1、基于MRDMRD的汽车智能悬架系统目录1.项目背景项目背景 2.汽车悬架简介汽车悬架简介 3.磁流变智能悬架的设计磁流变智能悬架的设计 4.技术难点及研究成果展示技术难点及研究成果展示项目背景2007-2012年中国汽车保有量及增长项目背景2006-2011年全国百户家庭汽车保有量走势图项目背景2007-2012年中国汽车保有量（民用汽车、私人汽车）项目背景 截止去年底，我国汽车保有量达1.37亿辆，全国有31个城市的汽车数量超过100万辆，其中北京、天津、成都、深圳、上海、广州、苏州、杭州等8个城市汽车数量超过200万辆，北京市汽车超过500万辆。由此可见，汽车已成为人们日常生活密不可分的一
2、部分，并将在未来很长一段时间内和人们保持密切的关系。于是，汽车的安全性、舒适性成为人们关注的热点问题。而良好的汽车悬架性能是保证汽车整车的平顺性（乘坐舒适性）、安全性（操纵稳定性、制动性、动力性）、经济性等的重要因数。汽车悬架简介 汽车悬架简介 视频演示：悬架概述汽车悬架简介 汽车悬架是连接车身与车桥的力传动部件总成。其主要作用是将来自路面的横向、纵向和垂直方向的力以及力矩传递给车身使车辆能够正常稳定地运行。汽车悬架装置通常由弹性元件、导向装置和减振器三部分组成。悬架性能影响车辆的动态附着性能，对整车的平顺性（乘坐舒适性）、安全性（操纵稳定性、制动性、动力性）、经济性等均有很大的影响。车辆悬架
3、系统性能降低会导致制动点头，俯仰和测倾振动加剧，轮胎磨损加剧，转向系统及悬架系统和车身零件的振动加剧等。悬架的种类和工作原理 汽车悬架简介汽车悬架的作用：v 弹性件受到冲击时会产生长时间持续的振动,容易使驾驶员疲劳而发生车祸,故减振元件必须快速衰减振动。v 当汽车轮胎受到冲击而跳动时,应使其运动轨迹符合一定的要求,否则会降低汽车的平顺性和稳定性。v 导向构件在传力的同时,必须对方向进行控制。v 当汽车轮胎受到冲击时，弹性元件对冲击进行缓冲，防止对汽车构件和人员造成损伤。悬架的种类和工作原理 非独立汽车悬架独立汽车悬架悬架的种类和工作原理 非独立悬挂的车轮装在一根整体车轴的两端，当一边车轮跳动时
4、，另一侧车轮也相应跳动，使整个车身振动或倾斜。非独立悬挂系统的结构特点是两侧车轮由一根整体式车架相连，车轮连同车桥一起通过弹性悬挂系统悬挂在车架或车身的下面。非独立悬挂系统具有结构简单、成本低、强度高、保养容易、行车中前轮定位变化小的优点，但是其舒适性及操纵稳定性都较差。悬架的种类和工作原理 独立悬挂系统因其车轮触地性良好、乘坐舒适性及操纵安定性大幅提升、左右两轮可自由运动，轮胎与地面的自由度大，车辆操控性较好等优点目前被汽车厂家普遍采用。其质量轻，减少了车身受到的冲击，并提高了车轮的地面附着力；可用刚度小的较软弹簧，改善汽车的舒适性；可以使发动机位置降低，汽车重心也得到降低，从而提高汽车的行
5、驶稳定性。左右车轮单独跳动，互不相干，能减小车身的倾斜和震动。不过，独立悬挂系统存在着结构复杂、成本高、维修不便的缺点。悬架的种类和工作原理 被动悬架 汽车被动悬架无需输入外部能量，其优点是结构简单，缺陷是难于满足不同路面上高速行驶车辆的操作稳定性和行驶平顺性，减振效果较差。半主动悬架 半主动悬架系统属于无源控制，系统输入少量的调节能量来局部改变系统的动特性（阻尼系数），其结构简单、能耗低、控制品质接近主动悬架。综合来看性价比最高，所以已成为国内外研究开发的热点。半主动悬架 目前，在半主动悬架系统中改变弹簧刚度要比改变阻尼困难，因此半主动悬架研究主要集中在调节减振器的阻尼系数方面，即将阻尼可调
6、减振器作为执行机构。从简式减振器阻尼产生机理来看，实现阻尼调节的方式有两种：一是调节减振器油液的黏度；二是调节节流口的开度。磁流变减振器就是采用第一种途径（即调节减振器油液的黏度），通过控制外部电流强度来控制阻尼通道间隙处的磁场强度，最终改变磁流变液黏度，继而达到阻尼力可控的期望。汽车磁流变半主动悬架系统的主要原理:采用传感器装置(如加速度传感器)实时感知路面激励及汽车簧上和簧下质量的振动信号，对这些信号进行分析和处理，并把有用信号传递给处理器，处理器根据采用的控制策略和控制算法，分析处理这些信息，并发出控制信号，对悬架系统进行控制，驱动磁流变阻尼器产生控制力，达到实时减振要求和目的，从而实现
