内容简介：: 汽车悬架控制系统研究动态与展望SURVIEW AND PRESPECT IN RESEARCH OF CONTROLLING SYSTEMON AUTOMOBILE SUSPENSION高国生1 ,2 杨绍普1 郭京波1(1.石家庄铁道学院机械分院,石家庄050043)(2.北方交通大学机电学院,北京100044)GAO Guosheng1 ,2YNAG Shaopu1GUO Jingbo1(1.School of Mechanical Engineering,Shijiazhuang Railway Institute,Shijiazhuang050043 ,China)(2.School of Mechanotronics Engineering,Northern Jiaotong University,Beijing100044 ,China)摘要综述汽车悬架控制系统的基本类型,半主动控制和主动控制的控制策略。由于智能阻尼装置具有机械结构简单,动态范围大,能耗低等特点,是一种非常有前途的半主动减振装置。介绍电流变液体及磁流变液体和装置的主要特点与优点,并给出智能阻尼器的模型。着重论述几种控制方法在汽车悬架控制系统中的应用,探讨今后的研究方向和发展趋势。关键词汽车悬架半主动控制主动控制非线性控制智能阻尼装置中图分类号 U463.33U461.4TH113AbstractReviews the basic types of control systemon automobile suspension , the control schemesfor semi2active and active sus2pension. One of the most promising new devicesfor vibration reduction is smart damping device. Because of their mechanical simplicity ,high dynamics range , lowpower requirements , large force capacity and robustness , these devices have been shown to mesh well with ap2plication demands and constraints to offer an attractive means of vibration control. Following an overviewof the essential features and ad2vantages of ER(Electrorhological) and MR(Magnetorheological) materials and devices , a model of ERfluid damper and MRfluid damp2er is developed. Emphases are put on the discussion of application of several control methods , the research trends and technology devel2opment are also pointed out.Key wordsAutomobile suspension; Semi2active control; Active control; Nonlinear control; Smart damping deviceCorresponding author:G AO Guosheng,E2mail:gaogsh,Fax: + 86231127935218The project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 10172060) and the Natural Science Foundation ofHebei Province , China(No. 502244) .Manuscript received 20020114 , in revised form 20020318.1 引言悬架是现代汽车的重要总成之一,它对汽车的平顺性、稳定性和通过性均有很大影响。传统的被动悬架一般由具有固定参数的弹性元件和阻尼元件组成,被设计为适应某一种路面,这就限制了汽车性能的进一步提高。自上世纪70年代以来,工业发达国家开始研究基于控制技术的主动半主动悬架系统。引入控制技术后的悬架是一类复杂的非线性动力系统,其研究进展和开发应用与机械动力学、流体传动与控制、测控技术、计算机技术、电子技术、材料科学、非线性力学等多个学科的发展紧密相关。这些学科的发展为悬架系统从被动隔振发展为主动控制奠定了基础。尤其在智能控制技术及智能材料科学取得引人瞩目进展的同时,已开始应用到汽车悬架控制系统,使得汽车悬架控制系统的研究不仅在理论上和方法上取得显著进步,而且也出现了工程实际应用的可能。2 汽车悬架控制系统的类型汽车悬架控制系统可分为被动控制、半主动控制和主动控制三种基本类型。凡不需要输入能量的控制称为被动控制;输入少量能量调节阻尼系数的控制称为半主动控制;通过使控制机构给予悬架系统施加一定控制力的控制称为主动控制。Journal of Mechanical Strength机械强度2003 ,25(3) :279284高国生,1965年7月生,河北省卢龙人,汉族。副教授,博士研究生,研究方向为非线性动力学与控制、车辆系统动力学、智能控制和非线性控制理论的应用,已发表论文30余篇。20020114收到初稿,20020318收到修改稿。国家自然科学基金(10172060)和河北省自然科学基金资助项目(502244)。 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 2.1 被动控制被动控制由于无需输入外部能量和结构简单等优点而得到广泛应用。但随着汽车性能的不断完善与发展,对悬架提出更高的要求。为满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求,悬架的结构形式一直在不断地更新与完善。