回顾：机电式悬架控制系统的进展
摘要
悬架系统是汽车的一个关键因素，电子和微处理器技术的发展使机电式悬架得以实现。自从二十世纪八十年代在某些汽车产品中引进以来，它一直是一个积极研究和开发的领域，并且这将可能持续很多年。为了确定当前趋势和未来的重点领域，本文提出了一个关于最先进的机电式悬架的回顾。首先，提出了机电式悬架一些常用的分类。接下来是对用于提供控制动作的一些执行机构的讨论。然后报告了许多类型的控制方法的调查，包括前瞻预览，预测，模糊逻辑，比例积分微分（PID），优化，鲁棒，自适应，鲁棒自适应和开关控制。总而言之,液压执行机构是最常用的,但他们对高功率的需求,限制了主动悬挂的实际实现。电磁执行机构被认为具有较低的功率要求的前景，并且应当进行严格的研究和开发以使它可以用于商业上。目前的重点放在悬架参数变化的鲁棒控制方法似乎只产生有限的性能改进，而未来的控制方法应适应多变的驾驶条件。
关键词：机电一体化，主动悬架，半主动悬架，多模型自适应控制。
1引言
统计数据显示，每年许多人因交通事故失去了他们的生命或遭受非致命伤害。机电式悬架的使用可使这些数据降低。众所周知，机电式悬架在保护乘员的安全上可以发挥重要的作用。这是通过悬架系统产生力的作用传递到路面来实现的，以提供更舒适安全的驾驶和提高操纵性。悬架系统能使驾驶员在危急的情况始终控制车辆。并且，通过提供一个更舒适的驾驶，司机将不易感到身体疲劳。悬架还显著影响对车辆的舒适性和安全性的认知，这是购买车辆时最关心的问题。因此，这些因素为汽车悬架设计更好的发展和改进提供了动力。
被动悬架系统的主要部件包括车轮和轮胎，轮架系统，阻尼器和弹簧元件，制动器和转向机构（Rajamani，2011）。被动悬架的动态行为主要由阻尼器阻尼系数和弹簧刚度的选择决定。在选择这些参数时，要考虑到各种不同的方面。一个方面是驾驶员需要一直控制车辆以确保安全。这需要车辆和道路之间有较大的刚度和良好的阻尼耦合，特别是对于非平稳驾驶操纵，例如当沿着粗糙道路驾驶或在转弯时。另一方面是，为了使悬架提供真正舒适的乘坐，需要设置软弹簧和阻尼器，以便使底盘将道路引起的振动隔离（Ra jamani，2011）。然而，对于提供舒适性和安全性的这些要求彼此冲突。
这些矛盾的要求可以通过使用机电式悬架来克服。这种悬架在主动悬挂系统的底盘和车轮之间使用可控力式执行机构，或者在半主动悬挂中使用可调式阻尼器以改善动态行为。机电悬架系统运用一些气动，磁流变，液压或电磁致动器来产生控制动作。自20世纪80年代中期以来，随着微处理器和电子学的发展，像Appleyard和Wellstead（1995）和Hrovat（1997）的研究人员已经对主动悬架系统的实际应用进行了研究。最近，Gavriloski等人(2007),Genger（2009），Kruczek等人(2010),Elmadany和Qarmoush（2011）进行了调查并提出了主动悬架控制系统的理论和应用。它指出，主要用乘坐舒适性，悬架动挠度，和道路处理能力作为评价悬架性能指标。乘坐舒适性和簧载质量加速度是相互关联的，道路处理能力取决于轮胎和路面之间的接触力，悬架动挠度与弹簧和非簧载质量之间的位移相关（Yamashita等人，1990; 赖，廖，2002 ）。在过去二十年中，已经进行了大量的研究，所有的研究都旨在改善车辆悬架系统的性能。由于性能标准的固有冲突性质（例如，增强乘坐舒适性需要更大的悬架行程和更小的车轮跳动模式的阻尼），因此通常会导致乘坐安全性的降低（Liu等人， 2005）。换言之，更有效的解决方案的选择仍然是开放的问题。
采用机电式悬挂系统获得的最重要的好处是来自于执行器部件提供的灵活性。如果这种灵活性没有被充分利用，机电式悬架不能为每个驾驶状态提供最佳效果。因此，由于在不同路面条件下的安全限制要求偏离了控制器设计中的保守性，无法实现提供最大性能的潜力。正是从这一视角出发，发觉到需要开发新的控制方法。
对悬架控制的应用、性能潜力和算法已经进行过研究（Sharp和Crolla，1987; Nagai，1993; Smith和Walker，2000; Fischer和Isermann，2004）。此外，由于执行器布置，被动限制，以及带宽和能量消耗的限制，也已对机电式悬架这一理念的一般限制进行了研究（Karnopp，1983; 1986）。
控制方法在确定机电式悬架的性能中起重要作用。包括比例 - 积分 - 微分（PID），最优，鲁棒，预测，滑动模式和自适应控制方法在内，已经提出了各种方法。本文的动机是回顾最先进的机电式悬架控制机制和方法，以便提供当前趋势的概述以及未来研究和开发方向的指示。
