汽车悬架技术研究

　人们生活水平的日益提升，对社会各行各业都提出了新要求。尤其是近年来服务行业的大力发展，人们外出旅游次数愈加频繁，对出行工具汽车的舒适性、安全性等提出了新要求。而与汽车各种性能密切相关的悬架技术也逐步为人们所认知，并得到极大的重视。传统的汽车悬架技术主要是被动式的，这就使得汽车在行驶的过程中不能灵活的感受路面的实际状况，及时调整车速以及载荷，存在极大的安全隐患。
这种传统的悬架技术从一定程度上限制了汽车悬架系统的纵深化发展。并且随着科学技术、经济、社会的进一步发展，这种类型的悬架系统已经不再适应人们对汽车性能的需要。因此，对汽车悬架技术进行更深层次的探索、研究具有重要的现实意义。
1、汽车悬架的分类
汽车悬架是连接汽车车身和车轮的总体传力连接装置，通常由弹性元件、减震装置以及导向机构等三模块构成。汽车悬架类型主要有主动悬架和被动悬架两种，主动悬架实质上是一个闭环控制系统，其功能作用主要是进行减震装置，根据其所用的可控元件，可以将主动悬架分为全主动悬架和半主动悬架。被动悬架有弹性元件和阻尼元件构成，这种悬架比较传统，不够灵活，不能够根据汽车本身的运行状况和外界激励条件的变化而进行自动调节。被动悬架由于其性能上的局限性，使得其使用范围狭窄，并将逐步被社会淘汰。
此外，全主动悬架主要由车身质量、弹簧、力发生器以及车轮构成，其具有低扰度、低固有频率、动力学特性固定以及对激励能够做出快速反应等优势特点，被广泛应用于现代汽车的制造。而半主动悬架主要是由车身质量、弹簧、可调减震器以及车轮组成，所采用的是开环控制形式，能够根据路面状况及车辆的运行状态选择最优的参数对汽车的悬架进行控制。并且其能耗小，构造简单，减震效果良好，使用得也比较广泛。
2、汽车悬架的控制策略分析
汽车悬架的控制策略主要是针对主动悬架进行的，因被动悬架自身功能性能的局限，使得其逐渐退出汽车制造生产领域。主动悬架的控制方法主要有自适应控制法、空钩控制法以及最优控制法。其中，最优控制法对悬架系统的平顺性、稳定性、车身加速度、动载荷、能量消耗以及动挠度等进行了综合考虑，使汽车悬架系统能够获得最优的综合性能指标。
线性最优控制H∞最优控制以及最优预报控制都是使用得比较普遍的控制方法，由于H∞最优控制具有较强的鲁棒性，因此可以对车身质量、轮胎刚度以及减震器阻尼系数进行不确定误差。而最优预报控制主要是将路面的干扰进行输入，并将所测量的状态变量反馈给控制器。线性最优控制是以理想模型为建立基础的，将线性二次高斯型控制理论用于车辆悬架系统。
自适应控制所采用的算法是LMS，其能够根据车辆的实际运行情况而做出相应的反应，提升汽车悬架对路面激励变化的适应能力。由于自适应控制能够最大限度的进行实时控制，因此其被广泛应用于汽车悬架制造的声音和振动领域。空钩控制是通过利用执行器与车身振动绝对速度比之间的控制力来达到减轻车身振动的目的，由于其算法简单、效果明显、适应性强，已经被作为了主要的主动悬架控制方法。
3、汽车悬架控制技术的发展历程
汽车悬架控制技术中的主动悬架控制技术最早使用的控制方法是天棚阻尼器控制，因其控制算法简单，天棚阻尼器控制法刚面世，就被广泛的应用于汽车主动悬架控制技术中。
随着控制理论的现代化发展，出现了随机最优的主动悬架控制方法，此种方法所涵盖的内容与原理与上述汽车悬架控制策略类似，笔者就不再赘言了。随着近些年来的发展，汽车悬架控制技术迈入了新的发展轨迹。模糊理论与神经网络促进了汽车结构和参数辨识功能的进一步发展。现代计算机技术、现代信息通讯技术以及互联网技术的纵深向发展为汽车悬架技术智能化控制提供了可能。并且在90 年代时，模糊控制方法就已经被应用于了汽车悬架控制研究中。由于此控制方法能够对输入的变量进行自动调节、组合，对隶属函数的参数以及模糊规则数目进行功能学习，其仿真效果也比常规方法要好很多。因此，此控制方法得到了汽车科研人员和汽车制造厂商的高度重视。
由于智能化控制方法在整个汽车悬架控制技术中还是属于比较新兴的技术方法，其在汽车悬架控制中的使用时间还比较短，其计算方法也还有待完善。所以，当前社会中汽车悬架智能控制技术还处于初始阶段，并没有得到广泛的应用。但这并不影响汽车悬架智能化控制技术对汽车悬架控制技术发展方向的引领。
4、汽车悬架技术研究
在分析探索了汽车悬架技术分类、控制策略及其技术发展历程之后，发现这些内容都是建立在汽车悬架系统完好的基础之上而进行分析的。对汽车悬架技术的研究，离不开对各种类模型的研究构建，笔者主要是对汽车悬架技术系统主动悬架中的被动容错控制和主动容错控制进行模型的构建和研究，以促进我国汽车悬架技术的发展。
