李 剛，陳典鋒，徐 涵，胡國(guó)良，干 宇，鄧建明

（1.華東交通大學(xué)南昌市車(chē)輛智能裝備與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330013；2.華東交通大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，江西 南昌330013； 3.江西五十鈴汽車(chē)有限公司產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)中心，江西 南昌330100）

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)技術(shù)也取得了許多重大突破，人們不再局限于使用汽車(chē)進(jìn)行日常代步，而是更加注重車(chē)輛的安全性和舒適性[1]。 多項(xiàng)研究表明， 持續(xù)暴露于高頻率振動(dòng)環(huán)境中會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅，尤其對(duì)腰椎、脊柱、腎臟和胃等關(guān)鍵器官造成無(wú)法逆轉(zhuǎn)的損害[2]。 車(chē)輛懸架是車(chē)橋與車(chē)身間的傳力連接裝置，對(duì)于汽車(chē)的減振起著至關(guān)重要的作用，其性能影響到車(chē)輛的行駛平順性和乘坐舒適性[3]。 傳統(tǒng)單一磁流變懸架和空氣懸架雖然在一定程度上能夠調(diào)整汽車(chē)懸架的阻尼或者剛度從而起到減振的效果，但調(diào)節(jié)的范圍有限且當(dāng)發(fā)生故障時(shí)容易出現(xiàn)整個(gè)車(chē)輛懸架系統(tǒng)癱瘓的現(xiàn)象，綜合磁流變阻尼器和空氣懸架能夠有效解決這些問(wèn)題并且在一定范圍內(nèi)提高減振效果。 在懸架結(jié)構(gòu)固定的情況，應(yīng)用于懸架上的控制方法對(duì)汽車(chē)的減振效果有著很大的影響。 經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者及研究人員的不斷探究， 形成了很多成熟的控制方法，但傳統(tǒng)的單一控制方法在應(yīng)用中存在著一定的缺陷，無(wú)法滿(mǎn)足目前的高性能車(chē)輛對(duì)于減振方面的要求，因此，當(dāng)前磁流變半主動(dòng)空氣懸架控制策略的主要研究方向是通過(guò)綜合利用兩種或多種可互補(bǔ)缺陷的控制策略來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的控制效果。 本文在介紹車(chē)輛懸架及相關(guān)控制策略的同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外最新的研究成果，重點(diǎn)對(duì)磁流變半主動(dòng)空氣懸架及其復(fù)合控制策略進(jìn)行綜述，最后對(duì)磁流變半主動(dòng)空氣懸架控制策略的發(fā)展趨勢(shì)以及可能會(huì)面臨的相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行探討。 為磁流變半主動(dòng)空氣懸架控制策略的研究提供進(jìn)一步的參考。

1 懸架類(lèi)型

由于車(chē)輛行駛的路面具有不平整性，車(chē)輛在行駛過(guò)程中總會(huì)受到來(lái)自路面的隨機(jī)激勵(lì)，車(chē)輛懸架的主要作用是吸收能量，減少車(chē)身及車(chē)上人員受到的振動(dòng)，提高車(chē)輛的駕駛安全性及舒適性[4-5]。 如圖1，根據(jù)懸架受到的控制方式的不同主要分為以下3種類(lèi)型：被動(dòng)懸架、主動(dòng)懸架、半主動(dòng)懸架[6]。

圖1 各類(lèi)懸架結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Various suspension structure diagram

傳統(tǒng)的被動(dòng)懸架由彈簧元件以及阻尼元件組成，在一定程度上能夠改善車(chē)的振動(dòng)，但是由于其結(jié)構(gòu)參數(shù)一經(jīng)確定就不可改變，所以其減振效果受到很大的限制。 主動(dòng)懸架的剛度和阻尼在車(chē)輛行駛時(shí)可以根據(jù)車(chē)身的姿態(tài)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，能夠?qū)崟r(shí)地改變懸架的剛度，可以對(duì)汽車(chē)的振動(dòng)起到有效的控制，但因其成本較高且在控制失效時(shí)有著較大的安全隱患，故沒(méi)有得到大范圍的應(yīng)用。 半主動(dòng)懸架系統(tǒng)是指將被動(dòng)懸架的彈性元件以及阻尼元件更改為可調(diào)節(jié)剛度或阻尼系數(shù)的智能器件。 根據(jù)路面輸入激勵(lì)的變化，存儲(chǔ)在半主動(dòng)控制器的存儲(chǔ)算法優(yōu)化參數(shù)指令對(duì)智能器件的剛度系數(shù)或阻尼系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，從而抑制車(chē)輛的振動(dòng)[7]。

