汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制策略研究進(jìn)展

王素玉，呂勇，張松，劉站

(山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東青島 266590)

?

汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)控制策略研究進(jìn)展

王素玉，呂勇，張松，劉站

(山東科技大學(xué)交通學(xué)院，山東青島 266590)

摘要：闡述了汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及汽車各類主動(dòng)懸架系統(tǒng)的特點(diǎn)，介紹了系統(tǒng)主要控制策略及研究進(jìn)展，指出了汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：汽車；懸架系統(tǒng)；控制策略

0引言

汽車懸架是用于緩沖由不平路面?zhèn)鹘o車架或車身的沖擊力，提高行駛平順性和乘坐舒適性的部件。因此汽車懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須滿足行駛平順性和安全性的要求,但隨著高速公路的發(fā)展，傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架無法徹底解決平順性和操縱穩(wěn)定性之間的矛盾。20世紀(jì)50年代提出了主動(dòng)懸架概念，這種懸架可以根據(jù)使用條件的不同改變減震器阻尼和彈簧剛度。主動(dòng)懸架能夠主動(dòng)地控制汽車的振動(dòng)，同時(shí)滿足平順性要求和操縱穩(wěn)定性要求。因此，研究性能優(yōu)良的車輛主動(dòng)懸架系統(tǒng)必將是今后汽車懸架發(fā)展的方向。

1汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)發(fā)展

20世紀(jì)50年代，美國GM汽車公司的Erspiel LABROSSE提出了主動(dòng)懸架的概念，為懸架發(fā)展開辟了新道路。20世紀(jì)80年代，美國LOTUS汽車公司研制出有源主動(dòng)懸架系統(tǒng)，瑞典VOVOL汽車公司在其車上安裝了實(shí)驗(yàn)性的LOTUS主動(dòng)懸架系統(tǒng)；20世紀(jì)90年代，美國Ford、德國Benz等汽車公司均在其高級轎車上裝備了各自開發(fā)的主動(dòng)懸架系統(tǒng)[1]。目前最先進(jìn)的是德國Benz公司發(fā)展的ABC(Active Body Control)系統(tǒng)[2]。國內(nèi)對主動(dòng)懸架的研究相對較晚，浙江大學(xué)的潘雙夏、西北工業(yè)大學(xué)的方宗德、上海交通大學(xué)的喻凡等人對主動(dòng)懸架做了比較深入的理論研究工作，他們也對主動(dòng)懸架的試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究，比如喻凡等人[3]為了解決主動(dòng)懸架高能耗問題，對饋能型主動(dòng)懸架進(jìn)行了大量研究，王維銳等[4]開發(fā)了 1/4 懸架系統(tǒng)的測試平臺(tái)，寇發(fā)榮等[5]對基于電動(dòng)靜液作動(dòng)器的主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的懸架系統(tǒng)測試平臺(tái)。但是這些試驗(yàn)平臺(tái)大多功能比較簡單需要進(jìn)一步去完善，對主動(dòng)懸架系統(tǒng)的開發(fā)也比較少，大多處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段，并沒有真正地應(yīng)用于產(chǎn)品。

2汽車主動(dòng)懸架的分類

汽車懸架可分為被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架。主動(dòng)懸架根據(jù)控制方式，可分為半主動(dòng)懸架、慢主動(dòng)懸架、全主動(dòng)懸架和饋能型主動(dòng)懸架4種。目前，主動(dòng)懸架的研究方向主要集中在控制策略和執(zhí)行器的研發(fā)。表1所示為懸架系統(tǒng)類型、定義和特點(diǎn)。

3汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)的主要控制策略研究

主動(dòng)懸架主要包含控制策略和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分,由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)主動(dòng)力的輸出完全按照控制策略的要求，因此主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是合理選取為車輛提供良好性能的控制策略[9]。不同的控制策略，將會(huì)導(dǎo)致不同的懸架特性和減振效果。文中主要介紹了最優(yōu)控制、模糊控制、PID控制以及近幾年屬于研究熱點(diǎn)的懸架系統(tǒng)復(fù)合控制。

