汽车电控技术在悬架系统中的应用分析

汽车电控技术在悬架系统中的应用分析汽车电控技术在悬架系统中的应用分析 摘摘 要 要 悬架在保证汽车行驶平顺性和操作稳定性中起着决定性作用 在行驶条件较差的 情况下 传统的汽车悬架无法提供良好的减振性能 针对这一情况 本文就电控悬架系统 作了相关研究 介绍了电控技术在悬架中的应用 分析电子控制悬架系统的功能与工作原 理 着重对以现代控制理论为核心的电控悬架系统的控制方法作了论述 关键词 关键词 电控技术 汽车 悬架系统 Abstract Suspension plays a decisive role in vehicle riding comfort and operation stability Under the condition of the poor driving conditions the traditional automobile suspended frame could not provide a good vibration damping performance In order to solve this problem this paper has do some research about the electronic control suspension system and introduces the application of electronic control technology in suspension besides the function and working principle of electronic control suspension system has been analysed modern control theory of electric control suspension system are discussed in detail Keywords Electronic control technology Vehicle Suspension system 1 1 引言 引言 随着汽车结构和功能的不断改进和完善 研究汽车振动 设计新型悬架电控系统 将 振动控制到最低水平是提高现代汽车品质的重要措施 汽车振动是影响汽车行驶平顺性和 操纵稳 定性 以及汽车零部件疲劳寿命的重要因素 严重的振动还会影响汽车的行驶速度 并产生 环境噪声污染 所以悬架系统在汽车减振中的作用就尤为重要 悬架系统一般由弹 性元件和阻尼元件构成 用以缓冲和吸收因路面不平而产生的激振力 同时承受汽车转 向时产生的侧倾力 随着电子技术和测控技术的快速发展 特别是信息科学中对最优控制 自适应控制 模糊控制 人工神经网络等的研究 使悬架系统电子控制技术在现代控制理 论指导下更趋完善 同时己开始应用于车辆悬架系统的振动控制 使电了控制悬架系统振 动控制技术得以快速发展 2 2 悬架系统的减振原理 悬架系统的减振原理 现代汽车悬架的结构形式和振动控制方法随时在更新和完善 按照导向机构的形式 悬架一般可分为独立悬架和非独立悬架两大类 但一般按控制力进行分类分为被动悬架 半主动悬架和主动悬架 3 种基本类型 3 种悬架的简化模型如图所示 当悬架的阻尼系数 为 0 707 时 3 种悬架的减振性能曲线见图 2 图 2 中 横坐标为簧载质量 m 的位移 与路面激励幅值 n 之比 纵坐标为路面激励频率 X 与悬架系统固有频率 X0之比 图 1 3 种振动控制悬架的简化模型 a 被动悬架 b 半主动悬架 c 主动悬架 1 传感器 2 可调减振器 3 力发生器 绝大多数汽车上装有由弹簧和减振器组成的被动悬架 见图 1a 这种悬架系统的减 振器阻尼系数 C 和弹簧刚度系统 K 一般是通过经验设计或优化设计方法选择 一经确定 在汽车行驶过程中就无法随外部变化而变化 对于汽车悬架应满足两方面的要求 一方面 为提高转弯 制动等操作过程的稳定性 要求悬架 较硬 另一方面为隔开随机路面不平 对汽车的振动提高乘坐舒适性 要求悬架应 较软 由于被动悬架参数不能任意选择和调 节 因此限制了被动悬架性能的进一步提高 由图 2 可知 被动悬架的减振性能较差 半主动悬架如图 1b 它由性能可变的弹簧和减振器组成 其基本工作原理是 根据簧 载质量 m 相对车轮的速度响应 加速度响应等反馈信号 按照一定的控制规律调节弹簧的 刚度或可调减振器的阻尼力 半主动悬架系统的减振控制通常以改变减振器的阻尼力为主 将阻尼力分为 2 3 级 可由人工选择或根据传感器信号自动确定阻尼级 如 1984 年日产公 司研制出的一种声纳式半主动悬架 它能通过声纳装置预测前方路面信息 及时调整悬架 减振器的软 中 硬三种状态 半主动悬架与被动悬架相比 减振效果优良的多 图 2 3 种悬架的频响特性 主动悬架是一种有源控制 可以根据汽车行驶条件的变化 主动改变悬架的刚度和阻 尼系数 在汽车行驶路面 速度变化以及在汽车起步 制动 转向等工况时 主动悬架都 可以进行有效控制 此外 主动悬架还以根据车速的变化控制车身的高度 它需要输入外 部能量以使控制机构给悬架系统施加一定的控制力来减振 最初的主动悬架系统是由 AP 公司基于气液悬架发展的一种机械系统 主动悬架系统的简化模型如图 1c 所示 由弹性元 件和一个力发生器组成 力发生器的作用在于改进悬架系统中能源的消耗和供给悬架系统 以能量 该装置的控制目标是要实现一个优质的隔振悬架系统 而又不需要对悬架系统做 出较大的变化 因此 只需使力发生器产生一个正比于绝对速度负值的主动力 即可实现 该控制目标 从图 2 中可以看出 这种悬架的减振效果最理想 但是 主动悬架的商品化 存在严重困难 一是硬件价格昂贵 而是能量消耗过大 因此目前仅用于排量较大的高档 车型 