（电工理论与新技术专业论文）mr阻尼器驱动的智能车辆悬架半主动控制研究.pdf

南京师范大学 电气与自动化学院 2 0 0 4 级硕l 研究生毕业论文 s t u d yo ns e m i a c t i v ec o n t r o lo fi n t e l l i g e n tv e h i c l es u s p e n s i o nw i t h m a g n e t o - r h e o l o g i c a ld a m p e r s a b s t r a c t s u s p e n s i o ns y s t e mp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei ne n h a n c i n gv e h i c l er i d eq u a l i t ya n dh a n d l i n g s t a b i l i t y , a n dr e d u c i n gt h ea c c e s s o r yd a m a g ed u et od y n a m i cl o a d t h ec o n v e n t i o n a lp a s s i v e s u s p e n s i o ns y s t e mc a n n o ts a t i s f ya l lt h ea b o v er e q u i r e m e n t sa n dt h u sl i m i t si m p r o v e m e n to f s u s p e n s i o np e r f o r m a n c eb e c a u s ec o n v e n t i o n a lp a s s i v es u s p e n s i o nc o m p o n e n tp a r a m e t e r sa r ef i x e d w h e r e a s ，t h es e m i a c t i v es u s p e n s i o ns y s t e mc a l la d a p tt od i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sd u et oi t s a d j u s t a b l es t r u c t u r ep a r a m e t e r ss u c ha ss p r i n gs t i f f n e s sa n dd a m p i n gc o e f f i c i e n t ，a n dt h u sh a s p o t e n t i a li ni m p r o v i n gt h er i d ec o m f o r ta n dh a n d l i n gs t a b i l i t y t h es e m i - a c t i v es u s p e n s i o n p e r f o r m a n c ec o u l dc l o s e l yf o l l o wt h a to faf u l l ya c t i v es u s p e n s i o na n dh a sa d v a n t a g e so fs i m p l e s t r u c t u r ea n dm i n i m a lp o w e rc o n s u m p t i o n t h es t u d yo ns e m i a c t i v es u s p e n s i o nc o n t r o lh a sb e e n w i d e l yf o c u s e db yt h ei n t e r n a t i o n a la u t o m o b i l ee n g i n e e r i n gi n d u s t r y t h i sd i s s e r t a t i o nd e a l sw i t ht h es e m i a c t i v e s u s p e n s i o nc o n t r o l o nb a s i so fp r o p o s e d m a g n e t o - r h e o l o g i c a l ( m r ) d a m p e rh y s t e r e s i sm o d e la n dt h et w o d e g r e eo ff r e e d o m ( 2 - d o f ) q u a r t e r - v e h i c l em o d e l t h r e es g n l i a c t i v ec o n t r o ls c h e m e sa r ep r o p o s e d ，s u c ha sm o d i f i e ds k y h o o k s c h e m e ，m o d i f i e dr e l a t i v ev e l o c i t ys c h e m e ，a n dl i m i t e dr e l a t i v ed i s p l a c e m e n ts c h e m e as e r i e so