郭勇， 張子健

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 長(zhǎng)沙 410083； 2.山河智能股份裝備有限公司， 長(zhǎng)沙 410100)

車輛在不平路面行駛時(shí)，由于路面起伏變化會(huì)使車身產(chǎn)生一定的振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)過大時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致車輛的零部件磨損嚴(yán)重，車身轉(zhuǎn)向時(shí)發(fā)生側(cè)翻以及嚴(yán)重車輛的行駛平順性等問題。

平順性是指車輛在一般行駛速度范圍內(nèi)行駛時(shí)，能保證乘員不會(huì)因車身振動(dòng)而引起不舒服和疲勞的感覺，以及保持所運(yùn)貨物完整無損的性能[1]。一般平順性的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括：車身加速度、車輛動(dòng)載荷和懸架動(dòng)撓度。對(duì)于具有高速重載底盤的工程車輛來說，這類車輛行駛的路面復(fù)雜多變，且載重量大，重心位置較高，行駛時(shí)的平順性會(huì)很差，這極大地限制了高速重載車輛的運(yùn)輸效率，也嚴(yán)重影響了駕駛員的乘適性。懸架系統(tǒng)改善車輛行駛平順性的重要部件，其性能直接影響車輛的行駛平順性和操縱性能。油氣懸架尤其適用于載重量超過35 t的重型車輛，雖然采用油氣懸架后能夠有效地改善重型車輛行駛的平順性，但傳統(tǒng)的被動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)無法根據(jù)車輛的狀態(tài)和路面情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)懸架參數(shù)，無法始終保持良好的平順性。為了使車輛適應(yīng)不同的路面狀況，就需要將主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)應(yīng)用于高速重載車輛底盤上，以此來實(shí)時(shí)對(duì)車輛的懸架系統(tǒng)性能進(jìn)行調(diào)節(jié)。主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)是在被動(dòng)油氣懸架的基礎(chǔ)上增設(shè)了一個(gè)可控作用力的裝置，該裝置通常包括能源系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、中央控制系統(tǒng)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)。主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)可以根據(jù)車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及路況信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整油氣懸架的系統(tǒng)性能，使車輛在不同狀態(tài)及路況下行駛都能很好地緩和地面的沖擊。

基于此，主要針對(duì)高速重載底盤車輛的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)平順性控制研究進(jìn)行綜述，對(duì)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)的性能特點(diǎn)以及中外研究現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)與回顧，并對(duì)主動(dòng)油氣懸架未來可能的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述。

1 主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)工作原理及特點(diǎn)

1.1 主動(dòng)油氣懸架工作原理

車輛在不平路面下行駛時(shí)，由于路面激勵(lì)引起車輛的振動(dòng)，油氣彈簧的活塞作上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，液壓油流經(jīng)節(jié)流孔來產(chǎn)生節(jié)流阻尼力，節(jié)流阻尼力的大小取決于節(jié)流孔的節(jié)流面積，通過對(duì)節(jié)流孔的孔徑大小進(jìn)行改變可以實(shí)現(xiàn)對(duì)懸架阻尼的無級(jí)調(diào)節(jié)，同時(shí)氣室中的惰性氣體壓力也隨著運(yùn)動(dòng)位移而變化產(chǎn)生彈力，此時(shí)主要依靠節(jié)流阻尼力和氣室彈力來衰減車身的振動(dòng)。油氣懸架系統(tǒng)的剛度大小取決于蓄能器的性能參數(shù)，而懸架阻尼大小取決于節(jié)流孔大小、單向閥結(jié)構(gòu)等因素[2]。

高速重載底盤車輛的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)中包含的元件主要包括蓄能器、阻尼閥、液壓缸、電磁閥、傳感器和中央控制單元。主動(dòng)油氣懸架按照是否包含外部動(dòng)力源可以分為全主動(dòng)油氣懸架和半主動(dòng)油氣懸架兩大類。全主動(dòng)油氣懸架需要外加動(dòng)力元件如液壓泵，實(shí)現(xiàn)將油液從油箱流經(jīng)電磁閥壓入液壓缸，實(shí)現(xiàn)油氣懸架輸出力的調(diào)節(jié)。半主動(dòng)油氣懸架無需主動(dòng)輸入能量，只需根據(jù)車輛的行駛工況要求調(diào)節(jié)油氣懸架的阻尼和剛度來改變懸架的特性。

圖1[3]為阻尼可調(diào)的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)原理圖，中央控制單元(electronic control unit，ECU)采集傳感器的位移、速度以及加速度信息進(jìn)行處理，來調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥口的大小，進(jìn)而調(diào)節(jié)節(jié)流阻尼力。

kt為輪胎剛度；Mb為簧下質(zhì)量；Ms為簧上質(zhì)量；p1為油路中的油壓；qv為進(jìn)入液壓缸的流量圖1 阻尼可調(diào)的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)[3]Fig.1 Adjustable damping semi-active hydro-pneumatic suspension system[3]

