感器。

目前未见有批量实用车上市。

(2)利用前轮信息对后轮进行预见控制。

在这种控制方式中,两个前轮采用的仅为反馈控制,但通过前轮部分各种传感器所获得的信息,都被作为预见信息而送至控制器。

在决定后轮的控制指令时,控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息,而且也根据当时的车速和前后轮间的跨距,并考虑前轮各传感器所获得的信息。

因此,在后轮的执行机构上,实行的是反馈加前向反馈的双作用控制。

这样一来无须增设特制的预见传感器,只须对控制系统软件作些修改,便可对后轮实施预见控制,从而提高后轮的减振效果,同时就整车而言可以减小车体的摆动,因而控制效果得到改善。

5神经网络控制近年来,采用神经网络的控制方法已日益引起人们的重视,神经网络具有自适应学习,并行分布处理和较强的鲁棒性,容错性等特点,因此适合于对复杂系统进行建模和控制。

可以建立一种神经网络自适应控制结构,有两个子神经网络,其中一个神经网络对于系统进行在线辩识。

在对被控对象进行在线辩识的基础上,应用另一个具有控制作用的神经网络,通过对控制网络的权系数进行在线调整,控制器经过学习,对悬架系统进行在线控制,使系统输出逐渐向期望值接近。

通过仿真计算可知,具有神经网络自适应控制的主动悬架能很好地减小汽车振动,提高行驶平顺性和稳定性。

2结论主动控制悬架能根据检测到的环境与车体状况,主动地调整和产生所需的控制力,从而可使乘坐舒适性和操纵安全性同时得到改善。

随着汽车技术的发展,特别是随着新的微型电路技术的发展,主动控制悬架的应用和研究也得到很快的发展。

主动悬架是今后汽车悬架发展的方向。

但由于系统复杂性和额外的能耗以及成本太高,主动悬架在商业上的应用还需要时间。

目前需要解决的技术问题主要有简化系统结构,提高可靠性,适应性和采用新型控制策略等。

随着主动悬架理论的成熟,执行机构,传感器和微处理器等硬件的发展,主动悬架会得到普遍的推广与应用。