f e x c i t a t i o ns i g n a l sa n das e to f p e r f o r m a n c em e a s u r e sa r ed e f i n e d ，a n das i m u l a t i o np l a t f o r mi ss e tu p w i t hm a t l a bs i m u l i n kt oc a r r yo u tt h ep e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no f t h ep r o p o s e dd i f f e r e n tc o n t r o l l e r s ， a n ds e n s i t i v i t yo ft h ep r o p o s e dc o n t r o l l e r st ov a r i a t i o n si nv e h i c l eo p e r a t i n gl o a da n dr o a d r o u g h n e s sa n dc o n t r o l l e rp a r a m e t e r sa r ef u r t h e re v a l u a t e d t h er e s u l t si l l u s t r a t et h a tt h ep r o p o s e d m o d i f i e ds k y h o o k - b a s e ds e m i - a c t i v ec o n t r o f i e rh a ss u p e r i o rr o b u s t n e s sa n dc o u l da c h i e v ed e s i r a b l e m u l t i b o d yv e h i c l es u s p e n s i o np e r f o r m a n c e s k e y w o r d s ：m a g n e t o t h e o l o g i c a ld a m p e r s ，v e h i c l es u s p e n s i o n ，s k y h o o ks c h e m e ，s e m i a c t i v e c o n t r o l i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 ：坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其它人或其它机构已经发表或 撰写过的研究成果。 5 、其它同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示了谢意。 作者签名： 日期： 耍量 盐孕卫鱼) _ 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将 学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权 将学位论文的内容编入有关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇 编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 南京师范大学 电气与自动化学院第一章绪论 2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 第一章绪论 【摘要 本章在分析车辆悬架系统主要作用的基础上，针对目前普遍采用的被动悬架系统存在 阻尼调节范围有限的内在缺陷，论述了车辆悬架系统智能化的重要性和必要性，阐明了本课 题的研究意义；介绍了车辆智能悬架系统的构成和特性及关键部件一执行器的发展，同时回 顾了车辆动力学发展的历史，阐述了车辆悬架与悬架控制策略的研究现状以及发展趋势：并 结合新型智能材料磁流液( m a g n e t o r h e o l o g i c a lf l u i d 简称m r f ) 及其器件的发展和当前主流 半主动悬架控制策略，提出了本文将要开展的主要工作。 1 1 本课题研究的意义 随着改革开放的进一步深入，人民的生活水平得到极大提高，汽车作为人们的交通工具， 日益融入我们的日常工作生活之中，发挥着重要的作用。车辆悬架作为车架( 或承载式车身) 与车桥( 或车轮) 之间一切传力连接装置的总称，是现代车辆重要的组成部分之一【l 】。其主 要作用是将路面作用于车轮上的垂直反力( 支承力) ，纵向反力( 牵引力和制动力) 和侧向反 力以及这些力所产生的力矩传递到车身，以保证车辆的正常行驶。 作为连接车架与车桥的重要部件，车辆悬架性能的优劣是影响车辆平顺性( 驾乘的舒适 性鼬d ec o m f o r t ) 、安全性( 操纵稳定性h a n d l i n gs t a b i l i t y ) 、减少动载荷引起的零部件和路 面损坏的关键。其中悬架传递的垂直力保证了车身的重量最终是由地面来承担，纵向力保证 了车辆的起动、制动、前进和倒退，侧向力保证了车辆的曲线运动。由于车辆行驶的路面不 可能绝对平坦，因此，路面作用于车轮上的垂直力往往是冲击性的，这种冲击力可能引起车 辆零部件的早期损坏，还将使驾驶员感到极不舒适，或使货物受到损失。