客车ECAS车高调节与整车姿态混杂模型预测控制研究

摘要

电控空气悬架（ECAS）能够实现悬架系统刚度、阻尼以及车身高度的主动调节，对于改善车辆在行驶过程中的乘坐舒适性、操纵稳定性以及燃油经济性都具有重要意义，已成为车辆工程界的研究热点，其中，车身高度调节是ECAS的特色功能之一，系统通过对空气弹簧进行充放气实现车身高度的主动控制，为车辆综合性能提升提供了重要的技术保障。与此同时，为防止因整车载荷分布不均以及前后空气悬架系统参数差异而引起车身四角处车高调节不同步，从而导致整车姿态失稳现象，车高调节过程中的整车姿态控制也尤为关键。
　　高速开关电磁阀是ECAS在车高调节与整车姿态控制过程中用于调节进入或流出空气弹簧内空气质量流量的关键部件，系统通过控制电磁阀的开关状态实现多种工作模式间的离散切换，而各工作模式下的系统状态更新过程为典型的连续动态过程，因此，ECAS车高调节与整车姿态控制过程具有明显的混杂动态特征，可以归结为一类典型的混杂系统。针对这一现象，本文提出采用混杂模型预测控制方法进行客车ECAS车高调节与整车姿态控制系统设计，以期为进一步提升ECAS系统控制性能提供新的理论基础和技术支持。
　　首先，建立了客车ECAS车高调节与整车姿态非线性机理模型。对单轮ECAS车高调节过程进行了分析和总结，基于变质量充放气系统热力学理论推导了空气弹簧在充放气过程中各主要状态之间的数学关系表达式，结合车辆系统动力学原理，完成了客车单轮ECAS车高调节系统非线性机理模型的建立。在此基础上，为进一步实现ECAS车高调节过程中的整车姿态控制，建立了能够反映车身俯仰角和车身侧倾角实时变化的客车ECAS整车非线性机理模型。
　　其次，完成了客车ECAS车高调节与整车姿态控制过程混杂动力学行为分析。根据ECAS实际运行特点，将系统工作区域划分为多个离散工作模式，结合各模式之间的跃变条件及电磁阀开关状态，建立了反映系统切换行为的离散事件集合，揭示了客车ECAS在车高调节与整车姿态控制过程中连续动态过程演化、离散事件跃变以及二者之间的相互作用关系，为系统混杂模型的构建奠定了重要基础。
　　第三，实现了客车ECAS车高调节与整车姿态混杂动态建模。在对系统机理模型中存在的非线性部分进行合理线性近似的基础上，采用混合逻辑动态方法分别进行单轮ECAS车高调节与整车ECAS姿态控制混杂动态模型的构建。基于命题逻辑对电磁阀开关动作、分段线性近似边界条件等离散事件进行了准确描述，通过HYSDEL语言对ECAS车高调节与整车姿态控制过程中连续动态过程与离散事件之间的耦合行为进行了有效编译，最终形成系统混合逻辑动态模型的规范形式。
　　第四，设计了客车ECAS车高调节与整车姿态混杂模型预测控制器。为实现车身高度的准确跟踪以及整车姿态的良好控制，同时避免在车高调节与整车姿态控制过程中电磁阀开关状态出现频繁切换的现象，基于混杂模型预测控制理论分别进行了单轮ECAS车高调节和ECAS车高调节与整车姿态联合控制器设计，通过建立反映系统实际控制要求的目标函数，将客车ECAS车高调节与整车姿态控制问题归结为一类受约束有限时域优化控制问题，然后再将其转化为混合整数二次规划问题进行求解，从而综合出有效的ECAS车高调节与整车姿态混杂模型预测控制律。
　　最后，进行了客车ECAS车高调节与整车姿态混杂模型预测控制性能的实车试验验证。基于多参数规划技术完成系统混杂模型预测控制律的显式表达，解决系统实时控制问题，在此基础上，利用快速控制原型进行控制律的实际实现，然后再将其与装备ECAS的实车连接，从而构成ECAS车高调节与整车姿态控制实车试验平台。对实车进行车高调节试验，分析车高跟踪性能以及车高调节过程中的整车姿态控制效果，验证系统混杂模型预测控制律的有效性和可靠性。
　　研究表明，所提出的客车ECAS车高调节与整车姿态混杂模型预测控制方法不仅能够实现车身高度的有效调节，车高调节精度达96％，同时还能明显降低车高调节过程中车身俯仰角和车身侧倾角的峰值，下降幅度分别达39.3%和49.4%，从而有效改善了整车姿态控制性能。此外，值得指出的是，由于所建系统混杂动态模型中包含了反映电磁阀离散开关状态的逻辑变量，因此，综合得到的混杂模型预测控制律还能实现ECAS车高调节与整车姿态控制过程中电磁阀开关状态的直接控制，从而在此基础上能够进一步抑制电磁阀开关状态在短时间内出现频繁切换的现象，这是以往研究中所提出的控制方法难以直接实现的功能。研究工作对于提升ECAS控制领域的研究水平、丰富ECAS的研究内容具有一定意义。