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悬架动行程统计关联的ECAS车高调节方法研究

黄俊明  
【摘要】:ECAS (电子控制空气悬架)能适应不同路况和车速,自动对悬架的运行高度进行切换控制。高度切换过程中,目标高度的生成策略是ECAS悬架高度控制的核心,而对路面状况和行驶工况的识别又是目标高度生成策略的基础。本文在分析现有ECAS系统目标高度调节过程及其控制策略生成机制的基础上,选定了 “悬架动行程统计关联的ECAS车高调节方法研究”的研究课题。该选题面向我国ECAS的应用和发展的实际现状,结合浙江省重大科技专项重点项目“电子控制空气悬架系统的开发应用”,遵循理论分析、仿真分析、试验验证的研究技术路线,充分利用ECAS系统原有的高度传感器以及ECU等硬件在路面激励下所采集到的悬架高度信息,从悬架动行程与路面激励关联性入手,建立颠簸路面识别的累计概率模型,对路面和车速所决定的路面激励的颠簸程度进行识别,并对ECAS系统的目标控制模式及其控制器进行设计,为ECAS系统开发及应用中,能根据路况和行驶工况进行悬架高度、阻尼控制的目标控制模式的生成策略提供了依据。论文对国内外现有的ECAS系统自动控制模式以及悬架高度控制算法、路面状况的辨识方法和算法进行了广泛的文献研究。路面状况的识别一直是可控悬架进行悬架性能控制策略研究的基础,其中通过加装传感器采集车辆动力学响应的信号,借助智能算法反演路面颠簸程度的研究方法已有广泛的基础;或者通过激光雷达、立体摄像机等先进遥感设备对路面进行预先识别并实现预瞄控制。而对于悬架高度的控制算法的研究上也有变结构控制、混杂系统控制等方法。利用ECAS现有高度传感器在路面激励下的信息进行路况识别,对ECAS系统的目标模式控制策略生成的研究稍显不足。为构建正确的标准路面谱用于对悬架动行程与道路的关联性研究,本文分析了滤波白噪声法模拟路面不平度的方法在实际应用中存在的问题以及原因,对模拟的过程中参数的选择和设置进行了改进,找出所搭建的滤波白噪声法路面不平度模型中输入与输出之间的待定增益系数,提高了滤波白噪声法模拟标准路面谱的精度;对ECAS悬架高度调节过程中空气弹簧与气囊外部存在空气质量交换时内部气体的热力学过程,以及ECAS系统特有的电磁阀开启/关闭时气体回路中的质量流量的非线性特性进行分析,建立了含电磁阀非线性流量特性的ECAS高度调节过程模型,并根据行驶中悬架高度调节时空气弹簧内气体压力受路面激励振动影响,以及电磁阀充气、排气时空气弹簧内气体质量和容积改变的影响的耦合作用,建立了 ECAS高度调节耦合垂向动力学模型。并通过偏频试验和高度调节试验分别对模型的垂向动力学特性以及高度调节特性进行了验证,模拟了高度调节过程中的“过充”和“过排”现象,对原因进行了分析。路面激励颠簸程度影响悬架动行程响应的统计特征值,在随机路面输入是一个各态历经、平稳的、均值为零的高斯过程的假设下,确定颠簸路面的统计特征值,在宏观上对随机路面激励下的悬架动行程响应相对于颠簸路面特征值的统计特征量,依据其正态分布假设进行理论分析,构建累计概率模型在微观上对一定检测周期内的悬架动行程响应超出颠簸路面特征值进行统计累计概率分布分析,确定累计概率模型与路面颠簸程度之间的关联性。在此基础上对一定检测周期内不同抽样样本量对累计概率分布的影响进行了分析,针对颠簸路面识别提出了一定检测周期内悬架动行程信号的检测事件构造方法。分别从随机路面输入为单轮激励、双轮激励,垂向动力学模型中的弹性元件为线性模型、弱非线性模型,减振器阻尼为软和硬两级可调阻尼等方面,对随机路面激励下的悬架动行程响应的正态分布特性、宏观上的统计特征值、微观上一定检测周期内相对于颠簸路面特征值的累计概率分布进行仿真分析。通过路面平整度试验、高度传感器特性试验、整车悬架动行程试验对所提出的识别颠簸路面的概率模型进行验证。根据研究对象ECAS系统的要求,提出了 ECAS的目标高度生成策略和阻尼控制策略,并对高度信号的获取流程、目标高度、目标阻尼的控制流程进行了设计,基于PID算法对ECAS的控制系统的高度控制进行了仿真设计与实现。


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