自19 世紀(jì)中期開(kāi)始發(fā)展以來(lái)， 空氣懸架經(jīng)歷了多種形式的演變，從最初的氣動(dòng)彈簧到如今的中央充放氣懸架系統(tǒng)（即ECAS 電控空氣懸架）。 這種懸架系統(tǒng)可以根據(jù)輪胎所受力的變化來(lái)調(diào)整懸架的剛度。 如今，幾乎所有國(guó)外的高級(jí)大型客車(chē)都采用空氣懸架，而超過(guò)80%的重型貨車(chē)也使用這一技術(shù)。 此外，輕型汽車(chē)上采用空氣懸架的比例也在快速增加[8]。

磁流變阻尼器是基于磁流變液可以根據(jù)周?chē)艌?chǎng)的改變能夠調(diào)節(jié)自身的流變特性從而改變阻尼器的阻尼系數(shù)設(shè)計(jì)的一種用于減振的器件，有輸出阻尼力范圍大、較短時(shí)間內(nèi)響應(yīng)的特點(diǎn)，在車(chē)輛半主動(dòng)懸架上有很大的發(fā)展空間，并且在一些高端車(chē)型上已經(jīng)得到了運(yùn)用[9]。

2 磁流變半主動(dòng)空氣懸架工作原理

磁流變半主動(dòng)空氣懸架是指將磁流變阻尼器及空氣懸架同時(shí)運(yùn)用到汽車(chē)的懸架系統(tǒng)中，可以同時(shí)調(diào)節(jié)懸架系統(tǒng)的阻尼系數(shù)及剛度系數(shù)，相對(duì)于單一的半主動(dòng)磁流變懸架和半主動(dòng)空氣懸架而言，提高了懸架的控制精度和控制范圍。 目前主要的磁流變半主動(dòng)懸架有兩種形式，一種是將磁流變阻尼器和空氣彈簧獨(dú)立安裝，這樣能夠充分發(fā)揮兩者的性能，但需要的安裝空間太大，不適合在輕型車(chē)輛上使用。 另一種是將磁流變阻尼器安裝在空氣彈簧內(nèi)部，雖然磁流變阻尼器占據(jù)了空氣彈簧的一部分工作空間，減少了空氣彈簧的工作范圍，但安裝所需空間得到了有效地縮小，目前在輕型車(chē)輛上主要應(yīng)用后者[10-11]。 圖2 為磁流變半主動(dòng)空氣懸架控制示意圖。

圖2 磁流變半主動(dòng)空氣懸架控制示意圖Fig.2 Control diagram of magnetorheological semi-active air suspension

磁流變半主動(dòng)空氣懸架系統(tǒng)通過(guò)油路和電路分別控制懸架的剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)，從而達(dá)到懸架剛度和阻尼可調(diào)的效果，兩者的相互配合能夠?qū)崿F(xiàn)相比于半主動(dòng)空氣懸架和磁流變半主動(dòng)懸架更好的減振效果[12-14]。

2.1 空氣懸架工作原理

空氣彈簧是一個(gè)內(nèi)部充滿(mǎn)氣體，并且可以產(chǎn)生形變的密閉容器，利用氣體的壓縮和膨脹產(chǎn)生的彈力來(lái)承受外部的載荷[15]。 按照工作原理空氣彈簧主要可以分為以撓曲變形為主的囊式空氣和以卷曲變形為主的膜式空氣彈簧，以及兩種變形方式同時(shí)存在的復(fù)合式空氣彈簧[16]。 圖3 為囊式和膜式空氣彈簧的示意圖。