7、汽车悬架系统的智能化和半主动控制。磁流变减振器结构简单，制造成本不高，且无液压阀的振动冲击和噪声，不需要复杂的驱动机构。磁流变液体响应快，在屈服应力、温度范围、塑性粘度和稳定性等方面有很好的性能。主动悬架 主动悬架系统由刚度可调弹簧、阻尼可调减震器及作动器组成。在各种实际工况下，传感器将采集到的反映车身变化及悬架振动的信号传给控制器，控制器控制作动器产生合适的力来调节车身的振动。同时，通过各种反馈信息调节弹簧刚度和减震器阻尼系数。这样，主动悬架在各种工况下都能保持最佳状态，以保证行驶过程中具有良好的操纵稳定性、行驶平时性，且在一定程度上保证了行车安全。油液阻尼器和磁流变阻尼器对比 磁流变减振器
8、的优点 与传统的油液减振器相比，磁流变减振器的优点较为突出。磁流变减振器是一种以磁流变液的磁流变效应为工作基础的减振设备，属于半主动式的智能减振器，相比传统减振器的被动减振效果，磁流变减振器能够根据汽车行驶时的路面状况，实时调整自身阻尼力的大小，以达到主动减振的效果，能更好地改善汽车行驶时的舒适性与安全性。简而言之，它具有以下优点：v结构简单；v响应快；v工作阻尼力大；v阻尼力连续可调；v适应性强（可适应各型路面）。MR智能减振与标准减振的减振效果比较 前冲侧翻 标准减振标准减振系统系统 MR智能减振智能减振系统系统 22视频链接磁流变液的研究现状 磁流变液（MRF）属于可控流体，是由非胶体的
9、细小颗粒分散溶于绝缘载液中形成的随外加磁场变化而可控制其粘度的稳定的悬浮液。在无外磁场作用时，其具有良好的流动性，而在强磁场作用下，磁流变液可在毫秒级时间内连续、可逆地转变为具有高粘度、低流动性的 Bingham 体，其表观粘度可增大两个数量级以上，呈现类似固体的力学性质。正是由于它的这种连续、可逆、迅速和易于控制的特点，使得其应用空间广阔。关键技术问题：v零场粘度比较大；v饱和剪切屈服应力仍然需要提升；v长期使用中的沉淀、团聚、稳定性问题；v温度稳定性问题；v长期使用的摩擦、磨损问题。磁流变减振器的研究现状 磁流变减振器的主要工作模式：流动模式剪切模式挤压模式磁流变减振器的工作原理 磁流变减
10、振器就是调节减振器油液的黏度，通过控制外部电流强度来控制阻尼通道间隙处的磁场强度，最终改变磁流变液黏度，继而达到阻尼力可控的期望。课题组现阶段研究成果 课题组后期研究方向 123456789101112 13 14 15 16 1718192021222324自感知自供电自适应控制磁流变减振器结构自感知自供电自适应控制磁流变减振器结构课题组后期研究方向 国内外关于磁流变减振器自供电、自感知方面的研究刚刚起步，仅有香港中文大学、美国部分大学的学者在自供电、自感知开展研究，尚没有见到提出将传感、驱动、控制、供电集成于一体的磁流变自感知自供电自适应减振器研究思路和方法。为此，项目组在前期对汽车磁流变
11、半主动悬架研究的基础上，申请了发明专利“自感知自供电自适应控制磁流变减振系统”，目前已公开受理！课题组后期研究方向 （1）由双伸杆磁流变减振器、振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统组成；（2）振动能量采集装置、能量存储及管理模块、状态自感知模块及自适应控制系统与磁流变减振器集成为一体；（3）通过能量采集装置将系统的机械能量转化为电能，电能由能量存储及管理模块进行存储与管理，对传感器、控制器及磁流变减振器供电；（4）通过状态自感知模块实现磁流变减振器自身工作状态的感知，为自适应控制提供决策依据；（5）自适应控制器根据磁流变减振器自身工作状态自适应调节磁流变阻尼器的
