汽车悬架系统主动振动控制初探

张学明

摘 要：汽车悬架系统位于车身和车轮中间，作用在于缓冲地面不平坦带来的震动，保证行车的舒适和安全。现代主动悬架系统和半主动悬架系统有助于控制汽车动力系统的工作状态，促进汽车行驶性能的优化。通过对汽车的主动悬架和半主动悬架系统进行分析，对主动悬架系统的振动控制策略进行了详细探讨。

关键词：悬架系统；振动控制；控制方法；减震器

中图分类号：U463.33 文献标识码：A 文章编号：2095-6835（2014）04-0004-02

悬架系统由弹性元件、导向机构和减振装置组成，是车身和车轮间传力连接装置的总称。在汽车行驶过程中，路面作用力、车轮垂直反力、纵向反力和侧向反力等产生的力矩都要通过悬架系统传递到车身，所以说，悬架系统的减振性能关系到汽车行车的安全和舒适度。

传统汽车悬架系统是一种被动控制系统，其中的弹性元件刚度值是固定的，阻尼元件的阻尼值也是固定的，无法根据汽车行驶情况的变化而变化。在具体设计中，就算是实现了最优化设计，也只能针对某些特定激励产生最优响应，一旦实际行驶中激励出现变化，悬架系统的性能就不再是最优了。由此，设计一个综合性能良好的悬架系统已成为现代汽车研究的一项重要内容。近年来，信息技术和自动控制技术的快速发展为新型悬架系统开辟了道路，为设计出具有良减震性能的悬架系统提供了条件。

1 主动悬架和半主动悬架概述

汽车的主动悬架思想最早由GM公司的Erspiel-Labrosse在悬架设计中提出，紧接着，W.O.Obson和L.R.Lawrther也进行了类似的研究，最后，Thonpson总结了主动悬架的思想和控制规律。

主动悬架系统的工作原理是：传感器采集汽车行驶中的震动信息，并传递给控制中心，控制中心根据震动情况作出一定的判断，并发布控制指令给执行器。在发布指令的过程中，能量源会发出一个控制力，配合执行器采取相应的动作，起到减震效果。图1所示为一个简单的主动悬架系统。主动悬架系统造价高昂，能量消耗大，因而只在一些高级轿车中应用。目前汽车行业多采用半主动悬架系统，虽说减震效果不如主动悬架系统，但相差不大，且具有结构简单、造价低、不需要消耗能量等优点，因而在汽车行业得到广泛应用，图2就是半主动悬架系统。与主动悬架系统相比，半主动悬架系统用可调弹性元件替代力发生器，并与普通弹簧形成并联结构，能根据力控制信号作出相应的控制反应。

早在20世纪80年代，国外就开始将半悬架系统应用于汽车的设计和制造中，这种悬架系统和被动悬架系统相比具有更好的减振性能。1984年，日本推出一种声纳式半主动悬架系统，该系统采用预测控制方法，能预测汽车行驶前方的路况，然后根据信息调整工作状态，以起到减震效果。1994年，Prinkos等人将电流和磁流变流体作为工作介质研究出一种半主动悬架系统，接着，Delphi等人将这一想法付诸实践，研发出一种磁流变流体减震器，设计出新型半主动悬架系统，这种悬架系统大大提高了减震器的动作速度，提高了汽车的减震性能。

2 主动悬架的振动控制策略

信息技术已经深入社会经济生活的方方面面，汽车的悬架系统也进入了微处理器时代，运用最优控制方法实现悬架减振性能的最优化，实现能耗的最低化。目前，较为常见的汽车悬架系统控制方法有天棚控制思想、预测控制、最优控制和智能控制等。

2.1 天棚控制思想

天棚控制思想最早由美国学者Karnopp等人提出，他们提出：在车身上安装一个阻尼器，该阻尼器的阻尼值会随着汽车振动速度的变化而变化，并成正比关系，这样就能有效防止车身与悬架系统发生共振现象，也就能起到减震效果。

