车辆动力学作业

摘要

随着科技的发展和进步，人们对汽车的要求不仅局限于代替行走，而且更加注重汽车在行驶过程中的平顺性(舒适性)和安全性(操纵稳定性)。悬架系统的主要作用是有效地减缓路面不平而引起的车体振动平顺性以及操纵安全性。因此，悬架系统是提高车辆平顺性和操纵稳定性、减少动载荷引起零部件损坏的关键。随着汽车性能的不断完善与发展，对悬架也提出了更高的要求。为了满足现代汽车对悬架提出的各种性能要求，悬架的结构形式一直在不断地更新和完善。事实上，被动悬架的潜力在目前已接近极限，为了克服传统的被动悬架对汽车性能改善的限制。近年来，汽车工业中出现的主动悬架成为了一条改善汽车悬架性能的新途径。

本文主要对介绍了悬架的被动控制、半主动控制和主动控制，重点介绍了悬架主动控制的方法来提高行驶平顺性和改善操纵稳定性。

关键词：悬架，平顺性，操纵稳定性，主动悬架，控制系统

目录

摘要......................................................................................................................... I 引言 (1)

1. 车辆悬架控制系统的类型 (1)

1.1. 被动控制 (1)

1.2. 半主动控制 (1)

1.3. 主动控制 (2)

2. 常用的控制方法 (2)

2.1. 天棚阻尼器控制方法 (2)

2.2. 自适应与自校正控制方法 (3)

2.3. 鲁棒控制方法 (3)

2.4. 预见控制方法 (3)

2.5. 模糊控制方法 (4)

2.6. 神经网络控制方法 (5)

3. 结语 (6)

4. 参考文献 (6)

引言

自70年代以来，工业发达国家开始研究基于振动主动控制的主动/半主动悬架系统。引入主动控制技术后的悬架是一类复杂的非线性机、电、液动力系统，其研究进展和开发应用与机械动力学、流体传动与控制、测控技术、计算机技术、电子技术、材料科学等多个学科的发展紧密相关[1]。近十年来，这些学科的发展为悬架系统从被动隔振走向振动主动控制奠定了基础。尤其是信息科学中对模糊理论、人工神经网络、进化计算的研究，在理论上取得引人瞩目进展的同时已开始得以应用，其中包括车辆的减振和牵引。因此，车辆悬架振动控制系统的研究不仅在理论上和方法上取得了显著的进步，而且也出现了工程实际应用的可能。

1.车辆悬架控制系统的类型

车辆悬架的振动控制分为被动控制、半主动控制和主动控制三种基本类型[2]。凡不需要输入能量的振动控制称为被动控制；输入少量能量调节阻尼系数的控制称为半主动控制；通过输入外部能量使控制机构给于悬架系统施加一定控制力的振动控制称为主动控制。

1.1.被动控制

被动控制由于无需输入外部能量和结构简单等优点而获得广泛应用。目前使用最普遍的是单筒式液力减振器和套筒式液力减振器两种类型。单筒式减振器内有油气两种介质，通过浮动活塞隔开油腔和气腔。由于密封问题易造成油气混合而使介质变得易压缩，降低了阻尼作用。套筒式减振器采用全液力阻尼，通过活塞内的节流孔和内筒下部的阀门产生阻尼效果，内筒和外筒的腔体用以调节活塞杆运动时内筒油腔内的油量变化。这两种减振器在工作过程中不能调节阻尼大小，不能满足车辆悬架振动控制的特性要求。因此，被动控制的减振效果较差。

1.2.半主动控制

半主动控制的研究工作始于1974年美国加州大学戴维斯分校Karnopp的研究工作[3]。通过输入少量控制能量调节减振器的液力阻尼，改善悬架的振动特性。半主动控制系统采用on-off(开关式)控制或分段控制策略，因而在路面随机激励作用下使悬架系统具有强非线性动力特性[4]。应用半主动控制的悬架系统由于车身的结构振动而造成的高频不平顺性的研究表明，若用开关式控制减振器替代连续改变阻尼的减振器，或者控制回路中的时滞超过5ms，其后果明显恶化[5]。总