尽管如此,传统的被动控制依然受到许多限制,主要是难于同时改善在不同路面上高速行驶车辆的稳定性和行驶平顺性。因此,被动控制的减振效果较差。2.2 半主动控制半主动控制的研究工作始于1974年美国加州大学戴维斯分校Karnopp的研究工作1。通过输入少量外部能量调节阻尼器的阻尼,改善悬架的动力性能。若以 ?x1表示悬架质量(车身)速度,?x2表示非悬架质量(车桥)速度,c表示阻尼系数,则Karnopp控制规则的数学表达式为c=c00若 ?x1(?x1-?x2)0若 ?x1(?x1-?x2) 0增加阻尼?x1(?x1-?x2) 0增加阻尼x1(?x1-?x2)0减少阻尼(3)式(2)和(3)适于用模糊推理方法表示控制规则。另一种称为SM(sliding mode滑模)控制模式,属模型规范化控制,把原系统的二次型动力方程表为一次规范模型s=?x1+ax1= 0 ,其控制规则为c=c00若s x10若s?x1 2 000 N) ,以耗散超过600 W的机械功率。在国内杨绍普教授等已将磁流变阻尼器应用于汽车悬架的控制研究中11。图3 磁流变液直动式阻尼器Fig.3MR fluid linear damper在磁场的作用下,磁流变液具有在毫秒级的瞬间由牛顿流体转变为Bingham塑性固体的特性,而且粘度的变化是连续、可逆的。磁流变液的本构关系可近似用Bingham塑性模型描述。对于正的应变率,剪切应力近似为12=y=?(8)式中为剪切应力,y为屈服应力,为粘性系数,?为剪切应变率。根据磁流变阻尼器结构和Binghan塑性模型本构关系,可得到磁流变阻尼器活塞杆上的阻尼力Fd(t) =fysign?(t)=cb?(t) +f0(9)式中fy为磁流变液的屈服力,cb为屈服后的粘性阻尼系数,f0为由磁流变阻尼器的气体蓄能器的气体产生的偏置力,?(t)为活塞与缸体间的相对流速。2.3 主动控制汽车主动悬架是在被动悬架原有弹性元件和阻尼元件的基础上加一个主动力装置,设计者可根据预期目的,通过这个主动力装置和预定的控制策略来改变悬架的特性,以获得较好的工况。通过输入外部能量施加一定控制力的悬架主动控制多数采用流体传动的控制系统。主动控制的研究首先始于轨道车辆的悬挂控制13,用于汽车的主动控制悬架的最初装置是由Automotive Products公司基于气液悬架发展的一种机械系统14。近年来,Nissan和T oyota公司宣布在轿车上成功地应用了液力主动悬架15 ,16。开发主动液力减振器研究方向之一是采用复合减振方法减少外部能量的消耗,张庙康教授基于阻尼减振和蓄能器减振原理,开发出液力阻尼车用减振器17,可减少外部能量的消耗。3 汽车悬架控制系统的控制方法汽车悬架控制系统是一个复杂的非线性动力系统,基于模型的线性控制策略受到很大的限制。目前应用于汽车悬架控制系统的控制方法主要有现代控制方法(如自适应控制方法、预见控制方法、最优控制方法及鲁棒控制方法)和智能控制方法(如模糊控制、神经网络控制)以及各种控制方法的复合。3.1 自适应控制方法汽车悬架控制系统是含有许多不确定因素的非线性动力系统,难以用传统控制方法达到预定的性能要求。应用于汽车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再线识别与控制器参数整定相结合的控制方法,文献18把非线性自校正控制应用于非线性车辆主动悬架系统,能适应悬架载荷和悬架元件特性的变化,自动调整主动悬架系统的控制器来降低系统的振动。模型参考自适应控制的原理是当外界激励条件和汽车自身参数状态发生变化时,被动汽车的振动输出仍能跟踪所选定的理想参考模型,文献19提出一种新的自适应控制方法,通过跟踪一个预先定义的参考模型,获得任何非线性时变悬架模型的最优性能,最优性能依赖于包含前馈控制器和辅助控制器参数的自适应控制规则达到。文献20把非线性 “滑模” 控制规则应用于电液悬架系统,控制器依赖精确的悬架系统模型,采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统改善汽车的行驶性能,在德国大众汽车公司的底盘上得到了应用21。自适应控制与自校正控制方法的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。其设计关键的选择能准确、可靠地反映输入变化的参考变量。只要参数选择适当,控制器即可快速、方便地改变控制参数,以适应当前输入的变化。文献2224是国内学者采用自适应控制与自校正控制方法对汽车悬架进行的研究。3.2 最优控制方法应用于汽车悬架控制系统的最优控制方法可分为线性最优控制、H最优控制和最优预见控制三种。线182 第25卷第3期高国生等:汽车悬架控制系统研究动态与展望 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 性最优控制是建立在系统较为理想模型基础上,采用受控对象的状态响应与控制输入的加权二次型作为性能指标,同时保证受控系统动态稳定性条件下实现最优控制。把LQ(linear quadratic线性二次型)调节器控制理论和LQG(linear quadratic gaussian线性二次高斯型)控制理论应用于汽车悬架系统实现最优控制2528。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,使相对于噪声干扰的输出取极小的一种最优控制方法。为了模拟由于车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系数以及车辆结构高频柔度模态等变化不确定的误差,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2931。最优预见控制是利用汽车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32。由于实际的车辆系统往往是时变的非线性系统,从而使实际系统达不到运用最优控制理论所预期的性能。因此有必要对系统进行鲁棒性分析,即在各种模型误差及不确定扰动的情况下,研究系统的鲁棒稳定性问题33 ,34。