汽車懸架系統(tǒng)的現(xiàn)代控制

汽車懸架系統(tǒng)的現(xiàn)代控制

0振動(dòng)主動(dòng)控制隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)和機(jī)械動(dòng)力學(xué)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的被動(dòng)振動(dòng)分離技術(shù)已發(fā)展為動(dòng)態(tài)振動(dòng)控制。特別是信息科學(xué)中對(duì)最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的研究,使懸架系統(tǒng)電子控制技術(shù)在現(xiàn)代控制理論指導(dǎo)下更趨完善,同時(shí)已開始應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的振動(dòng)控制,使電子控制懸架系統(tǒng)振動(dòng)控制技術(shù)得以快速發(fā)展。1速等控制懸架系統(tǒng)電子控制懸架系統(tǒng)能根據(jù)不同的路面狀況、載重量、車速等控制懸架系統(tǒng)的剛度和減振器的阻尼,也可以調(diào)節(jié)車身高度以提高車輛的通過性。根據(jù)有無動(dòng)力源,可以將電子控制懸架分為兩大類:半主動(dòng)懸架及主動(dòng)懸架。1.1半主動(dòng)懸架自適應(yīng)調(diào)整半主動(dòng)懸架可以根據(jù)路面的激勵(lì)和車身的響應(yīng)對(duì)懸架的阻尼系數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整,使車身的振動(dòng)被控制在某個(gè)范圍內(nèi)。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)無動(dòng)力源。因此,汽車在轉(zhuǎn)向、起步、制動(dòng)等工況時(shí)不能對(duì)剛度和阻尼進(jìn)行有效控制。1.2主動(dòng)懸架控制主動(dòng)懸架是一種有源控制,可以根據(jù)汽車行駛條件的變化,主動(dòng)改變懸架的剛度和阻尼系數(shù)。在汽車行駛路面、速度變化以及在汽車起步、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等工況時(shí),主動(dòng)懸架都可以進(jìn)行有效控制。此外,主動(dòng)懸架還可以根據(jù)車速的變化控制車身的高度。2主動(dòng)懸架系統(tǒng)的工作原理電子控制懸架系統(tǒng)由傳感器與開關(guān)、控制單元、執(zhí)行元件等電子器件組成。傳感器和開關(guān)將路面輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給控制單元ECU,控制單元ECU將傳感器輸入的電信號(hào)進(jìn)行分析處理后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行元件,執(zhí)行元件的機(jī)械動(dòng)作改變減振器的阻尼和彈簧的剛度。工作原理如圖1。主動(dòng)懸架系統(tǒng)的基本工作原理是:傳感器將采集的反映懸架振動(dòng)的信號(hào)傳給控制器,控制器控制主動(dòng)懸架的力發(fā)生器,產(chǎn)生控制力控制車身的振動(dòng),從而大大提高了車輛的平順性等性能。半主動(dòng)懸架系統(tǒng)基本工作原理是:用可調(diào)彈簧或可調(diào)阻尼元件組成懸架,并根據(jù)懸架的振動(dòng)響應(yīng)等反饋信號(hào),按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律調(diào)節(jié)車輛懸架系統(tǒng)的剛度或阻尼狀態(tài),提高車輛的行駛平順性和安全性。3線性反饋控制由于懸架系統(tǒng)是很復(fù)雜的非線性動(dòng)力系統(tǒng),因此基于模型的線性反饋控制是不適用的。利用現(xiàn)代控制理論保證汽車行駛平順性和操縱穩(wěn)定性的研究日益完善,以下介紹幾種基于現(xiàn)代控制理論的電控懸架控制方法。3.1自適應(yīng)控制方法自適應(yīng)控制是針對(duì)具有一定不確定性的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的。