天棚控制思想忽略了行车中的很多现实因素，所以说是一种理想状态的车体震动控制策略。Karnopp等人为实现该想法，提出了开关阻尼概念——利用控制信号调节阻尼器的工作状态，调整阻尼值。丰田soarer轿车、通用凯迪拉克轿车运用了天棚控制思想，形成了二档阻尼可调动悬架系统。福特蓝鸟轿车、福特兰夫人轿车采用了三档阻尼可调动悬架系统。

2.2 最优控制方法

目前常见的最优控制方法有三种：线性最优、预见最优、H∞最优。线性最优控制建立在理想汽车模型上，受控对象是线性的，性能指标是受控对象的状态矢量和控制矢量的二次型函数，将相互矛盾的要求控制在一个性能指标上，最终实现最优控制。预见最优控制方法出现得较早，它是利用预先确定的前方路面信息来确定车辆的行为，车辆的前轮可以预测前方行驶信息，并将信息传递给控制结构，进而采取一定的控制行为。可以明显看出，前轮预测信息传递给控制结构过程需要一定的时间。由于预测信息来自于汽车前轮，所以时间非常短，目前多采用超声波传感器来进行路面信息的采集。德国奔驰2000款C1型汽车的悬架系统就是采用预见控制方法，尤其体现在汽车的拐弯工况中，汽车出现拐弯倾向时，悬架系统上的传感器就能迅速检测到车身的倾斜度和横向加速度，并通过微机进行相应的计算和处理，最终确定在什么地方将多余负载加到悬架系统上，从而实现车身倾斜度的最小化，保证行车安全和舒适性。H∞最优控制方法是设计一种闭环系统，在各回路稳定状态下，使相对输出取值最小。该控制方法能使汽车的悬架系统具有较好的抵抗不确定性因素的能力。该方法在德国大众汽车公司的底盘上得到了充分应用。

2.3 智能控制方法

智能控制就是一种人脑控制方法，主要有神经网络控制和模糊控制。模糊控制方法将数字变量转化成语言变量，加入大量的控制经验知识，进行一种人脑的智能控制。日本芳村教授运用计算机模拟出车身的垂直振动和俯仰振动，证明模糊控制方法的合理性。合肥工业大学的方锡邦等人利用模糊控制思想设计出一种汽车悬架系统，进行实车研发发现，其减震效果比传统被动悬架系统有很大提高。

神经网络控制方法将生物学领域关于人脑神经网络知识应用到汽车振动控制中，将大量类似人脑神经元的基本信息连接起来形成一个汽车传动系统，运用人脑的智能思维来进行汽车传动的控制。这种悬架系统需要运用到分布式处理方法，能模仿人的大脑，进行知识的获取、记忆、联想，具有适应性强、容错性好等优点，在汽车悬架振动控制系统中被广泛应用。

2.4 复合控制

虽然说当前的汽车悬架系统振动控制方法越来越多，但是其减震效果只能说比传统被动悬架系统要好一些，每种控制方法都有一定的劣势。为了大幅度提高振动控制效果，将两种或以上的控制方法有机结合起来形成复合控制是非常必要的，社会实践中应用一种振动控制方法取得的成功案例远远少于应用两种控制方法的成功案例。由此可见，复合控制是未来汽车悬架控制系统的主要研究方向。法国的雪铁龙桑迪亚设计了一种主动悬架系统，这个系统中的5个传感器分别向微电脑传递车速、制动系统、油门踏板、方向盘、车身垂直振幅信息，而微电脑则将接收的信息与之前设定好的临界值进行对比分析，然后确定最优悬架工作状态。

3 结束语

汽车悬架系统主动振动控制策略研究是当前汽车动力系统和控制领域的重要研究课题。近年来，信息技术和自动控制技术的发展使得主动控制悬架振动控制系统成为研究重点，其已经进入实用阶段。环保理念和可持续发展观念的深入人心使得汽车悬架系统的发展方向是朝着低耗能、低排放、高效等方向发展，去解决实际应用中的技术问题，从而推动汽车行业的可持续发展。

参考文献

[1]曲正新，刘世刚.汽车悬架系统振动控制的研究[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2009（02）：256-257.