为此，悬架应能缓 和由不平路面传给车身的冲击载荷，衰减由冲击载荷引起的承载系统的振动；同时，当车辆 发生侧倾或俯仰的时候，悬架应能及时控制车身的姿态，保证此时驾乘人员的舒适性和车辆 运行的安全性。此外，由于车辆总体设计的要求，悬架的动行程工作区间总是有限的 1 1 。 目前大多数车辆悬架系统采用被动悬架，其主要是由弹性组件、阻尼组件及导向组件组 成。这种基于经典隔振理论的悬架系统是根据车辆的综合性能要求，针对某一特定路面状况 及车辆运行状态进行设计的。然而研究表明即】车辆的平顺性和安全性是一对相互矛盾的性能 需求，例如为了提高车辆的驾乘舒适性应采用比较软的悬架，即采用刚度较小的弹性组件和 阻尼较小的阻尼组件，但是这样会使悬架动行程增大，从而导致车身侧倾、纵倾振动加大， 影响车身姿态和操纵稳定性：另一方面为了提高车辆的操纵稳定性，限制车辆姿态的变化， 应当采用比较硬的悬架，但这样会降低悬架的隔振性能，增加车身的颠簸，影响乘坐舒适性。 因此，对于定刚度弹性组件和定阻尼特性阻尼组件的传统被动悬架系统中不能同时满足良好 的乘坐舒适性和操作稳定性的要求，只能保证在一种特定的状态下达到某种折衷的最优。图 1 1 示出了这种折衷p 1 。 南京师范大学 电气与自动化学院第一章绪论2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 为了尽可能改善传统被动悬架的特性，人们采用了一系列新型的弹性组件与阻尼组件， 以及具有一定自适应的车身高度调平装置，取得了一定程度的性能改进。但是由于被动悬架 本身所固有的缺陷( 如悬架参数的不可调节) ，传统被动悬架仍然不能提供各种情况下乘坐舒 适性和操作稳定性的合理匹配【4 j 。 低阻尼( 软) 卜高阻尼( 硬) 图1 - 1 被动悬架设计的折衷 由于传统被动悬架不能适应复杂的道路激励和不断变化的行驶路况，因此开发一种能够 根据路面状况和车辆运行状态的变化，实时调节悬架的性能，既能保证车辆的操纵稳定性， 又能使车辆的乘坐舒适性达到最佳状态的智能悬架系统势在必行。同时随着传感器技术、智 能控制技术和先进的执行器技术的飞速发展，特别是以微型计算机为代表的各类电子产品价 格的大幅下降和性能的成倍提高，都为车辆智能悬架系统的研究和开发提供了可靠的平台。 此外，随着中国加入w t o ，我国的汽车工业加速了融入经济全球化进程的步伐，同时中 匡自身巨大的汽车消费市场必将成为全球汽车制造业激烈竞争的舞台。在这种形势下，如何 提升国产汽车产品的技术含量，提高国产汽车的市场竞争力必将提到议事日程。其中加强对 拥有自主知识产权的智能悬架系统的研究和开发，必将大力推进民族汽车工业的长久发展。 1 2 车辆智能悬架概述 车辆智能悬架系统( i n t e l l i g e n tv e h i c l es u s p e n s i o n ) 的概念是在上世纪8 0 年代中后期由 英国研究人员s h a r p 和c r o l l a1 4 提出的，它可根据路面情况调节悬架弹性组件的刚度和或阻 尼器的阻尼，使振动和冲击得以迅速消除。此外，还可以根据需要自动调节车身的离地高度， 这样即使在崎岖不平的路面上行驶，也能达到较好的乘坐舒适性。智能悬架的具体控制功能 可以根据实际需要而设定，常用的控制功能有【5 】： 车辆运行过程中，能够吸收由于路面不规则引起的振动和冲击，从而提高乘坐舒适 性： 车辆运行过程中，能够实现车身姿态的姿态控制； 车辆运行过程中，保证车辆操纵稳定性的控制； 车辆运行过程中，根据载荷的不同实现车身高度的控制。 智能悬架主要由传感器、控制器、驱动器和执行器组成，如图l - 2 所示。其中控制器是 南京师范大学 电气与自动化学院第一章绪论2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 整个悬架系统的信息处理和管理中心，它根据各种传感器( 速度传感器、加速度传感器等) 获取车身状态信号，按照指定的数据处理方法及控制策略，确定控制输出量，并发送给相应 的执行器( 电磁阀、步进电机及其它) ，完成相应的控制功能，实现系统工作状态的改变，构 成闭环控制系统，从而达到提高乘坐舒适性和操纵稳定性、保持正常姿态和实现车身高度控 制等目的。 输出量 圈卜2 智能悬架系统的组成 其中，根据执行器的特性，智能悬架系统可进行如下分类 6 1 ： f 主动悬架 萎圭耄茎羹 i 。 智能悬架 l l 半主动悬架 塞篓薹裂辜耋蓑萎羹 主动悬架实际上是一个动力驱动系统，它可以依靠外界能源向悬架部件提供能量，并能 对能量大小进行控制。它由作为直接力发生器的执行器来替代被动悬架系统中的弹簧阻尼组 件，根据车辆每一时刻的运动状态和路面激励情况，由预定的控制策略来改变悬架的特性， 使悬架始终处于最优的减振状态，获得最优的减振特性，从而提高车辆的平顺性和操纵稳定 性。其中根据执行器响应带宽，主动悬架又可分为全主动悬架和慢主动悬架。如果控制信号 是基于车身和车轮两方面减振，控制信号的带宽至少应该覆盖车轮的共振频率，一般为 1 0 1 5 h z ，这样执行器相应带宽应该大于1 5 h z f f l ，由此执行器构成的主动悬架称为全主动悬 架( 如图i 3 ( c ) ) 。但执行器要达到如此高的响应频带并不是一件容易的事情，不仅需要非常 高的制作工艺，而且对能量的消耗也是巨大的。