Semi-active Suspension Control
1.introduction
1.2 Historical Notes on Suspensions
Suspensions, as many other vehicle systems, followed relatively closely the evolution of the transportation technology. For centuries carts were not equipped with any sort of suspension at all. Only later, in the eigth century, was a primitive suspension based on an iron chain system developed. Metal springs were first developed in the 17th century and shortly afterwards leaf springs. Various designs were developed until the last century, which saw the development of the concept of suspension based on a spring and a damper.
Early vehicle ride studies date back to the 1920s and 1930s (Lanchester, 1936). Investigation on handling and steering dynamics followed later in the 1950s as reported by Milliken WF and Milliken DL (1995) as well as the application of random vibration theory to vehicle studies. The advent of digital computers with greater processing power and the development of multi-body vehicle models of ever increasing complexity has contributed to produce more and more sophisticated designs.
The optimisation of suspensions is achieved not only via a careful design and tuning of springs and dampers, but also by improving the design of the other components of the suspensions (e.g., rubber bushes and mountings), so as to better exploit their damping properties in order to obtain an overall ride improvement, and through an appropriate design of the suspension geometry (links, arms, levers). The study of the mechanical design of suspensions and their kinematics is not within the scope of this book. However a brief overview is here presented. The literature on the topic is vast (interesting websites on suspension mechanical design and suspension history are http://www.carbibles.com/suspension_bible.html and http://www.citroenet.org.uk/miscellaneous/suspension/suspension1.html).
Essentially suspensions can be categorised into two large families: dependent and independent suspensions, the difference being whether the two suspension units (on either the front or the rear of the vehicle) are linked or not. Whilst it is very common to have rear dependent suspension, most front suspensions are of the independent type. Sometimes suspensions are linked by an anti-roll bar, which is essentially a torsion spring that helps reduce roll while negotiating a bend.
As far as the kinematics of the suspension is concerned car manufacturers developed a variety of designs, including the so-called double wishbone system and the multi-link suspensions (used on the Audi A4 for instance).
It was said that suspension unit is composed of a damper and a spring. Springs are typically of coil type but leaf springs are still common, particularly on trucks.
A classical design is the so-called MacPherson strut, named after Earle S. MacPherson who designed it in the 1940s. It is a very compact design where the damper is mounted within the coil spring. Hydropneumatic suspension is another type of suspension developed by Citroeuml;n, which has worked on controlled suspensions for many years (Curtis, 1991). Another type of suspension is the Hydragas suspension employed for instance on the MGF Roadster (Moulton and Best, 1979a and 1979b; Rideout and Anderson, 2003).
Controlled suspensions (both active and semi-active) have appealed to automotive engineers for many decades. Semi-active dampers have been developed by damper manufacturers such as ZF Sachs (ABC -Active Body Control- and CDC http://www.zf.com/content/en/import/zf_konzern/startseite/f_e/nutzen_fuer_unsere _kunden/variable_daempfungssysteme/Variable_Daempfungssysteme.html). At present many vehicles offer some kind of controlled suspensions. Active suspensions were first developed for Formula 1 cars: Lotusrsquo;s was the first car to be equipped with an active system in 1983 (Baker, 1984; Milliken, 1987). Besides racing cars, active systems have been studied and developed for a long time also for road vehicles (typically saloon cars). Hillebrecht et al. (1992) 15 years ago discussed the trade-off between customer benefit and technological challenge from the angle of a car manufacturer. Mercedes have worked for many years on active suspensions. The Mercedes CL Coupe (Cross, 1999) is equipped with a fully integrated suspension and traction control. The Citroeuml;n BX model was fitted with a self-leveller system and the Xantia Activa is equipped with active anti-roll bars. Toyota worked on controlled suspensions, for example in the Toyota Celica (Yokoya et al, 1990) as well as Volvo (Tiliback and Brood, 1989). Most recently plenty of high-segment cars are equipped with semi-active suspensions (Mercedes, Lamborghini and Ferrari vehicles, to name but a few).
Magnetorheological-based semi-active suspensions are used on a number of high-segment market cars which employ the Delphi MagneRidetrade; (http://delphi.com/manufacturers/auto/other/ride/magneride/) system based on magnetorheological dampers. The system is fitted on a few vehicles including some Cadillac models (Imaj, Seville, SRX, XLR, STS, DTS), the Chevrolet Corvette and most recently the Audi TT, the Audi R8 and the Ferrari 599 GTB.
Another interesting type of suspension worth mentioning is the Bosereg; linear electromagnetic suspension designed by Dr Amar Bose, which is based on a linear electric motor and power amplifier instead of a spring and a damper (http://www.automobilemag.com/features/news/0410_bose_suspension/).
