汽车电控半主动空气悬架控制方法研究

向磊

摘要：随着经济的快速发展，社会在不断的进步，舒适性与操纵性一直是衡量汽车品质的两大核心标准，如何实现两者性能的兼顾始终困扰着汽车设计者。空气悬架系统的设计可以实现对悬架阻尼及车身高度的联合控制，不仅解决车体振动、悬架动挠度等乘坐舒适性问题，还能提高行车安全性和操纵稳定性。近年来，电控空气悬架技术在汽车悬架系统的设计中具有广阔的应用前景，研究安全有效的智能控制方法对推动空气悬架系统的应用具有重要意义。

关键词：半主动空气悬架；滑模控制；RBF；神经网络

引言

汽车产业市场非常广阔，预测在2018年全球汽车产销量将突破亿量，能够创造基数巨大且持续增高的经济价值。我国的汽车产销量已持续九年居世界第一，2017年中国在全球汽车产量中已突破30%占比，与此同时我国经济正在稳步发展、人民生活水平逐步提升，对汽车性能品质的追求也在不断提高，现代汽车需要满足乘坐舒适性，操控稳定性，驾驶安全性及环境友好性等要求。然而，在道路的随机性，行驶高速度和系统结构复杂性等影响因素下，使车辆保持最佳性能始终是汽车工程师追求的设计目标。

1空气悬架系统应用概述

空气悬架应用的初始时期，主要以空气弹簧作为主要减振装置应用于轨道列车的悬架系统中具有优良的抗振性能，。20世纪中期，在美国市场首次出现配备空气悬架的客车，此套系统由GMm公司和Firestone.公司联合研发而生，这次成功实践极大推动了空气悬架系统在汽车领域的应用。随后，众多大型车企开始研发以空气弹簧为主体的空气悬架系统，极大推动空气悬架应用技术的进步。空气悬架技术的发展经历从实现方式上可分三个不同阶段：（1）初始阶段主要是复合式空气悬架，它由空气弹簧和金属弹簧组成，作为悬架系统的减振器和导向机构，利用空气弹簧的刚度特性改善车辆悬架的平顺性。（2）中期阶段出现机械式空气悬架在原结构上进行改进，取消了传统的金属弹簧，增加减振器、导向和横向稳定器、高度控制阀等机构。增加了车身高度控制功能，可根据整车载荷进行空气弹簧的充放气，维持空气弹簧刚度在正常振动区间内的恒定，但控制高度的模式单一，无法根据工况实现实时调整，在复杂路况下容易产生频繁充放气操作。（3）目前先进的电控空气悬架系统，采用电磁阀和高度传感器组成电控执行器，通过对阻尼减振器阻尼力调节和空气弹簧的充放气操作实现悬架的主动式控制。使车辆可以适应复杂工况，缓冲来自连续不平整路面的激励。

2汽车电控半主动空气悬架控制方法研究

2.1电控空气悬架系统

电控空气悬架可同时兼具：从动、主动悬架的特性。从动悬架跟随车体与车轮的振动作自由运动；主动悬架中阻尼系数和空气弹簧刚度和车体高度可在车辆行驶时进行主动调节。其中主动悬架可细分为半主动和全主动：调节过程不需要补充能量（不计调节车高和系统泄露所补充的能量）为典型的半主动悬架特征；而全主动悬架配备有独立的执行器可进行实时连续的作用力调节。通过对电控空气悬架几种典型控制功能及其结构的分析，为选取性价比较高的控制方式作为主要研究方向。

2.2电控半主动空气悬架系统

在电控空气悬架系统中，被动式空气悬架系统不能良好地适应大范围内的车速和路况变化，更不能自适应调节悬架的刚度和阻尼，所以无法输出最佳的悬架性能；电控全主动式空气悬架虽然能提供优越的减振性能和调节车高，但其控制过程中产生大量能源消耗，系统组成复杂，其中各类信号的传输易受外部信号的干扰会增加系统的不稳定因素。电控半主动空气悬架集成了半主动悬架和电控空气悬架的优点，实现了车身高度和阻尼的联合调节，从而使悬架的性能达到了最优。电控半主动空气悬架系统在阻尼控制过程中存在着控制精度及时间滞后性的问题，可通过对系统结构特性的研究采取最佳控制方法，从而提高车辆悬架适应行驶工况实时变化的能力。