因此在实际的应用过程中，往往采用一个与 执行器相并联的弹簧来承载车辆载荷从而降低执行器输出力的水平，主动部分只对低频振动 进行衰减和控制，其最大的优点是可以降低成本和减少能量消耗，这种悬架形式称为慢主动 悬架( 如图1 3 ( b ) ) 。如果只考虑车身减振，慢主动悬架的执行器动态响应频带只需要覆盖到 车身的共振频率，一般上限频率达到4 h z 【刀。 南京师范大学 电气与自动化学院第一章绪论 2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 弹簧元 ( a ) 被动悬架( b ) 慢主动悬架( c ) 全主动悬架( d ) 半主动悬架 图卜3 悬架系统的结构 可控阻尼器 半主动悬架( 如图1 3 ( d ) ) 介于主动悬架和被动悬架之间，它只需要输入少量的能量就可 以实现在一定范围内对悬架参数( 如阻尼组件参数或者弹性组件参数) 进行调节，从而改变 悬架的性能。一般地，车辆悬架弹性组件需要承担车身的静载荷，因而在半主动悬架中实施 刚度控制比阻尼控制困难得多，当前对半主动悬架的研究主要针对阻尼控制的研究【射。由此 半主动悬架可以根据阻尼控制的方式可分为连续可控的半主动悬架和分级可控的半主动悬 架。 表1 - 1 车辆悬架系统的特性比较 悬架 半主动悬架主动悬架 比较项分名称 被动悬架 离散控制连续控制慢主动 全主动 普通液压分级可控阻连续可控阻 执行组件液压系统液压系统 阻尼器尼器尼器 阻尼系数阻尼系数分阻尼系数连车身与车桥车身与车桥 作用原理 不可调级可调续可调作用力作用力 手动调节电液控制电液控制电液控制 控制方式无 自动调节 自动调节 自动调节自动调节 频率范围无o 1 0 h zo 2 0 h z3 - - 6 h z 术1 5 h z 传感器 无 小 中大 大 数量 能量消耗 无 小 小 由大 制造成本最小 小由 大 大 表1 1 给出了上述所述各类车辆悬架性能的比较例。其中主动悬架能实现理想悬架的控制 目标，但能量消耗大，成本高，结构复杂。能量、成本和可靠性成为主动悬架发展的瓶颈。 半主动悬架通过改变阻尼器的阻尼特性来适应不同的道路和行驶状况的需要，来改善乘座舒 4 南京师范大学 电气与自动化学院第一章绪论2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 适性和操纵稳定性。由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量消耗 小，因而是近期研究的热点【17 1 。 1 3 本课题国内外研究现状 1 3 1 车辆悬架系统振动与控制理论的历史回顾 最早关于汽车行驶振动分析的理论研究可追溯到2 0 世纪初【1 0 1 ，直到2 0 世纪3 0 年代，才 开始出现有关转向、稳定性、悬架方面的研究成果报导。大约就在这个时期，人们开始认识 到行驶平顺性和操纵稳定性之间协调关系的重要性。1 9 3 2 年，o l l e y 在凯迪拉克( c a d i l l a c ) 公司建立了著名的“廖”实验台( 一个具有前、后活动质量的车架) ，用于试验乘座舒适性【l l l 。 同时期，英国的l a n c h e s t e r 、美国的o l l e y 、法国的b r o u l h i e t 开始了汽车独立悬架的研究，并 对转向运动学和悬架运动学对车辆性能的影响进行了分析。进入2 0 世纪5 0 年代，可谓进入 了一个车辆操纵动力学发展的黄金发展阶段。这一时期建立了较为完整的车辆操纵动力学线 性域理论体系。1 9 5 6 年，国际机械工程师学会( i m e c h e ) 在伦敦组织了一个关于“汽车的 稳定性和控制及轮胎性能”的会议，标志着一套较为完整关于操纵和转向的基础理论体系得 以形成l l “。在1 9 9 3 年关于车辆舒适性和操纵稳定性的国际机械工程师学会( 1 m e c h e ) 会议 上，s e g e l 发表了一篇重要演讲i l3 1 ，这篇文章是迄今为止关于车辆动力学发展最好的篇回顾 文章。该文章中他以自己深刻的理解回顾了这门学科的发展，并以阶段划分的方式对本门学 科的早期成就进行了概括，见表1 2 。 表卜2 根据s a g e i o ”提出的阶段划分对车辆动力学早期成就的总结 阶段一 对于车辆动态性能的经验性观察； ( 到2 0 世纪3 0开始注意到车轮摆振的问题； 年代初期) 认识到驾乘舒适性是车辆性能的一个重要方面。 了解了简单的轮胎力学，并定义了侧偏角： 定义了不足转向和过度转向 阶段二 了解了稳态转向特性； ( 从3 0 年代初期 建立了简单的两自由度操纵动力学方程； 到1 9 5 2 年) 开始进行有关行驶特性的实验研究，建立了露试验台，提出了“的平稳行驶”的概念； 引入了前独立悬架。 通过试验结果分析和建模，加深了对轮胎特性的了解； 阶段三 建立了三自由度操纵动力学方程： ( 1 9 5 2 年以后) 扩展了操纵动力学的分析内容，包括稳定性和转向响应特性分析 开始采用随机振动理论对行驶平顺性进行性能预测。 南京师范大学 电气与自动化学院 第一章绪论 2 0 0 4 级硕十研究生毕业论文 随后的几十年，汽车制造商意识到行驶平顺性和操纵稳定性在车辆产品竞争中的重要作 用，因而车辆动力学得以迅速发展。同时随着计算机技术和控制理论的发展及各种测试手段 的同趋完善，都推动了车辆悬架系统动力学的进一步发展。 