自適應(yīng)控制方法可以自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)變化,從而時(shí)刻保持系統(tǒng)的性能指標(biāo)為最優(yōu)。其基本出發(fā)點(diǎn)是根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前輸入的相關(guān)信息,從預(yù)先計(jì)算并存儲(chǔ)的參數(shù)中選取當(dāng)前最合適的控制參數(shù)。應(yīng)用于車輛懸架控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制方法主要有自校正控制和模型參考自適應(yīng)控制兩類控制策略。自校正控制是一種將受控對(duì)象參數(shù)在線識(shí)別與控制器參數(shù)整定相結(jié)合的控制方法,如圖2所示。模型參考自適應(yīng)控制的原理是當(dāng)外界激勵(lì)條件和車輛自身參數(shù)狀態(tài)發(fā)生變化時(shí),被動(dòng)車輛的振動(dòng)輸出仍能跟蹤所選定的理想?yún)⒖寄Ｐ汀?.2主動(dòng)懸架的應(yīng)用由美國的D.KARNOPP教授提出的天棚阻尼器控制理論,在主動(dòng)懸架控制中被廣泛采用。天棚阻尼器控制是設(shè)想將系統(tǒng)中的阻尼器移至車體與某固定的天棚之間。就主動(dòng)懸架而言,也就是要求執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生一個(gè)與車體的上下振動(dòng)絕對(duì)速度成比例的控制力來衰減車體的振動(dòng)。被動(dòng)懸架可以認(rèn)為是帶阻尼器的雙質(zhì)量振動(dòng)系統(tǒng),當(dāng)考慮到帶寬和系統(tǒng)的共振特性時(shí),通常被動(dòng)懸架的性能不能令人滿意。但帶天棚阻尼器的汽車懸架,只要合理選擇參數(shù),可徹底消除系統(tǒng)共振現(xiàn)象。天棚阻尼器控制只考慮了幅頻特性,不包括相頻特性,這就產(chǎn)生了用傳遞函數(shù)評(píng)價(jià)性能指標(biāo)的不確定性問題。3.3不同預(yù)注設(shè)置的汽車預(yù)應(yīng)力控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)預(yù)見控制方法是利用車輛前輪的擾動(dòng)信息預(yù)估路面的干擾輸入,將測(cè)量的狀態(tài)變量反饋給前后控制器實(shí)施最優(yōu)控制。這種控制技術(shù)可以通過某種方法提前檢測(cè)到前方路面的狀態(tài)和變化,使控制系統(tǒng)有足夠的時(shí)間采取措施。因此,可大大降低系統(tǒng)的能耗,改善系統(tǒng)的控制性能。根據(jù)預(yù)見信息的測(cè)量及利用方法不同,可構(gòu)成不同的預(yù)見控制系統(tǒng),如對(duì)四輪進(jìn)行預(yù)見控制和利用前輪擾動(dòng)信息對(duì)后輪進(jìn)行預(yù)見控制。對(duì)四輪全進(jìn)行預(yù)見控制時(shí),在車的前部設(shè)置特制的預(yù)見傳感器以測(cè)試前方道路的凹凸情況,然后將這些信息傳至控制器?？刂破鞲鶕?jù)這些信息計(jì)算出控制指令,并將相應(yīng)信號(hào)送至4個(gè)車輪中的每一個(gè)懸架機(jī)構(gòu)。從理論上看,這種系統(tǒng)應(yīng)取得最為理想的控制效果,但需要設(shè)置特殊的傳感器。在利用前輪信息對(duì)后輪進(jìn)行預(yù)見控制系統(tǒng)中,2個(gè)前輪采用的僅為反饋控制,但通過前輪部分各種傳感器所獲得的信息,都被作為預(yù)見信息而送至控制器。在決定后輪的控制指令時(shí),控制器不僅考慮當(dāng)時(shí)后輪傳感器得到的各種信息,而且也根據(jù)當(dāng)時(shí)的車速和前后輪間的軸距,考慮前輪各傳感器所獲得的信息。因此,在后輪的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上,實(shí)行的是反饋加前向反饋的雙作用控制。這樣就無須增設(shè)特制的預(yù)見傳感器,只須對(duì)控制系統(tǒng)軟件作些修改,便可對(duì)后輪實(shí)施預(yù)見控制,從而提高后輪的減振效果,同時(shí)就整車而言可以減小車體的振動(dòng),因而控制效果得到改善。