主動懸架控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

周良生+雷盼飛

摘要：主動懸架能夠充分發(fā)揮懸架系統(tǒng)的隔振能力，提高車輛行駛平順性和操作穩(wěn)定性，已經(jīng)成為當(dāng)前汽車懸架發(fā)展的熱門方向。隨著控制算法的不斷優(yōu)化，傳感器、控制器性能的不斷提升以及成本的降低，主動懸架必將成為未來車輛懸架系統(tǒng)的普遍配置。

關(guān)鍵詞：主動懸架；控制策略；發(fā)展方向

0引言

懸架是現(xiàn)代汽車上的重要組成部分，它把車身（或車架）與車輪（或車軸）彈性地連接起來，傳遞作用在車身與車輪間的力以及力矩，并且緩和由于路面的不平而引起的沖擊載荷，削弱由此帶來的振動。車輛懸架對汽車的操縱穩(wěn)定性、行駛平順性、通過性等都具有重要影響，因此懸架的設(shè)計調(diào)教一直是汽車研究人員重點關(guān)注的問題之一。

1主動懸架系統(tǒng)及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1主動懸架系統(tǒng)

主動懸架的基本原理是靠自身的能源通過執(zhí)行元件對振動進行“主動”干預(yù)，其不再有傳統(tǒng)意義上的彈簧剛度和阻尼特性，懸架中的彈簧和減振器全部或者至少部分被執(zhí)行元件所取代。系統(tǒng)還包括各種必要的傳感器、信號處理器和控制單元。控制單元根據(jù)檢測到的各種信號判斷汽車的當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)事先設(shè)定的控制策略決定執(zhí)行元件輸出的力，滿足系統(tǒng)要求。主動懸架具有更好的平順性，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、質(zhì)量大，而且要消耗相當(dāng)一部分發(fā)動機功率。

1.2主動懸架系統(tǒng)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外關(guān)于車輛主動懸架系統(tǒng)的研究已有四十多年的歷史，特別是20世紀(jì)80年代后，美、日、德、英等發(fā)達國家非常重視這項研究。目前，世界各大汽車公司及相關(guān)研究機構(gòu)都在投人相當(dāng)大的人力和物力，研制性價比高的車輛懸架系統(tǒng)，以便在車輛上得以廣泛應(yīng)用。如德爾福公司生產(chǎn)的磁流變減震器（MagneRide）已應(yīng)用于Chevrolet Corvette、卡迪拉克Seville旅行車和Audi TT跑車等多種車型的半主動懸架系統(tǒng)中；梅塞德斯-奔馳S級、CL級和SL級等車型上裝備了其研發(fā)的ABC主動液壓懸架系統(tǒng)；最新的AudiA8L轎車裝備了AAS主動空氣懸架；Audi A6L Quattro 車型、輝騰、BMW 7 系列轎車和寶時捷卡宴等車型采用了威布克公司的 ECAS 主動空氣懸架系統(tǒng)。

相較于國外已經(jīng)開始的商業(yè)化應(yīng)用，國內(nèi)對于主動懸架的研究還基本停留在理論研究階段。在作動器方面，南京航空航天大學(xué)對磁流變減振器進行了實驗研究和理論分析，設(shè)計和實現(xiàn)了半主動懸架的測控實驗系統(tǒng)。重慶大學(xué)對磁流變阻尼器的流變理論和設(shè)計方法進行了深入的研究，解決了磁流變阻尼器磁路設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計中的相關(guān)技術(shù)問題。西北工業(yè)大學(xué)提出了一種基于電動靜液壓作動器EHA（Electro—Hydrostatic Actuator）的汽車主動懸架結(jié)構(gòu)。在控制算法方面，結(jié)合傳統(tǒng)和現(xiàn)代控制理論，進行了各種控制策略的探討和仿真以及試驗，驗證了許多控制算法的特性及其控制效果。

