2006-04-21 [
姚嘉伶蔡偉義陳寧
1前言基於經典隔振理論的傳統被動懸架系統無須外部能量輸入，結構簡單，因而獲得廣泛應用，但其只是一種優化折衷方案，不能適應變化的行駛工況和任意道路激勵。主動懸架是一種具有作功能力的懸架，在提高系統效能上具有較大的潛力，但能量消耗大、液壓裝置雜訊大、成本高、結構複雜，到目前為止，僅有少數幾種主動懸架系統成為商業化產品，限於裝載在一些排量較大的高檔車型上。
半主動懸架系統輸入少量的調節能量來區域性改變懸架系統的動特性(剛度或阻尼係數)，結構簡單、可靠性高，因系統動特性變化很小，僅消耗振動能量，故穩定性好，而減小振動的能力幾乎和主動懸架一樣(見表1)。半主動懸架系統所涉及的關鍵技術是設計並實現可控制減振環節和控制策略，這並不比主動控制簡單，有時甚至更加複雜，故而汽車半主動控制懸架系統已成為當今國內外學者和生產商研究和開發的熱點。
表1懸架系統分類
[4][3]
[2][1]
字型：大中小]
注：fb為簧上質量的固有振動頻率；fw為簧下質量的固有振動頻率；△z為相對位移2半主動懸架系統的產生和發展2．1發展簡況
半主動懸架的概念首先由crosby和karnopp於2023年提出，karnopp還提出天棚阻尼控制模型和實現方法。直到20世紀80年代初期才有試驗性的產品問世，但它投入應用的速度比主動懸架快得多。隨著電子技術和計算機技術的發展，半主動懸架逐步從實驗室走向工廠。
2023年，margolis等人提出了「開關」控制的半主動懸架，2023年日本豐田汽車公司開發了具有3種減振工況的「開關」式半主動懸架，並應用於toyotasoarer
[5]280gt型轎車上。2023年，kimbrough在半主動懸架控制方法中引入了lyapunov方法，改進了控制演算法的穩定性。2023年日本日產公司首次將「聲納」式半主動懸架系統應用於maximas轎車上，它可**路面資訊，懸架減振器有「柔和」、「適中」和「穩定」3種選擇狀態。
20世紀90年代以後，研究的顯著特點是新型智慧型材料在半主動懸架上的運用。2023年，prinkos等人使用電流變和磁流變體作為工作介質，研究了新型半主動懸架系統。2023年，採用美國德爾福(delphi)公司磁流變減振器的magneride半主動懸架系統應用在cadillacseville sts高檔車上，此懸架系統能根據行駛情況自動改變減振阻尼。
2．2彈性元件剛度可控半主動懸架系統
彈性元件剛度可控半主動懸架系統是在空氣懸架的基礎上實現的。通過改變彈簧剛度來減振的半主動懸架由hubbard和margolia於2023年提出。c．j．stein利用前饋與反饋相結合的「天棚」控制理論，採用比例壓力控制閥對空氣彈簧進行控制，福特汽車公司在continental markⅶ車型上豐田汽車公司在lexus車型上都成功地推出了電子控制空氣懸架系統。
該系統可以根據乘客數量或載質量、車速、路面狀況等對空氣彈簧的剛度實現有級控制。
汽車彈性元件需承擔車身的靜載，因而實施剛度控制比阻尼控制困難得多，目前在半主動懸架的研究中，對阻尼控制的研究偏多。但空氣彈簧與機械彈簧相比具有剛度低、可調節、質量輕、雜訊低、壽命長等優勢，加上對汽車路面破壞機理的深入認識以及**對高速公路養護的重視，剛度可控半主動懸架的研究日益引起人們的關注。
2．3可控阻尼半主動懸架系統2．3．1傳統可調減振器
傳統可調減振器可分成有級可調和連續可調減振器。由各種開關型的節流閥或連續活門來控制液體阻尼的大小，實現阻尼的有級或連續調節。可調節流閥既可以設定在減振器內部，如日本豐田公司的ls400的可調式減振器；也可以設定在外部的旁通道上，如梅赫西迪—賓士公司的一種可調減振器。
通常有級可調減振器可在2～3個擋位之間快速切換，切換時間為10～20ms，通過電機控制轉閥的旋轉位置，使減振器阻尼在「軟、中、硬」三擋之間變化，其結構及控制系統相對簡單，但在適應行駛工況和道路條件的變化方面有一定的侷限性。還有一種壓電式減振器也可實現阻尼的有級調節，利用壓電負效應，在500v直流電壓的作用下可在5ms的時間內產生500μm左右的位移，經放大後使阻尼力變換閥動作。這種減振器具有較高的響應能力，但要求電壓高、結構複雜。
