李國軍

（晉中職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 晉中 030600）

引言

懸架系統(tǒng)是汽車底盤非常重要的組成系統(tǒng)，它對汽車的舒適性能有著十分重要的影響。相對于傳統(tǒng)的被動懸架，主動懸架更好地協(xié)調(diào)和提高了汽車行駛過程中的平順性與操縱穩(wěn)定性，從而進(jìn)一步提高汽車的整體性能。近年來汽車主動懸架的研究和開發(fā)工作成了國內(nèi)外觀注的重點(diǎn)，并且已成為汽車動力學(xué)與智能控制領(lǐng)域比較前沿的課題。汽車主動懸架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵就是能尋求一個能夠?yàn)槠囂峁┝己每刂菩阅艿目刂坡?。主動懸架系統(tǒng)的智能控制設(shè)計(jì)的本質(zhì)可概括為一個典型的不確定、多變量系統(tǒng)的控制問題。但是大部分現(xiàn)有的主動懸架智能控制方法都存在一些特點(diǎn)，比如過于復(fù)雜、原理繁瑣、附加條件過多，這些都不利于工程應(yīng)用。因此，為了使控制方法簡便實(shí)用而且有效，應(yīng)用于主動懸架的自適應(yīng)控制方法主要有增益調(diào)度控制、模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制三類。本論文中主動懸架設(shè)計(jì)以自校正控制為核心，以處理主動懸架的不確定、多變量特性，即用簡單的控制方法實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制。

1 懸架的結(jié)構(gòu)組成與作用

懸架的作用是把路面作用于車輪上的法向反力、切向反力和側(cè)向反力以及這些反力所造成的力矩都傳遞到車架上，緩和并衰減汽車在行駛中產(chǎn)生的沖擊與振動，保證汽車正常行駛[1]。

懸架可分為傳統(tǒng)懸架（被動懸架）與電子控制懸架（主動懸架）。

被動懸架由彈性元件、減振器和導(dǎo)向機(jī)構(gòu)所組成，這種懸架只能被動地承受地面對車身的各種作用力，無法對各種情況進(jìn)行主動調(diào)節(jié)。彈性元件主要使彈性系統(tǒng)在受到?jīng)_擊后產(chǎn)生振動，主要有鋼板彈簧、螺旋彈簧、氣體彈簧、扭桿彈簧等組成。減振器主要用于加速車架與車身振動的衰減，以改善汽車的行駛平順性，主要有雙向作用減振器和充氣減振器等。導(dǎo)向機(jī)構(gòu)主要用于確保車輪和車架之間所有力和力矩的可靠傳遞，保證車輪跳動時車輪定位參數(shù)的變化不會過大，使汽車具有良好的操縱穩(wěn)定性[1]。

電子控制懸架由感應(yīng)各種運(yùn)行狀態(tài)的各種傳感器、電子控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，主要作用是通過控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼力，使汽車的懸架特性與道路和行駛狀態(tài)相適應(yīng)，從而保證滿足汽車行駛的平順性和操縱穩(wěn)定性的要求，使懸架性能總是處于最佳狀態(tài)?；竟δ苡熊嚫哒{(diào)整、減振器阻尼力控制和彈簧剛度控制等。工作原理：利用傳感器把汽車行駛時路面的狀況和車身狀態(tài)進(jìn)行檢測，將檢測信號輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)通過驅(qū)動電子控制懸架系統(tǒng)的執(zhí)行器動作，完成懸架特性參數(shù)的調(diào)整。主動懸架分類：主動油氣懸架、主動空氣懸架、主動液力懸架。

2 自校正自適應(yīng)控制系統(tǒng)是提高懸架性能的關(guān)鍵

汽車舒適性主要是指汽車為乘員提供舒適的乘坐環(huán)境和方便的操作條件，它包括汽車平順性、空氣調(diào)節(jié)性能、乘坐環(huán)境及駕駛員操縱性能等。這些因素都是不確定的。

自適應(yīng)控制器的特點(diǎn)就是它能修正自己的特性以響應(yīng)過程和擾動的動力學(xué)特性變化，使整個控制系統(tǒng)始終獲得滿意的性能。

