半主动悬架设计.doc

悬架历史：随着世界经济、科技水平的发展，人们对汽车的要求也越来越高，因此生产即安全又舒适的高性能汽车成为汽车工业发展的新方向。而作为汽车重要组成部分的悬架，其性能的优越直接影响车辆的安全性和舒适性。因此，悬架的发展先后经历了被动悬架、主动悬架的演变过程。然而，由于被动悬架本身结构的限制，其性能相对较差;主动悬架结构复杂、制造成本较高，在商业上也没能得到广泛应用。后来，人们提出了介于前两种悬架之间的半主动悬架，它既有被动悬架结构简单、成本低廉，又有主动悬架的优越性能，因此，受到人们的广泛关注。组成： 悬架是车架与车桥之间的一切连接和传力装置的总称。主要由弹性元件、减振器和导向机构组成。悬架是汽车的一个重要组成部分，它把车架或车身与车轮弹性的连接起来。因此，其性能的好坏直接影响车辆的行驶平顺性和操纵稳定性。其总体结构如图1.1所示。 悬架按导向机构、弹性元件和阻尼元件不同，可分成不同的悬架类型。以阻尼元件为例，按阻尼元件的不同，可以分成固定阻尼系数的悬架和可变阻尼系数的半主动悬架两种。本文就是以可变阻尼系数的半主动悬架为例进行研究的。 按其发展过程来讲，悬架先后经历被动悬架、主动悬架和半主动悬架三种悬架的发展历程。迄今为止，被动悬架发展历史最悠久，性能比较稳定、技术相对成熟，更兼结构简单、制造成本低廉，因此，仍在各种车辆上广泛应用。但其弹性和阻尼不能随外部工况变化而变化，已经远不能满足人们对乘坐舒适性和安全性的要求。 随着计算机技术的发展和传感器、微处理器及液、电控元件制造技术的提高，使可控悬架在车辆上的应用成为可能。半主动悬架：半主动悬架是指悬架弹性元件 刚度和减振器阻尼力之一或两者均 可根据需要进行捌节的悬架。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，能量损耗小， 成本低 ， 因而具有巨大的发展潜力。 1半主动悬架技术发展现状 根据悬架的阻尼和刚度是否随 着行驶条件的变化而变化 ，可将悬 架分为被动悬架、半主动悬架和主 动悬架。 随着生活水平的不断提高， 用户对汽车舒适性的要求也越来越 高，传统的汽车悬架系统 已不能满 足人们的要求。人们希望汽车车身 的高度、悬架的刚度、减振器的阻 尼大小能随汽车行驶速度以及路面 状况等行驶条件的变化而自动调节， 从而实现乘坐舒适性的提高。 1 9 7 3年，美国加州大学戴维斯 分校学者的D A C r 0 S b Y和 D C K a mo p p 首先提出了半主动悬 架的概念。 其基本原理是： 用可调刚 度弹簧或可调阻尼的减振器组成悬 架，并根据簧载质量的加速度响应 等反馈信号，按照一定的控制规律 调节弹簧刚度或减振器的阻尼 ，以 达到较好的减振效果。半主动悬架 分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前， 在半主动悬架的控制研究中以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值 ，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。 半主动悬架的建模：1：可调减震器：31 可调阻尼减振器设计 有级可调减振器阻尼可在2 3 档之间快速切换 ， 切换时间通常为 1 0 2 0 ms 。有级可调减振器实际上 是在减振器结构中采用较为简单的 控制阀， 使通流面积在大、 中等和 最小之间进行有级调节。通过减振 器顶部的电机控制旋转阀的旋转位 置 ， 使减振器的阻尼在 “ 软、中、 硬” 三档之间变化。有级可调减振器的 结构及其控制系统相对简单 ， 但在 适应汽车行驶工况和道路条件的变 化方面有一定的局限性。 1 2连续可调减振器 连续可调减振器的阻尼调节可 采取以下两种方式。 1 2 1节流孔径调节 早期的可调阻尼器主要是节流 孔可实时调节的油液阻器。通过 步进电机驱动减振器的阀杆 ， 连续 调节减振器节流阀的通流面积来改 变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其 它形式的驱动阀来实现。这类减振 器的主要问题是节流阀结构复杂， 制造成本高。 1 2 2减振液粘性调节 使用黏度连续可调的电流变或 磁流变液体作为减振液，从而实现 阻尼无级变化 ， 是当前的研究热点。 