圖2[4]為剛度可調(diào)的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)原理圖，這種結(jié)構(gòu)的半主動(dòng)油氣懸架采用了主副兩個(gè)蓄能器，中央控制單元ECU采集各類傳感器信息進(jìn)行處理來控制開關(guān)閥的開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)將副蓄能器接入系統(tǒng)或切斷，從而實(shí)現(xiàn)油氣懸架的剛度可調(diào)，來改變氣室彈性力。

圖2 剛度可調(diào)的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)圖[4]Fig.2 Semi-active hydro-pneumatic suspension system with adjustable stiffness[4]

i為電流圖3 全主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)[5]Fig.3 Fully active hydro-pneumatic suspension system[5]

圖3[5]為全主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)模型圖，主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)在被動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了電液伺服閥、油泵以及外部液壓源。當(dāng)車輛行駛在不同路況下時(shí)，通過在車輛上安裝的傳感器將車輛的車身加速度、懸架動(dòng)行程、液壓油壓力等信號(hào)反饋給中央控制單元，通過計(jì)算實(shí)際的狀態(tài)偏離目標(biāo)狀態(tài)的偏差值來調(diào)節(jié)電磁伺服閥的開度，將液壓油壓入液壓缸，進(jìn)而調(diào)節(jié)液壓缸的油液壓力，使油氣懸架的性能在不同路況下都能保持一個(gè)相對(duì)最優(yōu)的狀態(tài)。

1.2 主動(dòng)油氣懸架特點(diǎn)

主動(dòng)油氣懸架在維持被動(dòng)油氣懸架已有特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對(duì)車輛行駛時(shí)的性能具有更進(jìn)一步的改善，其特點(diǎn)如下。

(1)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)：①具有車身姿態(tài)調(diào)節(jié)功能。當(dāng)車輛進(jìn)行加減速和急轉(zhuǎn)向時(shí)，對(duì)車身的姿態(tài)進(jìn)行控制，主要包括車輛的側(cè)傾控制和俯仰控制；②具有懸架參數(shù)實(shí)時(shí)控制功能。主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)車速變化以及路面變化實(shí)時(shí)改變懸架的剛度和阻尼，提高車輛的適應(yīng)性和行駛性能；③車身高度控制功能。通過傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)車速與路面信息，在高、中、低速下進(jìn)行車速高度的模式切換，使車輛維持穩(wěn)定行駛狀態(tài)；④車身自動(dòng)調(diào)平功能。由于負(fù)載增加而使車身高度降低，此時(shí)通過主動(dòng)控制液壓油從油箱泵入高壓蓄能器，由此來調(diào)節(jié)液壓缸的高度，進(jìn)而調(diào)平車身，使其恢復(fù)到初始高度。

(2)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)缺點(diǎn)：①主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜，對(duì)于硬件的要求較高、成本大；②主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)需要單獨(dú)的動(dòng)力源，能耗很大。

2 主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)平順性控制發(fā)展現(xiàn)狀

中外學(xué)者對(duì)于主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)的研究主要集中在：一是對(duì)主動(dòng)油氣懸架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化和創(chuàng)新；二是對(duì)主動(dòng)油氣懸架控制策略的研究，尋求更優(yōu)的算法來對(duì)油氣懸架進(jìn)行控制。

主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)對(duì)高速重載車輛的平順性進(jìn)行改善主要是通過對(duì)油氣懸架的剛度與阻尼進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，或直接控制液壓缸的油液壓力來降低車身的振動(dòng)。根據(jù)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行平順性控制的控制方式將其分為三類：剛度可調(diào)的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)，阻尼可調(diào)的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)和全主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)。

2.1 剛度可控的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)

油氣懸架系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)剛度控制主要依靠?jī)煞N方式，一是使用儲(chǔ)氣式彈性元件，通過切換不同儲(chǔ)氣壓力的氣室來調(diào)節(jié)油氣懸架的剛度。二是通過安裝多個(gè)充氣壓力不同的蓄能器，通過接通和斷開不同數(shù)量的蓄能器來實(shí)現(xiàn)懸架剛度的分級(jí)調(diào)節(jié)。

Hrovat[6]于1976年首次提出可以通過改變彈簧剛度的半主動(dòng)懸架系統(tǒng)來達(dá)到減振的目的。對(duì)于實(shí)現(xiàn)油氣懸架的剛度控制，主要是利用雙氣室或者多氣室實(shí)現(xiàn)，利用氣室容積的變化改變懸架剛度。1993—2000年，法國(guó)雪鐵龍公司研制出的第二代、第三代主動(dòng)油氣懸架可以通過接通或切斷中間蓄能器來控制懸架系統(tǒng)的剛度，進(jìn)而提高車輛的平順性。Deo等[7]基于空氣懸架提出通過開關(guān)閥的通斷來控制接入空氣懸架的輔助氣囊數(shù)量，以此來改變空氣彈簧的有效容積，從而改變懸架的剛度。