空氣彈簧正常工作時(shí)主要利用橡膠氣囊里面的壓縮空氣的反作用力當(dāng)作彈性恢復(fù)力，由于空氣彈簧內(nèi)部并沒(méi)有機(jī)械結(jié)構(gòu)，因此可以達(dá)到良好的緩和沖擊及降低噪音的效果[17]。

2.2 磁流變阻尼器工作原理

常見(jiàn)的磁流變阻尼器結(jié)構(gòu)如圖4 所示，主要由活塞頭、活塞桿、勵(lì)磁線圈、磁流變液等結(jié)構(gòu)組成[18-19]。

活塞頭上的凹槽是用來(lái)安裝勵(lì)磁線圈的，這些線圈可以通過(guò)導(dǎo)線延伸至阻尼器外部， 并與可變電源連接。 磁流變液填充在磁流變阻尼器的容腔和活塞桿與缸筒之間的間隙中。 當(dāng)外部電源給磁流變阻尼器通電時(shí)， 勵(lì)磁線圈在凹槽上產(chǎn)生磁場(chǎng)，導(dǎo)致磁流變液的流變特性發(fā)生變化，從而引發(fā)磁流變效應(yīng)。

當(dāng)活塞頭在缸筒內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，缸筒被分為上腔和下腔兩個(gè)部分，活塞桿在外部壓力的作用下做拉伸或者壓縮運(yùn)動(dòng)，磁流變液則在活塞頭的擠壓作用下在上下兩腔之間的間隙之中循環(huán)流動(dòng)。 磁流變液的剪切應(yīng)力會(huì)隨著磁場(chǎng)的改變而改變，當(dāng)磁場(chǎng)越強(qiáng)時(shí)，剪切應(yīng)力越大，反之越小。 利用磁流變液之間的剪切作用還可以制作制動(dòng)器等器件應(yīng)用于汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中[20]。

通過(guò)控制輸入電流的大小，可以調(diào)節(jié)磁流變阻尼器內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而控制磁流變阻尼器產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)可變阻尼力的調(diào)節(jié)[21]。

3 磁流變半主動(dòng)懸架單一控制策略

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及相關(guān)研究人員進(jìn)行了廣泛的研究，探討了磁流變半主動(dòng)空氣懸架的各種控制方法。 這些方法覆蓋了控制理論的各個(gè)方面，包括天棚控制、地棚控制、PID 控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、滑模控制、模糊控制等，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于半主動(dòng)懸架技術(shù)領(lǐng)域。

3.1 天棚控制和地棚控制

天棚控制和地棚控制在對(duì)半主動(dòng)懸架的控制過(guò)程中其原理是基本相似的，如圖5，主要是通過(guò)假設(shè)一個(gè)“天”或“地”的參考面，并在這個(gè)參考面和簧載質(zhì)量或非簧載質(zhì)量之間加入一個(gè)阻尼系統(tǒng)，從而減少車(chē)輛的垂直振動(dòng)[22-23]。 但是實(shí)際在車(chē)輛上并沒(méi)有“天棚”和“地棚”作為慣性參考，所以這兩種模型并不能直接在車(chē)輛懸架上直接應(yīng)用，只能通過(guò)控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)[24]。 天棚控制和地棚控制在一定意義上可以看作是一個(gè)對(duì)偶，天棚控制主要考慮的是抑制汽車(chē)簧載質(zhì)量振動(dòng)，增加駕駛員和乘客的舒適性，地棚控制則是考慮抑制汽車(chē)非簧載質(zhì)量的振動(dòng)，提高汽車(chē)的操縱穩(wěn)定性，單獨(dú)使用這兩種控制并不能達(dá)到較好的懸架控制效果。 在此基礎(chǔ)上許多學(xué)者提出了改進(jìn)型天棚控制器和改進(jìn)型地棚控制器，梁軍等[25]設(shè)計(jì)了一種分?jǐn)?shù)階天棚阻尼控制器，并應(yīng)用遺傳算法優(yōu)化半主動(dòng)懸架系統(tǒng)的綜合性能，找到最適合的分?jǐn)?shù)階天棚阻尼系數(shù)和微分階次。Argyrios 等[26]提出了一種基于地棚控制的分?jǐn)?shù)階地棚控制，通過(guò)卡爾曼濾波器確定相應(yīng)的參數(shù)并與傳統(tǒng)的整數(shù)階地棚控制進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，改進(jìn)型分?jǐn)?shù)階地棚控制下的車(chē)輛懸架減振效果優(yōu)于傳統(tǒng)的地棚控制。