电流变液体在外加电场作用下，其 流体材料性能， 如剪切强度、 粘度等会发生显著的变化，将其作为减震 液， 只需通过改变电场强度， 使电流 变液体的粘度改变，就可改变减振 器的阻尼力。 电流变减振器的阻尼可随电场 强度的改变而连续变化，无须高精 度的节流阀， 结构简单， 制造成本较 低，且无液压阀的振动、冲击与噪 声， 不需要复杂的驱动机构， 作为半 主动悬架的执行器是一个非常好的 选择。 但电流变液体存在如， 电致屈 服强度小， 温度工作范围不宽， 零电 场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与 基础液体之间比重相差较大，易分 离、 沉降 ， 稳定性差 ， 对杂质敏感等 问题。 要使电流变减振器响应迅速、 工作可靠， 必须解决以下几个问题 ： 设计一个体积小、重量轻、能任意 调节的高压电源 ；为保证电流变液 体的正常_ T作温度 ，有一个散热系统 ；高压电源的绝缘与封装。国外 如德国B a y e r 公司和美国L o r d 公司 都已有电流变减震器产品。 磁流变液体是指在外加磁场的 作用下，流变材料性能发生急剧变 化的流体。通过控制磁场强度 ，可 实现磁流变减振器阻尼的连续、无 级调节。 磁流变减振器具有电流变减振 器相似的特点，磁流变液是一种由 细小的磁性颗粒悬浮于绝缘介质中 形成的液体。其黏度随着外加磁场 强度的增加而递增， 直至半固态， 而 一旦外加磁场消失，它又自行恢复 原状 ，整个过程可在毫秒级时间内 完成。美国 L o r d公司、福特公司 ， 德国BAS F等纷纷投入巨资进行了 研究， 如L o r d公司开发的磁流变液 MRX-l 2 6 P D，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器 已用于大型载重汽车半主动悬架减振系统。 电流变液与磁流变液的特性如表1 所示。 它们都能满足汽车工作要求。但在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等性能方面，磁流变液体强于电流变液体。 早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。 32 可调阻尼减振器特性试验 试验在MTS公司生产的850 SHOOKABSORBER TEST SYSTEM上进行，试验时，将可调阻尼减振器的阻尼分成8级，分别代表可调阻尼减振器的步进电动机转过12。、24。、36。、48。、60。、72。、84。、96。，采用正弦波作为输入，分别得到8种工况下拉伸与压缩过程中的示功图(图2)以及速度特性图(图3)。 试验结果表明，设计的可调减振器在5种激振频率下的示功图饱满、圆滑，基本没有空行程和畸形；拉伸和压缩行程时，活塞的拉伸与压缩速度和阻尼力近似为线性关系，因此，这为半主动悬架阻尼控制模型建立时分析其速度特性提供了重要依据。 2半主动悬架控制策略 近年来，国内外学者对半主动 悬架控制方法进行了大量的研究， 控制方法几乎涉及到所有的控制理 论的所有分支，许多控制方法如天 棚阻尼控制、P I D控制、最优控制、 自适应控制、神经网络控制、滑模 变结构控制、模糊控制等在半主动 悬架上得到了应用。 2 1天棚阻尼控制 天棚阻尼控制方法是最早提出 的控制方法。该控制方法是由美国 D KA RNO P P 教授提出， 在早期的 半主动悬架上得到了广泛应用，但 天棚阻尼控制只解决了悬架系统的 舒适性而没有很好解决操纵稳定性 问题。 因此 ， 目前研究的重点是改进 型的天棚阻尼控制方法。 2 2最优控制 最优控 制是一种理 论上最成 熟、 应用最广泛的控制方式， 它一般 可分为线性最优控制、最优预测控 制和H O O 最优控制。线性最优控制 是将L Q( L i n e a r Q u a d r a t i c ) 控制理 论应用于车辆悬架系统 中 ， 其性能 指标函数采用系统的状态响应与输 入的加权二次型，在保证受控结构 动态稳定性的条件下，把线性二次型调节控制器理论和线性二次高斯 型控制理论用于车辆半主动悬架系 统中实现最优控制。H o o 最优控制 是在闭环系统各回路稳定的条件下， 相对于噪声干扰的输出取极小值的 一种最优控制方式 ， 在车身质量、 轮 胎刚度、 减振阻尼系统、 车辆结构等 存在不确定变化误差时 ， 采用 H o o 最优控制可使车辆悬架系统的减振 控制具有较强的鲁棒性。 