汽车主动悬架控制方法的现状与发展

悬架设计资料

第16卷第4期

Vol.16No.4渝州大学学报(自然科学版)　JOURNALOFYUZHOUUNIVERSITY(Nat.Scien.Edit.)　1999年12月Dec.1999　　文章编号:1006-3293(1999)04-0058-04

汽车主动悬架控制方法的现状与发展

李　军1　　成思源2　　卢海峰2

(1.渝州大学机械系,重庆400033;2.重庆大学汽车系,重庆400044)Ξ

摘　要　主动控制悬架可使汽车乘坐舒适性和操纵安全性同时得到改善。介

绍了国内外汽车主动悬架系统的现状及发展,。

关键词　汽车;主动悬架;现状与发展;控制方法

中图分类号:TH16　　　文献标识码:A

悬架是车架(或承载式车身)(。路面作用于车轮上的垂直反力()和侧向反力以及这些力所造(),以保证汽车的正常行驶。悬架的作用,还应具有良好的减振和缓冲能力,,保护车身、乘客、货物并抑制车轮的不规则振动,保证汽车的正常行驶。

悬架的设计对车辆的总体性能有着重大的影响,主要体现在驾驶员以及乘客的舒适性,车身的姿态控制以及直接影响操纵稳定性和附着性能的轮胎动力负荷。同时悬架对汽车的燃油经济性,使用寿命和安全性能等都有重要影响。因此,选择好的悬架特性,设计性能优越的悬架,对提高汽车的性能有着重要作用。

最常规的悬架的主要性能参数的选择是从整车出发,根据汽车的综合性能要求,在保证整车具有良好的行驶平顺性和操纵稳定性前提下,由设计人员根据理论实践选择悬架的固有频率,静挠度和动挠度的取值范围。

悬架系统的主要作用是有效地减缓路面不平而引起的车体振动(乘坐舒适性)以及操纵安全性。随着汽车性能的不断完善与发展,对悬架也提出了更高的要求。为了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和完善,尽管这样,传统的被动悬架依然受到许多限制,主要是难于同时改善在不平路面上高速行驶车辆的稳定性和行驶平顺性,即使采用优化设计也只能保证悬架在特定的激励发生变化后,悬架的性能亦随之发生变化。事实上,被动悬架的潜力在目前已接近极限,为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制,近年来,汽车工业中出现的主动悬架成为了一条改善汽车悬架性能的新途径。

1954年,GM公司Erspiel-Labrosse在悬架设计中首先提出了主动悬架的思想。1965年,W.O.Obson和wther又作了类似的研究。T.H.Rockwell,wther和S.Kimica

Ξ收稿日期:1999-06-14

作者简介:李军(1969-),女,四川武胜人,讲师,硕士,从事汽车动力学研究。

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第4期　　　　　　　　李　军等:汽车主动悬架控制方法的现状与发展59作了应用伺服机构作为主动元件的理论研究。早期研究的数学模型是忽略了非簧载质量和轮胎特性的单自由度系统。1976年,A.G.Thompson研究了两个自由度的车辆模型,并应用了空间状态技术和最优线性控制理论来确定最优控制规律。随后Thompson和Pearce把两个自由度模型扩充成四个自由度模型,并研究了对白噪声输入的响应。1986年R.M.Cha2lassani研究了整车模型的行驶性能。

车辆主动悬架的研究在国内外,尤其在国外得到了广泛的开展,许多大学与汽车大公司对主动悬架进行了理论与实践的研究,并取得了很好的效果。对主动悬架的研究主要从两个方面展开:一是各种可能模型的主动悬架及其控制规律的特性研究与被动悬架相比较。二是控制规律的设计。采用不同的控制规律和数学模型,所获得的悬架特性是不一样的,因此采用什么样的模型和控制规律以及与之对应的悬架特性是什么,重要方面。

