懸架的分類及主動懸架的控制理論

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懸架的分類及主動懸架的控制理論簡介
    1懸架的分類   為了滿足現代汽車對懸架提出的各種性能要求,懸架的結構形式一直在不斷地更新和完善。傳統的被動懸架(圖la)只能保證在一種特定道路和速度下……
懸架的分類及主動懸架的控制理論正文

    1懸架的分類


為了滿足現代汽車對懸架提出的各種性能要求,懸架的結構形式一直在不斷地更新和完善。傳統的被動懸架(圖la)只能保證在一種特定道路和速度下達到性能最優狀態,它的阻尼和剛度參數一般按經驗設計或優化設計方法選擇,一經選定,在車輛行駛過程中就無法進行調節,因而不能適應車輛參數、運行工況等的複雜多變。在某個特定工況下按目標優化出的被動懸架系統,一旦載荷、車速和路況等發生變化,懸架在新的工況下便不再是最優。


為了克服被動懸架的缺陷和改善汽車懸架的性能,汽車工業中出現的主動(圖lb)、半主動(圖la)懸架。1954年,GM公司Erspiel Labrosse在懸架設計中首先提出了主動懸架的思想。之後,汽車主動、半主動懸架的研究逐漸展開,並且日益深入。主動懸架採用有源或無源可控元件組成一個閉環或開環的控制系統,根據車輛系統的運動狀態和外部輸人的變化(路面激勵或駕駛員方向盤操作)做出反應,主動地調整和產生所需的控制力,使懸架始終處於最佳減振狀態。主動懸架由控制系統和執行機構組成,執行機構為有源液壓系統的主動懸架簡稱全主動懸架,而無源主動懸架則簡稱半主動懸架。半主動懸架由可調彈簧或可調阻尼器構成,與全主動懸架相比,最大優點是工作幾乎不消耗發動機的功率,結構簡單,造價較低,因此受到廣泛重視;主動懸架可以明顯改善汽車的乘坐舒適性,目前,雖然由於成本較高,主動懸架還沒有得到廣泛應用,但是,隨著汽車工業的發展,主動懸架遲早會在各種車型中普及。


2主動懸架控制理論


近年來,國內外學者紛紛對主動懸架進行了研究,並將現代控制理論的多種控制演算法諸如天棚阻尼器控制、自適應控制、隨機最優控制、預見控制及智能控制等應用於對主動懸架的控制,取得了不少成果。

2.1天棚阻尼器控制


天棚阻尼器控制理論由美國得D.KARNOPP教授提出,在主動控制懸架的控制中被廣泛採用。天棚阻尼器控制即設想將懸架系統的阻尼器移到車體與某固定的天棚之間;弄要求由作動器產生一個與車身隨機振動的絕對速度成比例且反向的控制力來衰減車身的振動,此絕對速度可通過對測得的車身垂直加速度求積分得到。傳統的被動懸架可以認為是帶阻尼器的雙質量振動系統,當考慮到帶寬和系統的共振特性時,傳統被動懸架性能不能令人滿意。但帶天棚阻尼器的汽車懸架,只要合理選擇參數,可徹底消除系統共振現象。


2.2自適應控制


自適應一般發生在車輛行駛過程中,具有較慢統計特性變化的干擾,即路面輸入干擾。自適應控制方法的基本思想是根據系統當前輸人的相關信息,從預先計算並存儲的參數中選取當前最合適的控制參數。其設計關鍵的選擇能準確、可靠地反映輸人變化的參考變數。自適應控制方法考慮了車輛系統參數的時變性,具有參數辨識功能,能適應懸架載荷和元件特性的變化,自動調整控制參數,保持性能指標最優。


應用於主動懸架的自適應控制方法主要有增益調度控制、模型參考自適應控制和自校正控制三類:增益調度控制是一種開環自適應控制,通過監測過程的運行條件來改變控制器參數;模型參考自適應控制(即簡化自適應控制)通過跟蹤一個預先定義的參考模型,按照反饋和輔助控制器參數的自適應控制規則,使非線性時變的懸架系統達到預期的最優性能;自校正控制是將受控對象參數在線估計與控制器參數整定相結合,形成一個能自動校正控制器參數的離散實時計算機控制系統(即數據採樣系統),是目前應用最廣的一類自適應控制方法。自適應控制方法已在德國大眾汽車公司的底盤上得到了應用。

2.3隨機最優控制


隨著現代控制理論的應用,提出了主動懸架隨機最優控制方法。主動懸架最優控制的目標是提高汽車的平順性和操縱穩定性,反映在物理量上就是要減小輪胎的變形,提高接地性,限制懸架的動撓度,同時應降低對控制能量的消耗。這種控制方法,通過建立系統的狀態方程式提出控制目標及加權係數,然後應用控制理論求解出所設目標下的最優控制方案。與天棚阻尼器控制方式相比,由於考慮了系統中更多變數的影響,因而控制效果更好。而且,現代控制方式的應用,主要是在系統的控制軟體方面做一些改善,並不增加系統的複雜性。


隨機最優控制主要有線性最優控制,H00最優控制和最優預報控制三種:線性最優控制是建立、在系統理想模型的基礎上,若懸架傳遞特性是線性的,路面不平度符合正態分佈,且不平度功率譜符合白雜訊特性,在得到所有狀態變數的前提下,採用系統狀態響應和控制輸人的加權二次型作為性能指標,在保證系統動態穩定的條件下,可實現最優調節;H00控制是一種在保證閉環系統各迴路穩定的條件下,使相對於雜訊干擾的輸出取極小的控制方法,對由於車身質量、輪胎剛度、減振器阻尼係數及車輛結構高頻柔度模態等變化引起的不確定誤差具有較強的魯棒性;最優預報控制是利用安置在車輛前輪或車頭的感測器來預見路面的干擾輸入,然後將所測量的狀態變數反饋給前後輪控制器,從而實現最優控制,該方法特別適合於軌道車輛的主動懸架。

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