2幾種主要的控制策略

2.1天棚阻尼控制

天棚阻尼控制，其控制思想是在車身上施加一個與車身絕對速度成正比的阻尼力以抑制車身振動，通過合理的選擇有關(guān)參數(shù)可徹底消除系統(tǒng)共振現(xiàn)象。天棚阻尼控制主要是對車身振動進行有效的抑制，使得舒適性效果好，但是在操穩(wěn)性方面效果差。基于天棚阻尼的控制方法簡單且計算量少，只需要測量車身速度和懸架相對運動速度的傳感器，在實際車輛中應(yīng)用較多。

2.2滑模控制

滑模控制（SMC）又稱為變結(jié)構(gòu)控制，本質(zhì)上是一種非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性，系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”可以在動態(tài)過程中根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運動，這就使得變結(jié)構(gòu)控制具有快速響應(yīng)、對參數(shù)變化及擾動不靈敏、無需系統(tǒng)在線辯識，物理實現(xiàn)簡單等優(yōu)點。其對模型參數(shù)的不確定性和外界擾動具有較強的魯棒性，但是在高頻切換時容易引起“抖振”。

2.3最優(yōu)控制

最優(yōu)控制是利用最小（最大）值原理，選擇一個容許控制u（t），在約束條件下，使系統(tǒng)的性能指標(biāo)函數(shù)取最小（最大）值。最優(yōu)控制充分考慮了車輛系統(tǒng)中更多狀態(tài)變量的作用，所以控制效果更好，但是在系統(tǒng)建模時由于忽略了系統(tǒng)的一些復(fù)雜因素，因此所建模型與實際的預(yù)期有誤差，甚至有可能導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化。許多學(xué)者將最優(yōu)控制與其它優(yōu)化算法或控制算法結(jié)合起來，提出了自適應(yīng) LQG控制，基于遺傳算法的最優(yōu)控制，預(yù)見最優(yōu)控制等。

3主動懸架系統(tǒng)的發(fā)展方向展望

3.1控制算法的復(fù)合

控制算法既包括傳統(tǒng)控制理論，比如天棚控制、地棚控制、最優(yōu)控制、滑模控制等，又包括了現(xiàn)代控制理論，比如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。每種控制算法都有其適用性范圍、控制的優(yōu)缺點，單一控制算法總是存在一些無法避免的缺陷，因此當(dāng)前對于主動懸架控制算法的研究已經(jīng)逐步從單一算法控制走向多種算法聯(lián)合控制，這樣既能發(fā)揮單一算法在某方面的優(yōu)越性，又能夠利用不同算法的差異性進行功能互補，相較于單一控制算法獲得更好的控制效果。

3.2控制器與傳感器的開發(fā)

控制器是控制算法實現(xiàn)懸架系統(tǒng)控制的重要硬件基礎(chǔ)，控制器的目標(biāo)是收集來自車輛傳感器的各種類型的信息，進行大量的高速數(shù)據(jù)運算，并將運算結(jié)果即控制命令傳遞給作動器執(zhí)行。在主動懸架控制中控制算法運算量大，而且控制過程的時間要求非常短，因此如何提升控制器的運算效率是當(dāng)前的主要困難。傳感器是控制器的信息來源，也是主動懸架系統(tǒng)實現(xiàn)主動控制的依據(jù)。當(dāng)前雖然各種類型的傳感器都已經(jīng)存在于市場，但是尺寸大、精度低、穩(wěn)定性差、價格昂貴等問題依然是困擾傳感器進一步發(fā)揮作用的阻礙。

3.3作動器和車身的研制

目前磁流變液減震器雖然已進入商品化階段，但在使用上還存在如噪聲、耐久性、穩(wěn)定性等問題，還需進一步深入研究。此外，還有許多新型的主動液壓、氣壓減震器，直線電機作動器等都是研究的熱門方向。在車身的研制方面，不斷優(yōu)化車輛的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及與懸架系統(tǒng)的匹配，達到車身與懸架系統(tǒng)的最優(yōu)匹配，從而降低車身的振動，提升舒適性。

總的來看，主動懸架作為今后車輛懸架發(fā)展的一個重要方向，必然會在系統(tǒng)建模的合理化、控制理論復(fù)雜化和控制硬件的有效化上不斷加大研究力度。相信這些研究會不斷豐富主動懸架控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，推動主動懸架在車輛上的應(yīng)用。

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