為了解決油氣彈簧的剛度無法調(diào)節(jié)的問題，吳志成等[8]設(shè)計(jì)了一種可控剛度的油氣彈簧裝置，其系統(tǒng)原理簡(jiǎn)圖如圖4[8]所示，該裝置通過中央控制單元ECU控制開關(guān)閥的開關(guān)來實(shí)現(xiàn)副儲(chǔ)氣室與工作油缸間的通斷，以此來改變儲(chǔ)氣室的總體積，進(jìn)而改變油氣彈簧的剛度。王剛等[9]提出了一種雙油室剛度可調(diào)節(jié)的油氣彈簧，該裝置可根據(jù)車輛的載重情況調(diào)節(jié)油嘴注入或排出油液的體積，來調(diào)節(jié)油氣彈簧的剛度。劉金強(qiáng)等[10]對(duì)懸掛缸傾斜安裝的連通式油氣懸架的剛度特性進(jìn)行了研究，通過改變懸掛缸的安裝角度來研究油氣懸架的剛度特性變化，經(jīng)過仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著懸掛缸傾斜角的增大，連通式油氣懸架的側(cè)傾剛度會(huì)降低，而垂向剛度會(huì)增加。

圖4 可控剛度油氣彈簧原理簡(jiǎn)圖[8] Fig.4 Fully active hydro-pneumatic suspension system[8]

2.2 阻尼可控的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)

阻尼可控的半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)主要是根據(jù)車輛狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)阻尼閥的閥口通流面積來控制阻尼力大小，以此來提高車輛的平順性。由于實(shí)現(xiàn)剛度控制需要的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，而且剛度調(diào)節(jié)需要消耗大量的能量，比實(shí)現(xiàn)阻尼可控更加困難，成本更高，故目前大部分研究集中于對(duì)阻尼的控制，阻尼控制技術(shù)的應(yīng)用也相對(duì)更加成熟。根據(jù)調(diào)節(jié)節(jié)流口面積的方式不同，可以將油氣懸架阻尼控制的方法分為以下幾類：

2.2.1 機(jī)械式阻尼調(diào)節(jié)

機(jī)械式阻尼控制不依賴于任何傳感器或電子控制單元，完全依靠系統(tǒng)自身狀態(tài)，通過巧妙地設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)，達(dá)到阻尼按照期望規(guī)律變化的目的[11]。

2000年，德國(guó)的ZF薩克斯公司研究出一種氣調(diào)可變阻尼系統(tǒng)，該系統(tǒng)將空氣懸架的氣囊中的壓力作為控制信號(hào)，通過機(jī)械裝置控制阻尼閥來實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)控阻尼力，該系統(tǒng)無需依靠電子控制元件即可實(shí)現(xiàn)懸架的阻尼隨氣壓的變化而變化。由于阻尼閥內(nèi)置會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的散熱問題，因此阻尼閥一般都是采用外置安裝方式，以改善散熱的情況。陳思忠等[12]發(fā)明了一種油氣懸架外置機(jī)械感應(yīng)式可調(diào)阻尼閥，該可調(diào)阻尼閥通過油氣懸架油缸的壓縮和伸張使油液推動(dòng)浮動(dòng)閥閥體滑動(dòng)來調(diào)節(jié)阻尼力，該機(jī)械式可調(diào)阻尼閥無需使用任何電子控制元件即可根據(jù)路況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)阻尼，且成本低，可靠性高。趙景波等[13]提出了一種車身高度可調(diào)與阻尼可調(diào)的集成控制主動(dòng)懸架系統(tǒng)，利用阻尼分級(jí)可調(diào)的減振器來實(shí)現(xiàn)阻尼模式切換，解決了阻尼可調(diào)范圍有限的問題。

機(jī)械式阻尼控制方式的成本最低，可靠性高，能夠滿足多種路況和車況下車輛對(duì)懸架性能的要求，但是受到機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不能滿足所有工況下的懸架性能要求，具有一定的局限性。

2.2.2 電子控制阻尼調(diào)節(jié)