12、工作阻尼力。课题组后期研究方向 1、通过对振动能量的采集及利用，有效地避免了磁流变减振器对电能的依赖，使磁流变减振器在电能难以保证的环境中也能应用。2、通过将状态自感知模块集成到磁流变减振器中，在采集能量的同时能对磁流变减振器工作状态参数的提取，极大地提高了系统的可靠性，大幅降低了传感系统的成本，为推广磁流变技术具有重要的意义。3、通过集成到磁流变减振器中的控制模块，根据磁流变减振器所处的状态，自适应地调节输出的阻尼力，从而提高了磁流变减振系统的自适应能力。4、本发明结构比较紧凑，使传感、控制、供电以及驱动为一体，可极大地提高系统的可靠性、降低系统的成本，与现有的磁流变减振系统比较，因此具有比
13、较高的性价比。基于磁流变减振器的智能控制系统 磁流变智能悬架减振过程控制示意图 被控对象的振动响应信息被传入控制器，控制器根据预先设定的控制规律改变阻尼通道内磁流变液的磁场强度，产生不同屈服应力和表观黏度系数，由此控制阻尼力，进而达到汽车悬架智能减振的目的。目前应用于悬架控制的理论涉及到几乎所有先进的控制方法和策略，概括起来主要有：天棚阻尼控制、最优控制、预测控制、模糊控制、鲁棒控制、自适应控制、神经网络控制、复合控制等。悬架系统经典控制策略 天棚控制策略和地棚控制策略对比分析 skyhook阻尼控制策略能够大幅降低车身垂向振动加速度，而且有良好的鲁棒性。其所需测试仪器少，控制算法简单，因而是
14、目前研究最多，也是应用最多的方法。单一的天棚阻尼控制提高了舒适性，却没有解决好操纵稳定性问题，根据天棚阻尼控制提出的地棚阻尼控制是以非簧载质量为控制对象的一种控制策略，与天棚刚好相反。综合天棚和地棚阻尼控制的优点而产生的混合阻尼控制算法，可以兼顾平顺性和操纵稳定性的要求，目前产业化的半主动悬架系统中采用的控制策略大都是基于skyhook理论的阻尼控制策略。悬架系统减振性能评价指标 车辆减振系统的性能好坏有三个评价指标:车身垂直加速度、悬架动位移和轮胎动载荷。车身垂直加速度直接反映车辆行驶的平顺性。平顺性评价方法有主观评价和客观评价方法，主观评价方法根据个人感觉的不同,因人而异,平顺性的好坏难以
15、判断；客观评价方法中常用的车身垂直加速度的幅值及其均方根值。悬架动位移太大会撞击限位块,严重情况下会击穿悬架,同时会改变车轮定位参数,使汽车的平顺性和操纵稳定性变差，悬架动位移过小会向车身传递更多的冲击,使乘坐舒适性变差。轮胎动载荷关系到轮胎的接地性,因此也是悬架性能的一个评价指标，片面地追求乘坐舒适性会增大轮胎的动载荷,当动载荷变化的幅值大于静载荷时(大于1)时,会使轮胎发生“轮跳”现象,影响汽车的接地安全性和操纵稳定性。有关仿真结果表明,反映车辆平顺性的车身垂直加速度与反映操纵稳定性的轮胎动载荷是相互矛盾的,车身垂直加速度减小,相应的轮胎动载荷增大,反之亦然,但轮胎动载荷增大幅度小于车身加
16、速度降低的幅度。因此，在保证操纵稳定性的前提下,适当的调节减振器阻尼特性，可以有效提高车辆行驶的平顺性。汽车悬架的前沿智能控制策略 由于汽车悬架智能控制系统具有非线性、迟滞性和饱和特性,难以用精确的数学模型描述。因此,采用常规的线性控制方法,难以达到良好的控制效果。模糊控制具有建模简单、控制精度高和非线性适应性强等优点,相对于传统的PID控制,模糊控制具有响应快、超调小和鲁棒性强等特点,可以获得良好的控制效果。但由于受到控制器存储量的限制,模糊规则的划分只能是有限的,不可能无限细分下去,从而限制了模糊控制的精度,控制性能比较粗糙。因此,我们提出了将传统的PID控制与模糊控制相结合构成模糊PID
17、控制,并通过研究模糊PID的控制原理和实验仿真分析验证该控制策略的有效性与可行性。模糊PID控制原理图汽车悬架的智能控制系统的实现 当被控对象(簧载质量)发生振动时,振动传感器实时感测出被控对象的各种振动特性(如加速度、相对速度或相对位移),经信号处理环节,对所获得的传感器信号进行调理,然后送入系统主控制器,主控制器根据所接收到的振动信息进行智能决策和分析,并立即产生相应的控制调节电压信号输入可控电源,最后输出驱动电流到磁流变减振器的励磁线圈上形成强磁场磁流变液在这个外加磁场的作用下,按照自身的流变特性改变其阻尼特性,对被控对象施加反方向的阻尼力,最终达到减振效果。磁流变减振器控制原理图汽车悬