随着电控技术的发展 较少功率消耗 提高电控系统的集成化是主动悬架研究的主 要任务之一 3 电控技术在悬架中的应用 电控技术在悬架中的应用 3 1 电控悬架系统的基本工作原理电控悬架系统的基本工作原理 电了控制悬架系统由传感器与开关 控制单元 执行元件等电子器件组成 传感器和 开关将路面输入的模拟信号转换为数字信号传送给控制单元 E CU 控制单元 ECU 将传感器 输入的电信号进行分析处理后输出控制信号给执行元件 执行元件的机械动作改变减振器 的阻尼和弹簧的刚度 其工作原理如图 3 所示 图 3 电控悬架系统的基本工作原理框图 主动悬架系统的基本工作原理是 将传感器采集的反映悬架振动的信号传给控制器 控制器控制主动悬架的力发生器 产生控制力控制车身的振动 从而大大提高了车辆的平 顺性等性能 半主动悬架系统的基本工作原理是 用可调弹簧或阻尼元件组成悬架 并根 据悬架的振动响应等反馈信号 按照一定的调节规律调节车辆悬架系统的刚度或阻尼状态 提高车辆的行驶平顺性和安全性 3 2 电控技术在悬架系统中的应用电控技术在悬架系统中的应用 汽车悬架系统已经进入到利用电子控制器进行控制的时代 运用较优的控制方法 得 到高性能的减振效果 且使能好近可能的低是汽车悬架系统发展的主要方向 汽车悬架系 统大多由传感器拾取车身绝对速度 车身对车轮的相对速度 车身的加速度等信号 经电 子控制器处理并发出指令进行控制 由电液控制阀或步进电机等执行机构调解减振器的阻 尼系数或控制力 由于悬架系统是很复杂的非线性动力系统 因此基于模型的线性反馈控 制不适用 利用现代控制理论保证汽车行驶的平顺性和操纵稳定性的研究日益完善 3 2 1 最优控制最优控制 最优控制首先是确定一个明确的目标函数 然后通过一定的数学方法计算出使该函数 取极值时的控制输入 一般情况下 目标函数的确定要靠经验 最优控制的解只有在极少 数情况下才能得出解析解 有的可以通过计算机取得数值解 在汽车悬架系统上应用的最 优控制较多 常用的有线性最优控制 最优预见控制等 在悬架系统较为理想的模型基础 上 采用受控对象的状态相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 在动态稳定条件下实现最优控制 最优预见控制是利用汽车前轮的扰动信息预估路面的干扰输入 将测量的状态变量反 馈给前后电子控制器以实施最优控制 由于这种电控技术可通过某种方法提前检测到前方 路面的状态和变化 将使控制系统有足够的时间采取措施 因此可大大降低悬架系统的能 耗 且改善悬架系统的控制性能根据预见信息的测量及利用方法的不同 可构成不同的预 见控制系统 如对 4 轮全进行预见控制系统和利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制系统 对 4 轮全进行预见控制系统是在汽车的前部设有特殊的预见传感器 以测试前方路况 然 后将信息传给电子控制器 电子控制器将相应信号送至 4 个车轮中的每一个悬架执行机构 这种系统需要设置特殊的预见传感器 在利用前轮扰动信息对后轮进行预见控制系统中 在决定后轮的控制指令时 电子控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息 而且也 考虑当时的车速 前后轮间的跨距以及前轮各传感器所得到的信息 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 在该系统中无需设置特殊的预见传感器 只需改变控制软件 便可提高后轮的减振效果 3 2 2 自适应控制自适应控制 自适应控制是针对具有一定不确定性的系统而设计的 自适应控制方法可以自动检测 系统的参数变化 从而时刻保持系统的性能指标最优 其基本出发点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 应用于车辆悬架控 制系统的自适应控制方法主要有自校正控制和模型参考自适应控制两类控制策略 自校正 控制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 如图 4 所示 图 4 自适应控制原理 3 2 3 模糊控制模糊控制 模糊控制是近年来迅速发展起来的新型控制方法 其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 在控制过程中包含大量的控制经验和知识 结构 控制框图如图 5 所示 其控制器的输入量可选择车身加速度和车身与车轮的相对速度 输 出量为动力装置产生的作用力 图 5 模糊逻辑控制器结构 3 2 4 神经网络控制神经网络控制 神经网络控制越拉越多地应用在特定环境以及采用固定描述方式等多种目的的设计之 中 它的基本思想是从仿生学的角度 模拟人脑神经系统的运作方式 使机器具有人脑那 样的感知 学习和推理能力 神经网络以其强大的非线性映射能力 自学习适应能力 联 想记忆能力 并行处理方式及优良的容错性能 作为一种并行分布式处理系统 它具有自 动知识获取 联想记忆 自适应性 良好的容错性和推理能力 故在汽车悬架控制中有广 泛的应用前景 应用人工神经网络控制的非线性悬架系统 与用线性二次型调节器控制的 悬架系统相比 具有更好的减振性能 4 结束语 结束语 随着汽车技术的不断发展以及人们物质生活水平的不断提高 汽车的舒适性和安全性 越来越受到人们的关注 传统的被动悬架己不能完全满足人们对汽车行驶平顺性和操纵稳 定性等汽车性能的要求 为使悬架系统能够适应不同道路及速度条件 出现了一系列悬架 系统减振控制技术 各种新型电控悬架得到了迅速发展 因此 采用新型电控技术 研究 和开发一类控制有效 能耗低 造价合理的汽车悬架系统具有较高的经济效益和社会效益 针对悬架系