電子控制實(shí)現(xiàn)阻尼調(diào)節(jié)主要是通過中央控制單元接收傳感器采集的路面信息和車身信息，經(jīng)過計(jì)算得出理想阻尼值后通過驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)來改變阻尼孔的節(jié)流閥的閥口面積。楊杰等[14]研究出一種外置電磁閥式三級(jí)阻尼可調(diào)油氣懸架，該裝置可以通過電磁閥的通電和斷電來改變油液的總節(jié)流面積，或者控制開閥壓力來調(diào)節(jié)阻尼力。王勛[15]設(shè)計(jì)了一種電控旋轉(zhuǎn)滑閥，該閥能夠通過調(diào)節(jié)節(jié)流面積來對(duì)懸架的阻尼等級(jí)進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了解決礦車在不同路面下行駛時(shí)的振動(dòng)問題，王建明等[16]發(fā)明了一種礦車的油氣懸架阻尼控制方法。該方法事先建立了模擬工況下的阻尼孔徑值數(shù)據(jù)庫，在實(shí)際工況下，通過中央處理器處理傳感器檢測(cè)到的實(shí)際路面情況，與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對(duì)后，選擇并切換成對(duì)應(yīng)的阻尼孔徑，以此來適應(yīng)礦車行駛的不同路面，提高礦車的行駛平順性。陳龍等[17]提出了一種基于阻尼多模式切換減振器的方法來實(shí)現(xiàn)半主動(dòng)懸架的阻尼控制，該方法通過控制兩個(gè)電磁閥的開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)4種阻尼工作模式的切換。圖5為該型減振器的結(jié)構(gòu)原理圖[17]。

1為氣室；2為浮動(dòng)活塞；3為壓縮腔；4為液壓閥；5為開關(guān)電磁閥；6為復(fù)原閥；7為活塞；8為壓縮閥；9為活塞桿；10為復(fù)原腔；a、b、c、d為4個(gè)單向止回閥；s1、s2為兩個(gè)開關(guān)電磁閥圖5 多模式減振器結(jié)構(gòu)原理圖[17]Fig.5 Multi-mode shock absorber structure schematic diagram [17]

圖6 雪鐵龍公司第一代主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)原理圖[18]Fig.6 Schematic diagram of Citroen’s first generation active hydro-pneumatic suspension system[18]

2.3 主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)

雪鐵龍公司是最早開始對(duì)油氣懸架進(jìn)行主動(dòng)控制進(jìn)行研究的。1989年，雪鐵龍公司研制出了第一代主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖6[18]所示，該系統(tǒng)相比于被動(dòng)油氣懸架，在其左右兩側(cè)的油氣彈簧之間增設(shè)了一個(gè)懸架控制模塊，同時(shí)在前后懸架的液壓油路增加了一個(gè)電磁閥，通過控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)油液與油氣缸的連通與切斷，由此改變懸架的“軟”“硬”狀態(tài)。

1989年，豐田Ceilica車型上裝置了真正意義上的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)[19]。在高速重載車輛的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)平順性控制方面，研究對(duì)象主要包括重型礦用車輛以及一些軍用型高速越野車輛。如美國(guó)Hummer“蜂鳥”輪式車輛、英國(guó)“蝎式”輕型坦克上均安裝了主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)，經(jīng)過實(shí)地實(shí)驗(yàn)表明，在崎嶇地形路面上行駛的高速重載車輛能夠承受來自地面的強(qiáng)烈沖擊，極大提升了車輛的行駛平順性。

mu為非懸掛質(zhì)量；ms為懸掛質(zhì)量；xr為路面輸入的位移；xu為非懸掛質(zhì)量的位移；xs為懸掛質(zhì)量的位移；Bs為阻尼系數(shù)；Kt為輪胎剛度；Ac為無桿腔有效面積；pa為油氣彈簧氣室壓力；R2為油液的液阻；ps1和ps2為恒壓源壓力；pz為油腔壓力圖7 泵驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)原理圖[22]Fig.7 Schematic diagram of pump-driven active hydro-pneumatic suspension system[22]

對(duì)于油氣懸架的主動(dòng)控制策略進(jìn)行應(yīng)用與優(yōu)化也是改善車輛平順性的熱點(diǎn)。 El-Demerdash[20]對(duì)油氣懸架的線性最優(yōu)控制策略進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)出一種有限帶寬主動(dòng)油氣懸架控制器，能夠有效降低車身的振動(dòng)加速度，但是建立的模型中沒有考慮油氣懸架的非線性特性，具有一定的局限性。為了改善重型車輛在不同路面下行駛時(shí)的平順性以及適應(yīng)路面的能力，樂文超等[21]對(duì)某重型車輛的油氣懸架控制方法進(jìn)行研究，采用模糊比例積分微分(proportion integration differentiation，PID)控制算法對(duì)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)中的電液伺服閥進(jìn)行控制，通過控制閥口的開度來調(diào)節(jié)懸架輸出力的大小，仿真結(jié)果表明，基于Fuzzy-PID控制的主動(dòng)油氣懸架使得車輛的加速度均方根值下降了約19%。由于主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)獲取車身以及路面的信息需要依靠傳感器，有些車身參數(shù)可能無法直接從傳感器上獲得，并且精度和可靠性受傳感器的影響。對(duì)此，霍東東[22]對(duì)泵驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)原理圖如圖7[22]所示，從系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模、主動(dòng)控制算法以及狀態(tài)觀測(cè)算法3個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行研究，基于狀態(tài)觀測(cè)器的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)取消了對(duì)傳感器的依賴，并進(jìn)一步提高了主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)對(duì)路面的適應(yīng)能力，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