2机电式悬架的分类
如图1所示最先进的机电悬挂系统配备了连续可变阻尼器和主动防侧倾杆，使驾驶员能够在不同调校的悬挂设置之间进行选择。这种现代主动悬挂系统需要外部电源，并且它们不需要在当今的高效生产车辆中集成高带宽执行器。机电式悬挂系统可以根据执行器的特性即带宽，功率需求和可控性范围（Savaresi等人，2010）进行分类。Savaresi等人（2010）和Fijalkowski（2011）将机电式悬架系统分为五类。各大类描述如下：
1. 半主动悬架被定义为能够快速调整阻尼器与/或弹簧特性的悬架系统。半主动系统的一个重要特性是，由半主动元件产生的力强烈依赖于该特定元件的相对运动的方向。半主动阻尼器可以改变能量耗散的水平，但是它们不向系统供应能量。注意，这些阻尼器具有非常低的功率消耗，每个阻尼器大约20-40W。半主动阻尼器的带宽高达约40Hz（Savaresi等人，2010）。 半主动阻尼器已集成到当前版本的汽车中，如BMW 7系列，保时捷911和梅赛德斯奔驰E级。Herring和Ersoy（2011）引用了一个带有可切换附加弹簧的防侧倾杆作为半主动弹簧元件的示例。
图1梅赛德斯奔驰机械式悬架系统
2. 主动悬架系统通常指的是慢速主动系统，通常称为低带宽主动系统。这类系统的特征在于将电动线性电动机或液压缸集成到系统中，以独立地产生力，而不依赖于车身质量和车轮之间的相对运动。慢主动系统的带宽约为5Hz。通常，低带宽主动系统采用执行器并串联到主弹簧。当它们的带宽超出时，它们趋于变硬（Sharp和Crolla，1987）。 该系统的能量消耗在1-5kW的范围内（Savaresi等人，2010）。
3. 通常，快速主动悬挂系统被称为全主动或高带宽系统。被动阻尼元件可以被具有20Hz或更高带宽的执行器代替或替换（Savaresi等人，2010）。全主动的执行器与主弹簧以平行方式并联。在一些应用中，被动阻尼器被省略，但是可以考虑在四分之一车辆模型中表示摩擦力的影响。根据Heiring和Ersoy（2011），完全主动悬架系统的主要缺点是高能量消耗，通常在4-20kW的范围内。
4. 自适应悬架系统由缓慢变化的弹簧和阻尼器特性来定义，其变化取决于车辆速度。这种类型的悬架已在保时捷Panamera（2009款）中通过使用空气弹簧实现（Mouml;ller，2009）。1989年，Citroeuml;n推出了主动液压悬挂，它提供了不同的空气弹簧特性和可调节的离散设置的阻尼特性之间的缓慢调整（Altet等人，2003; Pyper等人，2003）。这种系统的功率消耗主要取决于改变弹簧刚度所需的能量。
5. 为了补偿各种负载水平，使用自动液位控制系统。这些系统通常准静态地运行，以保持底盘和道路之间的距离恒定（Heiring和Ersoy，2011）。液位控制系统通过使用空气弹簧和压缩机而起作用。在这方面，具有足够的悬架行程距离、柔软、舒适定向的悬架设置可以被认为是自定悬架，它根据车辆负载水平自动地调整底盘高度。自动液位控制系统所需的功率是100-200 W（Savaresi等人，2010）。
3 悬架控制机构
在这部分，我们描述在机电式悬挂系统中提供控制动作的机制。为了简单起见，我们只将它们分为半主动和主动悬架。半主动系统是指通过改变阻尼特性来执行控制动作的悬架，而主动系统利用执行机构来提供外部补偿力。
表1 悬架系统的分类
3.1半主动悬架
悬挂系统的性能要求的冲突可以通过采用具有阻尼特性可变的阻尼器来改善。悬架性能受道路激振的影响。因此，为了提高性能，阻尼根据道路激振进行调整。减震器中的阻尼通过孔口的液压流体的流动产生。流体流动越慢，可以产生的阻尼越大。 可以通过改变流体粘度或通过调节孔口尺寸来控制阻尼系数。如今的半主动悬架系统能快速调节减振器的阻尼特性（Karnopp等人，1974）。下面介绍三种类型的半主动阻尼器的工作原理（Chung和Shin，2004; Heiring和Ersoy，2011）：
1. 磁流变阻尼器。在磁流变阻尼器中，磁流变流体的粘度通过施加磁场而改变，这导致流体中的磁性颗粒形成链（Gao和Yang，2006）。德尔福（2005）引入了一种被称为Magne Ride的磁流变阻尼系统。
2.电流变阻尼器。电流变阻尼器的操作是基于改变所容纳的电流变流体的流动特性。电场用于在流体中形成颗粒链（Chung和Shin，2004）。电流变阻尼器优于磁流变阻尼器的是前者中的颗粒不是磨料，因此密封件更耐用。
