主动悬架控制系统的研究现状与发展趋势

周良生+雷盼飞

摘要：主动悬架能够充分发挥悬架系统的隔振能力，提高车辆行驶平顺性和操作稳定性，已经成为当前汽车悬架发展的热门方向。随着控制算法的不断优化，传感器、控制器性能的不断提升以及成本的降低，主动悬架必将成为未来车辆悬架系统的普遍配置。

关键词：主动悬架；控制策略；发展方向

0引言

悬架是现代汽车上的重要组成部分，它把车身（或车架）与车轮（或车轴）弹性地连接起来，传递作用在车身与车轮间的力以及力矩，并且缓和由于路面的不平而引起的冲击载荷，削弱由此带来的振动。车辆悬架对汽车的操纵稳定性、行駛平顺性、通过性等都具有重要影响，因此悬架的设计调教一直是汽车研究人员重点关注的问题之一。

1主动悬架系统及国内外研究现状

1.1主动悬架系统

主动悬架的基本原理是靠自身的能源通过执行元件对振动进行“主动”干预，其不再有传统意义上的弹簧刚度和阻尼特性，悬架中的弹簧和减振器全部或者至少部分被执行元件所取代。系统还包括各种必要的传感器、信号处理器和控制单元。控制单元根据检测到的各种信号判断汽车的当前状态，并根据事先设定的控制策略决定执行元件输出的力，满足系统要求。主动悬架具有更好的平顺性，但结构复杂、质量大，而且要消耗相当一部分发动机功率。

1.2主动悬架系统的国内外发展现状

国外关于车辆主动悬架系统的研究已有四十多年的历史，特别是20世纪80年代后，美、日、德、英等发达国家非常重视这项研究。目前，世界各大汽车公司及相关研究机构都在投人相当大的人力和物力，研制性价比高的车辆悬架系统，以便在车辆上得以广泛应用。如德尔福公司生产的磁流变减震器（MagneRide）已应用于Chevrolet Corvette、卡迪拉克Seville旅行车和Audi TT跑车等多种车型的半主动悬架系统中；梅塞德斯-奔驰S级、CL级和SL级等车型上装备了其研发的ABC主动液压悬架系统；最新的AudiA8L轿车装备了AAS主动空气悬架；Audi A6L Quattro 车型、辉腾、BMW 7 系列轿车和宝时捷卡宴等车型采用了威布克公司的 ECAS 主动空气悬架系统。

相较于国外已经开始的商业化应用，国内对于主动悬架的研究还基本停留在理论研究阶段。在作动器方面，南京航空航天大学对磁流变减振器进行了实验研究和理论分析，设计和实现了半主动悬架的测控实验系统。重庆大学对磁流变阻尼器的流变理论和设计方法进行了深入的研究，解决了磁流变阻尼器磁路设计和结构设计中的相关技术问题。西北工业大学提出了一种基于电动静液压作动器EHA（Electro—Hydrostatic Actuator）的汽车主动悬架结构。在控制算法方面，结合传统和现代控制理论，进行了各种控制策略的探讨和仿真以及试验，验证了许多控制算法的特性及其控制效果。

2几种主要的控制策略

2.1天棚阻尼控制

天棚阻尼控制，其控制思想是在车身上施加一个与车身绝对速度成正比的阻尼力以抑制车身振动，通过合理的选择有关参数可彻底消除系统共振现象。天棚阻尼控制主要是对车身振动进行有效的抑制，使得舒适性效果好，但是在操稳性方面效果差。基于天棚阻尼的控制方法简单且计算量少，只需要测量车身速度和悬架相对运动速度的传感器，在实际车辆中应用较多。

2.2滑模控制

滑模控制（SMC）又称为变结构控制，本质上是一种非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性，系统的“结构”可以在动态过程中根据系统当前的状态有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，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。其对模型参数的不确定性和外界扰动具有较强的鲁棒性，但是在高频切换时容易引起“抖振”。

2.3最优控制

最优控制是利用最小（最大）值原理，选择一个容许控制u（t），在约束条件下，使系统的性能指标函数取最小（最大）值。最优控制充分考虑了车辆系统中更多状态变量的作用，所以控制效果更好，但是在系统建模时由于忽略了系统的一些复杂因素，因此所建模型与实际的预期有误差，甚至有可能导致系统性能恶化。许多学者将最优控制与其它优化算法或控制算法结合起来，提出了自适应 LQG控制，基于遗传算法的最优控制，预见最优控制等。

3主动悬架系统的发展方向展望

3.1控制算法的复合

控制算法既包括传统控制理论，比如天棚控制、地棚控制、最优控制、滑模控制等，又包括了现代控制理论，比如模糊控制、神经网络控制等。每种控制算法都有其适用性范围、控制的优缺点，单一控制算法总是存在一些无法避免的缺陷，因此当前对于主动悬架控制算法的研究已经逐步从单一算法控制走向多种算法联合控制，这样既能发挥单一算法在某方面的优越性，又能够利用不同算法的差异性进行功能互补，相较于单一控制算法获得更好的控制效果。

3.2控制器与传感器的开发

控制器是控制算法实现悬架系统控制的重要硬件基础，控制器的目标是收集来自车辆传感器的各种类型的信息，进行大量的高速数据运算，并将运算结果即控制命令传递给作动器执行。在主动悬架控制中控制算法运算量大，而且控制过程的时间要求非常短，因此如何提升控制器的运算效率是当前的主要困难。传感器是控制器的信息来源，也是主动悬架系统实现主动控制的依据。当前虽然各种类型的传感器都已经存在于市场，但是尺寸大、精度低、稳定性差、价格昂贵等问题依然是困扰传感器进一步发挥作用的阻碍。

3.3作动器和车身的研制

目前磁流变液减震器虽然已进入商品化阶段，但在使用上还存在如噪声、耐久性、稳定性等问题，还需进一步深入研究。此外，还有许多新型的主动液压、气压减震器，直线电机作动器等都是研究的热门方向。在车身的研制方面，不断优化车辆的结构设计以及与悬架系统的匹配，达到车身与悬架系统的最优匹配，从而降低车身的振动，提升舒适性。

总的来看，主动悬架作为今后车辆悬架发展的一个重要方向，必然会在系统建模的合理化、控制理论复杂化和控制硬件的有效化上不断加大研究力度。相信这些研究会不断丰富主动悬架控制系统的理论基础，推动主动悬架在车辆上的应用。

参考文献：

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