客車電控空氣懸架減振性能混合控制研究現狀

單紅艷、柳禮

（1.杭州職業技術學院青年汽車學院 310018；2.杭州萬向職業技術學院 310018)

隨著電控技術的快速發展，歐美等汽車工業發達國家提出在傳統被動空氣懸架系統的基礎上增加電子控制單元，從而構成電子控制空氣懸架系統[1]。電控空氣懸架能夠實現車身高度的主動控制和阻尼自適應調節，對于改善車輛在行駛過程中的平順性、操穩性以及燃油經濟性都具有重要作用，已成為車輛工程界的關注焦點[2]。隨著可調阻尼減振器研究的日益成熟，減振控制系統設計已成為實現電控空氣懸架系統隔振性能提升的瓶頸和關鍵[3]。

目前，在很多豪華轎車上，電控空氣懸架已得到廣泛應用，在客車和豪華城市客車上的使用率也是極高的。按照此發展趨勢，不久的將來，電控空氣懸架將替代我國現有的客車懸架系統，電控空氣懸架的產品推廣將迎來良好的外部環境。根據國家汽車發展規劃，我國將重點發展適應高速公路需要的大中型客車及專用客車，并且在頒布實施的標準中，對大中型客車懸架配置也做出了明確規定，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理認識的進一步加深，電控空氣懸架在重型汽車中的應用也在進一步擴大。因此，隨著相關市場的快速發展，電控空氣懸架產品需求必將得到快速增長。然而，國內所裝備的電控空氣懸架，其電控系統完全依賴于進口，進而導致電控空氣懸架系統成本較高，無法打破行業壟斷。

因此，我國有必要加快電控空氣懸架系統及其控制技術的研究步伐，積極開展電控空氣懸架設計理論及關鍵技術研究，盡快實現產業化，打破國外發達國家技術封鎖，為客車懸架企業參與國際市場競爭提供技術支持，提高我國客車產業在相關市場上的競爭力。通過采用先進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的發展提供新的理論基礎和技術支持，有助于提升我國車輛底盤控制領域的研究水平，有效提升客車電控空氣懸架整車隔振性能。

1 國內外研究現狀

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行系統研究，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?？刂评碚撛O計了電控空氣懸架高度調節控制器，實現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，并有一定的應用成果。

在國內，電控空氣懸架減振性能提升的研究也越來越受到人們關注，許多先進控制方法被應用于電控空氣懸架控制系統的設計之中。南京農業大學的研究人員以單輪空氣懸架模型作為研究對象，將最優控制理論與電控空氣懸架相結合，改善了車輛行駛的平順性[5]。吉林大學的研究人員將模糊控制與神經網絡相結合，參考自適應控制方法進行了電控空氣懸架的非線性控制，提高了車輛隔振性能[6]。江蘇大學的研究人員采用模糊PID復合控制技術，對電控空氣懸架的可調剛度進行了控制，完成了控制系統的仿真模擬和臺架試驗[7]。

但目前，無論是國外還是國內，均未有研究考慮到電控空氣懸架，不僅包含懸架系統自身物理特性所約束的連續動態過程行為，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。根據車輛實際行駛工況，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著不同的阻尼調節模式；針對轉向工況下車身高度不調節的特點，還需增加轉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，但各模式下系統變量的更新又為傳統的連續動態過程。事實上，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行研究。因此，傳統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 混合系統及其控制理論

混合系統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動態過程和離散事件相互耦合系統的控制問題。最早研究混合系統的文獻于1966年發表，但在當時并未引起足夠的關注，直到1986年，在美國召開的高級控制會議上，混合系統才作為一種新型動力學系統被人們提出，并引起研究者濃厚的興趣。隨后，針對混合系統的研究大量開展起來，德國著名出版公司Springer從1993年開始出版關于混合系統理論研究的專輯，匯集了當時混合系統理論研究中最具代表性的成果?；旌舷到y及其控制理論已經被公認為對生產過程自動化、機器人控制等復雜工程技術問題的解決具有重要指導意義。

近年來，隨著相關研究的不斷深入，針對復雜動力學系統混合動態建模及其優化控制的研究已逐步走向成熟，出現了一系列實際工程應用成果。在國外，針對汽車電子加速踏板非線性控制問題，蘇黎世聯邦理工學院的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動態模型，并設計了最優狀態反饋控制律。Alberto等人建立了汽車牽引力控制系統混合模型，并提出采用模型預測控制（Model Predictive Control，MPC）來解決牽引力控制問題，實現了在濕滑路面上為汽車提供最大牽引力矩的控制目標。意大利錫耶納大學的Giorgetti將混合模型預測控制理論（Hybrid Model Predictive Control，HMPC）應用于半主動懸架的最優控制，建立了考慮系統約束的半主動懸架混合系統混合邏輯動態（Mixed Logical Dynamical，MLD）模型，并取得了滿意的控制效果。

在國內，混合系統及其控制理論的研究也取得了較大的進展，中國科學技術大學的秦琳琳在建立基于機理和基于辨識的深液流栽培試驗溫室MLD模型的基礎上，研究了溫室天窗溫度系統的HMPC算法。浙江大學的張立炎利用有關活性污泥法的專家經驗，基于MLD建模方法建立了連續進水間歇曝氣活性污泥法除氮動態模型，通過采用預測控制方法對該過程進行了優化控制。

3 結束語

針對客車電控空氣懸架減振性能優化控制過程中存在的混合動態特征，有必要借助混合系統理論揭示系統混合動力學行為，通過建立電控空氣懸架系統混合動態模型，在統一的模型框架下準確反映電控空氣懸架控制過程中連續動態過程與離散事件相互耦合的作用機理，從而抓住電控空氣懸架系統存在的混合本質。在此基礎上，進一步實現電控空氣懸架混合動態模型的優化控制，完成電控空氣懸架混合系統動態建模、模型精度試驗驗證、控制系統設計以及控制性能仿真驗證的全過程，實現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。