车辆半主动悬架技术发展现状和趋势

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悬架系统是汽车的重要组成部分之一。汽车悬架系统是指连接车身和车轮之间全部零部件的总称，主要由弹簧、减振器和转向机构三大部分组成，其作用是传递车轮和车架之间的一切力和力矩，并且缓和由不平路面传给车架(或车身)的冲击载荷，衰减由此引起的承载系统的振动，以保证汽车的平顺行驶。

半主动悬架是指悬架弹性元件刚度和减振器阻尼力之一或两者均可根据需要进行调节的悬架。由于半主动悬架在控制品质上接近于主动悬架，且结构简单，能量损耗小，成本低，因而具有巨大的发展潜力。
  
　　半主动悬架技术发展现状
　　根据悬架的阻尼和刚度是否随着行驶条件的变化而变化，可将悬架分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架。随着生活水平的不断提高，用户对汽车舒适性的要求也越来越高，传统的汽车悬架系统已不能满足人们的要求。人们希望汽车车身的高度、悬架的刚度、减振器的阻尼大小能随汽车行驶速度以及路面状况等行驶条件的变化而自动调节，从而达到乘坐舒适性的提高。
　　1973年，美国加州大学戴维斯分校的D.A.Crosby和D.C.Karnopp首先提出了半主动悬架的概念。其基本原理是：用可调刚度弹簧或可调阻尼的减振器组成悬架，并根据簧载质量的加速度响应等反馈信号，按照一定的控制规律调节弹簧刚度或减振器的阻尼，以达到较好的减振效果。半主动悬架分为刚度可调和阻尼可调两大类。目前，在半主动悬架的控制研究中，以对阻尼控制的研究居多。阻尼可调半主动悬架又可分为有级可调半主动悬架和连续可调半主动悬架，有级可调半主动悬架的阻尼系数只能取几个离散的阻尼值，而连续可调半主动悬架的阻尼系数在一定的范围内可连续变化。

        有级可调减振器
　　有级可调减振器阻尼可在2-3档之间快速切换，切换时间通常为10-20ms。有级可调减振器实际上是在减振器结构中采用较为简单的控制阀，使通流面积在最大、中等或最小之间进行有级调节。通过减振器顶部的电机控制旋转阀的旋转位置，使减振器的阻尼在“软、中、硬”三档之间变化。有级可调减振器的结构及其控制系统相对简单，但在适应汽车行驶工况和道路条件的变化方面有一定的局限性。 连续可调减振器 连续可调减振器的阻尼调节可采取以下两种方式：
　　1.节流孔径调节
　　早期的可调阻尼器主要是节流孔可实时调节的油液阻尼器。通过步进电机驱动减振器的阀杆，连续调节减振器节流阀的通流面积来改变阻尼，节流阀可采用电磁阀或其它形式的驱动阀来实现。这类减振器的主要问题是节流阀结构复杂，制造成本高。
　　2.减振液粘性调节
　　使用黏度连续可调的电流变或磁流变液体作为减振液，从而实现阻尼无级变化，是当前的研究热点。电流变液体在外加电场作用下，其流体材料性能，如剪切强度、粘度等会发生显著的变化，将其作为减振液，只需通过改变电场强度，使电流变液体的粘度改变，就可改变减振器的阻尼力。
　　电流变减振器的阻尼可随电场强度的改变而连续变化，无须高精度的节流阀，结构简单，制造成本较低，且无液压阀的振动、冲击与噪声，不需要复杂的驱动机构，作为半主动悬架的执行器是一个非常好的选择。但电流变液体存在着一些问题，如电致屈服强度小，温度工作范围不宽，零电场粘度偏高，悬浮液中固体颗粒与基础液体之间比重相差较大，易分离、沉降，稳定性差，对杂质敏感等。要使电流变减振器响应迅速、工作可靠，必须解决以下几个问题：①设计一个体积小、重量轻、能任意调节的高压电源。②为保证电流变液体的正常工作温度，有一个散热系统。③高压电源的绝缘与封装。国外如德国Bayer公司和美国Lord公司都已有电流变减振器产品。
　　磁流变液体是指在外加磁场的作用下，流变材料性能发生急剧变化的流体。通过控制磁场强度，可实现磁流变减振器阻尼的连续、无级调节。
　　磁流变减振器具有电流变减振器相似的特点，磁流变液是一种由细小的磁性颗粒悬浮于绝缘介质中形成的液体。其黏度随着外加磁场强度的增加而递增，直至半固态，而一旦外加磁场消失，它又自行恢复原状，整个过程可在毫秒级时间内完成。美国Lord公司、福特公司、德国BASF等纷纷投入巨资进行了研究，如Lord公司开发的磁流变液MRX-126PD，采用单出杆活塞缸结构设计的磁流变减振器已用于大型载货汽车半主动悬架减振系统。
　　电流变液与磁流变液的特性如下表所示，它们都能满足汽车工作要求。但在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等性能方面，磁流变液体强于电流变液体。
　　半主动悬架控制策略
　　近年来，国内外学者对半主动悬架控制方法进行了大量的研究，控制方法几乎涉及到所有的控制理论的所有分支，许多控制方法如天棚阻尼控制、PID控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、滑模变结构控制、模糊控制等在半主动悬架上得到了应用。