〔编辑：陈文强〕

Abstract： The vehicle suspension system of the vehicle body and wheel in the middle， the role is to buffer the shock caused by uneven ground， to ensure driving comfort and safety. Modern active suspension system and semi-active suspension system helps to control the working status of automotive power systems， promote the optimization of performance cars. Through the active suspension vehicles and semi-active suspension system for analysis， vibration control strategy of active suspension systems were discussed in detail.

Key words： suspension systems； vibration control； control methods； shock absorbers

2.4 复合控制

虽然说当前的汽车悬架系统振动控制方法越来越多，但是其减震效果只能说比传统被动悬架系统要好一些，每种控制方法都有一定的劣势。为了大幅度提高振动控制效果，将两种或以上的控制方法有机结合起来形成复合控制是非常必要的，社会实践中应用一种振动控制方法取得的成功案例远远少于应用两种控制方法的成功案例。由此可见，复合控制是未来汽车悬架控制系统的主要研究方向。法国的雪铁龙桑迪亚设计了一种主动悬架系统，这个系统中的5个传感器分别向微电脑传递车速、制动系统、油门踏板、方向盘、车身垂直振幅信息，而微电脑则将接收的信息与之前设定好的临界值进行对比分析，然后确定最优悬架工作状态。

3 结束语

汽车悬架系统主动振动控制策略研究是当前汽车动力系统和控制领域的重要研究课题。近年来，信息技术和自动控制技术的发展使得主动控制悬架振动控制系统成为研究重点，其已经进入实用阶段。环保理念和可持续发展观念的深入人心使得汽车悬架系统的发展方向是朝着低耗能、低排放、高效等方向发展，去解决实际应用中的技术问题，从而推动汽车行业的可持续发展。

参考文献

[1]曲正新，刘世刚.汽车悬架系统振动控制的研究[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2009（02）：256-257.

〔编辑：陈文强〕

Abstract： The vehicle suspension system of the vehicle body and wheel in the middle， the role is to buffer the shock caused by uneven ground， to ensure driving comfort and safety. Modern active suspension system and semi-active suspension system helps to control the working status of automotive power systems， promote the optimization of performance cars. Through the active suspension vehicles and semi-active suspension system for analysis， vibration control strategy of active suspension systems were discussed in detail.

Key words： suspension systems； vibration control； control methods； shock absorbers

2.4 复合控制

虽然说当前的汽车悬架系统振动控制方法越来越多，但是其减震效果只能说比传统被动悬架系统要好一些，每种控制方法都有一定的劣势。为了大幅度提高振动控制效果，将两种或以上的控制方法有机结合起来形成复合控制是非常必要的，社会实践中应用一种振动控制方法取得的成功案例远远少于应用两种控制方法的成功案例。由此可见，复合控制是未来汽车悬架控制系统的主要研究方向。法国的雪铁龙桑迪亚设计了一种主动悬架系统，这个系统中的5个传感器分别向微电脑传递车速、制动系统、油门踏板、方向盘、车身垂直振幅信息，而微电脑则将接收的信息与之前设定好的临界值进行对比分析，然后确定最优悬架工作状态。

3 结束语

汽车悬架系统主动振动控制策略研究是当前汽车动力系统和控制领域的重要研究课题。近年来，信息技术和自动控制技术的发展使得主动控制悬架振动控制系统成为研究重点，其已经进入实用阶段。环保理念和可持续发展观念的深入人心使得汽车悬架系统的发展方向是朝着低耗能、低排放、高效等方向发展，去解决实际应用中的技术问题，从而推动汽车行业的可持续发展。

参考文献

[1]曲正新，刘世刚.汽车悬架系统振动控制的研究[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2009（02）：256-257.

〔编辑：陈文强〕

Abstract： The vehicle suspension system of the vehicle body and wheel in the middle， the role is to buffer the shock caused by uneven ground， to ensure driving comfort and safety. Modern active suspension system and semi-active suspension system helps to control the working status of automotive power systems， promote the optimization of performance cars. Through the active suspension vehicles and semi-active suspension system for analysis， vibration control strategy of active suspension systems were discussed in detail.

Key words： suspension systems； vibration control； control methods； shock absorbers