自適應(yīng)控制系統(tǒng)有三個顯著特點(diǎn)：

1）控制器可調(diào)。自適應(yīng)控制系統(tǒng)的控制器能在控制的過程中根據(jù)一定的自適應(yīng)控制規(guī)則，不斷改變自已的結(jié)構(gòu)與參數(shù)；

2）增加了自適應(yīng)回路。自適應(yīng)控制系統(tǒng)在常規(guī)反饋控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了自適應(yīng)回路，它的主要作用就是根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行情況，自動調(diào)整控制器，以適應(yīng)被控對象特性的變化；

3）適用對象。自適應(yīng)控制適用于被控對象特性未知或擾動特性變化范圍很大，同時又要求經(jīng)常保持高性能指標(biāo)的一類系統(tǒng)，設(shè)計(jì)時不需要完全知道被控對象的數(shù)學(xué)模型。

應(yīng)用于主動懸架的自適應(yīng)控制方法主要有增益調(diào)度控制、模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制三類：增益調(diào)度控制是一種開環(huán)自適應(yīng)控制，通過監(jiān)測過程的運(yùn)行條件來改變控制器參數(shù)；模型參考自適應(yīng)控制采用跟蹤一個預(yù)先定義的參考模型，根據(jù)反饋和輔助控制器參數(shù)的自適應(yīng)控制規(guī)則，使非線性時變的懸架系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的最優(yōu)性能；自校正控制通過將受控對象參數(shù)在線估計(jì)與控制器參數(shù)充分結(jié)合，形成一個能自動校正控制器參數(shù)的離散實(shí)時計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（即數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)），這是目前應(yīng)用最廣的一類自適應(yīng)控制方法。

自校正控制系統(tǒng)又稱自優(yōu)化控制，通過采集的過程輸入、輸出信息，實(shí)現(xiàn)過程模型的在線辨識和參數(shù)估計(jì)。在獲得的過程模型或估計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上，按照一定的性能優(yōu)化準(zhǔn)則，計(jì)算控制參數(shù)，使得閉環(huán)系統(tǒng)能夠達(dá)到最優(yōu)的控制品質(zhì)，如圖1所示。

圖1 自校正控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 自校正控制器實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制系統(tǒng)

通過自校正控制器的動力學(xué)模型的建立與仿真能很好地反映自校正控制器對汽車自適應(yīng)控制系統(tǒng)的作用。

3.1 主動懸架動力學(xué)模型的建立

動力學(xué)模型如圖2所示：

圖2 車輛動力學(xué)模型

建立基于主動懸架的1/4車體的2自由度模型。

根據(jù)牛頓定律和力矩平衡，得出如下的運(yùn)動方程：

3.2 1/4車體二自由度主動懸架建模與仿真

選取1/4車體被動懸架結(jié)構(gòu)及路面仿真參數(shù)如下：1/4車身質(zhì)量（簧載質(zhì)量）mb=360 kg；懸架剛度Ks= 20 000 N/m；車輪質(zhì)量（非簧載質(zhì)量）mw=40 kg；輪胎剛度Kt= 200 000 N/m；懸架阻尼系數(shù)Cs=1 000 kg；B級路面不平度G=0.000 005 m3/周期 ；車速V=20 m/s；下截止頻率f0=0.01 Hz。

根據(jù)主動懸架運(yùn)動學(xué)方程，建立其Matlabsimulink仿真結(jié)果如圖3和圖4所示：

圖3 簧載質(zhì)量加速度

簧載質(zhì)量加速度和輪胎動載荷是衡量汽車行駛平順性的一個重要指標(biāo)，采用自校正控制的主動懸架有效地降低了車身加速度和輪胎動載荷。

4 結(jié)語

汽車舒適性是汽車性能的一個重要的因素。通過采用主動懸架的自校正自適應(yīng)系統(tǒng)，汽車在減小輪胎動載荷和懸置質(zhì)量加速度方面都達(dá)到了令人滿意的效果，使汽車懸架系統(tǒng)在各種狀態(tài)下都能有效地減振，并且使汽車的平順性得到提高，大大提高了汽車的舒適性。但是自適應(yīng)系統(tǒng)還不成熟，還需要我們繼續(xù)創(chuàng)新發(fā)展。

圖4 輪胎動載荷

[1] 李春明,焦傳君.汽車構(gòu)造[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2012.