1 3 2 车辆智能悬架技术的研究 车辆智能悬架系统一般由传感器、控制器、驱动器和执行器组成。其中执行器的研究是 实现控制思想的关键。作为车辆振动控制的执行器及材料的研究是近段时期热点研究课题， 并取得了许多进展。 1 3 2 1 主动悬架系统 1 9 5 4 年，g m 公司e r s p i e l l a b r o s s e 在悬架设计中首先提出了主动悬架的思想，并在雪铁 龙2 c v 型轿车上进行了试验，其液压系统控制阀是由车轮上下跳动产生的摆杆来调节。1 9 6 5 年，w o o b s o n 和l r a l i e n 在主动悬架上试图用惯性来测量加速度和驱动液压阀1 6 】。 t h r o c k w e l l 、j m l a w t h e r 和s k i m i e a 作了应用伺服机构作为主动组件的理论研究【7 j 。但首 先使主动悬架的基本思想和控制律得到完善和总结的是t h o m p s o n ，他证明了“全主动”悬架 系统对提高车辆性能的作用。进入8 0 年代，由于电子技术的应用，使得主动悬架控制能得以 真正实现。1 9 8 2 年，瑞典v o l v o 公司在轿车v o l v 0 7 4 0 轿车上安装了实验性的l o t u s 主动悬架， 该系统采用了计算机控制电液伺服系统，由双作用油缸和高速响应液力控制阀直接耦合，以 提高系统可靠性，但成本昂贵，能耗很大。1 9 8 3 年，日本丰田( t o y o t a ) 在s o a r e r 车上开发 使用了一种可调式减振器的电控主动悬架。1 9 8 3 年日本三菱汽车公司推出了采用车高控制与 减振器阻尼力控制复合悬架的轿车，它采用了车速传感器、转向传感器和加速踏板传感器 等提供的信号对悬架进行控制。1 9 8 4 年，著名的l o t u s 汽车公司发明了全主动悬架专利，并 实际应用在赛车上。8 0 年代以来，传感器技术及计算机技术的发展，为主动悬架的发展提供 了必要的条件【1 4 1 。 文献【1 1 】对汽车主动悬架系统的研究进程作了较好的概述。从理论上说，主动悬架系统能 获得一个优质的隔振系统，实现理想悬架的控制目标，但存在能量消耗大，成本高，结构复 杂等缺点，成为主动悬架进一步发展的瓶颈。因此，当前对智能悬架的研究主要侧重于半主 动悬架的研究。 1 3 2 2 半主动悬架系统 1 9 7 3 年，c r o s b y 和k a r n o p p 首先提出了半主动悬架的概念，同时k a r n o p p 还提出了天棚 阻尼控制模型和实现方法【1 5 】。其生产应用始于8 0 年代，但它对悬架性能的改善是极有限的。 1 9 7 5 年，m a r g o l i s 等人提出了“开关”控制的半主动悬架，它能产生较大的阻尼力，这种悬 架己应用到实车上。1 9 8 8 年日本日产( n i s s a n ) 公司首次将“声纳”式半主动悬架系统应用 于m a x i m a 轿车上，后来在m 3 0 轿车上也安装了该悬架系统，它可通过声纳装置预测路面 信息，悬架阻尼器有“柔和”、“适中”和“稳定”3 种状态可供选择；梅赛德斯奔驰 南京师范大学 电气与自动化学院第一章 绪论2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 ( m e r c e d e s - b e n z ) 公司在一种轿车上采用了自适应阻尼控制系统，可调节阻尼器阻尼力大小 以适应路面状况的变化。这一阶段，可控阻尼器主要是通过对传统被动液压阻尼器的技术改 造来实现，其基本思想主要是通过改造液压阻尼器的结构实现对阀的控制，实现阻尼力的变 化。但该类阻尼器存在着结构复杂，制造成本高等缺点，无法满足宽频带路况的需求，制约 着半主动悬架的进一步的应用。 进入2 0 世纪9 0 年代，半主动悬架研究的显着特点是新型智能材料在半主动悬架上的应 用。电磁流液( e r f m r f ) 是一类随着电磁场变化而改变其流变特性的新型智能材料，并 且这种流变特性具有可逆性，可应用于可控阻尼器的研究开发。1 9 9 4 年，p r i n k o s 等人使用 e r f m r f 作为工作介质，开始研究新型半主动悬架系统【1 7 l 。 1 3 3 车辆悬架系统执行器的发展 车辆悬架系统的执行器是悬架系统的核心环节，是实现控制策略的关键。目前对车辆悬 架的控制研究大多数采用阻尼控制，为此阻尼器充当了执行器的功能，其性能的好坏很大程 度上决定了车辆悬架的控制性能。 车辆悬架系统中广泛使用的是液压阻尼器，其工作原理是，当车架与车桥作往复相对运 动而活塞在缸筒内往复移动时，阻尼器壳体内的油液便反复地从内腔通过一些窄小的孔径( 节 流孔) 流入另一内腔。此时孔壁与油液问的摩擦及液体分子内摩擦便形成对振动的阻尼力， 使车身和车架的振动能量转化为热能被油液和阻尼器的壳体所吸收，然后散发到大气中 ”。 由于传统液压阻尼器的节流孔孔径是不变，因此其阻尼系数不能改变，从而不能满足现代车 辆对悬架性能的要求。为此，从上个世纪5 0 年代开始，工程技术人员就着力于开发研制能代 替传统液压阻尼器的新一代可控阻尼器件【4 2 】。 目前对可控阻尼器的研究主要集中在对其阻尼系数的调节，其中根据调节方式的不同可 以分为有级调节与无级调节两大类。 1 3 3 1 有级可调阻尼器 有级可调阻尼器是在传统液压阻尼器的基础上进行结构改造。