3.1最優(yōu)控制

最優(yōu)控制是一種在理論上比較成熟的控制方法，基本原理是利用最小值原理(或稱為最大值原理)選擇一個(gè)容許控制u(t)，在一些約束條件和初、終端條件下，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)函數(shù)J取最小(或最大)[16]。線性二次型狀態(tài)反饋控制器(Linear Quadric)允許系統(tǒng)全部狀態(tài)的反饋，大大提高了主動(dòng)懸架的控制效果。車輛懸架最優(yōu)控制的性能指標(biāo)J一般選為懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)位移、車身加速度及作動(dòng)器輸出控制力的加權(quán)和，見式(1)：

(1)

1991年，CORRIGA等[18]將優(yōu)化的阻尼特性系數(shù)和彈簧彈性常數(shù)應(yīng)用于液壓主動(dòng)懸掛，這使得懸架系統(tǒng)必然存在一個(gè)最低能量需求。2006年，KUMAR和VIJAYARANGAN[18]使用線性二次最優(yōu)控制理論來設(shè)計(jì)一個(gè)活躍的線性二次型調(diào)節(jié)器系統(tǒng)控制器，采用了2種不同的方法，即傳統(tǒng)法和加速度法。2008年，ABDALLA等[18]提出了一個(gè)線性矩陣不等式優(yōu)化主動(dòng)式懸吊系統(tǒng)的控制方法。2011年，KALEEMULLAH等[18]研究了結(jié)合使用其線性控制方法的一個(gè)LQR控制器，該控制器不需要減震器的物理模型，該控制方法對研究汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)具有重要意義。

3.2模糊控制

2007年，CHANG[18]提出了利用模糊邏輯控制器的串行和并行主動(dòng)懸架，并通過仿真分析證明2種類型都具有良好的控制性能。2011年，ROUHANI[18]采用可調(diào)模糊邏輯控制器，最大限度地提高了1/4汽車主動(dòng)懸架模型乘客的舒適性；KALEEMULLAH等[18]開發(fā)了不需要液壓執(zhí)行器模型的線性控制方法，并對該方法與模糊控制器的結(jié)合進(jìn)行了性能分析。

2013年，LAM[18]闡述了液壓互連(HIS)主動(dòng)懸架系統(tǒng)的作用機(jī)制，該系統(tǒng)可應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)性較好的汽車上。該類汽車車體側(cè)傾角是由一個(gè)模糊邏輯控制器來控制，實(shí)驗(yàn)表明：側(cè)傾角在有無主動(dòng)控制的情況下，相比于被動(dòng)懸架進(jìn)行同樣的激勵(lì)，能量消耗分別減少了約40%和30%，但是，這項(xiàng)研究并沒有解決HIS系統(tǒng)的能源消耗。LI等[18]采用非線性主動(dòng)懸架自適應(yīng)滑?？刂?，通過Takagi-Sugeno模糊邏輯方法，用來處理涉及簧上和簧下質(zhì)量的不確定性，并通過仿真分析研究，最終確定這種控制方法是切實(shí)可行的。

3.3PID控制

PID控制是利用相對于控制誤差(目標(biāo)值一受控量)的比例(Proportional)、積分(Hitegral)、微分(Derivative)等3種動(dòng)作來決定受控對象的操作量。3種動(dòng)作各有其作用,既相互配合,又相互制約[16]。PID控制器的數(shù)學(xué)模型見式(2)：

(2)

式中：KP為比例系數(shù)；KI為積分系數(shù)；KD為微分系數(shù)；e(t)為控制器輸入誤差；u(t)為控制器的輸出[16]。

2010年，NURHADI和SUN等[18]通過對采用不同整定方法的PID控制器進(jìn)行研究，揭示了這些主動(dòng)懸架可以顯著提高1/4車型駕駛性能。2013年，Ab TALIB和Mat DARNS[18]對使用PID控制器半車模型的主動(dòng)懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究，該系統(tǒng)采用液壓執(zhí)行器和3種不同的激勵(lì)源。為了獲得最適當(dāng)?shù)腜ID參數(shù)值，采用3種不同的調(diào)整方法，即Ziegler-Nichols方法、啟發(fā)式調(diào)整和迭代學(xué)習(xí)算法(ILA)。通過研究表明：PID控制器通過ILA調(diào)整比其余2種方法更優(yōu)，因此智能ILA是優(yōu)化PID控制器增益的最佳方法。