圖5 天棚和地棚理想模型Fig.5 Ideal model of ceiling damping and floor damping

3.2 PID 控制

PID 控制又稱(chēng)為比例（P）積分（I）微分（D）控制，其工作原理的拉普拉斯表達(dá)式為

式中：u（k）為控制器的輸出值；e（k）為系統(tǒng)的誤差；Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)；Kd為微分系數(shù)。

PID 控制器的P 部分可以直接對(duì)系統(tǒng)的誤差進(jìn)行及時(shí)地修正，但是這樣也會(huì)使得控制器對(duì)噪聲變得非常敏感。I 部分則可以對(duì)之前的誤差產(chǎn)生響應(yīng)，并消除在比例積分產(chǎn)生的靜差，但因此也會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量。 D 部分則可以增加響應(yīng)速度，減少響應(yīng)時(shí)間，因此在實(shí)際使用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)被控對(duì)象的實(shí)際要求調(diào)節(jié)PID 的3 個(gè)增益參數(shù)以達(dá)到最好的控制效果。由于車(chē)輛懸架有著強(qiáng)非線性和參數(shù)不確定性，Rong[27]通過(guò)遺傳算法得出適應(yīng)懸架的3 個(gè)增益參數(shù)設(shè)計(jì)出了一種PID 控制器，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明對(duì)車(chē)輛懸架的減振有著很大的提升。 曹潔[28]將PID 控制策略運(yùn)用到電動(dòng)汽車(chē)的懸架中，并通過(guò)鯨魚(yú)算法尋找最佳的增益參數(shù)， 結(jié)果表明鯨魚(yú)-PID 算法能有效提高懸架系統(tǒng)的減振效果。

3.3 最優(yōu)控制

最優(yōu)控制理論是根據(jù)所要研究的對(duì)象設(shè)計(jì)控制器， 使得被控對(duì)象的某一個(gè)性能指標(biāo)或多個(gè)性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。 應(yīng)用最優(yōu)控制主要步驟有：建立被控系統(tǒng)的狀態(tài)方程，確定系統(tǒng)目標(biāo)函數(shù)，求解最優(yōu)反饋矩陣。

最優(yōu)控制通過(guò)考慮減振器的飽和約束和設(shè)計(jì)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)車(chē)輛懸架系統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化，找到最佳輸入輸出，以達(dá)到最佳的懸架系統(tǒng)性能。 由于最優(yōu)控制一般需要被控對(duì)象是一個(gè)線性系統(tǒng)，所以需要對(duì)非線性懸架系統(tǒng)建立合適的模型從而選擇相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)。 張祥瑞[29]將車(chē)輛垂直位移加速度、俯仰角加速度、懸架動(dòng)行程、輪胎動(dòng)位移以及懸架阻尼力這6 項(xiàng)性能指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)懸架的總體性能做出優(yōu)化。 楊廣旭[30]基于最優(yōu)控制理論完成了一種螺旋彈簧的線性半主動(dòng)懸架LQR控制器設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的控制器可以通過(guò)調(diào)節(jié)權(quán)重參數(shù)來(lái)優(yōu)化所要側(cè)重的性能指標(biāo)， 并且在LQR 控制器的基礎(chǔ)上， 提出了一種ILQR 的控制器。 相比于LQR 控制器，ILQR 通過(guò)提前給定一個(gè)最優(yōu)控制序列，在局部進(jìn)行迭代優(yōu)化，通過(guò)在空氣懸架上面進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明該控制器能夠有效提升隨機(jī)路面、凸塊路面的乘坐舒適性及操縱穩(wěn)定性。 Angelov[31]通過(guò)對(duì)懸架的舒適性和穩(wěn)定性進(jìn)行綜合考慮并進(jìn)行模擬仿真分析， 證明基于線性二次型調(diào)節(jié)器LQR控制在目前來(lái)說(shuō)是最優(yōu)的。 最優(yōu)控制的局限性也非常明顯，主要體現(xiàn)在最優(yōu)控制的效果對(duì)機(jī)理模型要求過(guò)高和抵抗干擾能力差。

