半主动空气悬架最优控制

汽车理论——悬架

4.有关悬架的分析及讨论（1）悬架功能与基本组成；悬架功能悬架是汽车的车架（或承载式车身）与车桥（或车轮）之间的一切传力连接装置的总称，其作用是传递作用在车轮和车架之间的力和力扭，并且缓冲由不平路面传给车架或车身的冲击力，并减少由此引起的震动，以保证汽车能平顺地行驶。

基本组成典型的悬架结构由弹性元件、导向机构以及减震器等组成，个别结构则还有缓冲块、横向稳定杆等。

弹性元件又有钢板弹簧、空气弹簧、螺旋弹簧以及扭杆弹簧等形式，而现代轿车悬架多采用螺旋弹簧和扭杆弹簧，个别高级轿车则使用空气弹簧。

（2）主动悬架、半主动悬架控制原理；汽车的主动悬架系统是在普通悬架系统中附加一个可以控制阻尼作用力的装置，由执行机构、测量系统、反馈控制系统和能源系统四部分组成。

主动悬架能够根据汽车的运动状态和路面状况，适时地调节悬架的刚度和阻尼，使悬架系统处于最佳减振状态，使车辆在各种路面状况下都会有良好的舒适性。

主动悬架的关键部位是其执行机构，也就是可以调节的悬架阻尼系统。

当汽车载荷、行驶速度、路面状况等行驶条件发生变化时，主动悬挂系统能自动调整悬挂刚度（包括整体调整和各轮单独调整），从而同时满足汽车的行驶平顺性，操纵稳定性等各方面的要求。

半主动悬挂可视为由可变特性的弹簧和减振器组成的悬挂系统，虽然它不能随外界的输入进行最优控制和调节，但它可按存贮在计算机内部的各种条件下弹簧和减振器的优化参数指令来调节弹簧的刚度和减振器的阻尼状态。

半主动悬挂又称无源主动悬挂，因为它没有一个动力源为悬挂系统提供连续的能量输入，所以在半主动悬挂系统中改变弹簧刚度要比改变阻尼状态困难得多，因此在半主动悬挂系统中以可变阻尼悬挂系统最为常见（3）对主动悬架控制策略的理解及其相关思考。

其优点可归纳为如下几个方面：（1）悬挂刚度可以设计得很小，使车身具有较低的自然振动频率，以保证正常行驶时的乘坐舒适性。

汽车转向等情况下的车身侧倾，制动、加速等情况下的纵向摆动等问题，由主动悬挂系统通过调整有关车轮悬挂的刚度予以解决。

汽车悬架振动主动控制技术

汽车悬架振动主动控制技术对于提高汽车的性能有着至关重要的作用。根据汽车行驶过程中路面的实际情况，汽车可以及时的产生所需要的控制力，使达到控制车身震动和最优减震的状态。汽车的悬架主动控制系统能够提高汽车在行驶过程中的稳定性，改善乘客乘坐汽车的舒适度。而且随着汽车主动悬架控制技术的发展，节约能源减少噪音也成为该技术一项新的目标。
Ｎｏ．２１，２０１３
现代商贸工业ＭｏｄｅｒｎＢｕｓｉｎｅｓｓＴｒａｄｅＩｎｄｕｓｔｒｙ
２０１３年第２１期
汽车悬架振动主动控制技术
王艳霞
（国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京１００１９０）
方向。
１悬架振动主动控制技术的类型和原理
由于现代科学技术的高速发展，现代汽车对于主动悬架的性能提出了更高的技术性要求，这就需要应用现代科学技术不断地完善和更新悬架的振动控制方法和结构形式来配合新技术的发展，悬架的分类方式和结构形式有很多，我们主要介绍根据控制力的分类，将主动悬架系统分为被动、主动和半主动三种类型的悬架。被动悬架系统在确定之后，汽车在行驶过程中就不能随着外界条件的改变而改变，由于不能够随意改变和选的是为了使得汽车车身与车轮之间弹性连接和正常运行，减少荷栽、缓和冲击力、使车

