客车电控空气悬架减振性能混合控制研究现状

单红艳、柳礼

（1.杭州职业技术学院青年汽车学院 310018；2.杭州万向职业技术学院 310018)

随着电控技术的快速发展，欧美等汽车工业发达国家提出在传统被动空气悬架系统的基础上增加电子控制单元，从而构成电子控制空气悬架系统[1]。电控空气悬架能够实现车身高度的主动控制和阻尼自适应调节，对于改善车辆在行驶过程中的平顺性、操稳性以及燃油经济性都具有重要作用，已成为车辆工程界的关注焦点[2]。随着可调阻尼减振器研究的日益成熟，减振控制系统设计已成为实现电控空气悬架系统隔振性能提升的瓶颈和关键[3]。

目前，在很多豪华轿车上，电控空气悬架已得到广泛应用，在客车和豪华城市客车上的使用率也是极高的。按照此发展趋势，不久的将来，电控空气悬架将替代我国现有的客车悬架系统，电控空气悬架的产品推广将迎来良好的外部环境。根据国家汽车发展规划，我国将重点发展适应高速公路需要的大中型客车及专用客车，并且在颁布实施的标准中，对大中型客车悬架配置也做出了明确规定，其中高级大中型客车必须使用空气悬架。与此同时，随着重型汽车对路面破坏机理认识的进一步加深，电控空气悬架在重型汽车中的应用也在进一步扩大。因此，随着相关市场的快速发展，电控空气悬架产品需求必将得到快速增长。然而，国内所装备的电控空气悬架，其电控系统完全依赖于进口，进而导致电控空气悬架系统成本较高，无法打破行业垄断。

因此，我国有必要加快电控空气悬架系统及其控制技术的研究步伐，积极开展电控空气悬架设计理论及关键技术研究，尽快实现产业化，打破国外发达国家技术封锁，为客车悬架企业参与国际市场竞争提供技术支持，提高我国客车产业在相关市场上的竞争力。通过采用先进控制方法解决电控空气悬架的控制问题，将为电控空气悬架系统的发展提供新的理论基础和技术支持，有助于提升我国车辆底盘控制领域的研究水平，有效提升客车电控空气悬架整车隔振性能。

1 国内外研究现状

日本研究人员在1986年时，就对丰田汽车上的电控空气悬架进行系统研究，以提高整车隔振性能。1991年，德国研究人员对商用车上的电控空气悬架进行了研究，提高了商用车的行驶平顺性。2011年韩国研究人员基于滑模控制理论设计了电控空气悬架高度调节控制器，实现了车身高度的有效控制[4]。目前，电控空气悬架在国外某些高级轿车如奔驰、奥迪上已有成熟应用，由此可见，国外对电控空气悬架的研究开始较早且较为深入，并有一定的应用成果。

在国内，电控空气悬架减振性能提升的研究也越来越受到人们关注，许多先进控制方法被应用于电控空气悬架控制系统的设计之中。南京农业大学的研究人员以单轮空气悬架模型作为研究对象，将最优控制理论与电控空气悬架相结合，改善了车辆行驶的平顺性[5]。吉林大学的研究人员将模糊控制与神经网络相结合，参考自适应控制方法进行了电控空气悬架的非线性控制，提高了车辆隔振性能[6]。江苏大学的研究人员采用模糊PID复合控制技术，对电控空气悬架的可调刚度进行了控制，完成了控制系统的仿真模拟和台架试验[7]。

但目前，无论是国外还是国内，均未有研究考虑到电控空气悬架，不仅包含悬架系统自身物理特性所约束的连续动态过程行为，同时还包括多工况切换控制输入及多工况控制输出等离散动态行为。如图1所示，即为电控空气悬架减振性能控制过程中的模式切换流程。根据车辆实际行驶工况，客车车身高度必须定义为“高位模式”、“中位模式”及“低位模式”，各离散高度模式下又分别对应着不同的阻尼调节模式；针对转向工况下车身高度不调节的特点，还需增加转向工况阻尼控制模式。不同模式间的切换属于典型的离散事件，但各模式下系统变量的更新又为传统的连续动态过程。事实上，这两类行为相互影响、相互耦合，不能简单地分开，必须作为一个整体进行研究。因此，传统研究方法必然带来一定的局限性，难以从根本上提高电控空气悬架在全局工况下的整车隔振性能。

图1 电控空气悬架减振性能控制过程中的模式切换

2 混合系统及其控制理论

混合系统建模及其控制理论的提出，就是为了解决诸如电控空气悬架这种连续动态过程和离散事件相互耦合系统的控制问题。最早研究混合系统的文献于1966年发表，但在当时并未引起足够的关注，直到1986年，在美国召开的高级控制会议上，混合系统才作为一种新型动力学系统被人们提出，并引起研究者浓厚的兴趣。随后，针对混合系统的研究大量开展起来，德国著名出版公司Springer从1993年开始出版关于混合系统理论研究的专辑，汇集了当时混合系统理论研究中最具代表性的成果。混合系统及其控制理论已经被公认为对生产过程自动化、机器人控制等复杂工程技术问题的解决具有重要指导意义。

近年来，随着相关研究的不断深入，针对复杂动力学系统混合动态建模及其优化控制的研究已逐步走向成熟，出现了一系列实际工程应用成果。在国外，针对汽车电子加速踏板非线性控制问题，苏黎世联邦理工学院的Manfred基于分段仿射理论（Piecewise Affine，PWA）建立了考虑非线性摩擦力矩的混合系统动态模型，并设计了最优状态反馈控制律。Alberto等人建立了汽车牵引力控制系统混合模型，并提出采用模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）来解决牵引力控制问题，实现了在湿滑路面上为汽车提供最大牵引力矩的控制目标。意大利锡耶纳大学的Giorgetti将混合模型预测控制理论（Hybrid Model Predictive Control，HMPC）应用于半主动悬架的最优控制，建立了考虑系统约束的半主动悬架混合系统混合逻辑动态（Mixed Logical Dynamical，MLD）模型，并取得了满意的控制效果。

在国内，混合系统及其控制理论的研究也取得了较大的进展，中国科学技术大学的秦琳琳在建立基于机理和基于辨识的深液流栽培试验温室MLD模型的基础上，研究了温室天窗温度系统的HMPC算法。浙江大学的张立炎利用有关活性污泥法的专家经验，基于MLD建模方法建立了连续进水间歇曝气活性污泥法除氮动态模型，通过采用预测控制方法对该过程进行了优化控制。

3 结束语

针对客车电控空气悬架减振性能优化控制过程中存在的混合动态特征，有必要借助混合系统理论揭示系统混合动力学行为，通过建立电控空气悬架系统混合动态模型，在统一的模型框架下准确反映电控空气悬架控制过程中连续动态过程与离散事件相互耦合的作用机理，从而抓住电控空气悬架系统存在的混合本质。在此基础上，进一步实现电控空气悬架混合动态模型的优化控制，完成电控空气悬架混合系统动态建模、模型精度试验验证、控制系统设计以及控制性能仿真验证的全过程，实现从根本上提高电控空气悬架整车隔振性能的新方法和新思路。