3.4復(fù)合控制

汽車懸架作為汽車底盤系統(tǒng)的子系統(tǒng)之一，在車輛行駛過程中，與底盤其他子系統(tǒng)如制動(dòng)系、轉(zhuǎn)向系和傳動(dòng)系等存在著相互作用與動(dòng)力學(xué)耦合關(guān)系。因此，從底盤系統(tǒng)全局和整體出發(fā)，基于汽車底盤各子系統(tǒng)的復(fù)合控制，不但有利于整個(gè)汽車底盤系統(tǒng)達(dá)到全局最優(yōu)，也有利于汽車懸架系統(tǒng)控制的合理性。國內(nèi)針對復(fù)合控制也進(jìn)行了大量研究，比如張國盛等[22]將遺傳算法應(yīng)用于LQR權(quán)重矩陣的優(yōu)化，增加了尋求最優(yōu)權(quán)重矩陣的可能性，提高了懸架系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能；孫夏娜等[23]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、PID 控制策略用于主動(dòng)懸架的控制，比較好地提高了懸架的平順性；宋曉琳等[24]把混沌特性和免疫進(jìn)化算法應(yīng)用在主動(dòng)懸架控制器設(shè)計(jì)上，使汽車的安全性和平順性得到了更好的改善等。復(fù)合控制方法更適用于具有復(fù)雜非線性特性的汽車懸架系統(tǒng)的控制，有利于提高系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，減少性能沖突，從而提高汽車懸架系統(tǒng)整體性能。

4總結(jié)與展望

雖然主動(dòng)懸架具有很多優(yōu)越性，但從目前的研究現(xiàn)狀來看還存在很多問題。汽車懸架系統(tǒng)不是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，是由多個(gè)系統(tǒng)之間聯(lián)合作用決定，懸架系統(tǒng)的研究應(yīng)更注重懸架系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及行駛系統(tǒng)之間的集成控制研究；成本、能耗、材料和可靠性等因素，仍然限制了新型主動(dòng)懸架系統(tǒng)的市場開發(fā)應(yīng)用；每種控制策略都有其優(yōu)缺點(diǎn)，如何把各種控制策略的優(yōu)點(diǎn)集中在一起，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)懸架控制性能指標(biāo)最優(yōu)是控制策略的熱點(diǎn)研究問題。目前主動(dòng)懸架系統(tǒng)研究的主要熱點(diǎn)：懸架集成控制、饋能型和可再生能量懸架、復(fù)合控制策略研究。

5結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)也隨之不斷發(fā)展和應(yīng)用，目前有關(guān)汽車主動(dòng)懸架的研究主要集中在新型控制器和控制策略的研究。利用電磁蓄能原理設(shè)計(jì)控制器，有望設(shè)計(jì)出高性能低功耗的饋能式和能量再生型主動(dòng)懸架。高效、可靠、快速的控制策略和成本低廉的控制器的研究開發(fā)，依賴懸架系統(tǒng)的復(fù)合控制策略和集成控制，將是汽車懸架今后的一個(gè)主要研究方向。

參考文獻(xiàn):

【1】金玲.基于主動(dòng)懸架的越野汽車動(dòng)力學(xué)仿真研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2010.

【2】韓豫萍,孫濤,盛新.汽車懸架系統(tǒng)的發(fā)展及控制[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī),2008,21(4):29-30.

【3】喻凡，張勇超.饋能型車輛主動(dòng)懸架技術(shù)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010(1):1-6.

【4】王維銳,潘雙夏,王芳,等.磁流變液減振器模擬工況實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制策略研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2005,39(12):1915-1919.

【5】寇發(fā)榮,方宗德.電動(dòng)靜液壓作動(dòng)器EHA及其在汽車主動(dòng)懸架中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2007,35(4):129-131.