之，建立合理而简单的理论模型揭示其非线性动力特性是目前车辆悬架半主动控制的重要理论课题。

1.3.主动控制

通过输入外部能量施加一定控制力的悬架主动控制大多采用流体传动的控制系统。主动控制的研究首先始于轨道车辆的悬架振动控制[6]。用于汽车的主动控制悬架的最初装置是由AP(Automotive Products)公司基于气液悬架发展的一种机械系统[7]。近年来，Nissan(日产)和Toyota(丰田)公司宣布在轿车上成功地应用了液力主动悬架[8]。

图1.1所示1/4主动悬架

2.常用的控制方法：

2.1.天棚阻尼器控制方法

天棚阻尼器控制理论系由美国的DKARNOPP教授提出[9]，在主动控制悬架的控制中被广泛采用。一个弹簧加阻尼器的被动悬架系统的模型。而天棚阻尼器控制则设想将系统中的阻尼器移至车体与某“固定的天棚”之问就主动悬架系统而言，也就是要求由执行机构产生一个与车体的上下振动绝对速度成比例的控制力来衰减车体的振动。传统的被动悬架可以认为是带阻尼器的双质量振动系统，当考虑到带宽和系统的共振特性时，传统被动悬架性能不能令人满意。天棚阻尼器控制只考虑了幅频特性，不包括相频特性，这就产生了用传递函数评价性能指标的不确定性问题[10]。但带天棚阻尼器的汽车悬架，只要合理选择参数，可彻底消除系统共振现象[11]。

2.2.自适应与自校正控制方法

自适应与自校正悬架系统可看作一个可自动改变其控制律参数以适应于车辆当前的工作条件的控制系统。自适应一般发生在车辆行驶过程中的，具有较慢统计特性变化的干扰，即路面输入干扰。自校正是指对运行初始的静态干扰，如车身质量的变化[12]。

自适应与自控制方法的基本思想是根据系统当前输入的相关信息，从预先计算并存储的参数中选取当前最合适的控制参数。其设计关键的选择能准确，可靠地反映输入变化的参考变量。只要变量选择得当，控制器即可快速，方便地相应改变控制参数以适应当前输入变化[13]。车辆参数变化可能显著影响系统的输出，这将会使控制器难以区别系统输出的变化是来自于路面输入的变化或是来自于车辆参数的变化，从而选择不到真正合适的控制参数。考虑车辆参数变化较大的情况，可采用自适应于路面输入和车辆参数的变化的自校正控制系统。

2.3.鲁棒控制方法

鲁棒控制是80年代出现的新理论，是目前解决鲁棒控制问题比较成功且比较完善的理论体系。它的设计原则，是在保证闭环系统各回路稳定的条件下，对系统闭环传递函数的无穷范数进行优化，从而使系统在存在参数变化、建模误差、测量噪声和外界扰动输入的情况下，保证闭环系统的稳定性，并进一步实现系统的鲁棒性能[14]。Palmeri P.S等人用谱范数方法对主动悬架进行了研究[15,16]，控制器已用于实车，并获取了有效的实验数据，作者指出采用鲁棒控制器能模拟由于车身质量、轮胎刚度、减振器阻尼系数等变化而引起的不确定误差，并可大大缩短控制时间和降低能量消耗，控制具有较强的鲁棒性，并得出鲁棒控制器是一种适合主动悬架控制多目标特点的控制器[17]。

2.4.预见控制方法

当遇到较大或突变的干扰时，由于系统的能量供应峰值和元件响应速度的限制，很可能无法输出所需的控制力而达不到希望的控制效果。而预见控制，由于通过某种方法提前检测到前方道路的状态和变化，使系统有余地采取相应的措施，有可能降低系统的能量消耗且大幅度改善系统控制性能，取得一举两得效果。

根据预见信息的获取及利用方法的不同，可构成不同的预见控制系统[18]。现有的研究中大致有如下两种:

a.对四轮全进行预见控制这种预见控制系统在车的前部设置有特制的预见传感器以测试前方道路的凹凸情况，然后将这些信息传至控制器。控制器根据这