魯潔

摘要：本文首先總結(jié)汽車懸架的類型，然后分析目前主動(dòng)懸架控制系統(tǒng)的研究方向，最后展望未來(lái)主動(dòng)懸架系統(tǒng)發(fā)展。提出未來(lái)仍然要加強(qiáng)綜合控制系統(tǒng)的研發(fā)，適應(yīng)不同路面的需求。

關(guān)鍵詞：主動(dòng)懸架;發(fā)展;模糊控制

引言：

汽車懸架的好壞將會(huì)直接影響汽車的操作穩(wěn)定性和行駛的平順性，目前的汽車一般都使用被動(dòng)懸架系統(tǒng)，由于其適應(yīng)范圍比較窄而且參數(shù)固定，所以很難滿足多變環(huán)境下的工作要求。為了克服不足，就需要做好對(duì)主動(dòng)懸架的研究，滿足不同的路況需求。

1 汽車懸架系統(tǒng)類型

懸架系統(tǒng)是汽車底盤的關(guān)鍵部件，可以讓汽車行駛過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)與汽車隔離，以保證汽車行駛的穩(wěn)定性。在汽車最早出現(xiàn)的時(shí)候，并沒(méi)有懸架系統(tǒng)，汽車的底盤和車身之間直接剛性連接，使得汽車行駛在粗糙路面上很容易出現(xiàn)顛簸和翻車的情況^[1]。隨著汽車的發(fā)展，懸架系統(tǒng)的引入提升了汽車的行駛性能。目前的懸架系統(tǒng)一般分為三種，包括被動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架、全主動(dòng)懸架。其中被動(dòng)懸架只包括彈簧和阻尼器，半主動(dòng)懸架包含可變阻尼器，全主動(dòng)懸架中包括可注入外部能量的執(zhí)行器。

1.1 被動(dòng)懸架

被動(dòng)懸架是一種很傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)中包括了彈簧、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，被動(dòng)懸架的剛度和阻尼系數(shù)都是不能調(diào)整的，所以其減振范圍比較小，只能在特定工況下工作。由于被動(dòng)懸架在工作的過(guò)程中有一個(gè)明顯的共振峰，導(dǎo)致很難保證汽車乘坐的舒適性和行駛的穩(wěn)定性，非常不靈活。但是被動(dòng)懸架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和設(shè)計(jì)容易的特點(diǎn)，可以保證產(chǎn)能，在應(yīng)用時(shí)也不需要輸入其他額外能量，中低檔車輛都還普遍使用被動(dòng)懸架。為了能夠改善被動(dòng)懸架的減振效果，很多汽車企業(yè)也開(kāi)始優(yōu)化被動(dòng)懸架的參數(shù)，改善懸架的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，例如目前一些汽車上安裝了多連桿懸架系統(tǒng)，提升了被動(dòng)懸架汽車的舒適性。

1.2 半主動(dòng)懸架

半主動(dòng)懸架中包括彈簧和減振器，利用簧上質(zhì)量相對(duì)于車輪的速度響應(yīng)和加速響應(yīng)來(lái)調(diào)節(jié)反饋信號(hào)，根據(jù)一定的控制規(guī)律對(duì)彈簧的剛度和減振器的阻尼進(jìn)行調(diào)節(jié)。半主動(dòng)懸架具有更為優(yōu)良的性能，而且和被動(dòng)懸架一樣容易生產(chǎn)。實(shí)際應(yīng)用中，半主動(dòng)懸架可以接受傳感器信號(hào)或者人工指令調(diào)節(jié)。