除了對(duì)油氣懸架的剛度和阻尼進(jìn)行主動(dòng)調(diào)節(jié)來提高車輛的平順性，還可以通過調(diào)平車身在行駛過程中的姿態(tài)以及調(diào)節(jié)車身的高度來間接改善平順性。Serrier等[23]對(duì)裝備油氣懸架的車輛進(jìn)行主動(dòng)側(cè)傾控制裝置研究，該裝置基于層次控制策略，使用了一個(gè)監(jiān)督器、一個(gè)前饋回路和一個(gè)反饋回路，且采用非整數(shù)階魯棒控制器(commande robusted’order non entire，CRONE)來合成魯棒控制器，由于該裝置取消了防傾桿，在有效抑制車輛側(cè)傾的同時(shí)也提高了車輛行駛時(shí)的平順性?？職g歡[24]針對(duì)大型重載車輛的主動(dòng)油氣懸架姿態(tài)控制進(jìn)行研究，采用結(jié)合PID控制和滑?？刂扑惴ǖ碾p閉環(huán)控制策略對(duì)車身的姿態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車身高度和姿態(tài)快速、平穩(wěn)的調(diào)節(jié)，有效降低了車輛在轉(zhuǎn)向時(shí)的側(cè)傾角度，也進(jìn)一步提高了車輛行駛的平順性。劉爽等[25]對(duì)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)的電液伺服系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了一種自適應(yīng)滑模控制來對(duì)懸架系統(tǒng)的剛度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

相比于半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)，全主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)對(duì)路面的適應(yīng)能力更強(qiáng)，平順性改善能力也更好，但是其實(shí)現(xiàn)需要加入外部動(dòng)力元件，耗能大，成本更高，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。被動(dòng)油氣懸架、半主動(dòng)阻尼可控油氣懸架、半主動(dòng)剛度可控油氣懸架、主動(dòng)油氣懸架的性能對(duì)比如表1所示。

表1 油氣懸架性能對(duì)比Table 1 Performance comparison of hydro-pneumatic suspension

3 油氣懸架主動(dòng)控制策略

主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)控制性能的好壞很大程度上取決于控制器的控制效果，不同控制策略會(huì)對(duì)油氣懸架的性能有不同程度的改善。目前，對(duì)于油氣懸架系統(tǒng)的主動(dòng)控制策略理論較多，其中應(yīng)用廣泛的幾種控制策略主要包括天棚控制[26]，模糊控制[27-29]、線性最優(yōu)控制[30-32]、PID控制[33-34]、預(yù)瞄控制[35-36]及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[37]等。

Karnopp等[38]于1974年首次提出了天棚控制策略。天棚阻尼控制是一種基于懸架速度的負(fù)反饋?zhàn)顑?yōu)控制方法，具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低、阻尼切換速度快等特點(diǎn)，并且具有一定的魯棒性。Dugard等[39]提出了一種改進(jìn)的線性天棚控制策略，該方法能夠基于車身的振動(dòng)速度對(duì)阻尼進(jìn)行線性調(diào)節(jié)。雖然天棚控制算法能夠有效地提高車輛的平順性，抑制車身的側(cè)傾和俯仰運(yùn)動(dòng)，但也存在一定的缺點(diǎn)。天棚控制算法只是對(duì)簧載質(zhì)量作用阻尼力，而非簧載質(zhì)量則不提供阻尼力，因此天棚控制會(huì)增大動(dòng)載荷[40]。針對(duì)此缺點(diǎn)，Shik等[41]和Mehdi等[42]對(duì)天棚控制算法進(jìn)行了改進(jìn)。張磊等[43]設(shè)計(jì)了一種阻尼可調(diào)的天棚阻尼控制器，該控制器能夠有效抑制車體的垂向速度，進(jìn)而間接的抑制垂向加速度，提高平順性。周創(chuàng)輝等[44]提出了一種改進(jìn)型天棚阻尼控制算法來對(duì)饋能式半主動(dòng)懸架進(jìn)行控制，計(jì)算結(jié)果表明，該改進(jìn)型天棚阻尼算法相比于傳統(tǒng)型天棚阻尼算法改善效果更明顯，且有效地提升了懸架的饋能功率。王小龍等[45]提出了一種天棚阻尼控制方法，該方法基于阻尼力進(jìn)行閉環(huán)控制，通過獲取車身振動(dòng)速度得到期望阻尼力。