18、架的智能控制系统的实现 磁流变减振控制器要实现的功能如下:实时检测车身振动状态，通过加速度传感器,获得车身振动状态及 趋势；实时输出电流的大小，通过车身垂直加速度信号,判断车身的振动 状态，实时调节控制器的输出电流；对磁流变减振控制器硬件和软件设置保护限制，防止控制器过流、过压及磁流变液过饱和，保证控制器的安全及响应速度。磁流变减振控制其要实现的技术指标如下:输出励磁电流：0-3A；响应时间：不小于1000Hz；响应超调：小于5%。传感器的设定 （a）加速度传感器控制模式（b）速度传感器控制模式（c）位移传感器控制模式三种常见的传感器配置模式 在减振系统中的每个磁流变减振器上端连接的车身部份和
19、下端悬架部分各安装一个加速度传感器。通过对两个加速度信号算法处理（例如做减）,实时得到路面状况。整个汽车减振系统共配置4个磁流变减振器和8个加速度传感器。尽管加速度传感器的测量精度高、动态响应范围大,但由于其价格昂贵,在一定程度上限制了其推广和使用。控制系统的硬件组成 控制器硬件电路设计框图 该系统是利用传感元件识别外界环境的变化、采集振动信息，然后对采集的信息进行分析、处理，并向执行元件（磁流变减振器）发出控制指令，最后产生动作。本项目所设计的半主动智能减振系统的核心就是减振系统中应有一个快速响应、连续调节、工作可靠的阻尼器作为执行元件。而利用DSP控制的磁流变阻尼器正好满足上述要求。其硬件
20、电路设计主要包括电源、主控制器、信号采集、信号调理、PWM 隔离驱动、电流驱动器及反馈保护电路模块。课题组后期研究方向 直线行驶工况下的整车半主动悬架模型直线行驶工况下的整车半主动悬架模型 整车半主动悬架控制不仅要考虑汽车的垂直振动，还要考虑车体俯仰和侧倾振动。考虑采用如图所示的模块整车控制算法。其中心思想为：在进行控制系统设计时，首先把整车模型分别看成四个1/4车体模型、前后两个1/2车体模型和左右两个1/2车体模型之和，然后针对以上的模块划分设计三种运动不同的模糊控制策略，分别控制车身的垂向、俯仰和侧倾振动，最后把抑制垂直、侧倾和俯仰振动需要的三个控制力叠加起来即得到实现总体控制目标的各个
21、减振器的阻尼力，然后可以根据各个减振器所需的控制力来确定磁流变减振器的控制电流。课题组后期研究方向 俯仰运动模型侧倾运动模型转向运动模型传感器设定：4个加速度传感器；1个侧向加速度传感器；1个方向盘角传感器。控制方法：模糊控制课题组后期研究方向 （1）控制策略的综合运用 电控悬架需对悬架参数进行控制，所采用的许多控制方法有：天棚阻尼控制、PID 控制、最优控制、自适应控制、神经网络控制、滑模变结构控制、模糊控制、预测控制等。根据车辆类型、悬架结构、减振器类型，对控制方法和控制理论进行研究，综合运用控制策略和控制方法。（2）多系统集成联合控制研究 因汽车的车身运动不是某个系统单独决定的，是由多个
22、系统之间的联合作用决定的。只研究主动悬架的控制问题，而不研究各个子系统之间的相互影响，已经不能满足汽车发展的要求，今后更应注重电控悬架系统与转向系、制动系之间的集成控制研究。（3）悬架系统最佳参数控制 根据车辆舒适性、安全性优化设计要求，利用车辆进行动力学模型，对车辆悬架系统进行研究，并通过对相互矛盾和相互制约的车辆振动加速度、车辆动载和悬架动挠度等参数进行分析，建立在不同车速、不同路况、不同车辆参数以及不同振动情况下的车辆悬架系统最佳控制参数的数学模型；将在不同车速、不同路况、不同车辆参数悬架系统最佳控制设计参数，与主动悬架系统的控制相结合，使悬架系统本身的参数与车辆当时的状态相适应，使车辆达到最佳减振效果，满足车辆的乘坐舒适性和操纵稳定性的要求。（4）研究开发高效率馈能型悬架和可以再生能量的电控悬架，尽量回收和转换振动能量，减少车辆对外界能源的依赖。谢谢观赏