3.4 自適應(yīng)控制

由于車(chē)輛在行駛過(guò)程中自身的各種參數(shù)總是在不斷地變化的且整個(gè)懸架系統(tǒng)是一個(gè)非線性系統(tǒng)，因此在實(shí)際的控制過(guò)程中需要綜合考慮汽車(chē)懸架的各項(xiàng)參數(shù)的變化，自適應(yīng)控制就是針對(duì)不確定系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的一種控制方法， 它具有自適應(yīng)能力，能夠自動(dòng)調(diào)整模型的階次、參數(shù)和輸入信號(hào)，以適應(yīng)未知的變化。 自適應(yīng)控制要解決的問(wèn)題就是修正自己的特性（例如綜合出適當(dāng)?shù)目刂埔?guī)律）根據(jù)控制對(duì)象和擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性的變化，使某一性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)或者次優(yōu)。 Yao 等[32]在自適應(yīng)控制的基礎(chǔ)上， 提出了一種帶有時(shí)滯補(bǔ)償?shù)淖赃m應(yīng)控制器，有效地減少了在控制過(guò)程中的時(shí)滯，提高了控制的精度。 但在實(shí)際的應(yīng)用中關(guān)于自適應(yīng)的算法編寫(xiě)太過(guò)繁雜，且控制過(guò)程的魯棒性較差，控制精度較低，因此自適應(yīng)控制并不適合單獨(dú)在實(shí)際工業(yè)中使用。

3.5 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是在對(duì)人類(lèi)大腦的研究基礎(chǔ)上，對(duì)人類(lèi)大腦模型進(jìn)行簡(jiǎn)化而來(lái)的一種控制方法。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制模擬了人類(lèi)大腦的結(jié)構(gòu)和功能，由大量的神經(jīng)元相互連接而成。 這種存儲(chǔ)信息的方式與傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)非常不同，每個(gè)神經(jīng)元可以單獨(dú)進(jìn)行計(jì)算和決策，這種分布式的運(yùn)算方式使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具備很好的自適應(yīng)性和容錯(cuò)能力。 孫巍[33]設(shè)計(jì)了一種基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的辨識(shí)器和控制器，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)器有效地辨識(shí)懸架系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，并通過(guò)學(xué)習(xí)算法對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練得出自適應(yīng)參數(shù)（即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值）。Guo 等[34]提出了一種包括多層前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的二次動(dòng)量誤差反向傳播算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，并在基于磁流變阻尼器的半主動(dòng)懸架的模擬仿真實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了這種控制方法的有效性。 但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的準(zhǔn)確性依賴(lài)于大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，而且最終所輸出的結(jié)果具有不可預(yù)見(jiàn)性。

3.6 滑?？刂?/h3>

滑?？刂剖且环N特殊的非線性控制方法，通過(guò)引入滑模面和滑?？刂坡适沟孟到y(tǒng)的狀態(tài)變量滑動(dòng)到滑移面，并沿著該面保持滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。 這種控制方法具有強(qiáng)魯棒性和適應(yīng)性，能夠應(yīng)對(duì)系統(tǒng)存在的不確定性和擾動(dòng)，由于滑模變結(jié)構(gòu)控制算法簡(jiǎn)單且響應(yīng)速度快，因此在懸架控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Khan 等[35]提出了一種基于滑?？刂撇呗缘闹鲃?dòng)懸架的控制系統(tǒng)，驗(yàn)證了滑?？刂频挠行裕⒃趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)滑?？刂瞥丝梢蕴岣邞壹艿目刂菩?，并且可以有效地減少汽車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中的滑移距離， 提高了汽車(chē)行駛的安全性。Wang 等[36]提出了一種集成的模糊切換曲面和一種新型的集成模糊滑動(dòng)曲面，這種具有兩種特征的積分型模糊滑動(dòng)也證明了滑膜控制的優(yōu)越性。 滑?？刂颇壳霸诶碚撋媳容^完善，但是在控制過(guò)程中如何確定理想的滑膜界面成了一個(gè)非常大的難點(diǎn)，且控制器的穩(wěn)定性較差。