1　常见控制方法

111　,具有较慢统计特性变化的干扰,。自校正是指对运行初始的静态干扰,如车身质量的变化。

自适应与自控制方法的基本思想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。只要变量选择得当,控制器即可快速,方便地相应改变控制参数以适应当前输入变化。

车辆参数变化可能显著影响系统的输出,这将会使控制器难以区别系统输出的变化是来自于路面输入的变化或是来自于车辆参数的变化,从而选择不到真正合适的控制参数。考虑车辆参数变化较大的情况,可采用自适应于路面输入和车辆参数的变化的自校正控制系统。

112　天棚阻尼器控制方法

天棚阻尼器控制理论是由美国的D.KARNOPP教授提出,在主动控制悬架的控制中被广泛采用。天棚阻尼器控制设想将系统中的阻尼器移至车体与某固定的天棚之间。就主动悬架而言,也就是要求有执行机构产生一个与车体的上下振动绝对速度成比例的控制力来衰减车体的振动。

传统的被动悬架可以认为是带阻尼器的双质量振动系统,当考虑到带宽和系统的共振特性时,传统被动悬架性能不能令人满意。但带天棚阻尼器的汽车悬架,只要合理选择参数,可彻底消除系统共振现象。

113　最优控制方法、鲁棒控制方法

通过建立系统的状态方程式提出控制目标及加权系数,然后应用控制理论求解出所设目标下的最优控制方案。较天棚阻尼器控制方法而言,它对系统中更多的变量的影响加以考虑,因而控制效果更好。而且现代控制方式的应用,主要是在系统的控制软件方面做一些改善,并不增加系统的复杂性。

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60渝州大学学报　(自然科学版)　　　　　　　　　　　　第16卷根据最优控制理论设计出的主动悬架,只对数学模型保证预期的性能。但是对于实际的车辆系统,存在着各种不满足理想条件下的不确定因素。首先实际的车辆系统都是非线性的和时变的系统。其次实际系统是一个复杂的高维系统,建模时忽略了系统的高阶动态环节,如车架,轮胎的高阶模态,传感器,作动器的动态特性等。所有这些因素的存在,都是实际系统偏离理论模型,从而使实际系统达不到理论所预言的性能。因此有必要对系统作鲁棒性分析,即在各种模型误差及不确定扰动的情况下,研究系统的稳定性问题,并且研究系统在受到多大的扰动时仍能保持稳定,即系统的鲁棒性。

研究表明:指标的权重系数,状态测量方式,簧上质量和悬架刚度对系统的鲁棒稳定性有重要影响,而作动器和传感器的动态环节对其影响不大。利用LTR方法可以对LQG系统进行鲁棒稳定性恢复,同时使系统的性能损失减到最低限度。

114　预见控制方法

,。当遇到较大或突变干扰时,,很可能无法输出所需的,由于通过某种方法提前检测到前方道,有可能降低系统的能量消耗且大幅度改善,。

,可构成不同的预见控制系统,大致有如下两种:

(1)对四轮全进行预见控制。这种预见控制系统在车的前部设置有特制的预见传感器以测试前方道路的凹凸情况,然后将这些信息传至控制器。控制器根据这些信息计算出控制指令,并将相应信号送至四个车轮中的每一个悬架机构。从理论上看,这种系统应取得最为理想的控制效果,但需要设置特殊的传感器。目前未见有批量实用车上市。

(2)利用前轮信息对后轮进行预见控制。在这种控制方式中,两个前轮采用的仅为反馈控制,但通过前轮部分各种传感器所获得的信息,都被作为预见信息而送至控制器。在决定后轮的控制指令时,控制器不仅考虑当时后轮传感器得到的各种信息,而且也根据当时的车速和前后轮间的跨距,并考虑前轮各传感器所获得的信息。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。这样一来无须增设特制的预见传感器,只须对控制系统软件作些修改,便可对后轮实施预见控制,从而提高后轮的减振效果,同时就整车而言可以减小车体的摆动,因而控制效果得到改善。