在阻尼器的内部设置较为 简单的节流阀，通过某种驱动方式改变节流阀的阀门位置，使节流孔的孔径大小在几个值之 间切换，从而实现几个离散的阻尼值的快速切换( 切换时间通常为1 0 2 0 m s ) ，从而实现阻尼 力的改变。这类阻尼器结构及控制方法相对简单，但在适应汽车行驶路况及其道路条件变化 方面有一定局限性。如何改进阀的设计，增加阻尼的变化档数以及缩短阀切换的时间是该类 阻尼器发展的难点。 1 3 3 2 无级可调阻尼器 无级可调阻尼器的实现主要有两种途径： 1 节流孔径的连续调节。 该类可控阻尼器通过对传统液压阻尼器的结构改造，实现对阀的控制。通过步进电机驱 南京师范大学 电气与自动化学院 第一章绪论 2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 动阻尼器的阀杆，连续调节阻尼器节流阀的流通面积来调节阻尼系数，从而实现阻尼力的连 续调节。目前已有实际的产品面世，如s a c h s 公司开发的c d c ( c o n t i n u o u sd a m p e rc o n t r 0 1 ) 系统1 4 ”。但该类可调阻尼器需要复杂的伺服机构，存在着节流阀结构复杂、制造成本高等缺 点，同时由于开关频率的限制，无法满足宽频带路况的需求，限制了其的发展应用。 2 智能材料即e r f m r f 的粘性调节。 电磁流液( e r f m r f ) 是一类随着电磁场变化而改变其流变特性的新型智能材料。 e r f m r f 在外加电磁场作用下，其流变材料性能，如剪切强度、表观粘度等会发生显着的 变化。由该类特殊液体构成的阻尼器，当外界电磁场发生变化时，液体的粘度随之发生变化， 从而实现阻尼力的连续调节。该类阻尼器，不需要高精度的节流阀，因此结构简单，而且制 造成本低，且无液压阀的振动、冲击与噪声。同时，该智能材料可以在毫秒级实现状态的可 逆变化，因此能适应宽频带的路况要求。甚至当悬架系统控制器发生故障时，该类阻尼器依 然可以充当传统的被动阻尼器使用，大大提高了悬架系统的可靠性。由此可见基于智能材料 的可控阻尼器是作为半主动悬架执行器非常好的选择。目前已经有多家公司研发出了电流液 阻尼器( 简称e r 阻尼器) ，如德国b a y e r 公司，美国的l o r d 公司等。但由于e r 阻尼器需要 能产生3 5 m v m 电场的外部强控制电压，很大程度上限制了其的实际工程应用。而对于磁 流液阻尼器( 简称m r 阻尼器) ，由于其自身所具有的优点( - r - 作电压低) ，吸引众多公司( 如 美国l o r d 公司、福特公司、德国b a s f 等) 纷纷投入巨资进行开发研究，并已有商业化m r 阻尼器件问世。如l 0 r d 公司开发了商业磁流液m r x - 1 2 6 p d ，采用单出杆活塞缸结构设计的 m r 阻尼器己用于大型载重汽车司机座椅半主动悬架减振系统 1 6 , 17 】。 1 3 4 主动，半主动悬架系统控制策略的演进 由于车辆悬架系统的各项性能对阻尼存在着矛盾性的要求，例如为了提高车辆驾乘的舒 适性应当选择较小的阻尼，但较小的阻尼不利于保证车辆操纵的稳定性。为此控制策略应该 能实现某种程度的优化，其效率的高低影响了控制性能的好坏。目前已建立的智能悬架控制 策略主要有以下几类i 幡1 8 】。 1 3 4 1 传统控制策略 该类控制策略适用于比较简单的控制系统模型，通过求解有关动力学问题，建立系统动 力特性对可控减振环节参数的依赖关系，从而提出控制策略。其中最具有代表性的是“天棚 ( s k y h o o k ) ”阻尼器控制策略。该控制策略是k a m o p p h 】等人在1 9 7 3 年提出的一种经典的 车辆悬架控制方法，由于其结构简单造价低，因此广泛应用于悬架控制研究中。它的控制思 想是假设阻尼器安装在一个虚拟的惯性空间( s k y ) 与簧载质量之问，称之为“天棚阻尼器”， 它直接作用于簧载质量，可以大幅度地降低簧载质量的振动，提高驾乘的舒适性。但天棚阻 尼是一种理想的模型，不可能在实际车辆中实现。为近似实现理想的“天棚阻尼”控制，k a r n o p p 提出了“o n o f f ”半主动控制策略，其工作原理是在簧载质量的绝对速度与簧载和非簧载质量 的相对速度方向相同时使之阻尼系数为最大( o n 状态) ，而相反时等于零( o f f 状态) 。但根据 r 南京师范大学 电气与自动化学院 第一章绪论 2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 此方法所得到的控制律是不连续的，并且天棚阻尼控制方法只解决了悬架系统的舒适性而没 有很好的解决操纵稳定性问题，但其在改善车辆多目标悬架性能方面有巨大的潜力，依然是 当前研究的重点。目前主要着力于改进型的天棚阻尼控制方法在汽车智能悬架系统中的应用 【1 9 l o 1 3 4 2 现代控制策略 进入上世纪八十年代，现代控制理论的大量研究理论广泛应用于车辆的智能悬架的控制 研究。其中典型的控制策略有最优控制、自适应控制、及基于l y a p u i l o v 稳定性原理的控制策 略 1 最优控制【2 0 】 最优控制是通过经验确定一个能提高平顺性和操纵稳定性的目标函数，然后以一定的数 学方法算出使该函数取得极值的控制输入。在智能悬架中应用最优控制的方法主要有线性最 优控制、h 。最优控制和最优预见控制等。