3.7 模糊控制

模糊控制理論的控制對(duì)象一般是變量太多且復(fù)雜的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)在控制的過(guò)程中往往難以正確地描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)。其主要控制原理如圖6，模糊控制通過(guò)選定模糊控制器的輸入量，并將其轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可識(shí)別的模糊量，具體包含以下3 個(gè)部分：

圖6 模糊控制原理Fig.6 Fuzzy control principle

1）對(duì)輸入量進(jìn)行處理，以滿(mǎn)足模糊控制的要求；

2） 對(duì)輸入量進(jìn)行尺度變換；

3） 確定各輸入量的模糊語(yǔ)言取值和對(duì)應(yīng)的隸屬度函數(shù)。

模糊控制策略實(shí)質(zhì)上就是對(duì)模糊控制器的模糊規(guī)則進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)從而實(shí)現(xiàn)控制的一種智能控制方法。 Sebastian 等[37]提出了一種具有三角形隸屬函數(shù)的綜合模糊控制器，該控制器中包含的模糊算法不需要對(duì)磁流變阻尼器進(jìn)行逆向建模，證明在缺乏磁流變阻尼器模型的情況下也可以對(duì)車(chē)輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行有效的控制。雒琦等[38]以Sigmoid 模型磁流變阻尼器為控制對(duì)象， 以抑制車(chē)身垂向加速度為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)了一種模糊控制方法該模糊控制方法很好地抑制了車(chē)身加速度顯著改善了車(chē)輛運(yùn)行平穩(wěn)性。

3.8 其他控制

除了以上常用的控制策略以外，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)學(xué)者及研究人員經(jīng)過(guò)不斷的摸索及試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了一些新的控制策略并驗(yàn)證了它們的有效性。

王子豪[39]從強(qiáng)化學(xué)習(xí)的角度出發(fā)，提出了一種基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)深度Q 網(wǎng)絡(luò)的控制方法，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)控制策略的控制邏輯和輸入?yún)⒘康膮⒖迹?guī)定合適的獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)控制深度Q 網(wǎng)絡(luò)收斂，從而輸出合適的大小獎(jiǎng)勵(lì)值。 從而控制車(chē)輛懸架的輸出，通過(guò)對(duì)比證明其對(duì)于輪胎過(guò)沖擊后二次強(qiáng)化具有明顯的優(yōu)化。 Huang 等[40]提出了一種Udwadia-Kalaba 控制方法，這種控制方法可以處理包括完整約束、非完整約束、理想約束、非理想約束等不同類(lèi)型的約束，并通過(guò)模擬仿真證明了這種控制方法能對(duì)車(chē)輛懸架進(jìn)行有效地控制。

4 磁流變半主動(dòng)懸架復(fù)合控制策略

隨著控制理論的不斷發(fā)展以及相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)的研究人員和學(xué)者對(duì)懸架研究的不斷深入，各種控制策略都在懸架控制中得到運(yùn)用并進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，但單一的控制策略在實(shí)際的懸架控制過(guò)程中缺點(diǎn)較為明顯且控制效果具有一定的局限性。 國(guó)內(nèi)外的學(xué)者在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)通過(guò)綜合兩種或者兩種以上的算法能夠有效地改善單一控制策略的弊端。例如在運(yùn)用PID 控制算法的過(guò)程中最大的難題在于如何去確定增益參數(shù)，且在控制過(guò)程中增益參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的改變，僅僅靠人為經(jīng)驗(yàn)或單一的計(jì)算確定增益參數(shù)并不能達(dá)到理想的控制效果，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制或者模糊控制可以幫助確定合適的增益參數(shù)使得PID 控制最大限度發(fā)揮它本身的優(yōu)點(diǎn)。 雖然單一控制策略較多，但大多數(shù)控制算法在綜合過(guò)程中只適合作為輔助控制進(jìn)行使用，適合作為主控制算法且仿真實(shí)驗(yàn)效果符合預(yù)期的控制方法主要包括天地棚控制、PID 控制、最優(yōu)控制和滑?？刂?。