3.3 预见控制方法一个控制系统,如果在决定控制指令时,不仅考虑系统当时的状态,而且还对系统未来的目标值或干扰予以考虑,这样一种预见控制的方法,往往能弥补因系统响应速度不足所带来的缺陷而提高控制性能,降低系统控制能量峰值和控制能量消耗量。对于车辆主动悬架的预见控制,人们已作过一系列的研究3539,得到了一些有意义的结论。依据预见信息的获取及利用方法的不同,可构成不同的预见控制系统。可分为对四轮全进行预见的完全预见控制方式和利用前轮信息对后轮进行预见的部分预见控制方式。文献40分别采用以上两种预见控制方式,设计了汽车主动悬架预见控制系统,并通过大量仿真试验,对两种控制方案进行了对比。3.4 智能控制方法智能控制是一门新兴的学科领域,其概念是针对系统及其控制环境和任务的不确定性而提出来的。智能控制过程是含有复杂性、不确定性,且一般不存在已知算法的非传统数学公式化的过程。在智能控制过程中,以知识信息为基础进行推理和学习,用启发式方法来引导求解过程,从而得以在大范围内实现快速自组织目标。因此,就智能控制过程而言,系统应该设计成为对环境和任务的变化以快速的应变能力,而且要能完成各种难以用传统的分析数学和统计数学方法定义得清楚的任务。目前,智能控制技术已广泛应用于各种系统中,智能性已成为衡量产品和高技术的标准。目前,应用于汽车悬架系统的智能控制方法主要有模糊控制和神经网络控制,模糊控制方法应用于汽车悬架系统的研究文献较多4146,其中具有代表性的是日本德岛大学芳村敏夫教授的研究工作,他同时把模糊控制方法应用于汽车悬架半主动和主动控制系统,基于三质量四自由度动力学模型,在随机激励作用下,按式(4)用语言变量表示SM控制模式,采用模糊推理分别构成半主动和主动控制49条模糊控制规则,进行计算机模拟分析来控制车体的垂直振动和俯仰振动,其结果证明了模糊控制方法的有效性。日本名古屋大学桥山智训等采用G A (genetic algorithm遗传算法)设计车辆悬架半主动系统的模糊控制器,由于具有自动调整输入变量的组合,隶属函数的参数和模糊规则数目等学习功能,按Karnopp控制模式寻找模糊控制规则和选择输入变量,计算机模拟结果显示结合G A的模糊推理方法比常规方法更有效。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,故在汽车悬架控制系统中有广泛的应用前景。文献47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。研究表明用神经网络控制的非线性悬架系统,和用传统的LQ调节器控制的悬架相比具有更好的性能。还可以应用神经网络理论设计车辆主动悬架系统的动力补偿器型控制。3.5 复合控制方法目前已报道的有关汽车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。而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48、最优预见控制与神经网络控制的复合49、自适应控制与神经网络控制的复合50 ,51以及模糊控制与神经网络控制的复合52等等。研究表明,利用复合控制方法更适用于汽车悬架这样复杂非线性系统的建模与控制,可以预见复合控制方法是今后研究工作的一个重点。4 研究趋势汽车悬架控制系统的研究与开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题,近年来,随着相关学科和高新技术的迅猛发展,使得研究实用的半主动和主动悬架控制系统成为现实。半主动悬架控制系统已进入实际应用阶段,主动悬架控制系统由于其造价昂贵,需要额外的控制功率等原因,目前仍停留在实验室阶段。今后的研究目标是研究和开发控制有效、耗能低、成本低廉的汽车悬架控制系统,为此,必须解决一些基础性的理论研究问题和实际应用的技术问题。1)研究和开发高效高性能的减振器,如液力减振282机械强度2003年 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 器、阻尼连续可调的磁流变(或电流变)减振器等。尤其是以磁流变可控流体器件为作动器的半主动悬架系统是一个全新概念的可控悬架系统,它具有简单、耗能低、反应迅速等特点,具有广阔的应用前景。2)汽车悬架是一个复杂的非线性机、电、液一体化系统,研究这类系统的建模,分析其非线性动力学行为甚至可能出现的分岔、混沌现象,将会为汽车(半)主动悬架的设计提供重要的理论依据和保证。3)充分运用智能控制技术和非线性控制理论及动力系统的分岔理论,研究并开发高效、快速、可靠、智能型的控制方法和成本低廉的控制器。各种控制方法的交叉融合将是今后的一个主要研究方向。References1Karnopp D. Vibration control using semi2active force genrators. ASMEJ ofEngineering for Industry , 1974 , 96(2) :619626.2H?o?slscher R , Huang Z. Das kom fortorientierts semiaktive dampfungssys2tem. Wallentow itz H. Ed. Fortschritte Der Fahrzeugtechnik Aktive Fahr2erkstechnik , 1991 , 10:2034.3Fukushima N , Fukuyama K. Nissan hydraulic active suspension. Wallentowitz H. Ed. Fortschritte Der Fahrzeugtechnik Aktive Fahrerkstechnik , 1991 ,10:192210.4Karnopp D. Active damping in road vehicle suspension system. Vehicle Sys2tem Dynamics , 1983 , 12:291298.5Karnopp D. Active and semi2active vibration isolation. 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