1.3 主動(dòng)懸架

主動(dòng)懸架是在被動(dòng)懸架基礎(chǔ)上，加入額外的發(fā)力裝置，比如液壓執(zhí)行器、電磁執(zhí)行器、DC電機(jī)等等，對(duì)主動(dòng)懸架的性能進(jìn)行自主調(diào)節(jié)，根據(jù)道路的情況和負(fù)載來(lái)對(duì)汽車進(jìn)行最優(yōu)的控制。主動(dòng)懸架具有智能化特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多目標(biāo)的控制^[2]。通過(guò)對(duì)主動(dòng)懸架注入能量，改善系統(tǒng)的內(nèi)部動(dòng)態(tài)，適應(yīng)不同環(huán)境下的減振需求。但是主動(dòng)懸架的成本很高，實(shí)現(xiàn)難度也非常大，所以經(jīng)歷了漫長(zhǎng)的研發(fā)歷程。在1982年，lotus公司最早在沃爾沃車型上進(jìn)行了主動(dòng)懸架的實(shí)驗(yàn)，1989年豐田研制了具有可靠性的主動(dòng)懸架系統(tǒng)，之后還有很多公司都在開(kāi)發(fā)主動(dòng)懸架系統(tǒng)，由于存在成本控制問(wèn)題，再加上還需要控制算法設(shè)計(jì)、執(zhí)行器和系統(tǒng)集成化研究都需要投入大量的資金，所以主動(dòng)懸架還處在試驗(yàn)研究階段，真正應(yīng)用在汽車中還有一定距離。

2 汽車主動(dòng)懸架的控制策略

目前的汽車懸架當(dāng)中已經(jīng)加入了微處理器進(jìn)行主動(dòng)控制，而且隨著研究和實(shí)踐的增加，主動(dòng)控制理論正在變得越來(lái)越先進(jìn)和成熟。主動(dòng)懸架正朝著節(jié)能低耗的方向發(fā)展，體積相比過(guò)去變小很多，保證能適應(yīng)不同的路況。

2.1 開(kāi)棚阻尼和開(kāi)關(guān)阻尼控制

開(kāi)棚阻尼控制思想在1974年被提出，原理在于通過(guò)在車身的后方安裝一個(gè)和車身振動(dòng)、速度成正比的阻尼器，能夠避免車身和懸架系統(tǒng)共振，達(dá)到衰減振動(dòng)的效果。在開(kāi)棚控制方式中，控制力的大小決定于車體絕對(duì)速度的反饋，因此理論上比較簡(jiǎn)單，并不需要太多的傳感器或者復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型就能夠獲得比較好的控制效果。其中，控制力的公式為：

F = -C_skyv

式中的C_sky為比例系數(shù)，v是車體垂直振動(dòng)的速度。在開(kāi)棚控制的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步發(fā)展出了開(kāi)關(guān)阻尼器的理念，原理在于根據(jù)控制信號(hào)對(duì)阻尼器的軟硬進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)阻尼力大小的目的，也能獲得非常好的效果。

2.2 自適應(yīng)控制

汽車在行駛過(guò)程中路面的情況是不可知的，因此就有了針對(duì)不確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制，自適應(yīng)控制會(huì)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)然后對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以保證系統(tǒng)的運(yùn)行性能始終處在最優(yōu)的狀態(tài)。目前應(yīng)用在汽車懸架的振動(dòng)控制自適應(yīng)方法主要包括自校正控制和模型參考兩種思路。自動(dòng)校正控制將會(huì)接收受控制對(duì)象的運(yùn)行參數(shù)、控制器的參數(shù)，并確定對(duì)懸架系統(tǒng)的控制方法。原理上，自適應(yīng)控制會(huì)接受外部的激勵(lì)和自身參數(shù)狀態(tài)，使用理想模型對(duì)汽車的振動(dòng)進(jìn)行跟蹤，目前自適應(yīng)控制汽車懸架已經(jīng)在大眾汽車公司的底盤上得到了應(yīng)用。