其中线性最优是建立在系统模型较为理想的基础上， 采用受控对象的动态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标，同时保证受控结构动态稳 定性条件下实现最优控制。h 。最优控制是8 0 年代出现的理论，是目前解决鲁棒性问题较为 成功且比较完善的理论体系 2 q 。h 。控制是设计控制器在保证闭环系统各回路稳定的条件下， 是相对于噪声干扰的输出取极小的一种最优控制方法，应用h 。控制方法可实现汽车悬架振动 控制具有较强的鲁棒性口2 1 。最优预见控制是利用车轮的扰动信息预估路面的干扰输入，预见 控制的策略就是把所测量的状态变量反馈给前、后控制器实施最优控制。预先估计路面的激 励，现在通常有两种方法：一种是利用预测传感器( 指可测定路面高度差的红外线或超声波 探测仪) ；另一种是将前轮垂直运动的信息用于悬架的预测当中。a h a c 对一个四自由度的汽 车模型实施了最优预报控制，并在时域和频域中考察了由预报信息引起的舒适性、车轮与路 面可靠接触性以及悬架动行程工作空间和能量消耗等参数的改变。结论显示，应用预报控制 不仅改善了行驶乘座质量，而且降低了控制所消耗的能量吲。 但由于实际的车辆悬架系统往往是时变的非线性系统，因而使实际系统达不到运用最优 控制理论所预期的性能【1 8 】。 2 自适应控制 2 0 世纪8 0 年代，自适应控制开始应用于汽车悬架的控制。所谓自适应控制是指当系统 的输入或自身参数发生较大范围的变化时，所设计的系统能够自动适应状态的变化，实时调 节系统参数或者控制策略，使系统依然能达到所设计的要求。按照自适应的设计方法，自动 检测装置辨识参数的变化，根据控制决策调节控制器的参数或控制策略，使系统控制性能在 某种意义下依然能达到最优或次最优，不会随着参数的变化而发生改变。就车辆悬架而言， 由于其线性模型与实际悬架模型有较大的误差，并且存在着大量非线性因素如受控车辆自身 结构参数的变化( 例如簧载质量) 、车速的变化以及路面粗糙程度的变化等等，因此，采用该 种方法具有一定的优越性。 目前应用于汽车智能悬架系统主要有自校正控制( s t c ) 和模型参考自适应控制( m r a c ) 南京师范大学 电气与自动化学院第一章绪论2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 两个控制策略【2 ”。自校正是一种将受控对象参数在线识别与控制器参数整定相结合的控制 方法：模型参考自适应控制的原理是当外界激励条件和车辆自身参数状态发生变化时，被控 车辆的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型。采用自适应控制的电液悬架系统，在德国 大众汽车公司的底盘上得到了应用 4 1 。 3 基于l y a p a n o v 稳定性原理的控制策略 1 9 8 6 年，k i mb r o u g h 在智能悬架控制方法中引入了l y a p u n o v 方法，从而改进了控制算 法的稳定性1 1 7 l 。根据l y a p u n o v 稳定性理论和可控阻尼器耗散最大能量原理，写出l y a p u n o v 函数或能量方程，可得到b a n g b a n g 控制算法使阻尼项达到最大化的作用。根据这种方法提 出的几种半主动控制算法已经得到应用。如c h o i 等应用滑模( s m ) 控制方法，设计滑动面 和b a n g b a n g 控制算法以最快速度接近滑动面，来实现对车辆悬架系统半主动控制1 2 ”。 1 3 4 3 智能控制策略 经典控制理论和现代控制理论往往难以应用于不确定系统和复杂系统。而车辆悬架系统 由于受各类非线性等复杂因素的影响，建立其数学模型难度较大或者精度较差；同时由于系 统输入( 道路不规则度) 的统计特性是变化及未知的。对于这类系统，采用模糊控制和神经 网络控制等智能控制方法可以很好得到解决。 1 模糊控制f 2 7 】 自1 9 6 5 年美国的自动控制理论专家l a z a d e h 首次提出模糊集合的概念以来，模糊集合 理论得到了飞速的发展，并在很多领域获得了应用，特别在控制中的应用尤为引入注目。 由于模糊控制主要是模仿人的控制经验，而不是依赖于控制对象的模型，因此，模糊控 制实现了人的某种智能，所以称之为一种智能控制。模糊控制实现的关键是采用经验和理论 分析，建立控制规则，因此模糊控制并不需要知道准确的控制对象模型，也无需知道输入和 输出之间的数学依存关系，而是以大量的经验知识为基础，依赖模糊规则和模糊变量的隶属 度函数加以推理实现对系统的控制，因此该控制方法非常适合于悬架系统的控制。上个世纪 9 0 年代以来，模糊控制方法逐步应用到车辆悬架系统中1 ”, - 3 0 1 。其中具有代表性的是日本德岛 大学芳村敏教授的研究工作，他同时把模糊理论应用于车辆智能悬架系统中，采用模糊推理 分别构成控制规则，进行计算机模拟分析来控制车身的垂直振动和俯仰振动，其结果证实了 模糊控制算法的有效性【3 ”“。文献【3 3 】提出了一种基于可调节式模糊逻辑控制器的主动悬架 系统。该模糊逻辑控制器可以根据实时采集的车身垂直加速度及其变化率来修改隶属度函数 中的各个参数。通过仿真和实验验证了它的有效性。 大量研究分析表明，在智能悬架系统中应用模糊控制方法比常规控制方法有效【蛳。但模 糊控制器的稳定性只能通过一些模拟过程测试，稳定性判别标准尚不存在。