1.3 Active and Semi-active Suspensions in the Scientific Literature
A vast amount of work on controlled suspension systems is present in the technical and scientific literature. The first paper dealing with active suspensions dates back to the 1950s (Federspiel-Labrosse, 1954). One of the first rev
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半主动悬架控制
1.介绍
1.2悬架的历史
悬架，和许多其他车辆的系统一样，随着运输技术的发展而发展。几个世纪以来，马车根本没有任何悬架装置。直到后来，在第8世纪，一个基于铁链系统的原始悬架被发明出来。悬架中使用金属弹簧最初是在17世纪发展起来的，不久之后就采用钢板弹簧。直到上个世纪，各种各样的设计才被开发出来，这一概念的发展基于弹簧和减振器的发展。
早期的车辆行驶研究可以追溯到20世纪20年代和30年代(Lanchester, 1936)。随后在20世纪50年代，有了Milliken WF和Milliken DL(1995)对操纵和转向动力学的研究报告以及随机振动理论在车辆研究中的应用。数字计算机的出现（具有更大的处理能力）和多体汽车模型的发展（不断增加的复杂性）有助于产生越来越复杂的设计。
对悬架的优化不仅通过对弹簧和减振器的精心设计和调优，还通过改进悬架装置(例如橡胶衬套和底座)的其他部件的设计，从而更好地利用它们的阻尼特性，并通过适当的对悬架的几何设计(如连杆，手臂，杠杆)，从而获得整体的行驶性能的改善。对悬架的机械设计及其运动学的研究不在本书的范围之内，不过这里有一个简要的概述。这个主题的参考文献是很多的(推荐一些关于悬架机械设计和悬挂历史的有趣网站：http://www.carbibles.com/suspension_bible.html和http://www.citroenet.org.uk/miscellaneous/suspension/suspension1.html)。
实质上，悬架可以分为两大类:非独立悬架和独立悬架，不同的是两个悬挂单元(在车辆的前部或后方)是否相连。虽然后悬架是非独立悬架很常见，但大多数前悬架是独立式的。有时悬架是由一个防滚棒连接起来的，它实质上是一个扭杆弹簧，在转弯时帮助减少滚动。
就悬架的运动学而言，汽车制造商开发了各种各样的设计，包括双横臂悬架和多连杆悬架(例如奥迪A4)。
悬架由减振器和弹簧组成。弹簧通常是螺旋弹簧，但钢板弹簧仍然很常见，特别是在卡车上。
一个经典的设计就是麦弗逊悬架，它是以20世纪40年代设计它的Earle S. MacPherson的名字命名的。它是一种非常紧凑的设计，减振器安装在螺旋弹簧内。油气弹簧悬架是雪铁龙公司开发的另一种悬架，雪铁龙多年来一直致力于研究控制悬架(Curtis, 1991)。还有一种悬架是在MGF敞篷跑车上（Moulton和Best，1979a和1979b;赖德奥特和安德森,2003)。
控制悬架(主动和半主动)已经吸引了汽车工程师数十年。半主动减振器由减振器制造商开发,例如ZF萨克斯(ABC -Active Body Control- 和CDC http://www.zf.com/content/en/import/zf_konzern/startseite/f_e/nutzen_fuer_unsere_kunden/variable_daempfungssysteme/ Variable_Daempfungssysteme.html)。目前，许多车辆提供某种控制的悬挂。主动悬架最早是为一级方程式赛车开发的: Lotuslsquo;s 是1983年第一辆配备有主动系统的汽车(Baker, 1984;Milliken,1987)。除了赛车，主动系统也被研究和开发了很长一段时间用于道路车辆(典型的轿车)。Hillebrecht等人(1992) 15年前从汽车制造商的角度讨论了顾客利益与技术挑战之间的权衡。梅赛德斯(Mercedes)在主动悬架上工作了很多年。Mercedes CL Coupe (Cross, 1999)配备了完全一体化的悬架和牵引力控制。Citroen BX模型安装了自平衡系统，Xantia Activa配备了主动防滚棒。丰田公司曾研究控制悬架，例如丰田 赛利卡(Yokoya等人，1990)以及沃尔沃(Tiliback and Brood, 1989)等公司。最近，许多高端汽车都配备了半主动悬架(梅赛德斯、兰博基尼和法拉利汽车等等)。