2 3自适应控制 自适应控 制具 有参数辨识功 能 ，能适应悬架载荷和元件特性的 变化， 自动调整控制参数， 保持其性 能最优。应用于车辆悬架系统自适 应控制方法主要有模型参考自适应 控制和自校正控制两类，其中自校 正控制是目前应用较广的一类。采 用 自适应控制的车辆悬架阻尼减振 系统改善车辆的行驶特性 ，在德国 大众汽车公司的底盘得到了应用。 2 4预测控制 车辆悬架系统的预测控制是指 通过传感器将车辆前方路面信息预 先传给悬架装置，使参数的调节与 实际需求同步。预测控制可以通过 某种方法提前测得前方路况的信息， 使得控制系统有足够的时间采取措 施。预测控制可以分为两类 ：一是 用前轮悬架的状态信息对后轮悬架 进行预测控制；二是测量车辆行驶 过程中前方道路的状态信息 ，以此 信息来对前后轮悬架进行预测控制。 采用预测控制的关键是要获得具有 一定精度、不受干扰和反映路面真 实情况的信息。 2 6滑模变结构控制 滑模变结构控制是控制理论的 一个重要分支。它适用于线性或非 线性系统， 方法简单， 易于实现， 对 模型参数的不确定性和外界扰动具 有高度的鲁棒性。滑模变结构控制 本质上是一类特殊的非线性控制， 其非线性表现为控制的不连续性， 这种控制策略与其它控制的不同之 处在于系统的“ 结构” 并不固定，而 是可以在动态过程中根据系统当前 的状态 ( 如偏差及其各阶导数等) 有 目的地不断变化，迫使系统按照预 定 “ 滑动模态” 的状态轨迹运动， 由 于滑动模态可以进行设计且与对象 参数及扰动无关，这就使得变结构 控制具有快速响应、对参数变化及 扰动不灵敏、无需系统在线辩识 ， 物理实现简单等优点。 2 7模糊控制 自2 0 世纪9 0 年代以来， 模糊控 制被应用到汽车半主动悬架系统的 控制中。模糊控制是一种新型智能 控制技术， 与传统控制相 比， 其系统 的鲁棒性好， 尤其适用于非线性 、 时 变和滞后系统。它的最大特点是允 许控制对象没有精确的数学模型， 使用语言变量代替数字变量 ，与人 的智能行为相似，由于车辆的部分 参数经常变化以及在不同道路条件 下行驶等特点， 模糊控制尤为使用。2 5神经网络 神经网络是近2 0 年 来迅速发展起来的一门 新兴交叉学科 ， 它是以大量处理单元( 神经元)为节点，按 某种拓扑结构所构成的高度并行的 非线性动力学系统，其特点是具有 自学习能力和大规模并行处理的能 力，因而在车辆悬架系统减振控制 中有着广泛的应用前景。目前，神 经网络控制方法越来越多地应用在 特定环境以及采用固定描述方式的 多种目的的设计中。汽车半主动悬 架系统具有非线性特点，常规的控 制策略对非线性系统有一定的局限 性 ，神经网络的控制方法在车辆悬 架控制系统中有着广泛的应用前景建立神经网络控制：其控制线路图如图所示为了评价神经网络控制结构的性能，这里建立如下评价方法【4】因此，半主动悬架的神经网络直接学习算法可归纳为：训练样本的采集；将控制阻尼Cr初始化为0，选择合适的路面输入，运行半主动悬架模型，得到用于神经网络训练的初始甩对样本(葺，墨)，并输出状态矢量x的数据。计算被动悬架性能指标，并设定神经网络训练终止条件。反求神经网络参数。更新神经网络参数。运行神经网络控制模型(正向计算过程)和半主动悬架模型，采集新的训练数据和状态矢量数据。计算半主动悬架评价函数，并判断是否达到了神经网络训练的终止条件，如果达到了，则结束训练过程，保存神经网络参数，否则返回第步继续训练。5.2 半主动悬架的仿真计算基于建立的半主动悬架模型和直接学习神经网络控制模型，利用Matlab 53+Simulillk 30+T001boox进行了仿真(计算结果见图5和表)，仿真采用4阶RungeKutta法，步长为O02 s，可调阻尼Cr=10002000 Nsm，可调阻尼减振器试验拉伸阻尼范围为075214 kNsm，考虑到仿真试验的需要，仿真试验时对可调阻尼范围进行了适当放大，计算时的l4车辆模型参数为：M1=30Kg，M2=220Kg，Kl=200 000Nm，K=20KNm，C0=1 470N*sm，分别以正弦波、线性增加的扫频波(f=020 Hz)和滤波白噪声作为路面输入进行仿真。结果表明，对于频率为5 Hz的正弦波路面激励信号输入，车身加速度和车轮动载荷得到了较大的改善，而这一频率的信号正是人体比较敏感的垂直振动信号，而采用直接学习方法的神经网络控制器在人体反映敏感的频带性能优良，较好地改善车辆的乘坐舒适性和行驶安全性；对于扫频波路面速度激励信号输入，半主动悬架较好地协调了车辆的性