浅析汽车主动悬架系统的发展和控制策略

科技论坛
・２９・
浅析汽车主动悬架系统的发展和控制策略
邱亚宇
摘
（南京信息职业技术学院，江苏南京２１００４６）要：介绍了国内外汽车主动悬架控制系统发展和主要控制策略，重点论述了汽车主动悬架控制系统的应用和发展，最后列举了
目前主动悬架的控制策略和优缺点。
关键词：主动悬架；应用；发展；控制策略
随着现代汽车对乘坐舒适『生和行驶安全Ｊ生的要求提高，设计一个起步比较晚其中上海交通大学、清华大学、吉林大学和同济大学等科研具有良好综合陛能的悬架成为现代汽车研究的一个重要课题。传统被院所都开展了一些研究工作，对主动悬架进行了一些理论研究和试验动式悬架系统的弹『生元件其刚度和阻尼是固定值，在汽车行驶过程中方法的研究，仍处于理论探索与数值模拟阶段，相应的试验验证比较无法随路面状况、载荷和车速等因素的变化而变化。由于悬架参数不可少，还没有进入产品研制开发阶段。北京理工大学的章一鸣教授较早地改变，即使参数采用优化设计，也只能对特定的激励具有最佳效果，一对主动悬架进行了理论及试验研究。该校高志彬、黄志刚等人进行了可旦激励发生变化，悬架系统的减振效果很难维持最佳，这一问题注定了控减振器的性能试验研究，试验结果说咀昕十的三级阻尼可调减振被动式悬架系统的性能难以提高。近年来，随着计算机技术和各种控制器Ｉ生能优于传统的被动悬架。方法的发展，汽车主动悬架技术成为汽车技术研究的—个重要方向。这２主动悬架系统的控制策略种主动悬架系统，可随汽车行驶状况而自适应地通过作动器控制悬架汽车主动悬架的研究工作包含两个方面：一方面是执行器的开发，动力响应、或自动调节悬架的刚度和阻尼参数，具有优良的减振性能，另一方面是控制策略的研究，两方面较好的配合才会使悬架系统的性也有利于车辆的操纵稳定Ｉ生。能达到理想的效果。上世纪五十年代形成完整的经典控制理论，采用频１主动悬架系统国内外发展状况率响应法和根轨迹法这些图解分析方法分析系统性能和设计控制装在汽车悬架系统的发展史上，是１９５４年美国ＧＭ汽车公司的Ｅ置。历史的实践汪明经典控制理论十分有效的。ｓｐｉｅｌＬａｂｒｏｓｓｅ首次提出了主动悬架的概念。雪铁龙早在２０世纪５０年随着状态空间空间法的应用而出现的现代控制理论，它可以解决代初期就将电控主动液压悬架装备在其１５车型上，但实现大规模的批多输人多输出的多维空间系统，研究的系统复杂性不断提高，其已开始量使用则是在稍后推出的ＤＳ系列车型上Ⅲ 。向智能控制方向发展。目前应用于主动悬架系统的控制理论比较多，常１９６５年，Ｗ．０．Ｏｂｓｏｎ和ｋＲ￣Ａｌｌｅｎ作了类似的研究工作。此后，Ｔ．Ｈ．见的控制方法主要有以下３种：Ｒｏｃｈｗｅｌｌ，Ｓ．Ｋｉｍｉｃ￣和Ｍ．Ｌａｗｔｈｅｒ做了用伺服机构作为主动元件的理论２．１天棚阻尼控制。美国著名控制专家Ｋａｒｎｏｐｐ在二十世纪七十年研究。早期研究的主动悬架数学模型是不考虑非簧载质量和轮胎特ｌ生代初提出了天棚阻尼的概念。这种方法的思想就是在车身上安装一个的单自由度系统。与车身振动速度成正比的阻尼器，使阻尼器产生的力与车身竖直方向１９７６年Ｔｈｏｍｐｓｏｎ首先将全状态反馈最优控制理论应用于主动悬的运动相抵抗，便可以Байду номын сангаас效地防止车身与悬架发生大的共振。这种方法架的研究中。１９８４年他又利用部分状态反馈最优控制理论构造了次最简单，所需要的车身传感器数量也较少，不需要非常复杂的悬架系统模优反馈阵。随后，Ｔｈｏｍｐｓｏｎ和Ｐｅａｒｃｅ把两个自由度模型扩充到四个型，实现起来比较简单。后来ｋａｒｎｏｐｐ又提出了开关阻尼的概念，这种自由度模型。