以磁流变为基础的半主动悬架系统，采用了基于磁流变减振器的Delphi MagneRide系统（http://delphi.com/manufacturers/auto/other/ride/magneride/）。该系统安装在一些车型上，包括一些凯迪拉克车型(Imaj、Seville、SRX、XLR、STS、DTS)、雪佛兰克尔维特(Chevrolet Corvette)以及最近的奥迪TT、奥迪R8和法拉利599 GTB。
值得一提的另一个有趣的类型的悬架是Amar Bose博士设计的Bosereg;线性电磁悬架，基于线性电动马达和功率放大器代替弹簧和减振器。(http://www.automobilemag.com/features/news/0410_bose_suspension/)。
1.3科学文献中的主动悬架和半主动悬架
在技术和科学文献中有大量关于悬架的研究。第一篇关于主动悬架的论文可以追溯到20世纪50年代(Federspiel-Labrosse, 1954)。关于悬架控制的艺术的第一次评论是由Hedrick和Wormely(1975)进行的。另一个是在1983年由古德和Kortum进行的，他们对主动悬架进行了研究。几年后，Sharp和Crolla(1987)和Crolla和Aboul Nour(1988)对各种类型的悬架的优缺点进行了比较分析。另一个历史性评论和尝试是由Crolla(1995)提出了一些设计标准。在完全主动悬架设计中，第一个选择是驱动器的类型。驱动器可以是液压、气动、电磁，或混合溶液。Williams等人(1996)分析了oleo-气动执行器的优点，Martins等人(1999)提出了一种混合电磁控制悬架。由Satoh等人(1990)提出了一种主动悬架，采用液压驱动机构，压力控制而非流动控制。
主动悬架是控制工程师的一个具有挑战性的领域。在过去的30年里，所有主要的控制技术都被应用到控制车辆悬架的问题上。下面是本研究的概述。
首先，必须强调控制算法设计中的一个主要问题是车辆和悬架参数的识别。他们体系中的错误会破坏最复杂的控制器的性能，这些控制器是用非常精细的数学技术设计的。Majjad(1997)和Tan and Bradshaw(1997)解决了汽车悬架参数识别的问题。由于在舒适和道路持有方面存在冲突，需要进行权衡，这导致了优化技术的使用。在1976年，汤普森研究了四分之一的汽车模型，并运用最优线性状态反馈理论设计了可控悬架;Chalasani(1987)使用全车模型优化了主动驾驶性能。一个主动悬架的Hinfin;算法是Sammier等人(2000)提出的。
汽车的驾驶条件在很大程度上取决于道路和汽车速度。这说明了某种形式的自适应控制的必要性。Hac(1987)实施了这种方案。多年来，有人提出了其他的自适应控制方法。Ramsbottom et等人(1999)和Chantranuwathana和Peng(1999)研究了一种主动悬架的自适应控制方案。
Robost控制方案是处理不确定参数系统的一种控制方法，已被许多研究人员所研究。Mohan和Phadke(1996)研究了四分之一汽车的可变结构控制器。Park和Kim(1998)将这项研究扩展到一个完整的7DOF骑车模型。Yagtz et等人(1997)和Kim and Ro(1998)对滑模控制进行了研究。houlu等人(1999)提出了一种混合滑模模糊控制器。
此外，还研究了越野车辆的主动悬架（Crolla等，1987）。Stayner(1988)提出了一种用于农用车辆的主动悬架。根据Goodall等人(1981)的报告，主动装置也被研究应用于铁路应用。
半主动悬架最早出现于20世纪70年代(Crosby和Karnopp,1973年; Karnopp等人，1974年，作为一种替代，昂贵，复杂，高强度的主动系统的替代品。Rakheja和Sankar(1985)、Alanoly和Sankar(1987)在主动和半主动隔离器方面也进行了类似的研究。由Margolis(1982)和Ahmadian和Marjoram(1989)对被动系统进行了比较研究。这项工作最吸引人的特点是，控制策略只基于相对位移和速度的测量。在Crolla(1995)中可以找到评论。
一种被称为天棚阻尼的控制方案，基于汽车车身绝对垂直速度的测量(目标是实现与天空中理想惯性基准相连接的减振器所产生的相同阻尼力)，在1970年由Karnopp提出，目前仍采用多种变化(Alleyne 等人，1993)。Yi and Song(1999)提出了天棚阻尼控件的自适应版本。一些作者（张和吴，1997）为了提高舒适度，设计了一种基于生物神经学的控制系统的悬架。最近刘等人(2005)研究了四种不同的半主动控制策略，基于天棚阻尼和平衡控制策略。
