空气悬架混合逻辑动态建模及控制策略研究

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电子控制空气悬架(Electronically Controlled Air Suspension,ECAS)能够主动调节悬架刚度、阻尼以及车身高度,使得车辆对于复杂多变的行驶工况具有良好的适应能力,有利于提升车辆的整体性能。然而,伴随着外界随机激励、前后悬架参数差异、车辆载荷分布不均等因素,不当的控制策略会导致ECAS车高调节过程中出现较大的车身侧倾角和俯仰角,造成整车姿态失稳现象,严重影响整车性能。因此,ECAS车高调节控制策略研究已经成为了相关领域的研究热点。ECAS工作过程包含多个离散事件工作模式,控制策略通过控制电磁阀的开关状态实现工作模式的离散切换,进而控制进出空气弹簧的空气质量流量,调节车身高度。然而,各工作模式下的系统状态变量更新为典型的连续动态过程,因此,ECAS控制系统可以看作一混杂系统。本文针对ECAS控制过程中出现的车高振荡超调、整车姿态失稳、整车性能恶化、电磁阀切换频繁等控制难点,设计了ECAS车身高度和阻尼调节混杂控制系统,以期为相关领域研究提供相关技术支持。首先,对空气悬架工作过程进行详细分析,根据研究目标提出建模假设。在此基础上,基于变质量充放气热力学原理,推导了空气弹簧内部气压、空气弹簧位移与空气质量流量之间的数学表达式。进一步结合车辆系统动力学原理、磁流变阻尼减振器非线性振动特性和电磁阀非线性气流特性,建立空气悬架车身高度与阻尼调节非线性模型。其次,根据系统控制目标和要求,分析了空气悬架车身高度模式切换与对应电磁阀开关状态之间存在的逻辑关系,根据各模式之间的切换条件,建立反映系统连续动态过程演化的离散事件集合,揭示了连续动态过程演化、离散事件集合及其切换条件之间的相互耦合和作用关系,为后续混杂模型的建立奠定了理论基础。第三,结合系统实际工作特性,对系统非线性部件进行合理线性化,基于命题逻辑对电磁开关状态逻辑关系、分段近似边界约束等离散事件进行定义,采用混杂系统描述语言(Hybrid System Describe Language,HYSDEL)对空气悬架离散事件与连续动态过程之间的相互耦合关系进行描述,并通过编译得到了标准的混合逻辑动态(Mixed logical dynamical,MLD)模型。通过与非线性模型对比,验证了所建立的MLD模型的准确性。第四,考虑到系统控制变量的混杂特性,提出了一种适用于空气悬架混杂系统的车身高度与阻尼调节分层控制策略,即上层建立了基于混杂自动机的电磁阀开关状态控制策略,实现车高调节的精确跟踪;下层提出了基于混杂模型预测控制(Hybrid Model Predictive Control,HMPC)的磁流变阻尼器电流控制策略,实现磁流变阻尼减振器最优控制律的求解,提升车辆整体性能。第五,搭建空气悬架车身高度与阻尼调节混杂系统控制器,并将其与传统PID控制器的性能和控制效果进行验证,对比两者在车高调节精确性和整车姿态控制效果的性能优劣,并分析其内在原因,总结提炼相关结论,为ECAS相关领域以及其他领域所涉及的混杂系统控制提供相关研究经验。
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