方法是天棚阻尼的延伸，目前已被美国通用汽车公司应用于某型号车并取得了良好的效果。１９８６年，Ｒ．Ｍ．Ｃｈａｌａｓｓａｎｉ研究了整车模型的行驶Ｉ生能。Ｐ．Ｂａｒａｋ和上，２．２智能控制。近些年来智能控制取得了很大的发展，最有代表ｆ生的Ｄ．Ｈｒｏｖａｔ用计算机模拟激励的方法，比较了主动悬架的优趱陛。用性能指数１Ｉ表示主动、半主动、和被动悬架的性能。对一组特定的 Ⅱ 加权便是模糊控制和神经网络控制。模糊控制是由美国动控制理论专家扎计算模拟的激励结果显示采用半主动悬架和主动悬架的车辆其各项指德ｆＬ＾Ａ．ｚａｄａｈ艉出来的，通过一定的发展，模糊控制理论已经成为人们所研究的一个热门课题。在汽车悬架控制方面，Ｙｏｓｈｉｍｕｒｏ教授将模糊控标多下降了很多。１９５５年法国Ｃｉｔｒｏｅｎ汽车公司研制出一种液压一空气悬架系统，制理论首先应用到汽车主动和半主动悬架中。汽车悬架可以看作是用可以使汽车具有较好的行驶平顺性和乘坐舒适性，由于它的制造工序组非线『生微分方程来描述的非线性系统，利用模糊推理方法可推导过于复杂，最终未能普及。１９８２年美国ＬＯＴＵＳ汽车公司研制出有源主出合适的阻尼力，实验结果显示采用模糊控制理论设计的控制器可使动悬架系统，瑞典ＶＯＬＶＯ汽车公司在其车上安装了实验ｆ生的ＬＯＴＵＳ主动悬架的性能得到有效提高，提高了汽车行驶的平顺性。模糊控制和主动悬架系统。１９８３年日本ＴＯＹＯＴＡ汽车公司在Ｓｏａｒｅ轿车上采用了神经网络控制能够为特殊条件下的模型处理问题提供有效的方法。可阻尼可调的减振器。１９８６年丰田又在Ｓｏａｒｅ车型采用了能分别对阻尼以认为智能控制将是２１世纪控制领域的核心技术，智能控制的发展必和刚度进行三级调节的空气悬架，１９８９年ＴＯＹＯＴＡ在Ｃｅｌｉｃａ车型上装将推动科技的发展，从而对社会进步的推动力是不可估量的。置了真正意义上的主动油气悬架系统福特汽车公司在１９８４年底的２．３混合控制。当前用于汽车悬架振动的控制策略比较多，单一控制ＬｉｎｃｏｌｎＣｏｎｔｉｎｅｎｔａｌ车上装备了电控空气悬架系统，可以有效地实现隔策略可以使某一控制目标达到理想的效果，但很难达到多个控制目标振和高度调整。同时满足要求的要求。因为各种控制策略都有自身无法弥补的缺陷，考１９８８年雪铁龙公司正式将装备有液压悬架的ＸＭ车型正式命名虑到一方面则往往另一面就会有损失。因此常将多种控制方法结合起为第一代主动液压悬架系统，之后雪铁龙又在其生产的ＸＡＮＴＩＡ系列来对悬架系统进行混合控制，例如将模糊控制和神经网络控制混合设车型装置了第二代主动液压悬架，这一代新型主动悬架大大地提高Ｅ — 计应用于奔驰高级轿车和重型坦克，这种混合控制策略同样适用于汽ＣＵ控制单元的计算速度，同时有运动和舒适两种模式可供选择。到目车主动悬架这样复杂的非线性系统，仿真结果显示均能取得良好的效前为止，雪铁龙的主动液压悬架已发展到第三代，并装备于其ｃ５、ｃ６果，从长远来看，混合控制方法将是今后悬架控制策略研究的一个很重系列车型上。其第四代主动液压系统也在研发当中［３１。２０世纪９０年代要方向。日本ＮＩＳＳＡＮ汽车公司在ＩｎｉｆｎｉｔｅＱ４５轿车上也装备了液压主动悬架。参考文献此外，德国Ｐｏｒｓｃｈｅ、美国Ｆｏｒｄ，德国Ｂｅｎｚ、通用、克莱斯勒、雪铁龙［１ Ⅱ ．Ｅｓｋｉ，Ｓ．Ｙｉｄｉｒｉｍ．ＶｉｂｒａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌｏｆＶｅｈｉｃｌｅＡｃｔｉｖｅＳｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｔｅｍＵｓｉｎｇａＮｅｗＲｏｂｕｓｔＮｅｕｒａｌＮｅｔｗｏｒｋＣ