連續阻尼可調減振器通過步進電機或電磁閥來控制節流閥的流通面積連續調節阻尼sachs公司開發的cdc(continuous-damp-er-control)系統。傳統可調減振器研究和應用早，國內也有很多學者在進行研究
[11-12]
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[9][8]
[7][6]
。已有實車產品，如
，以有級可調減振器為主，並取得了一些
成果。但它們有無法克服的缺點：節流閥製造精度要求高、結構複雜、響應慢等。2．3．2電流變和磁流變減振器
利用新型智慧型材料研製成的電流變和磁流變減振器，減振液黏性可根據施加在上下腔通路上的電場或磁場而調節，阻尼無級變化，其結構簡單，製造成本不高，且無液壓閥的振動衝擊和雜訊，無須複雜的驅動機構，是一種非常有發展前途的可調減振器。電流變液體對電場反應迅速，控制帶寬廣
[13]
。磁流變液體的響應略慢，
但在屈服應力、溫度範圍、塑性黏度、穩定性和雜質敏感性等方面強於電流變液體，在相同的功耗下，其剪下
屈服應力是電流變液體的20～50倍，這樣其減振器體積可小得多為250ka/m，電源為2～25v及1～2a的障礙。
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。因而，磁流變減振器具有更廣闊的應用前
[15]
景。為了滿足減振力要求，電流變減振器要有5kv/mm的電場以及高達6kv的電壓；磁流變減振器磁場強度應
。實現電源和液體特性的長期穩定性是它們在普通汽車系統中推廣應用
已有多家公司研發出了電流變減振器，如德國bayer公司，美國lord公司等。磁流變減振器方面，美國馬里蘭大學航空工程系在磁流變阻尼器的設計理論方面一直處於領先地位，代表世界先進水平，開發了充氣補償結構的汽車磁流變阻尼器。美國lord公司、德爾福公司、福特公司，德國basf公司等已經開發出商業產品。
不僅如此，磁流變減振器系統已經投入實車，如2002 cadillac seville sts車上的磁流變懸架控制系統，它的磁流變液體能在1ms之內響應，因而比以前傳統可調減振器系統快5倍以上。我國在磁流變減振器的研究上做了大量工作，取得了一些成就。國家儀表功能材料工程研究中心研製的磁流變體，其剪下屈服應力基本達到美國lord公司的產品水平。
許多學者進行了懸架磁流變減振器的設計及研究，但目前僅停留在試驗研究階段
[18-19]
[17]
。3半主動懸架系統的主要控制策略
天棚阻尼控制是提出最早的一種半主動懸架控制方法。karnopp提出了近似實現理想「天棚」阻尼的「on-off"半主動控制策略。由於其所需測試儀器少，控制演算法簡單，因而是目前研究最多，也是應用最多的方法。
根據天棚阻尼控制提出的地棚阻尼控制是以非簧載質量為控制物件的一種控制策略。單一的天棚阻尼控制提高了舒適性，卻沒有解決好操縱穩定性問題，地棚阻尼控制則和天棚相反。綜合天棚和地棚阻尼控制的優點而產生的混合阻尼控制演算法
[20]
：f=αfsky+(1-α)fgnd，可以兼顧平/頃性和操縱穩定性的要求，是一種值得研究、
易於投入實用的控制演算法。
線性最優控制的半主動控制策略實現主要通過兩種方法：一是應用有約束雙線性最優控制原理直接確定半主動控制策略，其推導過程和計算方程較為複雜；二是先根據最優控制理論主動控制的控制律，然後由耗能原理設計半主動控制策略，當要求產生主動力時，設半主動控制力為零，而在耗能階段，等於主動控制律要求的控制力，當然這種控制只是部分的最優。
由於獲得了足夠的路面訊號，預見控制能顯著地改善懸架系統效能。對預見控制的研究目前仍侷限於理論研究階段，大部分研究都以線性二次最優理論為基礎。
經典控制理論的pid控制簡單、易實現，具有一定研究價值。和模糊控制等方法結合的復合pid控制應是研究的方向。
自適應和自校正控制的典型控制方法有增益排程控制、參考模型自適應控制和自校正控制。自適應控制能顯著改善汽車的行駛特性
[21-22]
，德國賓士公司的一種轎車上採用了自適應阻尼控制系統。
模糊控制和神經網路控制不需要建立系統精確的數學模型，可以避免因系統建模誤差帶來的影響。另外，模糊控制能減少控制器的儲存空間，降低成本，縮短懸架延時，使控制更加及時、可靠，但這種控制自適應能力差，精度不夠高。神經網路的特點是可學習性和巨量並行性，在汽車懸架振動控制中有廣泛的應用前景。