4.1 基于天地棚的復(fù)合控制策略

天棚控制和地棚控制主要缺點(diǎn)在于可調(diào)的性能參數(shù)太過(guò)于單調(diào)， 雖然在控制過(guò)程中魯棒性較強(qiáng)，但是對(duì)于復(fù)雜且工作環(huán)境復(fù)雜的懸架系統(tǒng)而言過(guò)于簡(jiǎn)單。

寇發(fā)榮等[41]綜合天棚控制和地棚控制各自的優(yōu)點(diǎn)，如圖7，提出并設(shè)計(jì)了一種理想混合天棚半主動(dòng)懸架控制算法，該懸架系統(tǒng)不僅能夠降低簧載質(zhì)量加速度， 同時(shí)能明顯減小懸架動(dòng)撓度和輪胎動(dòng)載荷。 Song 等[42]提出了一種自適應(yīng)天棚控制方法，將自適應(yīng)控制引入簡(jiǎn)化的天棚控制模型中，證明自適應(yīng)控制能夠有效地幫助天棚模型確定關(guān)鍵的性能參數(shù)。 Zhang 等[43]使用結(jié)合了可調(diào)慣性和可調(diào)阻尼器的半主動(dòng)懸架提出了一種雙天棚的控制策略，并基于該模型進(jìn)行了數(shù)值模擬，證明了該控制策略的有效性。 劉前結(jié)[44]在綜合分析天棚控制和地棚控制的優(yōu)缺點(diǎn)之后，提出了一種天棚地棚模式切換的混合控制策略。

圖7 理想混合天地棚控制模型Fig.7 Ideal hybrid canopy control model

4.2 基于PID 控制的復(fù)合控制策略

目前在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域中，PID 控制是最廣泛使用的控制方法之一。 通過(guò)不斷地改進(jìn)，現(xiàn)在已經(jīng)形成了多種改進(jìn)的PID 算法，用于克服不同的控制問(wèn)題。 例如，為避免微分帶來(lái)的高頻干擾，可以使用濾波PID 控制；為避免大偏差時(shí)出現(xiàn)飽和超調(diào)，可以使用PID 積分分離控制；為補(bǔ)償控制對(duì)象非線性因素，可以使用可變?cè)鲆鍼ID 控制。 這些改進(jìn)算法在某些應(yīng)用場(chǎng)合取得了不錯(cuò)的控制效果。 此外，在智能控制理論的發(fā)展中，也出現(xiàn)了很多智能PID 控制方法。 在PID 控制的過(guò)程中，最大的難點(diǎn)在于如何去確定3 個(gè)增益參數(shù)。

顧瑞恒[45]分別對(duì)模糊控制器與PID 控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)，系統(tǒng)誤差較小時(shí)采用PID 控制使系統(tǒng)盡快穩(wěn)定，誤差較大時(shí)采用模糊控制。 如圖8，Carvajal 等[46]提出了一種模糊PID 控制方法，利用模糊控制在較短時(shí)間內(nèi)確定PID 控制的3 個(gè)增益參數(shù)。 Liu 等[47]和Kumar 等[48]都對(duì)這種控制策略的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證，證明模糊PID 控制汽車(chē)半主動(dòng)懸架系統(tǒng)在抑制擾動(dòng)方面表現(xiàn)出色，同時(shí)對(duì)多種激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)過(guò)沖量小，調(diào)節(jié)時(shí)間短，整體性能優(yōu)異。 潘乾鵬等[49]利用變域論對(duì)模糊PID 控制器的輸入論域和輸出論域進(jìn)行調(diào)節(jié)，并應(yīng)用在越野車(chē)型上，進(jìn)一步提高了越野車(chē)的行駛平順性。 王琳等[50]設(shè)計(jì)了一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊PID 控制策略，在一定程度上改善了車(chē)輛的平順性和操縱穩(wěn)定性。

圖8 模糊PID 控制原理Fig.8 Fuzzy PID control principle

4.3 基于最優(yōu)控制的復(fù)合控制策略

最優(yōu)控制可以在設(shè)定約束條件的情況下，使得性能指標(biāo)達(dá)到極大值或極小值，但是該控制方法不能消除或者抑制由于參數(shù)的變動(dòng)和環(huán)境的變化對(duì)系統(tǒng)造成的擾動(dòng)，使得其魯棒性很差。

