客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)混雜模型預測控制研究.pdf

1、電控空氣懸架（ECAS）能夠?qū)崿F(xiàn)懸架系統(tǒng)剛度、阻尼以及車身高度的主動調(diào)節(jié)，對于改善車輛在行駛過程中的乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性以及燃油經(jīng)濟性都具有重要意義，已成為車輛工程界的研究熱點，其中，車身高度調(diào)節(jié)是ECAS的特色功能之一，系統(tǒng)通過對空氣彈簧進行充放氣實現(xiàn)車身高度的主動控制，為車輛綜合性能提升提供了重要的技術(shù)保障。與此同時，為防止因整車載荷分布不均以及前后空氣懸架系統(tǒng)參數(shù)差異而引起車身四角處車高調(diào)節(jié)不同步，從而導致整車姿態(tài)失穩(wěn)現(xiàn)象，車高

2、調(diào)節(jié)過程中的整車姿態(tài)控制也尤為關(guān)鍵。
　　高速開關(guān)電磁閥是ECAS在車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)控制過程中用于調(diào)節(jié)進入或流出空氣彈簧內(nèi)空氣質(zhì)量流量的關(guān)鍵部件，系統(tǒng)通過控制電磁閥的開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)多種工作模式間的離散切換，而各工作模式下的系統(tǒng)狀態(tài)更新過程為典型的連續(xù)動態(tài)過程，因此，ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)控制過程具有明顯的混雜動態(tài)特征，可以歸結(jié)為一類典型的混雜系統(tǒng)。針對這一現(xiàn)象，本文提出采用混雜模型預測控制方法進行客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)

3、控制系統(tǒng)設(shè)計，以期為進一步提升ECAS系統(tǒng)控制性能提供新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。
　　首先，建立了客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)非線性機理模型。對單輪ECAS車高調(diào)節(jié)過程進行了分析和總結(jié)，基于變質(zhì)量充放氣系統(tǒng)熱力學理論推導了空氣彈簧在充放氣過程中各主要狀態(tài)之間的數(shù)學關(guān)系表達式，結(jié)合車輛系統(tǒng)動力學原理，完成了客車單輪ECAS車高調(diào)節(jié)系統(tǒng)非線性機理模型的建立。在此基礎(chǔ)上，為進一步實現(xiàn)ECAS車高調(diào)節(jié)過程中的整車姿態(tài)控制，建立了能夠反映車

4、身俯仰角和車身側(cè)傾角實時變化的客車ECAS整車非線性機理模型。
　　其次，完成了客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)控制過程混雜動力學行為分析。根據(jù)ECAS實際運行特點，將系統(tǒng)工作區(qū)域劃分為多個離散工作模式，結(jié)合各模式之間的躍變條件及電磁閥開關(guān)狀態(tài)，建立了反映系統(tǒng)切換行為的離散事件集合，揭示了客車ECAS在車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)控制過程中連續(xù)動態(tài)過程演化、離散事件躍變以及二者之間的相互作用關(guān)系，為系統(tǒng)混雜模型的構(gòu)建奠定了重要基礎(chǔ)。
　

5、　第三，實現(xiàn)了客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)混雜動態(tài)建模。在對系統(tǒng)機理模型中存在的非線性部分進行合理線性近似的基礎(chǔ)上，采用混合邏輯動態(tài)方法分別進行單輪ECAS車高調(diào)節(jié)與整車ECAS姿態(tài)控制混雜動態(tài)模型的構(gòu)建?；诿}邏輯對電磁閥開關(guān)動作、分段線性近似邊界條件等離散事件進行了準確描述，通過HYSDEL語言對ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)控制過程中連續(xù)動態(tài)過程與離散事件之間的耦合行為進行了有效編譯，最終形成系統(tǒng)混合邏輯動態(tài)模型的規(guī)范形式。

6、>　　第四，設(shè)計了客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)混雜模型預測控制器。為實現(xiàn)車身高度的準確跟蹤以及整車姿態(tài)的良好控制，同時避免在車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)控制過程中電磁閥開關(guān)狀態(tài)出現(xiàn)頻繁切換的現(xiàn)象，基于混雜模型預測控制理論分別進行了單輪ECAS車高調(diào)節(jié)和ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)聯(lián)合控制器設(shè)計，通過建立反映系統(tǒng)實際控制要求的目標函數(shù)，將客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)控制問題歸結(jié)為一類受約束有限時域優(yōu)化控制問題，然后再將其轉(zhuǎn)化為混合整數(shù)二次規(guī)劃問題

7、進行求解，從而綜合出有效的ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)混雜模型預測控制律。
　　最后，進行了客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)混雜模型預測控制性能的實車試驗驗證。基于多參數(shù)規(guī)劃技術(shù)完成系統(tǒng)混雜模型預測控制律的顯式表達，解決系統(tǒng)實時控制問題，在此基礎(chǔ)上，利用快速控制原型進行控制律的實際實現(xiàn)，然后再將其與裝備ECAS的實車連接，從而構(gòu)成ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)控制實車試驗平臺。對實車進行車高調(diào)節(jié)試驗，分析車高跟蹤性能以及車高調(diào)節(jié)過程中的整

8、車姿態(tài)控制效果，驗證系統(tǒng)混雜模型預測控制律的有效性和可靠性。
　　研究表明，所提出的客車ECAS車高調(diào)節(jié)與整車姿態(tài)混雜模型預測控制方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車身高度的有效調(diào)節(jié)，車高調(diào)節(jié)精度達96％，同時還能明顯降低車高調(diào)節(jié)過程中車身俯仰角和車身側(cè)傾角的峰值，下降幅度分別達39.3%和49.4%，從而有效改善了整車姿態(tài)控制性能。此外，值得指出的是，由于所建系統(tǒng)混雜動態(tài)模型中包含了反映電磁閥離散開關(guān)狀態(tài)的邏輯變量，因此，綜合得到的混雜模型預測控