2.3空气弹簧特性建模

在空气弹簧模型构建中需要应用众多学科理论，主要涉及气体热力学、牛顿力学、流体力学等方面的基本定律。系统建模精确度影响着空气弹簧动力学特性表征的准确程度，此环节是建立空气悬系统模型的重要部分。为便于研究，在分析空气弹簧工作特性时假设气室中为理想气体，且不考虑空气弹簧气体在压缩传输过程中的能量损失，即为绝热过程。对其非线性特性进行机理建模，利用仿真分析在位移变化区间内做线性刚度拟合，实现空气悬架系统的动力学建模。

2.4电控半主动空气悬架系统动力学模型

汽车是复杂多自由度动力学系统，由于各控制系统参量的耦合作用增加系统建模难度。虽然整车动力学系统构成中：轮胎、悬架、转向系等都存在很强的非线性特性，但当侧向加速度在一定限制值时，系统可看作是线性动力学系统。为研究系统的动态响应，建立电控半主动空气悬架系统的动力学模型时设定如下假设条件：假设：车体结构假设为刚体，仅考虑车身的垂向、俯仰以及侧倾运动，车体刚性结构不产生形变；相对于悬架阻尼系数可忽略轮胎阻尼造成的影响；建立整车模型时，假设车轮与路面保持附着状态。

2.5悬架系统的性能评价法

在进行悬架系统的设计中，需要制定相关的性能评价函数，验证悬架结构参数合理性和控制方法的有效性。为使悬架特性符合设定的性能指标，从动悬架主要任务是选择最佳的系统结构参数；而半主动悬架则是设计最优控制方法。在评价悬架本身缓冲减振的作用效果时，一般选择以1/4车身悬架模型为研究对象。主要性能指标为车身动位移与加速度、。悬架的动挠度及车轮与路面间的动载荷，综合体现汽车的平顺性，即限制汽车在行驶过程中产生的冲击和振动干扰对舒适性和稳定性的影响在一定程度内。最后将所有单个悬架通过总体控制策略设计进行联合控制，以符合整车系统的性能指标。

2.6滑模变结构控制基本理论

滑模变结构控制（Slidingmodecontrol,SMC）本质是一种非线性控制策略，这种控制策略与常规控制的根本区别在于控制的不连续性，系统“结构”跟随时间做开关变化，沿规定轨迹作小幅、高频交叉运动而形成滑动模态，最终使跟踪误差趋于零。它没有特定的系统“结构”。在变化的过程中，按照系统实时的偏差。或者其各阶导数做定向运动情况，促成系统能够跟踪之前规定的“滑模动态”的状态轨迹进行变化，由此称这种方法为滑动模态控制。该滑模控制结构具有独特的优点：反应速度快、。参数鲁棒性强、。不需要实时在线识别、可以根据实际要求设计滑模面函数等。这种特殊结构也存在一定缺点：当状态轨迹到达滑模面时，其速度惯性使运动点穿越切换面，从而形成抖振。

结语

（1）通过分析空气悬架的应用和发展后，结合目前国产汽车发展的需求，对空气悬架的控制方法进行研究分析，结合空气悬架的控制方式和性能特点，得出半主动空气悬架的性能优势更加适合本阶段的研究应用。（2）针对半主动空气悬架的控制要求，对其电控控制方式下的原理和控制方式进行分析，提出空气悬架的阻尼调节和车高调节的独立控制模式，避免控制变量间的耦合对系统建模复杂系数的增加。空气悬架工作时主要以减振性能为主，对系统的阻尼控制性能要求更高，在全工况状态下都可运行，在车高调节时短暂关闭。

参考文献：

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