電控懸架系統(tǒng)基本原理

雖然現(xiàn)代汽車電控懸架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式和控制方法多種多樣，但它們的基本原理卻是相同的。

電子控制懸架系統(tǒng)由傳感器與開關(guān)、控制單元、執(zhí)行元件等電子器件組成。傳感器和開關(guān)將路面輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳送給控制單元ECU,控制單元ECU將傳感器輸入的電信號(hào)進(jìn)行分析處理后輸出控制信號(hào)給執(zhí)行元件，執(zhí)行元件的機(jī)械動(dòng)作改變減振器的阻尼系數(shù)，調(diào)整彈簧的高度和剛度。

按傳力介質(zhì)的不同，電控懸架系統(tǒng)可分為氣壓式電控懸架和油壓式電控懸架兩種。

按控制理論不同，電控懸架系統(tǒng)可分為半主動(dòng)式、主動(dòng)式兩大類。其中半主動(dòng)式又分為有級(jí)半主動(dòng)式(阻尼力有級(jí)可調(diào))和無級(jí)半主動(dòng)式(阻尼力連續(xù)可調(diào))兩種；主動(dòng)式懸架根據(jù)頻帶和能量消耗的不同，分為全主動(dòng)式(頻帶寬大于15Hz)和慢全主動(dòng)式(頻帶寬3～6Hz)；而根據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和介質(zhì)的不同，可分為電磁閥驅(qū)動(dòng)的油氣主動(dòng)式懸架和由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的空氣主動(dòng)式懸架。

無級(jí)半主動(dòng)懸架可以根據(jù)路面的行駛狀態(tài)和車身的響應(yīng)對(duì)懸架阻尼力進(jìn)行控制，并在幾毫秒內(nèi)由最小變化到最大，使車身的振動(dòng)響應(yīng)始終被控制在某個(gè)范圍內(nèi)。但在轉(zhuǎn)向、起步、制動(dòng)等工況時(shí)不能對(duì)阻尼力實(shí)施有效的控制。它比全主動(dòng)式懸架優(yōu)越的地方是不需要外加動(dòng)力源，消耗的能量很小，成本較低。

主動(dòng)式懸架是一種能供給和控制動(dòng)力源(油壓、空氣壓)的裝置。根據(jù)各種傳感器檢測到的汽車載荷、路面狀況、行駛速度、起動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向等狀況的變化，自動(dòng)調(diào)整懸架的剛度、阻尼力以及車身高度等。它能顯著提高汽車的操縱穩(wěn)定性和乘坐舒適性，但是成本較高，能耗也較大。

電子控制懸架系統(tǒng)的基本目的是通過控制調(diào)節(jié)懸架的剛度和阻尼力，突破傳統(tǒng)被動(dòng)懸架的局限性，使汽車的懸架特性與道路狀況和行駛狀態(tài)相適應(yīng)，從而保證汽車行駛的平順性和操縱的穩(wěn)定性要求都能得到滿足。其基本功能有：

電控懸架系統(tǒng)車高調(diào)整

無論車輛的負(fù)載多少，都可以保持汽車高度一定，車身保持水平，從而使前照燈光束方向保持不變；當(dāng)汽車在壞路面上行駛時(shí)，可以使車高升高，防止車橋與路面相碰，提高通過性；當(dāng)汽車高速行駛時(shí)，又可以使車高降低，以便減少空氣阻力，提高操縱穩(wěn)定性。

電控懸架系統(tǒng)減振器阻尼力控制

通過對(duì)減振器阻尼系數(shù)的調(diào)整，防止汽車急速起步或急加速時(shí)“后蹲”；防止緊急制動(dòng)時(shí)的“點(diǎn)頭”；防止汽車急轉(zhuǎn)彎時(shí)車身橫向搖動(dòng)；防止汽車換檔時(shí)車身縱向搖動(dòng)等，提高行駛平順性和操縱穩(wěn)定性。

電控懸架系統(tǒng)彈簧剛度控制

與減振器一樣在各種工況下，通過對(duì)彈簧彈性系數(shù)的調(diào)整，來改善汽車的乘坐舒適性與操縱穩(wěn)定性。

有些車型只具有其中的一個(gè)或兩個(gè)功能，而有些車型同時(shí)具有以上三個(gè)功能。

電控懸架系統(tǒng)能夠根據(jù)車身高度、車速、轉(zhuǎn)向角度及速率、制動(dòng)等信號(hào)，由電子控制單元（ECU）控制懸架執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使懸架系統(tǒng)的剛度、減振器的阻尼力及車身高度等參數(shù)得以改變，從而使汽車具有良好的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性以及通過性。電控懸架系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)就是它能使懸架隨不同的路況和行駛狀態(tài)做出不同的反應(yīng)。

電控懸架主要包含執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制策略兩大部分。由于執(zhí)行機(jī)構(gòu)完全按照控制策略的要求來輸出主動(dòng)力，因此電控懸架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵， 就是選取能夠?yàn)檐囕v提供良好性能的控制策略。不同的控制策略，將會(huì)導(dǎo)致不同的懸架特性和減振效果。

