客車電控空氣懸架減振性能混合控制研究現(xiàn)狀

單紅艷、柳禮

（1.杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院青年汽車學(xué)院 310018；2.杭州萬向職業(yè)技術(shù)學(xué)院 310018)

隨著電控技術(shù)的快速發(fā)展，歐美等汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家提出在傳統(tǒng)被動空氣懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加電子控制單元，從而構(gòu)成電子控制空氣懸架系統(tǒng)[1]。電控空氣懸架能夠?qū)崿F(xiàn)車身高度的主動控制和阻尼自適應(yīng)調(diào)節(jié)，對于改善車輛在行駛過程中的平順性、操穩(wěn)性以及燃油經(jīng)濟(jì)性都具有重要作用，已成為車輛工程界的關(guān)注焦點(diǎn)[2]。隨著可調(diào)阻尼減振器研究的日益成熟，減振控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)已成為實(shí)現(xiàn)電控空氣懸架系統(tǒng)隔振性能提升的瓶頸和關(guān)鍵[3]。

目前，在很多豪華轎車上，電控空氣懸架已得到廣泛應(yīng)用，在客車和豪華城市客車上的使用率也是極高的。按照此發(fā)展趨勢，不久的將來，電控空氣懸架將替代我國現(xiàn)有的客車懸架系統(tǒng)，電控空氣懸架的產(chǎn)品推廣將迎來良好的外部環(huán)境。根據(jù)國家汽車發(fā)展規(guī)劃，我國將重點(diǎn)發(fā)展適應(yīng)高速公路需要的大中型客車及專用客車，并且在頒布實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)中，對大中型客車懸架配置也做出了明確規(guī)定，其中高級大中型客車必須使用空氣懸架。與此同時，隨著重型汽車對路面破壞機(jī)理認(rèn)識的進(jìn)一步加深，電控空氣懸架在重型汽車中的應(yīng)用也在進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，隨著相關(guān)市場的快速發(fā)展，電控空氣懸架產(chǎn)品需求必將得到快速增長。然而，國內(nèi)所裝備的電控空氣懸架，其電控系統(tǒng)完全依賴于進(jìn)口，進(jìn)而導(dǎo)致電控空氣懸架系統(tǒng)成本較高，無法打破行業(yè)壟斷。

因此，我國有必要加快電控空氣懸架系統(tǒng)及其控制技術(shù)的研究步伐，積極開展電控空氣懸架設(shè)計(jì)理論及關(guān)鍵技術(shù)研究，盡快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，打破國外發(fā)達(dá)國家技術(shù)封鎖，為客車懸架企業(yè)參與國際市場競爭提供技術(shù)支持，提高我國客車產(chǎn)業(yè)在相關(guān)市場上的競爭力。通過采用先進(jìn)控制方法解決電控空氣懸架的控制問題，將為電控空氣懸架系統(tǒng)的發(fā)展提供新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，有助于提升我國車輛底盤控制領(lǐng)域的研究水平，有效提升客車電控空氣懸架整車隔振性能。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

日本研究人員在1986年時，就對豐田汽車上的電控空氣懸架進(jìn)行系統(tǒng)研究，以提高整車隔振性能。1991年，德國研究人員對商用車上的電控空氣懸架進(jìn)行了研究，提高了商用車的行駛平順性。2011年韓國研究人員基于滑模控制理論設(shè)計(jì)了電控空氣懸架高度調(diào)節(jié)控制器，實(shí)現(xiàn)了車身高度的有效控制[4]。目前，電控空氣懸架在國外某些高級轎車如奔馳、奧迪上已有成熟應(yīng)用，由此可見，國外對電控空氣懸架的研究開始較早且較為深入，并有一定的應(yīng)用成果。

在國內(nèi)，電控空氣懸架減振性能提升的研究也越來越受到人們關(guān)注，許多先進(jìn)控制方法被應(yīng)用于電控空氣懸架控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)之中。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)的研究人員以單輪空氣懸架模型作為研究對象，將最優(yōu)控制理論與電控空氣懸架相結(jié)合，改善了車輛行駛的平順性[5]。吉林大學(xué)的研究人員將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，參考自適應(yīng)控制方法進(jìn)行了電控空氣懸架的非線性控制，提高了車輛隔振性能[6]。江蘇大學(xué)的研究人員采用模糊PID復(fù)合控制技術(shù)，對電控空氣懸架的可調(diào)剛度進(jìn)行了控制，完成了控制系統(tǒng)的仿真模擬和臺架試驗(yàn)[7]。

