重载车辆ECAS/CTIS集成系统耦合机理及主动控制研究

Electrically Controlled Air Suspension(ECAS) and Central Tire inflation/deflation System(CTIS) are usually assembled alone in heavy vehicles, and the control coordination of them is becoming the main bottleneck of improving vehicle driving stability and safety. Therefore, this project puts forward a new type of integrated electronically controlled air suspension-ECAS/CTIS suspension system, and studies on the coupling mechanism and its active control strategy of this brand new suspension system. Through establishing the nonlinear coupling dynamic model of ECAS/CTIS suspension, this project reveals the coupling mechanisms and laws between variable stiffness of the pneumatic spring and tire, the fluid-solid coupling characteristics of the pneumatic spring and tire and their impacts on heavy vehicle dynamic characteristics. Besides this, this project makes key research on the multivariate coupling relationships between the height changes of ECAS/CTIS suspension system, dynamic-static stiffness and inflation/deflation of the pneumatic spring and tire, then presents a fractional active sliding mode control strategy and its controller design method. Finally, the simulation analysis and test study of ECAS/CTIS suspension are conducted to verify and correct the proposed controller model. This project aims at solving technical problems brought with the integration of ECAS and CTIS system and sets out the theoretical and technical basis for the integrated design and development of vehicle electro-controlled air suspension.

重载车辆通常单独装配电控空气悬架(ECAS)和轮胎中央充放气系统(CTIS)，其控制协调问题成为提高车辆行驶稳定性和安全性的主要瓶颈。本项目提出一种新型的集成电控空气悬架-ECAS/CTIS悬架系统，并对该系统的耦合机理及主动控制策略进行研究。通过建立ECAS/CTIS悬架系统的非线性耦合动力学模型，揭示空气弹簧与轮胎之间的变刚度耦合机制、空气弹簧与轮胎流固耦合特性及其对车辆动力学特性的影响规律；重点研究ECAS/CTIS悬架高度变化与空气弹簧和轮胎刚度以及充放气特性之间的多元耦合关系，提出ECAS/CTIS悬架系统的分数阶滑模控制策略及其控制器设计方法；通过ECAS/CTIS悬架系统的仿真分析与实验研究，对控制器模型进行验证和修正。本项目旨在解决ECAS和CTIS系统集成带来的技术难题，为车辆电控空气悬架集成系统设计与开发奠定理论和技术基础。

重载车辆通常单独装配电控空气悬架(ECAS)和轮胎中央充放气系统(CTIS)，其控制协调问题成为提高车辆行驶稳定性和安全性的主要瓶颈。本项目提出一种新型的集成电控空气悬架-ECAS/CTIS悬架系统，并对其非线性动力学建模方法和主动控制策略进行深入系统的研究。该项目的主要研究成果包括：①针对载重汽车对承载性、平顺性及可靠性等多方面的要求，提出了一种以橡胶弹簧和钢板弹簧共同作用提供弹性力的复合悬架，建立了ECAS/CTIS系统的2自由度1/4 车辆动力学控制方程，构建分数阶天棚阻尼控制器模型，讨论微分算子和阻尼系数对控制系统的影响，提出一种改进的多目标自适应遗传算法对悬架参数进行优化。②分析重载车辆ECAS/CTIS悬架系统作动器存在的时滞因素，建立含时滞的ECAS/CTIS开关天棚控制半主动悬架模型，研究该悬架控制系统失稳临界时滞求解的理论分析和数值计算方法，利用数值解法求得不同被动基值阻尼和可切换阻尼减振器阻尼系数下悬架系统的失稳临界时滞量及全（非全）时滞渐进稳定域，为含时滞开关天棚控制可切换阻尼半主动悬架控制系统的时滞补偿及其稳定性控制策略的制定奠定基础。③研究时滞对半主动悬架动态稳定性的影响及其时滞补偿控制问题，建立含时滞半主动悬架系统的动力学模型，通过对临界时滞数值解的理论推导和分析，得到时滞对半主动悬架动特性的影响规律。在此基础上，运用Smith预估补偿控制对悬架系统进行时滞补偿，提出一种动态输出反馈Fuzzy-Smith控制策略。同时，提出一种改进的基于模糊神经网络的变论域模糊控制方法。④研制了一种车辆ECAS/CTIS悬架高度双级调节集成控制系统，建立基于模糊PID控制策略的ECAS模糊控制系统，该控制器模型已应用于商用车ECAS实验台控制系统；同时，基于SDS-30汽车减振器试验台，对所搭建的天棚On-Off控制半主动悬架系统进行台架实验验证。理论分析，仿真计算和台架试验等结果均表明，所提出的车辆ECAS/CTIS 悬架系统主动控制方法和所解决的关键技术问题是有效的，可以提升车辆驾乘舒适性和操纵稳定性。