電控懸架系統(tǒng)最優(yōu)控制

20世紀(jì)60年代，線性最優(yōu)控制理論已被應(yīng)用于車輛懸架系統(tǒng)的研究中。線性二次型調(diào)節(jié)器控制理論（簡稱 LQR）和線性二次高斯型控制理論（簡稱LQG）是主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)人員常用的方法。理論上講， LQR和 LQG 主動(dòng)懸架大幅度地改善了車輛的性能，且具有較大的穩(wěn)定裕量。但主動(dòng)懸架對(duì)模型攝動(dòng)時(shí)基本不具備魯棒性，在激勵(lì)頻率大于60Hz時(shí)，系統(tǒng)極易變得不穩(wěn)定。因此線性最優(yōu)控制具有以下不足之處：①采用線性最優(yōu)控制理論來設(shè)計(jì)主動(dòng)懸架時(shí)，需要有一個(gè)明確的目標(biāo)函數(shù)；②最優(yōu)控制理論很難處理好頻域內(nèi)的減振問題，難以使車輛兼具良好的時(shí)域和頻域性能；③沒有考慮模型的不確定性，只是在平均意義上對(duì)隨機(jī)白噪聲擾動(dòng)進(jìn)行了抑制。因此當(dāng)模型存在攝動(dòng)時(shí)， 線性最優(yōu)控制基本不具有魯棒性。

電控懸架系統(tǒng)預(yù)瞄控制

主動(dòng)懸架的預(yù)瞄控制能夠根據(jù)車輛目前的行駛狀態(tài)和未來干擾等因素來提前給出調(diào)節(jié)作用，使懸架系統(tǒng)最有效地抵消外部干擾所引起的振動(dòng)。預(yù)瞄控制的實(shí)現(xiàn)方法有兩類，一類是將前輪懸架的狀態(tài)信息反饋給后輪懸架，另一類是通過測量車輪前方道路來獲得實(shí)時(shí)的路況信息，并將此信息作為主動(dòng)懸架設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。預(yù)瞄控制的不足之處主要有：①預(yù)瞄控制是在假定懸架系統(tǒng)是線性時(shí)不變系統(tǒng)的情況下制定的，并沒有對(duì)車輛參數(shù)的時(shí)變性加以研究；②預(yù)瞄控制要求車輛裝備特制的預(yù)瞄傳感器，雖然在技術(shù)上是可行的，但考慮到實(shí)車的制造成本、車輛工作環(huán)境對(duì)傳感器使用壽命的影響等實(shí)際問題，要將預(yù)瞄控制應(yīng)用于實(shí)際還有很多問題有待解決。

電控懸架系統(tǒng)自適應(yīng)控制

自適應(yīng)控制是一種實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)控制器的方法，其研究對(duì)象是具有一定不確定性的系統(tǒng)。這里所謂的“不確定性”是指描述被控對(duì)象及其環(huán)境的數(shù)學(xué)模型不是完全確定的，其中包含一些未知因素和隨機(jī)因素。在懸架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，自適應(yīng)控制能自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)的變化，并實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)控制策略，從而使系統(tǒng)具有良好的性能。目前，比較完善的自適應(yīng)理論有模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。前者可對(duì)控制器的參數(shù)進(jìn)行直接更新，而后者是采用參數(shù)估計(jì)的方式間接地對(duì)控制器進(jìn)行更新。但是自適應(yīng)控制僅適合于懸架參數(shù)在某一特定范圍內(nèi)緩慢變化的情況。當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)的變化超出特定的范圍時(shí)， 系統(tǒng)的控制效果將會(huì)變差。

電控懸架系統(tǒng)模糊控制

由人作為控制器的控制系統(tǒng)是典型的智能控制系統(tǒng)，其中包含了人的高級(jí)智能活動(dòng)。模糊控制在一定程度上模仿了人的控制，其控制特點(diǎn)是：①不需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型；②將大量的控制經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)作為控制的主要依據(jù)?？紤]到懸架系統(tǒng)本身的非線性和所處環(huán)境的復(fù)雜性等因素，懸架系統(tǒng)可采用模糊控制策略來獲得滿意的控制效果。然而模糊控制規(guī)則的完整性、模糊子集的定義、隸屬度函數(shù)的確定、模糊推理機(jī)制等因素都會(huì)對(duì)模糊控制器的性能產(chǎn)生影響，而這些因素大都依賴于專家的經(jīng)驗(yàn)。而在很多情況下，專家經(jīng)驗(yàn)并不完備，有時(shí)是相互矛盾的，甚至根本沒有專家的經(jīng)驗(yàn)可以利用，這大大增加了模糊控制器設(shè)計(jì)的難度。為了使模糊控制器具有良好的自適應(yīng)性和魯棒性，許多專家致力于模糊控制器自動(dòng)設(shè)計(jì)的研究。

電控懸架系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)代生物學(xué)研究人腦組織所取得成果的基礎(chǔ)上，將大量簡單的處理單元廣泛連結(jié)組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，可用來模擬人的直觀性思維模式。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)作為一個(gè)新興的領(lǐng)域，已經(jīng)引起了控制界的興趣，許多學(xué)者將其應(yīng)用在了主動(dòng)懸架控制中。學(xué)習(xí)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重要內(nèi)容，它的適應(yīng)性是通過學(xué)習(xí)實(shí)現(xiàn)的。然而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)速度較慢，不適合應(yīng)用在實(shí)時(shí)控制中；此外，如何獲取神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練樣本和改進(jìn)訓(xùn)練策略等問題還有待于進(jìn)一步研究和解決。

在上述控制方法外，還有一些其它的方法，比如滑?？刂啤⒚庖哌M(jìn)化控制等。無論采用何種控制方法，車輛的性能均有不同程度的改善。在研究和開發(fā)中，結(jié)合實(shí)際車輛的工況，設(shè)計(jì)簡單有效、實(shí)用的控制方法是車輛主動(dòng)懸架研究工作的主要目標(biāo)。