但目前，無論是國外還是國內(nèi)，均未有研究考慮到電控空氣懸架，不僅包含懸架系統(tǒng)自身物理特性所約束的連續(xù)動態(tài)過程行為，同時還包括多工況切換控制輸入及多工況控制輸出等離散動態(tài)行為。如圖1所示，即為電控空氣懸架減振性能控制過程中的模式切換流程。根據(jù)車輛實(shí)際行駛工況，客車車身高度必須定義為“高位模式”、“中位模式”及“低位模式”，各離散高度模式下又分別對應(yīng)著不同的阻尼調(diào)節(jié)模式；針對轉(zhuǎn)向工況下車身高度不調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，還需增加轉(zhuǎn)向工況阻尼控制模式。不同模式間的切換屬于典型的離散事件，但各模式下系統(tǒng)變量的更新又為傳統(tǒng)的連續(xù)動態(tài)過程。事實(shí)上，這兩類行為相互影響、相互耦合，不能簡單地分開，必須作為一個整體進(jìn)行研究。因此，傳統(tǒng)研究方法必然帶來一定的局限性，難以從根本上提高電控空氣懸架在全局工況下的整車隔振性能。

圖1 電控空氣懸架減振性能控制過程中的模式切換

2 混合系統(tǒng)及其控制理論

混合系統(tǒng)建模及其控制理論的提出，就是為了解決諸如電控空氣懸架這種連續(xù)動態(tài)過程和離散事件相互耦合系統(tǒng)的控制問題。最早研究混合系統(tǒng)的文獻(xiàn)于1966年發(fā)表，但在當(dāng)時并未引起足夠的關(guān)注，直到1986年，在美國召開的高級控制會議上，混合系統(tǒng)才作為一種新型動力學(xué)系統(tǒng)被人們提出，并引起研究者濃厚的興趣。隨后，針對混合系統(tǒng)的研究大量開展起來，德國著名出版公司Springer從1993年開始出版關(guān)于混合系統(tǒng)理論研究的專輯，匯集了當(dāng)時混合系統(tǒng)理論研究中最具代表性的成果?；旌舷到y(tǒng)及其控制理論已經(jīng)被公認(rèn)為對生產(chǎn)過程自動化、機(jī)器人控制等復(fù)雜工程技術(shù)問題的解決具有重要指導(dǎo)意義。

近年來，隨著相關(guān)研究的不斷深入，針對復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng)混合動態(tài)建模及其優(yōu)化控制的研究已逐步走向成熟，出現(xiàn)了一系列實(shí)際工程應(yīng)用成果。在國外，針對汽車電子加速踏板非線性控制問題，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的Manfred基于分段仿射理論（Piecewise Affine，PWA）建立了考慮非線性摩擦力矩的混合系統(tǒng)動態(tài)模型，并設(shè)計(jì)了最優(yōu)狀態(tài)反饋控制律。Alberto等人建立了汽車牽引力控制系統(tǒng)混合模型，并提出采用模型預(yù)測控制（Model Predictive Control，MPC）來解決牽引力控制問題，實(shí)現(xiàn)了在濕滑路面上為汽車提供最大牽引力矩的控制目標(biāo)。意大利錫耶納大學(xué)的Giorgetti將混合模型預(yù)測控制理論（Hybrid Model Predictive Control，HMPC）應(yīng)用于半主動懸架的最優(yōu)控制，建立了考慮系統(tǒng)約束的半主動懸架混合系統(tǒng)混合邏輯動態(tài)（Mixed Logical Dynamical，MLD）模型，并取得了滿意的控制效果。

在國內(nèi)，混合系統(tǒng)及其控制理論的研究也取得了較大的進(jìn)展，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的秦琳琳在建立基于機(jī)理和基于辨識的深液流栽培試驗(yàn)溫室MLD模型的基礎(chǔ)上，研究了溫室天窗溫度系統(tǒng)的HMPC算法。浙江大學(xué)的張立炎利用有關(guān)活性污泥法的專家經(jīng)驗(yàn)，基于MLD建模方法建立了連續(xù)進(jìn)水間歇曝氣活性污泥法除氮動態(tài)模型，通過采用預(yù)測控制方法對該過程進(jìn)行了優(yōu)化控制。

3 結(jié)束語

針對客車電控空氣懸架減振性能優(yōu)化控制過程中存在的混合動態(tài)特征，有必要借助混合系統(tǒng)理論揭示系統(tǒng)混合動力學(xué)行為，通過建立電控空氣懸架系統(tǒng)混合動態(tài)模型，在統(tǒng)一的模型框架下準(zhǔn)確反映電控空氣懸架控制過程中連續(xù)動態(tài)過程與離散事件相互耦合的作用機(jī)理，從而抓住電控空氣懸架系統(tǒng)存在的混合本質(zhì)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)電控空氣懸架混合動態(tài)模型的優(yōu)化控制，完成電控空氣懸架混合系統(tǒng)動態(tài)建模、模型精度試驗(yàn)驗(yàn)證、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及控制性能仿真驗(yàn)證的全過程，實(shí)現(xiàn)從根本上提高電控空氣懸架整車隔振性能的新方法和新思路。