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原文传递电控空气悬架车高调节系统鲁棒抗干扰控制研究

论文题名：	电控空气悬架车高调节系统鲁棒抗干扰控制研究
关键词：	汽车空气悬架;车高调节系统;整车姿态;鲁棒抗干扰控制
摘要：	与传统悬架相比，空气弹簧的独特性赋予了汽车空气悬架更多性能优势，通过调节车身高度和对阻尼实现自适应控制，空气悬架不仅可以有效改善车辆在行驶过程中的乘坐舒适性、操作稳定性和行驶安全性，而且能够在一定程度上提高车辆的燃油经济性，已成为汽车工程界的研究热点之一。　　车高调节以及其过程中的整车姿态控制是电控空气悬架（Electronically Controlled Air Suspension,ECAS）控制系统设计的关键环节之一，其对于实现ECAS系统功能、提高ECAS系统自适应能力至关重要。因此，研究ECAS车身高度调节及调节过程中的整车姿态控制策略对于提升中国高性能车辆空气悬架系统的整体研究水平具有重要学术意义和工程应用价值。　　本文以某客车ECAS车高调节系统为研究对象，针对其高度调节需求，围绕车高调节及整车姿态控制系统建模、控制策略设计、抑制干扰等方面进行了深入研究，主要内容和研究成果如下：　　构建了能够准确反映ECAS车高调节系统动力学行为的数学模型。在充分研究ECAS车高调节系统的结构组成、运行原理以及子系统间相互耦合行为的前提下，基于变质量充放气系统热力学理论及牛顿运动定律，建立了单轮ECAS车身高度调节系统非线性机理模型；在此基础上，进一步考虑整车俯仰角和侧倾角，建立了ECAS整车车高调节系统非线性数学模型；最后对模型进行了适当简化和降维处理，使之能够用于后续车辆ECAS车高调节与整车姿态控制系统的设计。　　研究了ECAS系统车高调节鲁棒有限时间控制策略。为使ECAS车高调节系统能够获得更好的收敛性能、鲁棒性和抗干扰能力，区别于Lyapunov渐近稳定下的控制系统，基于有限时间理论对ECAS车高调节进行了鲁棒控制。首先，根据三点确定平面的理论确定了ECAS车身高度调节策略；其次，对具有非线性特征的ECAS车身高度系统模型进行非奇异坐标变换，在线性化的基础上设计ECAS车身高度有限时间控制器，分别对单轮车身高度和整车车身高度进行了鲁棒控制；最后进行了仿真，结果表明，与PD控制相比，基于有限时间理论的ECAS车高调节控制系统不仅获得了更快的控制响应速度，在原点附近实现更快的收敛，同时在常值干扰、正弦干扰、随机干扰条件下都具有更好的鲁棒性能和抗扰动性能。　　研究了ECAS系统车高调节鲁棒模型预测控制器。针对ECAS车高调节有限时间控制系统分数幂参数调整复杂、物理意义不清晰、输入约束难以处理等问题，将具有控制效果好、鲁棒性强、对模型精确性要求不高等优点的模型预测控制（Model Predictive Control，MPC）应用到ECAS车高调节控制系统中。首先，在反馈线性化得到的三阶线性子系统模型基础上，通过推导预测模型和定义的性能指标函数，求得线性系统的预测控制器，通过调节性能函数加权矩阵，使系统具有不同的响应速度和稳态精度；其次，为了进一步提高控制系统抑制干扰的能力，设计了非线性干扰观测器，对路面随机干扰进行在线估计，实现自适应前馈补偿；最后，通过仿真验证了即使在模型精度不高以及存在干扰等不确定性影响条件下，带有干扰观测器的MPC控制器仍能对ECAS高度进行有效调节，获得了较好的鲁棒性和抗干扰性。　　完成了系统控制性能的实车试验验证。基于装备ECAS的某大型客车，在D2P快速控制原型开发平台的基础上，构建了控制系统试验平台，分别对ECAS车高调节鲁棒有限时间控制器和预测控制器的控制效果进行实车试验。试验结果表明，两种控制器不仅使得车身高度实现了快速切换，而且解决了空气弹簧“过充”或“过放”问题；同时，车身俯仰角和侧倾角的变化幅度可控，且较快实现平稳，有效实现了ECAS系统车高调节及车高调节过程中的整车姿态控制。　　研究表明，基于有限时间和模型预测控制的ECAS系统车高调节与整车姿态鲁棒控制系统的研究和设计，有效提高了车身高度调节的有效性、稳定性和抗干扰性，同时保持车高调节过程中的车身整体姿态的平稳，确保了车辆乘坐舒适性和操纵稳定性，对于提升ECAS系统整体性能具有重要研究意义。
作者：	殷春芳
专业：	控制理论与控制工程
导师：	赵德安
授予学位：	博士
授予学位单位：	江苏大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文