基于Simulink的车辆半主动悬架建模仿真及控制器设计

0引言车辆的安全性、操作稳定性及乘坐舒适性是车辆在行驶过程中非常重要的性能指标，而悬架系统作为车辆的重要部分，对其有重要的影响。

随着汽车技术的发展，车辆主动悬架慢慢地取代了被动悬架，而对于悬架控制器方面的设计也层出不穷。

常用的主动悬架的控制方法有自适应控制、模糊控制、神经网络智能控制及最优控制等，而最优控制作为现代控制理论的核心，理论基础最为完善。

通过线性最优控制算法，综合考虑悬架系统的各因素，设计一个半主动悬架最优控制策略，与被动悬架进行对比研究，从而起到对系统性能的改善。

1系统模型的建立结合研究对象建立如图1所示1/4车辆简化模型。

以牛顿运动定律为基础建立运动方程，如下：（1）同时建立滤波高斯白噪声路面的输入数学模型，如下：（2）式中，x g -路面的垂向位移（m ）；f 0-下截止频率（Hz ）；G 0-路面不平度系数（m 3/cycle ）；ω-期望值为零的高斯白噪声；u-前进速度（m/s ）。

由式（1）和式（2）将方程写成相应矩阵形式，可得系统的空间状态方程：（3）（4）式中为系统的状态矢量，其中x ̇b 为簧载质量速度；x b 为簧载质量位移；x ̇w 为非簧载质量速度；x w 为非簧载质量位移；x g 为路面位移；U 为作动器控制力输入矩阵；W为白噪声输入矩阵。

2控制器设计对于车辆悬架设计来说，主要性能指标有轮胎动位移（轮胎接地性）；悬架动行程（影响车身布置及结构设计）；车身垂向振动加速度（乘坐舒适性）。

由此利用最优控制理论可设计控制器性能指标的表达式如下：（5）式中q 1-轮胎动位移的加权系数，q 2-悬架动行程的加权系数，q 3-车身垂向振动加速度的加权系数，T-时域。

从表达式中可以看出三个加权系数的选取决定了悬架性能的好坏，如果悬架系统目标为提高乘坐舒适性，则可选择车身垂向振动加速度较大的权值；若悬架系统目标为提高车辆的操作稳定性，则可选择轮胎动位移较大的权值。

因此在本研究中选取车身垂向振动加速度的加权系数q 3=1。

汽车主动悬架系统的离散最优控制

近十几年来，汽车悬架系统的理论和应用研究
移，主动悬架产生的控制力．为
都得到了专家学者的高度关注．汽车悬架作为汽车
根据牛顿第二定律，该系统的运动方程为
的基本组成部分之一可分为被动悬架ｆ半主动悬１］、ｍ（）ｆ￡＝，ｄ。－（）０ｔ架闭主动悬架．主动悬架由于能持续有效地改和ｍ（）ｆ（）（）０．ｄ）￡ｔ】＝变路面扰动引起的车身振动能量，在改善汽车的乘其中，坐舒适性和操作性能方面具有非常好的潜力．作为）（）ｌ］ｃ（）（）．＝￡— ）。一］（）ｚ＋［（＋汽车主动悬架设计的主要技术之一，二次型最优控汽车受到的路面激励为谐波函数：制理论和方法得到了广泛地研究和使用翻本文主要．（）ｏ（＋＝ｅｓ）．研究１４汽车主动悬架系统的离散最优控制问题．１首先，将系统的汽车主动悬架模型化为离散系统；其次，通过引入路面扰动补偿向量的方法网研究了系，统的前馈反馈最优控制器的设计方法．该控制器对路面扰动输入具有较好的鲁棒性．
（）（）面ｆ￡，）（）＝ｔ＋ｚ）ｌ￡；０＝０．（＋（；（）６
其中，
（）７
一ｕ
爪
Ｌ一
为得到式（）的离散化系统，选择采样周期６
图１汽车主动悬架模型
Ｆｇｑａｔ．ｒｍｏｅｗｔｎａｔｅｓｓｅｓｎｉ．ｕｒｒｃｄｌｉａｃｖｕｐｎｉ１ｅａｈｉｏ
第７第４卷期
２００８年１月２

一种改进的加速度阻尼半主动控制策略研究

一种改进的加速度阻尼半主动控制策略研究郭孔辉;王杨【摘要】经典的开关型天棚控制和加速度阻尼控制各有其优缺点:天棚控制在低频区(车身振动偏频附近)控制效果较好,加速度阻尼控制则在高频区(车身振动偏频以上)控制效果较好.为能在全频域内有效地降低车辆振动加速度,以提高车辆的乘坐舒适性,提出了一种改进的加速度阻尼控制(结合了天棚控制和加速度阻尼控制的优势),并从相频的角度对上述控制方法进行理论分析,证明了提出算法的优越性.最后进行MATLAB/Simulink仿真和可控减振器的硬件在环试验,从时域和频域两方面验证了算法的有效性.【期刊名称】《汽车工程》【年(卷),期】2019(041)005【总页数】6页(P481-486)【关键词】半主动悬架;天棚控制;加速度阻尼控制;全频域【作者】郭孔辉;王杨【作者单位】吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春130022;吉林大学,汽车仿真与控制国家重点实验室,长春130022【正文语种】中文前言独立悬架可分为麦弗逊、双横臂、多连杆等多种形式。