但不適於表達基於規則的知識因其需要較長的訓練時間，另外它的控制引數沒有物理意義，因而很難進行精確調節。神經網路須與其它控制方法相結合構成復合控制模式才能具有更大的實際應用。
魯棒控制的h∞控制可使振動控制系統對車身質量、輪胎剛度、減振器阻尼系統和車身振動模態等不確定和未知資訊的影響具有較強的魯棒性，同時可大大縮短控制時間和降低能量消耗，文獻
[23]
設計了h∞控制器，比較
了其和「天棚」阻尼方法的減振效能，證實了魯棒控制效能的優越性。滑模變結構控制適用於線性或非線性系統，方法簡單易於實現，對模型引數的不確定性和外界擾動具有高度的魯棒性。文獻
[24]
證明其效果顯著。
除以上控制方法外，許多學者嘗試採用一些新的控制理論來解決半主動懸架的控制問題，在一定程度上取得了一些進展，但都停留在數字**階段。作者運用基於分數導數的復合控制策略來優化半主動懸架系統的控制引數，提高其綜合性能。4研究和開發工作展望
4．1注重剛度可調半主動懸架的研究
剛度可調半主動懸架在汽車的應用中有其不可替代的作用，特別是在重型載貨車和大客車上，我國對其研究較少，與汽車發達國家差距較大。剛度和阻尼均連續可調的智慧型半主動懸架具有很好的應用前景。4．2阻尼可調減振器的研究
傳統可調減振器的研究開發仍有較大的潛力，特別是在原有汽車的改造上。新型可調減振器，特別是磁流變應是研究的重點，包括以下兩個方面：一是磁流變材料相關技術研究，二是磁流變阻尼器相關技術研究。
4．3控制理論的研究4．3．1研究復合控制策略
在半主動懸架系統30年的研究過程中，已經發表的控制研究方法幾乎涉及現代控制理論的所有分支。各種方法均有利弊，綜合應用各種方法開發系統控制器是當前的研究熱點和發展方向。從目前的研究文獻來看，單獨利用某一種控制方法進行研究的很少。
****發達國家大多基於天棚阻尼控制理論、最優控制理論、預見控制理論、模糊控制理論和自適應控制理論為主幹的復合控制策略。4．3．2尋找實用、穩定的控制方法
當前理論上的研究方法雖然很多，其中包括應用現代控制理論中最新的研究成果，但真正投入實際應用的方法並不多。如何針對實際汽車尋找一種實用、可靠、可降低成本的控制策略是今後研究的重點。天棚阻尼控制及其改進方法是乙個主要研究開發方向。
4．3．3重視非線性控制問題的研究和解決。
懸架系統是強非線性和強耦合系統，用線性系統模型對懸架系統的動力學行為的逼近在很多情況下並非總是可靠的，被忽略的非線性因素有時會在分析和計算中引起無法接受的誤差免的時滯
[26]
[25]
。另外，任何系統總存在不可避
，它會導致反饋控制系統預料外的失穩，出現對安全極為不利的輪跳。近年來，很多文獻開始重視
半主動懸架控制的非線性和時滯問題。一種是採用模糊控制、神經網路控制、魯棒控制和智慧型學習系統等智慧型控制來解決非線性的問題。另一種是採用線性模型，而用各種方法來對減振器、彈簧等的非線性進行彌補，如使用「線性反饋」原理性動力學行為。
4．4半主動懸架控制系統的研究和開發思路
首先，通過建立汽車懸架系統動力模型，整合設計感測控制及執行元件、控制電源和電路，設計控制演算法，整合形成半主動懸架智慧型控制系統。為減少反覆試驗次數，採用剛體動力學**軟體，對整合的系統進行**。然後，在試驗室對系統進行隨機振動測試、修改控制演算法；最後，對汽車半主動懸架系統進行道路測試，綜合評價懸架系統的減振效能，經反覆完善而開發出成品。
更進一步，對汽車上半主動懸架系，統和其他電控系統，
[27]
。為了避免採用智慧型控制時的盲目性或各種彌補方法時的不確定性，需要建立符合實
際汽車懸架的非線性動力學模型，採用非線性系統動態分析和數值模擬技術，比較全面地了解懸架系統的非線
如轉向、驅動、防抱死等系統進行聯合控制，對各控制項和功能進行整合，形成一體化電控底盤。5結束語
隨著經濟的發展和技術的進步，人們對汽車懸架效能要求的進一步提高，以及近年來具有越野功能汽車的流行(如多功能運動車suv，多功能商務車mpv)，半主動懸架系統的商業化程序必將進一步加快，必將在轎車、多功能車、重型汽車和軍用汽車上得到普及。
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