模糊控制是一種基于規(guī)則的并且可以用模糊語言來表達(dá)的算法，可以允許被控對(duì)象沒有精確的數(shù)學(xué)模型，具有很強(qiáng)的魯棒性[46]。模糊控制適用于模型復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，適合對(duì)非線性懸架系統(tǒng)進(jìn)行控制，且控制精度較高。由于油氣懸架的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜且具有非線性特性，故模糊控制策略也很適用于油氣懸架。很多的研究學(xué)者對(duì)于油氣懸架的模糊控制研究都選擇車輛的振動(dòng)加速度作為控制目標(biāo)，但是由于加速度的論域變化范圍大，模糊控制中選取的一組量化因子只能得到針對(duì)某種特定路面情況或車速情況較好的控制效果，當(dāng)路況或車身發(fā)生變化時(shí)，控制效果會(huì)變差，因此量化因子不能固定的選取為一組。Zhang等[47]采用模糊控制來解決車輛的懸架系統(tǒng)中存在的不確定性問題，使得車輛在保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的同時(shí)還能提高車輛的行駛平順性，圖8[47]為一種基于模糊控制的車輛1/4懸架系統(tǒng)模型。

zr為路面輸入位移；zu為非懸掛質(zhì)量的位移；zs為懸掛質(zhì)量的位移；ks為懸掛剛度；cs為懸掛阻尼；kt為輪胎剛度；ct為輪胎阻尼；u控制力；t為時(shí)間圖8 一種基于模糊控制的車輛1/4懸架系統(tǒng)[47]Fig.8 A vehicle 1/4 suspension system based on fuzzy control[47]

姚行艷[48]基于自適應(yīng)模糊控制設(shè)計(jì)了一種半主動(dòng)懸架容錯(cuò)控制器，該控制器能夠?qū)囕v運(yùn)行中出現(xiàn)的懸架阻尼器增益故障進(jìn)行診斷，能夠更好地改善車輛的行駛平順性。劉曉昂等[49]將模糊控制與PID控制結(jié)合來進(jìn)行半主動(dòng)懸架控制，解決了單一PID控制參數(shù)固定的問題，并且對(duì)于車輛的穩(wěn)定性改善效果明顯提升。

線性最優(yōu)控制是建立在系統(tǒng)較為理想的模型基礎(chǔ)上，采用受控對(duì)象的狀態(tài)響應(yīng)與控制輸入的加權(quán)二次型作為性能指標(biāo)，同時(shí)保證受控結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性條件下實(shí)現(xiàn)最優(yōu)控制[50]。線性最優(yōu)控制可以同時(shí)考慮多個(gè)變量對(duì)系統(tǒng)的影響，因此適用于需要對(duì)懸架進(jìn)行多目標(biāo)控制的情況。鄭帥等[51]、朱龍英等[52]均對(duì)具有非線性特性的半主動(dòng)油氣懸架進(jìn)行線性化建模處理，利用線性最優(yōu)控制算法改善了車輛的平順性和操縱性。由于油氣懸架具有非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)，所以實(shí)際的系統(tǒng)會(huì)偏離理論模型，此時(shí)線性最優(yōu)控制難以達(dá)到預(yù)期的控制效果。黃興惠等[53]為了研究存在系統(tǒng)模型誤差以及不確定擾動(dòng)下系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)利用線性最優(yōu)控的懸架系統(tǒng)進(jìn)行魯棒性分析，并提出使用回路傳輸方法可以恢復(fù)線性二次調(diào)節(jié)器(linear quadratic regulator,LQR)控制算法的魯棒穩(wěn)定性。趙強(qiáng)等[54]為了解決懸架系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)難以測(cè)量的問題，基于最優(yōu)控制方法建立了全維觀測(cè)器以及狀態(tài)反饋系統(tǒng)，該方法能夠有效測(cè)量狀態(tài)量，使得懸架模型更加準(zhǔn)確穩(wěn)定。黃英博等[55]提出了一種基于參數(shù)估計(jì)誤差信息的自適應(yīng)最優(yōu)控制方法，并且引入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)最優(yōu)性能指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，仿真結(jié)果表明，該方法能夠有效提升懸架系統(tǒng)的綜合性能。

PID控制具有控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)性好，易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，在工程領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[56]。PID控制的優(yōu)點(diǎn)在于控制精度較高，而且魯棒性好，但是缺點(diǎn)在于自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力差，對(duì)于復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制能力弱。毛強(qiáng)[57]將車身垂直加速度的誤差值作為控制器的輸入，設(shè)計(jì)了負(fù)反饋PID控制模型，仿真結(jié)果表明PID控制對(duì)車身的加速度具有明顯的抑制作用。但是由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，PID控制的調(diào)節(jié)參數(shù)無法修改，導(dǎo)致車輛系統(tǒng)在外界干擾或自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變的情況下，控制效果會(huì)變差，因此應(yīng)用于油氣懸架的主動(dòng)控制時(shí)，會(huì)將PID控制和其他的智能算法相結(jié)合來使用，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、線性控制等控制算法相結(jié)合，以此來提高PID控制的控制效果。李小偉等[58]為了解決重型底盤車輛在受到垂向干擾后難以快速恢復(fù)車身平穩(wěn)狀態(tài)以及車身姿態(tài)穩(wěn)定的問題，將反饋線性化控制理論與PID控制結(jié)合，極大提高了重型底盤車輛在特殊工況下的穩(wěn)定行駛性能。朱玉剛等[59]將單一PID控制和Fuzzy-PID控制進(jìn)行對(duì)比仿真，仿真結(jié)果表明，單一PID控制和Fuzzy-PID控制均對(duì)懸架性能有明顯改善，且相比于單一PID控制，F(xiàn)uzzy-PID控制的自適應(yīng)能力更好，更加適合于非線性、多時(shí)變的被控系統(tǒng)。