        天棚阻尼控制
　　天棚阻尼控制方法是最早提出的控制方法。该控制方法是由美国D.KARNOPP教授提出，在早期的半主动悬架上得到了广泛应用，但天棚阻尼控制只解决了悬架系统的舒适性而没有很好解决操纵稳定性问题。因此，目前研究的重点是改进型的天棚阻尼控制方法。
　　最优控制
　　最优控制是一种理论上最成熟、应用最广泛的控制方式，它一般可分为线性最优控制、最优预测控制和H∞最优控制。线性最优控制是；阵LQ(Linear—Quadratic)控制理论应用于车辆悬架系统中，其性能指标函数采用系统的状态响应与输入的加权二次型，在保证受控结构动态稳定性的条件下，把线性二次型调节控制器理论和线性二次高斯型控制理论用于车辆半主动悬架系统中实现最优控制。H∞最优控制是在闭环系统各回路稳定的条件下，相对于噪声干扰的输出取极小值的一种最优控制方式，在车身质量、轮胎刚度、减振阻尼系统、车辆结构等存在不确定变化误差时，采用H∞最优控制可使车辆悬架系统的减振控制具有较强的鲁棒性。
　　自适应控制
　　自适应控制具有参数辨识功能，能适应悬架载荷和元件特性的变化，自动调整控制参数，保持其性能最优。应用于车辆悬架系统自适应控制方法主要有模型参考自适应控制和自校正控制两类，其中自校正控制是目前应用较广的一类。采用自适应控制的车辆悬架阻尼减振系统能改善车辆的行驶特性，在德国大众汽车公司的底盘得到了应用。
　　预测控制
　　车辆悬架系统的预测控制是指通过传感器；阵车辆前方路面信息预先传给悬架装置，使参数的调节与实际需求同步。预测控制可以通过某种方法提前测得前方路况的信息，使得控制系统有足够的时间采取措施。预测控制可以分为两类：一是用前轮悬架的状态信息对后轮悬架进行预测控制；二是测量车辆行驶过程中前方道路的状态信息，以此信息来对前后轮悬架进行预测控制。采用预测控制的关键是要获得具有一定精度、不受干扰和反映路面真实情况的信息。由于车辆参数的时变性和非线性对系统性能的影响，使得具有预测控制性能的半主动悬架研究具有一定困难。
　　神经网络
　　神经网络是近20年来迅速发展起来的一门新兴交叉学科，它是以大量处理单元(神经元)为节点，按某种拓扑结构所构成的高度并行的非线性动力学系统，其特点是具有自学习能力和大规模并行处理的能力，因而在车辆悬架系统减振控制中有着广泛的应用前景。
　　目前，神经网络控制方法越来越多地应用在特定环境以及采用固定描述方式的多种目的的设计中。汽车半主动悬架系统具有非线性特点，常规的控制策略对非线性系统有一定的局限性，神经网络的控制方法在车辆悬架控制系统中有着广泛的应用前景。

       滑模变结构控制
　　滑模变结构控制是控制理论的一个重要分支。它适用于线性或非线性系统，方法简单，易于实现，对模型参数的不确定性和外界扰动具有高度的鲁棒性。滑模变结构控制本质上是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性，这种控制策略与其它控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中根据系统当前的状态(如偏差及其各阶导数等)有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动不灵敏、无需系统在线辩识，物理实现简单等优点。
　　模糊控制
　　自20世纪90年代以来，模糊控制被应用到汽车半主动悬架系统的控制中。模糊控制是一种新型智能控制技术，与传统控制相比，其系统的鲁棒性好，尤其适用于非线性、时变和滞后系统。它的最大特点是允许控制对象没有精确的数学模型，使用语言变量代替数字变量，与人的智能行为相似，由于车辆的部分参数经常变化以及在不同道路条件下行驶等特点，模糊控制尤为使用。
　　半主动悬架发展趋势
　　汽车悬架控制系统的研究与开发是车辆动力学与控制领域的国际性前沿课题，开发具有安全、舒适和清洁高效、节能、智能控制的悬架是车辆悬架系统发展的方向。
　　(1)控制策略的研究。半主动悬架系统的控制几乎涉及了所有的现代控制理论和方法，但由于每种控制方法都有其各自的优缺点，因此，综合应用多种控制方法是半主动悬架控制发展的方向。
　　(2)控制器的研究。智能化控制器能够根据路况和汽车振动等信息，自动地调节悬架系统的参数，使汽车具有良好行驶平顺性和稳定性。
　　(3)可控减振器的研制。研究与开发可靠的电流变和磁流变可控减振器。开发低成本和高可靠性的传感器，以及高性能微处理器是半主动悬架实用化的前题。目前，磁流变液虽然已进入商品化阶段，但在减振器上使用还存如噪声、耐久性、稳定性等问题，还需进一步深入研究。