弹性元件起承载作用，主要分为钢板弹簧、扭杆弹簧、螺旋弹簧和空气弹簧等。

阻尼元件起减振作用，包括被动减振器和阻尼可调减振器，其中阻尼可调减振器包括电磁阀控阻尼可调减振器和电／磁流变液阻尼可调减振器等。

根据阻尼或刚度调整范围和功耗的考虑，悬架也可分为阻尼自适应悬架、半主动悬架、慢主动悬架和全主动悬架等［1］。

综合考虑能耗、控制带宽和系统的稳定性等因素，半主动悬架能够在性能和成本等方面达到最好的折中。

针对半主动悬架控制算法的研究受到国内外学者的广泛关注［2］，也提出了诸多控制算法，诸如基于参考模型的滑模控制［3-5］，鲁棒控制［6-7］和最优控制［8-10］等。

在算法实时性、简便性和工程实现等方面，其中以Karnopp等最早提出天棚控制策略（skyhook control，SH）最为著名［11］。

目前天棚控制是研究和工程应用最广泛的半主动控制策略之一。

车辆半主动悬架技术的发展现状

Ｍａｎｓｎ公司的ｎｅｍａｎＴｈｍａＫｕｓｈ和ｏｓｔｃｅ
ＭａｔｉｓＲａｌｔｈａｕｆ以及ＷＡＢＣＯ公司的ＨａｓＯｔｏｎ — ｔ
为了克服被动悬架的上述缺陷。们尝试了许人
多方法．采用非线性变刚度弹簧，得了一定的效如取
维普资讯
２０年第６０６期
内蒙古石油４ｘ￣．－
４５
车辆半主动悬架技术的发展现状
高石，中丽，素贞谷王
（北京理工大学机械与车辆工程学院电动车辆工程系技术中心）
便不再是最优。
最大和最小节流孔通流面积之间连续变化的阻尼控制阀；／型阻尼控制是在减振器上采用较为简单开关的控制阀，需控制最大、等和最小的有效通流面仅中积进行有级调节。Ｍａｇｌｕｏｉｓ等人于１７９５年演示了 “ ／ ” 制的开关控半主动悬架。能产生较大的阻尼力，种悬架改进它这后在近十年汽车工业界得到应用。日产公司也研制了一种 “ 纳 ” 半主动悬架。声式它可通过声纳装置预测前方路面信息，振器有“ 减柔和 ” “ 中 ” “ 定 ” 种选择状态。日本丰田的、适和稳三ＬＥＸＵＳＩＳＯＧＴ型轿车的减振器阻尼也有３种档４Ｏ位可供选择。

车辆半主动悬架改进型天棚阻尼控制算法

汽２０１５年（第３７卷）第８期
车
工
程
ＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１５１６０
车辆半主动悬架改进型天棚阻尼控制算法
张磊，张进秋，彭志召，毕占东，黄大山
１０００７２）（装甲兵工程学院装备试用与培训大队，北京
ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｓｋｙ — ｈｏｏｋｄａｍｐｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍａｓｃｏｍｐａｉｓｒｏｎｒｅｆｅｒｅｎｃｅ，ａｓｕｓｐｅｎ—
ｓｉｏｎｐｅｆｏｒｒｍａｎｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｌｇｏｉｔｒｈｍｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｃｏｎｖｅｎ— ｔｉｏｎａｌｓｋｙ — ｈｏｏｋｃｏｎｔｒｏｌｌｇａｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｍｏｄｉｉｅｆｄｓｋｙ — ｈｏｏｋｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｒｅｄｕｃｅｔｈｅａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｒｉｄｅｃｏｍｆｏｒｔｏｆｖｅｈｉｃｌｅｗｉｔｈｔｈｅｍｅｒｉｔｓｏｆｂｅｉｎｇｓｉｍｐｌｅ，ｐｒａｃｔｉｃａｌｗｉｔｈｌｅｓｓｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｅｆｆｏｒｔｓ，ｓｕｉｔ — ａｂｌｅｆｏｒｖｅｈｉｃｌｅｖｉｂｒａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏ１．