4.1 汽车主动悬架被动容错控制技术研究
汽车相关弹性元件的疲劳程度、减震器液粘性对阻尼元件的影响程度等都会对汽车主动悬架中的相应参数产生影响，进而影响汽车悬架系统中传感器的功能作用。文章主要主要是通过H2/H∞状态反馈控制来对汽车主动悬架中的被动容错控制进行研究。以H2/H∞主动悬架七自由度整车模型控制为例，对此类悬架技术的控制模型、参数摄动故障以及被动容错控制器等进行具体研究。汽车主动悬架被动容错控制模型主要是根据相关的机械原理以及数学思维方法来建立的，其主要是通过运动微分方程来对汽车的结构、形式、发动机的能量限制、汽车悬架系统的舒适性指标以及悬架动挠度的最大行程等进行模型建立。其控制状态的空间模型为：
X=AX+B1U+B2W
Z∞ =C1X+D11U
Z2=C2X+D21U
此三公式即为H2/H∞主动悬架七自由度整车控制空间模型，然后再对其主动悬架设计进行无故障的H2/H∞状态反馈控制。并通过对闭环系统中的各参数值、性能指标和闭环传递函数进行相关的代值计算，以获得主动控制效果良好的H2/H∞状态反馈控制器。
参数摄动悬架模型的建立主要是根据汽车在实际的行驶过程中，随着行驶里程的增加，其弹簧性能、减震器液压油及其粘度、阻尼系数以及汽车主动悬架刚度等都会发生变化。这就会使得汽车的主动悬架系数呈现出以下的不确定性结构：
[ΔA ΔB1]=HW[E1 E2]
在这一结构体系中，Δ系的相关符号表示指的是参数摄动对汽车主动悬架所带来的不确定量，而其他的则为适量矩阵或者是有界矩阵函数。对此不确定性结构进行汽车主动悬架作动器进行故障开关矩阵建模运算，便可得到参数摄动的故障悬架系统状态空间模型。如下所示：
X=(A+ΔA)X+(B1+ΔB1)MU+B2W
Z ∞ =C1X+D11MU
Z2=C2X+D21MU
对汽车主动悬架被动容错控制器的设计研究需要事先将作动器故障和悬架系统参数的摄动情况进行考虑，这样才能够达到预期效果。在参数摄动故障模型建立之后，设置相应的状态反馈鲁棒容错控制器，将故障闭环系统和参数摄动中的故障悬架系统式用于适量矩阵进行相关的计算，以实现汽车主动悬架的鲁棒容错控制。
4.2 汽车主动悬架中主动容错控制技术研究
对汽车主动悬架中的主动容错控制技术研究主要是建立在传感器信号重构和控制率重组的基础之上的。在对汽车悬架进行被动容错控制时，已经对悬架刚度和阻尼系数进行了参数摄动，并取得了不错的容错效果。但是，随着经济社会的进一步发展，人们认为比较保守的被动容错控制对未进行事先考虑的元件的容错控制无法发挥最佳作用。因此，需要对汽车主动悬架系统中的主动容错技术进行传感器和控制率故障方面的研究。
输出反馈是进行汽车主动悬架容错控制的常用方法，还是以主动悬架七自由度整车模型为例，将其控制输出参数进行选择和评价，并对其进行量测输出。主动悬架七自由度整车系统状态空间模型为：
X=AX+B1U+B2W
Z=C1X+D11U
Y=C y X+D y1 U
依据此模型，对其进行H∞相关原理的适量矩阵计算，并将现代控制理论中的传递函数矩阵用于输出反馈H∞控制器的控制率，以实现对各项系数指标的控制调试，输出控制效果良好的H∞控制器。
当前，汽车悬架技术控制系统中的传感器主要是自适应观测器传感器，根据相关的模型所建立传感器信号重构的主动容错控制。能够有效的保证汽车在行驶的过程中，量测输出传感器所发生的相应故障，并对其进行估值计算，然后对故障悬架量测输出传感器的信号进行重构，输入反馈控制器，实现故障悬架主动容错控制。而控制律重组的汽车主动悬架控制主要是针对路面干扰情况，其作用点是对作动器故障进行故障悬架的主动容错控制，并对相关的故障进行检测、诊断以及控制设计。
对汽车悬架技术系统中主动悬架中的被动容错控制器和主动容错控制器进行分析研究，能够有效对汽车的悬架刚度、参数摄动、作动器故障、弹簧以及阻尼系数等故障进行良好的把控。这对提升汽车主动悬架控制的品质和可靠性具有重要意义。
5、结束语
对汽车悬架技术进行精细化研究主要运用到的思维是建模思想，所采用的方法是线性矩阵计算方法。随着人们对汽车舒适安全性能要求的不断提升，对汽车悬架控制技术的研究还有待进一步深入。在实际的汽车制造生产中，需要结合悬架控制技术的线性和非线性特点，选择最适合的方式方法进行生产作业，以不断满足人们对汽车使用性能的需要。