同时由于被控对 象的复杂性，人们对事物的认识也需要一个过程，加上人为选择的片面性、缺乏系统性，都 会造成控制器的设计无法达到最优。此外，该控制器往往只适用于某一特定的车辆参数，当 车辆的参数发生变化可能引起控制效果的改变甚至恶化，而且路面性质对控制效果影响较大。 因此设计一个优秀的模糊控制器需要大量的先验知识作为控制依据，需要大量试验来调整控 1 0 南京师范大学 电气与自动化学院 第一章绪论 2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 制器参数1 4 l 。 2 神经网络控制【”。州 神经网络的研究从4 0 年代开始，至今已有近6 0 年的历史了。1 9 8 7 年6 月在美国圣地亚 哥召开了第一届世界神经网络会议，标志着神经网络研究在世界范围内形成了高潮。之后， 神经网络的研究得到了迅猛的发展，1 9 8 9 年我国在广卅i 召开了全国第一届神经网络信号处 理会议，9 0 年我国八个一级学会联合在北京召开了神经网络首届全国学术会议，此后，每年 都有此类相关会议召开。因此，无论是国内还是国外，神经网络的研究受到空前的关注，并 引起了许多领域研究人员的极大的兴趣。所谓神经网络是一个由大量处理单元( 神经元) 组 成的高度并行的非线性动力系统，其特点是可学习性和巨量并行性，故在解决车辆悬架非线 性控制系统中有着广泛的应用前景。文献 3 6 】将神经网络控制方法用于非线性悬架动力系统 的识别和实施最优控制。仿真研究表明用神经网络控制的非线性悬架系统和传统的l q 调节 器控制相比具有更好的性能。但是神经网络控制需要求解大量的非线性方程，计算量大，收 敛速度慢甚至发散，目前无法应用于实时控制。 1 3 4 4 复合控制 目前已报道的有关车辆悬架控制方法的研究几乎涉及到控制理论的所有分支，各种控制 方法均有其特点和不足之处。因此采用复合控制方法往往能得到意想不到的结果。如鲁棒控 制与自适应控制的复合【3 7 1 、最优预见控制与神经网络控制复合1 3 羽、自适应控制与神经网络控 制复合【3 9 】以及模糊控制与神经网络控制的复合h 川等等。 车辆悬架的控制策略研究并没有严格区分主动悬架和半主动悬架，上述的控制方法不但 可以应用于主动悬架，也可以用于半主动悬架，只不过要加以适当修正边界条件的限制，因 为半主动悬架只能耗散振动能量而不能为系统提供能量。总之，车辆悬架控制方法较多，各 种方法均有利弊，综合应用各种方法开发系统控制器是发展方向。通过参阅大量的文献资料， 日本、德国、韩国等汽车发达国家，基本都是基于天棚阻尼控制理论、模糊控制理论和自适 应控制理论为主线的复合控制策略旧。 1 4 本论文主要研究内容 半主动悬架能有效解决传统被动悬架存在的驾乘舒适性和操纵稳定性对阻尼矛盾性要求 的问题，并具有能量消耗小、结构简单、可靠性高以及控制品质接近于主动悬架等优点，代 表了当前智能悬架的主要发展方向。同时伴随着新型智能材料m r f 及其可控阻尼器件的发 展，都有力的推动了半主动悬架的进一步发展。鉴于此，本论文重点在以下几方面展开研究： 1 基于m r 阻尼器驱动的二自由度四分之一车辆悬架系统的建模工作； 2 定义一组激励信号以及多目标悬架性能评价指标； 3 完成车辆悬架半主动控制策略的研究； 4 在m m l a b 7 0s i m u l i n k 环境下，建立车辆悬架半主动控制性能评价平台； 南京师范大学 皇皇皇旦垫垡学隧 第一章绪论 2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 5 完成所提半主动控制器的性能研究以及比较； 6 完成基于改进型天棚阻尼( m o d i f i e ds k y h o o k ) 控制器性能的全面评价。 1 5 本章小结 由于传统被动悬架不能适应复杂的道路激励和不断变化的行驶路况，极大地限制了车辆 性能的进一步提高。而半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且具有结构简单、能量消 耗小等优点，因此受到车辆工程界的广泛重视。同时随着计算机技术和控制理论的发展、各 种测试手段的日趋完善以及新型智能材料m f r 及其器件的发展，掀起了半主动悬架性能及控 制应用的研究热潮。 本论文第二章主要侧重于m r f 及其器件的性能研究，通过大量的实验，建立了m r 阻 尼器的参数化模型：第三章分析了车辆悬架的动力学模型，并提出了一系列激励信号以及一 组车辆悬架性能评价指标；第四章建立了基于m r 阻尼器驱动的四分之一车辆悬架模型，分 析研究了三种不同的半主动控制策略( 改进型天棚阻尼策略、改进型相对速度控制策略和有 限相对位移控制策略) ，并完成车辆悬架半主动控制性能评价平台的设计；第五章完成三种半 主动控制器的性能评价，并进行了进一步的性能比较；第六章对基于改进型天棚阻尼控制器 在不同的路面条件、行驶状况和控制器自身参数变化的条件下进行了全面的性能评价。第七 章给出了本论文的结论，并提出相应的建议。 南京师范大学 电气与自动化学院 第二章磁流液及磁流液阻尼器 2 0 0 4 级硕士研究生毕业论文 第二章磁流液及磁流液阻尼器 【摘要】本章主要介绍了磁流液阻尼器( 简称m r 阻尼器) 的工作原理和性能特点， 阻尼器力速度( f - v ) 模型的发展历史，并分析了各种模型的特点及缺点。其中， 了基于s i g m