Almares 等[51]提出一種對(duì)車(chē)輛速度預(yù)見(jiàn)的前提下通過(guò)自適應(yīng)控制調(diào)節(jié)的最優(yōu)控制策略，使得懸架系統(tǒng)在舒適性和安全性之間達(dá)到一種折中的狀態(tài)。張祥瑞[29]通過(guò)分析最優(yōu)控制的特點(diǎn)，最初設(shè)計(jì)基于半主動(dòng)懸架的約束最優(yōu)控制器，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種控制器無(wú)法在單獨(dú)優(yōu)化時(shí)不犧牲其他性能。 因此， 又設(shè)計(jì)了一種基于俯仰角的模糊最優(yōu)控制器，其控制過(guò)程如圖9 所示。 實(shí)驗(yàn)表明，在保證其他性能的前提下，這種最優(yōu)控制器可以進(jìn)一步抑制車(chē)輛的俯仰角。 換句話說(shuō)，這種控制器可以在不犧牲其他性能的情況下，更好地控制車(chē)輛的俯仰角。

圖9 俯仰角模糊自由控制器原理Fig.9 Pitch fuzzy free controller principle

4.4 基于滑?？刂频膹?fù)合控制策略

滑?？刂凭哂锌焖夙憫?yīng)、無(wú)需系統(tǒng)進(jìn)行在線辨識(shí)、對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)不靈敏的特點(diǎn)，但其在狀態(tài)軌跡到達(dá)滑動(dòng)模態(tài)面后，只能在滑動(dòng)模態(tài)面平衡點(diǎn)兩側(cè)來(lái)回的滑動(dòng)，難以嚴(yán)格地沿著滑動(dòng)模態(tài)面向平衡點(diǎn)移動(dòng)，從而產(chǎn)生抖振。 為了解決這一問(wèn)題，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者們提出了許多的解決方案， 劉宇飛等[52]提出了一種自適應(yīng)反演滑?？刂撇呗?，其主要思想是在控制的前n 步采用標(biāo)準(zhǔn)自適應(yīng)反演控制策略并給出自適應(yīng)的規(guī)律，在第n-1 步時(shí)構(gòu)造出一種積分非奇異終端吸引子思想引入滑模面的設(shè)計(jì)中，進(jìn)而求出系統(tǒng)總控制規(guī)律，從而提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性和魯棒性。 李剛等[53]基于磁流變半主動(dòng)空氣懸架設(shè)計(jì)了一種模糊滑?？刂品椒?，通過(guò)調(diào)整滑模控制的邊界層，有效地抑制抖振對(duì)控制精度的影響,從而確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 徐明等[54]針對(duì)1/4 車(chē)輛半主動(dòng)懸架，設(shè)計(jì)了一種改進(jìn)的滑?？刂撇呗?。 該策略采用極點(diǎn)配置法確定滑模面參數(shù)，并融合了模糊控制和滑?？刂啤?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，半主動(dòng)懸架已經(jīng)成為了汽車(chē)減振的主要組成部分，其面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題在于如何克服單一控制策略所具有的局限性，將不同的控制方法進(jìn)行綜合或者將一些算法復(fù)合到控制策略中時(shí)不犧牲原有的控制性能。 復(fù)合控制并不是將兩種或兩種以上的方法進(jìn)行簡(jiǎn)單地綜合，而是有效地減少原有控制策略缺點(diǎn)以達(dá)到最好的控制效果。 因此，設(shè)計(jì)出符合懸架結(jié)構(gòu)的復(fù)合控制器依然是目前懸架控制領(lǐng)域的一大難題。 此外，磁流變阻尼器和空氣懸架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)影響懸架控制策略的效果， 例如，阻尼器的反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)明顯降低懸架的控制效果。最后，在設(shè)計(jì)磁流變半主動(dòng)空氣懸架復(fù)合控制策略時(shí)還應(yīng)綜合考慮制動(dòng)時(shí)或者汽車(chē)底盤(pán)的綜合性能以達(dá)到全車(chē)減振最佳的效果。