【6】EIMAJDOUB K,GHANI D,GIRI F,et al.Adaptive Semi-active Suspension of Quarter-vehicle with Magnetorheological Damper[J].Journal of Dynamic Systems, Measurement & Control,2015,137(2):1-12.

【7】HROVAL D.Survey of Advanced Suspension Developments and Related Optimal Control Applications[J].Automatica,1997,33(10):1781-1817.

【8】曹民,喻凡.車用磁流變減振器的研制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2004,40(3):186-190.

【9】倪建華,張智謙,張可,等.一種新型的磁流變阻尼器及其在半主動(dòng)控制車輛懸架中的應(yīng)用研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2004,23(1):5-10.

【10】韓天龍.汽車主動(dòng)懸架系統(tǒng)發(fā)展研究綜述[J].機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2012,25(2):59-61.

【11】袁龍.新型饋能懸架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真模型建立[J].輕型汽車技術(shù),2011,22(4):16-18.

【12】FODOR M,REDFIELD R.The Variable Linear Transmission for Regenerative Damping in Vehicle Suspension Control[J].Vehicle System Dynamics,1993,22(1):1-20.

【13】JOLLY M,MARGOLIS D.Regenerative Systems for Vibration Control[J].Journal of Vibration and Acoustics,1997,119(2):208-215.

【14】KARNOPP D.Permanent Magnet Linear Motors Used as Variable Mechanical Dampers for Vehicle Suspensions[J].Vehicle System Dynamics,1989,18(4):187-200.

【15】呂勇.懸架類型[OL].http://wenku.baidu.com/view/03bece72f242336c1eb95e92.html.[2015-12-25].

【16】于顯利.車輛主動(dòng)懸架集成控制策略研究[D].長春：吉林大學(xué)，2010.

【17】張麗萍.受隨機(jī)激勵(lì)車輛非平穩(wěn)行駛平順性分析及控制研究[D].沈陽：東北大學(xué)，2012.

【18】ABOUD W S,HARIS S M,YAACOB Y.Advances in the Control of Mechatronic Suspension Systems[J].Journal of Zhejiang University.Science,2014,15(10):848-860.

【19】蔡連營.特種車輛主動(dòng)懸架技術(shù)仿真研究[D].長春：吉林大學(xué)，2008.

【20】陶業(yè)英,高嵩.汽車主動(dòng)懸架模糊控制方法研究[J].汽車技術(shù)，2013,11:29-32.

【21】YOSHIMURA T,NAKAMINAMI K,KURIMOTO M,et al.Active Suspension of Passenger Cars Using Linear and Fuzzy-logic Controls[J].Control Engineering Practice,1999,7(1):41-47.

【22】張國勝,方宗德,李愛民,等.基于遺傳算法的主動(dòng)懸架最優(yōu)控制方法研究[J].中國機(jī)械工程,2007,18(12):1491-1495.

【23】孫夏娜,余群明,周兵,等.主動(dòng)懸架單神經(jīng)元模糊PID控制策略與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(8):2165-2168.

【24】宋曉琳,趙丕云,于德介.基于混沌免疫進(jìn)化算法的汽車主動(dòng)懸架控制策略研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,35(5):31-35.

Research Advances in Control Strategy of Automotive Active Suspension

WANG Suyu, LV Yong, ZHANG Song, LIU Zhan

(College of Transportation, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Shandong 266590, China)

Keywords:Vehicle; Suspension system; Control strategy

Abstract:The research status quo of automotive active suspension system and the characteristics of all kinds of active suspension system were expounded. The research progress and the suspension system control strategy were introduced. The research focus in the automotive active suspension system and its development trends were pointed out.

收稿日期：2015-12-07

基金項(xiàng)目：山東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZR2010EM072)

作者簡介：王素玉(1962—)，女，博士研究生，教授，主要研究方向?yàn)楦咚偾邢鳈C(jī)制、機(jī)械加工表面質(zhì)量分析等。E-mail：lyyx911@163.com。

中圖分類號:TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)05-082-04