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前言

悬架(与轮胎一起)是车辆中最影响整车动力学特性的单个总成单元。大多数普通车辆和趣味驾驶车辆,比如运动摩托车,集技术特征和艺术魅力于一体的悬架展现出令人着迷的吸引力,往往成为关注的核心(甚至有时候被其车主引以为豪)。

对于车辆动力学特性而言,悬架的核心作用是不言而喻的: 它们建立起了路面和车体之间的连接关系,不仅影响着垂向动力学,也影响着由车辆操纵导致的旋转动力学(侧倾,俯仰)。因此,悬架是车辆 “路感”最主要的决定因素,影响着行驶安全和驾驶乐趣。

车辆悬架的另外一个突出特点是它们可能配置在车辆的不同层级: 如传统的车轮底盘层,底盘驾驶室层(如在卡车、工程车辆、农用拖车等),以及驾驶室座椅层(在大型全浮驾驶室,座椅一般也装备全浮悬架系统)。

尽管本书作者的意大利团队不愿意承认,电控悬架在大众市场汽车上的装备可以追溯到20世纪60年代,当时雪铁龙在其顶级车型中引入了油气悬架。在那个时代,悬架还没有引入电子技术,它们是所谓的前电控时代悬架,但是悬架部件容易大幅改装的思路开启了悬架通往实时电控自适应的道路。

在此向Monsieur Citron致敬,电控悬架真正的黄金时代可以追溯到20世纪80年代; 模拟电子技术已经得到了充分的发展,正开启了嵌入式数字微处理器的时代,全主动悬架的魔力吸引了包括F1赛车和汽车制造商的眼球。在那个年代,用全电子控制快速反应的液压执行机构代替传统的弹簧阻尼系统的方案展现了非常好的潜力。

然而高昂的成本,过大的功率消耗,体积庞大和不可靠的液压系统,以及不可靠的安全管理问题使得全主动悬架的诱惑力仅仅持续了几年。在20世纪90年代初,全主动悬架被F1赛车禁用,并且迄今为止也没有对大众汽车市场产生显著的影响。

在20世纪90年代后半叶,一种新的电控悬架技术——可变阻尼悬架(或者称为半主动悬架)出现了。这种悬架可以实现成本(部件成本、质量、电子器件和传感器、功耗等)和性能(舒适性、操控性、安全性)的最佳折中。

经过十几年的发展,可变阻尼悬架技术仍然是最有前景和吸引力的技术之一,它已经被引入了大众市场的轿车,而且正在进入摩托车市场,很多特种车辆或者细分市场应用正在考虑应用该技术,越来越多新的可变阻尼技术应用趋势正在显现。

半主动悬架被期待在装备轮毂电机的电动汽车新趋势中发挥更重要的作用,在这些车辆的架构中,悬架阻尼技术更加重要,并且半主动悬架可以显著减少由于簧下质量增大而产生的负面效应。

本书主要对半主动悬架控制算法设计问题进行全面讨论。尽管悬架阻尼系数变化的影响众所周知,但是当阻尼系数以非常快的速率变化时(比如每5ms),那么决定最佳阻尼比就远非易事。

半主动悬架系统,是看起来简单的动力学(其大体上可以简单地用一个四阶微分方程描述)和挑战性特征(非线性行为、变参数时变系统、非对称的控制极限、稳态状态下的不可控性等)的一种非同寻常的组合。这些特征使得半主动悬架的控制算法设计变得极具挑战性,这给了设计者机会: 通过简单改变控制策略就可以显著改变车辆的动态特征。然而,这并不是一个很容易把握住的机会: 半主动悬架在发展历程上充满了被车辆制造商拒绝的轶事,例如 “没有任何差别”, 或者甚至“比传统的机械悬架更差”。

正如许多其他的电控系统,执行机构本身并不是智能的: 它只不过简单地体现着控制算法设计者的聪明才智(或者愚蠢思路)。半主动悬架的关键在于其算法,所以半主动控制算法设计是本书的目的。

本书的结构遵循控制系统设计的经典路径: 首先分析、讨论和建模执行机构(也就是可变阻尼减振器),并且阐述目前可实现的技术。随后建立车辆(也就是装备了半主动悬架阻尼器的车辆)数学模型,并设计和讨论控制算法。

本书可以满足三个层次的阅读需求: 针对学生的教学层次; 针对工程师和从业者的应用层次; 针对研究人员的方法论层次。为了满足不同层次的阅读需求,从基础知识到最高级控制方法逐步进行阐述,本书大体上可以分成两部分。

本书的第一部分,由第2章到第6章组成,描述了基本的建模技术和半主动控制器设计; 本书的第二部分,由第6章到第8章组成,借助于一些案例,提出和比较了更高级的带有研究性质的解决方案。总体上本书的第一部分内容适用于应用工程师和研究生水平的车辆控制课程,而第二部分内容适用于研究生和汽车控制领域研究者的进一步学习。

还需要指出的是,第4章(汽车悬架分析方法)和第5章(半主动悬架最优策略及基准)在本书的结构中起到了中枢作用: 

在第4章中,为了给出一个通用的基准来评估和比较不同的设计方案的质量,对评估悬架系统性能的不同技术和方法进行了详细的讨论。

在第5章中,通过假设所有过去和未来的路况已知,基于模型预测控制,采用复杂的离线数值优化方法,开发了一个理想的半主动控制策略。尽管这种控制策略不可能在实际中实现,但是在概念上非常重要,因为它为半主动悬架可能达到的最佳滤波特性设定了绝对上限,可以作为实际控制算法评价的基准。

还要注意的是,本书所阐述的大部分材料都仅仅聚焦于垂向动力学: 这构成了悬架控制的主要内容,并且大部分俯仰和侧倾控制问题本质上都可以将半主动悬架控制技术应用于车辆的每个子悬架上加以解决,或者可以直接从垂向动力学控制方法上寻求解决方案。

最后,本书的作者团队要说几句。尽管本书的作者以及作者的单位比较多,但是本书不是由收集不同作者的论文编辑而成,而是过去十多年来作者团队在这个主题上所开展的研究工作和实际付出努力的成果的心血凝聚。这本书涵盖了米兰理工大学和格勒诺布尔大学与悬架及车辆制造企业在这个主题上所积累的所有研究工作和合作成果,也是我们所获得的最好经验。

作者团队的组成也证明意大利和法国能够延续他们长久的激励传统和成功合作……即使经历了2006年的柏林世界杯决赛(法国vs.意大利)。

米兰和格勒诺布尔,2010年1月15日

Sergio Matteo Savaresi

Charles PoussotVassal

Cristiano Spelta

Olivier Sename

Luc Dugard

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