2.3 模糊控制

模糊控制使用模糊數(shù)學(xué)確定對(duì)懸架的控制策略，使用這種方法的特點(diǎn)在于并沒(méi)有極為精確的數(shù)學(xué)模型，可以使用語(yǔ)言變量來(lái)代替數(shù)字變量，并且在控制的過(guò)程中會(huì)利用大量的控制經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)，利用計(jì)算機(jī)模擬和人相似的行為。模糊控制的模式下，通過(guò)輸入汽車的加速度和車身與車輪的相對(duì)速度，就能夠計(jì)算出動(dòng)力裝置所產(chǎn)生的作用力。在使用模糊控制模式時(shí)，必須要使用自然語(yǔ)言的形式進(jìn)行描述，而不是直接數(shù)值輸出，對(duì)于汽車運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，也要進(jìn)行模糊化的處理。相對(duì)于自適應(yīng)控制，模糊控制能對(duì)控制進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，所以具有較強(qiáng)的魯棒性，能避免控制達(dá)到一定范圍之后效果變差，讓模糊控制系統(tǒng)即便在有很強(qiáng)路面激勵(lì)干擾的情況下，依然可以保持較好的控制效果。

模糊控制方法在20世紀(jì)90年代就已經(jīng)被應(yīng)用到了汽車懸架系統(tǒng)中，通過(guò)模糊推理獲得主動(dòng)控制的規(guī)則，然后利用計(jì)算機(jī)分析就能夠控制車身的垂直振動(dòng)，具有較強(qiáng)的有效性。

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法已經(jīng)大量使用在很多不同行業(yè)中，懸架系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制利用了分布式系統(tǒng)，使其能夠抽象模擬生物的神經(jīng)元，處理廣泛的非線性數(shù)據(jù)，能夠滿足系統(tǒng)的控制要求。并且，系統(tǒng)的知識(shí)獲得能力比較快，有良好的自適應(yīng)性、容錯(cuò)性，具有極大的推廣意義，在汽車懸架振動(dòng)控制中有很大的應(yīng)用前景。

3 汽車主動(dòng)懸架研究展望

汽車懸架的控制一直是汽車研發(fā)的關(guān)鍵課題，對(duì)于汽車的安全、舒適、節(jié)能、智能控制等都起著關(guān)鍵性的作用，在電動(dòng)汽車大力發(fā)展的背景下，電動(dòng)汽車的主動(dòng)懸架研究也成為關(guān)鍵的課題^[3]。目前，懸架系統(tǒng)的研究幾乎涉及到所有現(xiàn)代控制理論和控制方法，產(chǎn)生了很多不同的控制方式。各種控制方法由于其原理都有一定的缺陷，再加上汽車懸架系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，純粹使用單一系統(tǒng)難以滿足控制的需要，所以目前需要加強(qiáng)綜合控制的研究，滿足多種工作環(huán)境的需求。

另一方面，汽車懸架系統(tǒng)的控制需要利用傳感器的信號(hào)，所以高性能的傳感器也是未來(lái)的研究重點(diǎn)。目前傳感器在耐久性和穩(wěn)定性上依然存在不足，因此需要進(jìn)一步深入研究。為得到控制振動(dòng)的最好效果，也需要將車身設(shè)計(jì)加入到減振研究當(dāng)中，利用合理的設(shè)計(jì)有效抑制車身在行駛過(guò)程中的起伏，才能創(chuàng)造最舒適的駕駛環(huán)境。

4 結(jié)束語(yǔ)：

懸架是汽車的關(guān)鍵部分，目前對(duì)于懸架系統(tǒng)的研究正在朝著合理化、控制理論復(fù)雜化的方向發(fā)展。為應(yīng)對(duì)不同的路面，需要在未來(lái)的開(kāi)發(fā)中繼續(xù)進(jìn)行綜合控制的研發(fā)，不斷加強(qiáng)研究和實(shí)踐，夯實(shí)懸架主動(dòng)控制理論基礎(chǔ)，推動(dòng)主動(dòng)懸架在汽車上應(yīng)用，創(chuàng)造良好的駕駛體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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