动态轮胎力的减小是一个具有挑战性的领域。Cole等人(1994)在理论和实验上都做了大量的研究。瓦拉塞克等人（1998）还对地棚阻尼控制逻辑进行了研究，以减少动力轮胎的压力。
就半主动悬架的应用而言，他们不仅设想了轿车，而且还设想了其他类型的车辆。Besinger等(1991)研究了半主动减振器在卡车上的应用。Ogawa等人(1999)研究了一种用于列车应用的天棚阻尼算法。Miller和Nobes(1988)研究了军用坦克的半主动悬架。马戈利斯和来宝（1991）进行了一项研究，以控制大型越野车辆的起伏运动。
与主动系统一样，针对半主动悬架各种控制方案被提出:自适应方案(Bellizzi and Bouc,1989)，最优控制(Tseng和Hedrick,1994)， LQG(线性二次高斯)方案(Barak and Hrovat, 1988)以及robost算法(Titli 等人，1993)。Crolla和Abdel Hady(1988)提出了一种多变量控制器来实现整车模型。Hac（1992）和Hac和Youn（1992）提出了预览控制方案，由Ursu等人（1984）和Moran和Nagai（1992）进行了最优控制。
Groenewald和Gouws(1996)提出了一种有趣的解决方案，建议通过使用闭环控制来改善轮胎压力。通过控制轮胎压力，可以控制轮跳谐振并因此改进所谓的二次行驶，即，这种行为接近于车轮跳动的共振(Shaw, 1999)，改善轮胎寿命和减少燃料消耗。
在过去的几年中，人工智能技术在悬架系统上的应用已经有了大量的进展。神经网络和模糊逻辑(Vemuri,1993;Agarwal,1997)引起了该领域许多研究者的关注(Moran和Nagai,1994;渡边和夏普，1996年和1999年;1997年，Ghazi Zadeh等人;Yoshimura 等人,1997)。
这一简要的调查显示，为车辆设计低价而可靠的控制悬架系统，很多研究已经进行，并且仍然在进展中。
1.4汽车平顺性
通过对车辆动力学方程的分析，可以客观地对道路的承载和处理进行量化，但这不是行驶平顺性，因为这是一种固有的主观问题。行驶品质，驾驶乐趣，都与乘客的舒适度和驾驶体验有关。传递给乘客的振动来自于一系列原因，其中包括道路不均匀，空气动力和发动机和动力传动的振动。道路的不规则性确实是振动的主要来源。在舒适的车辆中，振动必须保持在一定的范围内。为了建立这些界限，首先需要评估和量化如何衡量汽车行驶平顺性。
5．摩擦式减振器
5.3电液式减振器
为了实现比例式的半主动控制逻辑(平衡，天棚阻尼等)摩擦力必须按比例控制，这可以用电动液压驱动来实现。因此，将力控制问题转化为压力控制问题，即恒容腔内的压力调制。在压力控制系统中，流量和所需功率可以忽略不计。这将造成有更小的部件(泵、管道、阀门)。原则上，强制控制的电力驱动可能是另一种解决方案，但这需要一个大型螺线管来产生所需的电力。由于空气的压缩性，气动系统的动力响应缓慢，因此气动驱动不会有效。可以设想各种液压回路来执行控制压力的任务。典型的解决方案是基于与泵并联安装的压力控制阀(图5.1)。这种配置的主要缺点是，如果要控制好几个独立的压力，就必须有相当数量的泵和阀门。因此，只有当一个FD被控制时，这个解决方案才方便。
另一种配置采用两个双向阀(图5.2):一个用于加载阶段(控制压力上升)，另一个用于卸载阶段(控制压力下降)。在简化版本中，卸荷阀可以由固定孔代替。这种电路结构在制动系统中很常见。
如果有几个压力(也就是几个FD)是独立控制的，第三种类型的驱动可以被设计成可以最小化部件的数量。这个解决方案是基于三路比例流量控制下的阀门，用于在压力控制模式下驱动一个单室驱动器(图5.3)。有了这样的配置，就有可能只使用一个泵和若干阀门，控制几个独立的压力，这相当于控制了压力的数量，如图5.4所示。
控制阀的行为方式类似于电阻式分频器，即通过对流量和流量的计量，调节致动器室压力。压力和阀芯的电流需求特性(压力增益)具有饱和的趋势，饱和限制在供应和返回压力和一个依赖于泄漏流的梯度(一个理想的无泄漏阀有一个开关特性)。这种特性使得压力可以以一种几乎成比例的方式控制小的需求信号，而对于大的信号，压力可以以类似继电器的方式进行切换。这允许实现比例和继电器式控制算法(Guglielmino和Edge,2000和2001)。该液压传动的详细模型将在下面的章节中介绍。
从控制压力的角度来看，这三种配置实际上是等效的，提供了足够带宽的阀门。在设计液压回路时，一个主要的限制因素是阀门的动力响应，它可能受到外部因素的影响，而这些外部因素与所选择的部件无关，例如液压油中存在空气。然而，由于系统的昂贵和复杂，电路中自由空气
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