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汽车电控空气悬架高度调节控制研究

发布时间:2019-12-31 18:46:57? 文章来源:/? 作者:鞠编辑? 阅读:次


(重庆交通大学交通运输学院,重庆 400074)
摘要:本文根据电控空气悬架系统,建立了空气弹簧模型。基于神经网络PID控制方法设计了车身高度调节控制器,选择采用增量式PID控制方法进行控制。对控制器的控制效果进行仿真分析,结果表明:增量式PID控制方法可以有效的改善车身高度调节中的不良现象、消除超调现象,并能够较早地、平稳地达到目标高度。
关键词:空气弹簧模型、增量式PID控制、仿真

引言
悬架是车辆行驶性能中最重要的相关系统,它主要包括弹性元件,减振器和导向机构。弹性元件起缓冲作用,导向机构起导向作用,减振器起减振作用[1][2]。电子控制空气悬架作为一种新型主动悬架,可以实时对空气弹黃刚度和减振器阻尼力进行调节,同时可以对车身高度进行调节[3]。
目前国外对全主动悬架(ECAS)的电子控制系统研究较多,如福特汽车公司的Continental Mark Ⅶ车型和丰田汽车公司的Lexus车型都成功地采用了电子控制空气悬架系统[4]。国内汽车企业设计人员普遍对ECAS设计理论不够深入,尤其是在空气悬架与整车匹配、悬架控制理论技术和空气弹黃设计等方面。空气悬架主动控制的研究,对提高车辆的乘坐舒适性、行驶平顺性、操纵稳定性等性能,具有重要的理论和学术价值。
1 车身高度调节控制
空气弹簧是在橡胶气囊密封容器中充入压缩气体,利用气体的可压缩性实现其弹性作用的装置。空气弹簧充放气过程:空气泵向储气罐提供一定的压缩气体作为气源,当空气弹簧需要充气时,进气阀打开,储气罐中的气体经进气阀流入空气弹簧;当空气弹簧需要放气时,排气阀打开,空气弹簧中的气体经排气阀排流入大气中。
对空气弹簧进行充放气时,空气弹簧高度也随之变化,可将高度变化过程分为:电磁阀开启时的变容积绝热充放气过程和电磁阀关闭后定质量密闭系统的稳定过程。根据热力学第一定律得到电磁阀开启时空气弹簧内气体压力与气体流量之间的关系表达式如下:

从式(8)看出:减小空气弹簧有效作用面积变化率或增大空气弹簧体积,可以达到降低固有频率的目的。
2神经网络PID控制方法及仿真
2.1神经网络PID控制和增量式PID控制
PID控制是研究与应用最早的控制方法之一。PID控制的优势主要表现为:控制器的控制结构与算法设计较为简单;对被控对象的数学模型精确度要求不高;适用于多种工业过程控制领域;具有较好的控制效果。
PID控制参数自整定,即控制器参数根据被控系统特性变化自动变化。PID控制方法根据其输出量的不同,可以分为位置式PID和增量式PID。增量式PID控制算法的输出为控制量的增量,控制增量只和近三次采样有关,不需要复杂的累加,运算简单,容易实现较好的控制效果。本文采用增量式PID控制方法控制车身高度,并采用凑试法对控制器参数进行整定。
2.2 车身高度增量式PID控制仿真
车身高度控制分为车身高度升高和降低两种情况。车身处于中间位置H1时的相对高度设为0mm,目标高度分别定为±20mm,即车身高度从中间位置H2向高位H2和低位H3切换
空气弹簧囊内气体初始压力为5MPa,储气筒内的气体压力为9MPa,通过充气和放气过程使空气弹簧工作高度升高和降低。车身抬高时高度控制仿真的对比曲线如图1所示,车身降低时高度控制仿真的对比曲线如图2所示。

图1 车身升高 图2 车身降低
从图1和图2中可以明显看出:无控制时,高度切换时存在明显的超调,主要是由空气弹簧“过充”和“过放”导致的;采用增量式PID控制后,可以有效消除超调现象,且能够较早地、平稳地达到目标高度,切换过程在1.7s左右完成。因此可以认为,本文设计的控制方法是合理有效的。
3 总结
1)在车身高调节过程数学建模中,建立了空气弹簧模型和空气悬架系统动力学模型。
2)采用增量式PID控制方法,实现车身高度切换的有效控制。并对控制器的控制效果进行仿真分析,结果表明:采用增量式PID控制可以有效改善车身高度调节过程中出现的“过充”、“过放”以及振荡现象,有效提升了车身高度切换控制精度。并通过仿真对比,证明了控制方法的有效性。
参考文献
[1]孙世磊.电控空气悬架及其控制策略研究[D]. 东北林业大学, 2015.
[2]喻凡,林逸.汽车系统动力学[M]. 机械工业出版社, 2005.
[3]董威望. 基于联合仿真技术的电控空气悬架系统分析与试验[D].安徽农业大学,2015.
[4]Chance B K,1984 continental mark 7/Lincoln continental electronically-controlled air suspension system[A].SAE paper[C].New York:SAE Inc,1984. SAE840342.
[5]徐升,符素敏,熊献友,等. 汽车空气悬架设计中空气弹簧的匹配选择[J].安徽科技,2012(9):43-44.
[6]何二宝,杜群贵,冯元元.电控空气悬架车身高度调节的模糊PID控制[J].机床与液压,2012, 40(5):86-88.
[7]窦辉,陈龙,汪少华,等.电控闭式空气悬架车高调节控制研究[J].机械设计与制造, 2014(9):171-174

本文来源:汽车电控空气悬架高度调节控制研究:/lunwen/8211.html

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