3. 液压阻尼器。液压阻尼器通过在阻尼器内部的两个或更多个腔室之间节流来耗散能量。技术上，在半主动液压阻尼器中，阀用于改变腔室之间的开口的横截面。反过来，这导致液压流体消散水平的变化（Guglielmino等人，2010）。Codeca 等人（2008）和Xu和Guo（2010）提出了这种广泛使用的半主动悬架阻尼原理的示例性应用。半主动阻尼器是不能向悬挂系统供应能量的无源元件的事实由与速度相关的阻尼器力的无源约束（Giorgetti等人，2005; Savaresi等人，2010）表示， 由下式给出：其中是阻尼系数，并且和分别是簧上和簧下质量的速度。阻尼器分布是其在最大值和最小值的范围内确定半主动悬架的可实现性能的重要标准。在现代机电车辆悬架中，半主动阻尼系统因为其相对低的能量消耗（仅用于电磁阀的定位和电场或磁场的产生），低成本和简单的结构比主动系统显著更突出。
3.2主动悬架
与半主动悬架不同，主动悬架不改变阻尼器特性，但是通常使用执行器来实现，该执行器代替悬架部件或与它们平行作用。主动悬架系统的巨大优点是其适应变化的道路条件的能力，并采用足够的悬架工作空间（允许的悬架行程）以满足乘坐舒适性和处理要求的能力。为了清楚地了解半主动和主动悬架之间的微妙差别 ，假设用已知的坑洼进行比较。当撞到坑洼，一个半主动的系统将使悬挂更柔软，通过后变得刚度较大。主动悬架可以在通过坑洼时灵活的将车轮提升，从而将改善乘坐舒适性和安全性。传感器与微处理器一起形成这种类型的悬挂系统的组成部件。 显然，这种类型的技术出现在非常高端的车辆上。然而，微处理器，传感器和致动器的科技的快速发展给汽车工业带来了全新的特征。长期以来，高能量需求一直是在生产汽车中采用主动悬挂系统的禁止因素。Efatpenah等人（2000），Graves等人（2000）和Stribrsky等人（2007）研究了与悬架系统中的能量管理和恢复相关的概念，并且指出通过使用合适的电子设备，能量消耗可以减少到小于常规主动悬架系统中使用的一半。
接下来，讨论在主动悬挂系统中使用的执行器的类型。
1.气动执行器。 Williams和Best（1994）设计了一种具有低带宽主动悬架的气动执行机构。 他们还描述了气动执行器与控制系统的结构。 Paulides等人（2006a）证明了使用液压的商业低带宽有源悬架，其被称为主动侧倾控制系统。 同样，Martins等人（2006）提出了液压主动悬架及其特定为四分之一车模型设计的控制原理图。
2.液压执行器。 Strassberger和Guldner（2004）描述了由宝马为液压主动悬架开发的主动稳定杆系统。 该系统由以下部件组成：横向加速度计，电子控制单元，液压泵及其油箱，液压阀块和两个带旋转液压致动器的主动稳定杆。 该系统起到以下作用：（1）它可以显着地减小转弯期间的侧倾角; （2）它可以消除被动稳定杆的负面影响; （3）它可以调节驾驶条件和车辆速度的函数的自动转向动态特性，提高灵活性，操纵性和转向精度。Sam和Hudha（2006）介绍了在四分之一车辆液压主动悬架系统中使用的非线性液压执行器的建模和力跟踪控制。
图2 主动车身控制系统（ABC）（BOSE，2010; Peter，2012）：（a）配备ABC系统的液压主动悬架; （b）配备ABC系统的梅赛德斯奔驰
在一些梅赛德斯奔驰模型中可以找到低带宽主动悬架系统的另一个商业示例。这种低带宽主动悬架系统被称为主动车身控制（ABC）系统。自1999年以来，该系统已被整合到Sclass和Coupe CLclass中。它也在2001年被整合到SL Roadster中（Pyper 等人2003），图2所示是配备有ABC系统的奔驰车的图示（Peter，2012）。ABC系统包括液压泵，高压蓄能器，钢板弹簧，液压支柱，阻尼器，传感器和电子控制单元。在该系统中，悬架支柱放置在车辆的车身和车轮之间。 电子单元控制液压系统，并在车辆运动时分析由传感器测得的信号。进入弹簧支柱的油液由每个车轮处的ABC系统独立控制。液压执行器的运动补偿路面不平度（粗糙度），因此车身运动显着减少。为了产生更少的阻力和提升操纵性，ABC系统在高速下缓慢地降低车辆高度。该系统主动控制阻尼底盘质量的平移运动，以及侧倾和俯仰运动。它也可以作为液位控制系统（Pyperet等人，2003）。然而，被动阻尼器实现了非簧载质量的阻尼。
梅赛德斯 - 奔驰ABC的控制器结构包括四个主要部分：skyhook控制，使用横向加速度（抑制侧倾运动）的前馈控制、纵向加速度（以补偿俯仰运动）和ABC算法（Becker等人，1996 ）。ABC算法通过反馈控制抑制底盘的俯仰
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