預(yù)瞄控制能夠根據(jù)車輛當(dāng)前的行駛狀態(tài)和前方路面干擾等因素來提前調(diào)節(jié)被控懸架[60]。預(yù)瞄控制可以分為軸間預(yù)瞄和軸前預(yù)瞄。其中軸間預(yù)瞄控制的原理主要是將前輪懸架受到的激勵(lì)作為輸入，來預(yù)瞄后輪懸架。軸間預(yù)瞄的原理是依靠雙目相機(jī)或者其他傳感器來預(yù)先獲取前方道路信息，將道路信息作為輸入量，來預(yù)瞄前后懸架。由于軸前預(yù)瞄是依靠前輪懸架被動(dòng)受到的激勵(lì)來調(diào)節(jié)后輪懸架，因此該方法適用于低速車況下。而軸前預(yù)瞄的控制效果主要依賴于傳感器獲取路面信息的精度以及實(shí)時(shí)計(jì)算能力，因此應(yīng)用范圍更為廣泛。陳兵等[61]對(duì)軍用車輛的懸架預(yù)瞄控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了研究，并提出實(shí)現(xiàn)懸架預(yù)瞄控制的關(guān)鍵技術(shù)包括傳感器技術(shù)，路面辨識(shí)算法以及高性能的微處理器，圖9[61]為一種前軸預(yù)瞄控制懸掛系統(tǒng)原理圖。

很多研究學(xué)者針對(duì)主動(dòng)懸架預(yù)瞄控制開展了研究[62-63]。但是僅考慮車輛的前后輪時(shí)間上的滯后，尚未考慮控制器的控制時(shí)滯，因此會(huì)影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。宋剛等[64]對(duì)車輛主動(dòng)懸架的隨機(jī)預(yù)瞄控制進(jìn)行研究，并考慮了控制器的控制時(shí)滯問題。王剛[65]提出了一種基于視覺預(yù)瞄的方法對(duì)半主動(dòng)懸架的阻尼力進(jìn)行控制，將采集到的圖像數(shù)據(jù)與加速度傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后輸入到控制器中，控制效果優(yōu)于自適應(yīng)阻尼控制策略，減小了懸架控制器的時(shí)滯效應(yīng)。秦東晨等[66]采用機(jī)器視覺處理的方法提出了一種完全預(yù)瞄懸架控制系統(tǒng)，基于OpenCV檢測(cè)典型路面，對(duì)路面進(jìn)行識(shí)別、跟蹤及測(cè)距，再結(jié)合車輛狀態(tài)信息進(jìn)行懸架控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該懸架預(yù)瞄控制系統(tǒng)能使車輛在不同車速下的懸架性能均有所提升，且車速越高改善效果越好，同時(shí)解決了懸架系統(tǒng)的控制時(shí)延問題。

圖9 前軸的預(yù)瞄控制懸掛系統(tǒng)原理圖[61]Fig.9 Schematic diagram of front axle preview control suspension system[61]

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的能力，能夠逼近任意非線性函數(shù)。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是解決非線性、不確定系統(tǒng)問題的一條新思路[67-68]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)使得它能夠適用于多種工況下的懸架控制，但缺點(diǎn)在于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的收斂速度較慢。Moran等[69]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于辨識(shí)非線性車輛的動(dòng)態(tài)特性，通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識(shí)別前方的干擾路面，改善懸架響應(yīng)性能。Sharp等[70]將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法用于主動(dòng)懸架中，通過建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不斷的實(shí)驗(yàn)和修改參數(shù)來使主動(dòng)懸架系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，因此經(jīng)常會(huì)和其他算法相結(jié)合使用來改進(jìn)其他算法的缺點(diǎn)。孫齊超[71]為了保證起重機(jī)在不同路面情況下的平順性能都較好，使用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，使PID控制具有自主調(diào)節(jié)能力。Zhang等[72]提出了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)曲面控制策略來控制懸架，該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基函數(shù)性質(zhì)對(duì)懸架系統(tǒng)中的未知函數(shù)進(jìn)行逼近，采用動(dòng)態(tài)曲面控制降低了控制器的復(fù)雜度，仿真結(jié)果表明，該控制策略具有優(yōu)越的控制效果。李雅琦等[73]、申愛民等[74]將徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用到車輛懸架控制中，利用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的逼近能力和自學(xué)習(xí)能力來調(diào)節(jié)懸架控制系統(tǒng)，進(jìn)而保證懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性和收斂性。除了上述的常用主動(dòng)油氣懸架控制策略，車輛的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)還有一些其他的控制策略，如自適應(yīng)控制[75-76]、滑?？刂芠77-78]以及魯棒控制[79-80]等。油氣懸架的主動(dòng)控制策略特點(diǎn)對(duì)比情況如表2所示。