3.4基于試驗(yàn)結(jié)果的lqg控制車輛的懸架系統(tǒng)是一個(gè)高階的數(shù)學(xué)模型,對(duì)其采用最優(yōu)控制的前提是獲得大量的狀態(tài)信息。在實(shí)際工程中,大部分的狀態(tài)變量要利用Kalman濾波獲得,通過求解Riccati方程,在使性能指標(biāo)最小的基礎(chǔ)上,綜合控制規(guī)律,這就是通常所說的LQG控制。由于需要大量的狀態(tài)信息,對(duì)硬件系統(tǒng)的要求很高,而且狀態(tài)重構(gòu)帶來一系列魯棒性的問題,因而LQG最優(yōu)控制在實(shí)際中采用得很少。但由于它的結(jié)果是理論最優(yōu)的,因而還是有眾多學(xué)者對(duì)它進(jìn)行了各種改進(jìn),期望提高該控制策略的魯棒性。3.5達(dá)目的性譜范數(shù)由于實(shí)際的車輛系統(tǒng)往往是時(shí)變的非線性系統(tǒng),從而使實(shí)際系統(tǒng)達(dá)不到運(yùn)用最優(yōu)控制理論所預(yù)期的性能。因此有必要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行魯棒性分析,即在各種模型誤差及不確定擾動(dòng)的情況下,研究系統(tǒng)的魯棒穩(wěn)定性問題。3.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的基本思想是從仿生學(xué)的角度,模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)的運(yùn)作方式,使機(jī)器具有人腦那樣的感知、學(xué)習(xí)和推理能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以其強(qiáng)大的非線性映射能力、自學(xué)習(xí)適應(yīng)能力、聯(lián)想記憶能力、并行處理方式及優(yōu)良的容錯(cuò)性能,作為一種并行分布式處理系統(tǒng),它具有自動(dòng)知識(shí)獲取、聯(lián)想記憶、自適應(yīng)性、良好的容錯(cuò)性和推理能力,故在汽車懸架控制中有廣泛的應(yīng)用前景,其原理見圖3。但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有以下不足:(1)難以保證解的唯一性;(2)局域性差;(3)基函數(shù)非正交,收斂速度慢;(4)難以確定逼近的分辨尺度。3.7結(jié)構(gòu)控制框圖模糊控制是近年來迅速發(fā)展起來的新型控制方法,其特點(diǎn)是允許控制對(duì)象沒有精確的數(shù)學(xué)模型,使用語言變量代替數(shù)字變量,在控制過程中包含大量的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí),結(jié)構(gòu)控制框圖如圖4所示。其控制器的輸入量可選擇車身加速度和車身與車輪的相對(duì)速度,輸出量為動(dòng)力裝置產(chǎn)生的作用力。3.8基于模糊神經(jīng)模型的復(fù)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的模型車輛懸架控制方法的研究幾乎涉及到控制理論的所有分支,各種控制方法均有其特點(diǎn)和不足之處。而采用復(fù)合控制方法則往往能得到意想不到的結(jié)果,如自適應(yīng)控制與魯棒控制的復(fù)合、自適應(yīng)控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的復(fù)合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與最優(yōu)預(yù)見控制的復(fù)合以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與模糊控制的復(fù)合等。基于模糊神經(jīng)的模型參考自適應(yīng)控制(MRAC,ModelReferenceAdaptiveControl)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。汽車車身垂直振動(dòng)加速度是評(píng)價(jià)汽車行駛平順性的主要指標(biāo),在保證操縱穩(wěn)定性的前提下應(yīng)盡量減小該振動(dòng)。采用車身垂直振動(dòng)加速度的統(tǒng)計(jì)值,即加速度均方根值4被動(dòng)懸架系統(tǒng)的應(yīng)用隨著汽車技術(shù)的不斷發(fā)展以及人們物