表2 油氣懸架主動(dòng)控制策略特點(diǎn)對(duì)比Table 2 Comparison of active control strategy characteristics of hydro-pneumatic suspension

4 結(jié)論與展望

現(xiàn)階段，中外學(xué)者對(duì)于高速重載車輛的油氣懸架半主動(dòng)及主動(dòng)平順性控制研究主要是針對(duì)油氣懸架的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制策略改進(jìn)方面，經(jīng)過大量理論研究與實(shí)際應(yīng)用表明，半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)和主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)均能對(duì)高速重載車輛的平順性進(jìn)行有效改善，提高車輛對(duì)不同路面和車況的適應(yīng)能力，提高車輛穩(wěn)定性。目前由于半主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制效果好，能量耗散低等特點(diǎn)，其實(shí)際應(yīng)用多于主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)，但主動(dòng)油氣懸架控制的車輛的路況和車況的適應(yīng)性能更好，適應(yīng)范圍更廣。

主動(dòng)油氣懸架能夠動(dòng)態(tài)的調(diào)整懸架的系統(tǒng)性能，適應(yīng)不同路面和工況，能夠極大的改善車輛在不平路面行駛時(shí)的平順性，還能通過調(diào)整車身姿態(tài)及高度提高車輛的通過性與穩(wěn)定性。未來高速重載車輛的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)的研究發(fā)展方向主要包括以下3個(gè)方面。

(1)對(duì)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)上。由于目前的主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，占用空間大等問題，如何在保證主動(dòng)油氣懸架性能的前提下減小主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)的布置空間和簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)成為研究的重點(diǎn)。同時(shí)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)中不同液壓元件的結(jié)構(gòu)參數(shù)不同會(huì)對(duì)油氣懸架的剛度特性和阻尼特性有很大的影響，例如單向閥和阻尼孔的直徑變化會(huì)對(duì)油氣懸架阻尼特性產(chǎn)生很大的影響，因此如何對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化得到最優(yōu)值以改善懸架系統(tǒng)性能也十分重要。

(2)對(duì)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)上。目前比較成熟的控制算法包括模糊控制，線性最優(yōu)控制、PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、預(yù)瞄控制以及各種復(fù)合控制算法，單一的控制算法一般都會(huì)存在一定的局限性，不能兼顧油氣懸架的多方面性能，因此，對(duì)于控制策略的研究重點(diǎn)在于如何結(jié)合不同的控制算法來克服單一控制算法的局限性，以及結(jié)合各種控制策略的特點(diǎn)來進(jìn)一步優(yōu)化控制效果。所以對(duì)于油氣懸架進(jìn)行主動(dòng)控制時(shí)，為了取得更好的控制效果，選擇使用復(fù)合控制算法成為該方向的發(fā)展趨勢(shì)。例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制算法，在模糊控制的基礎(chǔ)上建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使得模糊控制具有自學(xué)習(xí)的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)模糊控制器的校正因子以及模糊規(guī)則的優(yōu)化，使得模糊控制系統(tǒng)具有在線學(xué)習(xí)的能力，該復(fù)合控制方法能夠更好的適應(yīng)多工況多路面下的復(fù)雜環(huán)境，提高車輛的綜合性能。

(3)對(duì)主動(dòng)油氣懸架系統(tǒng)控制目標(biāo)的選擇上。目前大部分對(duì)于懸架系統(tǒng)控制的研究存在控制目標(biāo)單一，懸架綜合性能控制效果不佳的問題，該方向的難點(diǎn)在于如何對(duì)懸架系統(tǒng)進(jìn)行多目標(biāo)控制來改善懸架系統(tǒng)的綜合性能，進(jìn)而提高車輛的綜合性能。如只對(duì)車身的振動(dòng)加速度進(jìn)行控制，或只對(duì)懸架動(dòng)撓度進(jìn)行控制，僅對(duì)單一目標(biāo)進(jìn)行控制在優(yōu)化了該目標(biāo)的同時(shí)可能會(huì)惡化其他的目標(biāo)的問題，后續(xù)的研究可以考慮使用主動(dòng)油氣懸架對(duì)車輛的多目標(biāo)進(jìn)行控制，例如對(duì)車身振動(dòng)加速度和懸架動(dòng)撓度進(jìn)行雙目標(biāo)控制，此外，可以考慮設(shè)計(jì)分層控制回路來實(shí)現(xiàn)對(duì)多控制目標(biāo)的控制，綜合多方面的因素來改善車輛的平順性。