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工程车辆主动油气悬架纵横垂向协调控制研究

杨霖  
【摘要】:油气悬架具有集成度高、承载能力强、车身高度可调、刚度非线性等优点,可有效改善恶劣工况引起的车身振动,在各种工程车辆和军用车辆上得到了广泛应用。当前关于油气悬架系统的研究大多以纵向、横向或垂向单一目标控制为主,考虑矿区行驶路况的多变性以及油气悬架系统本身存在的非线性对矿用自卸车综合性能的影响,现有控制策略难以满足矿用自卸车纵横垂向综合性能需求,在追求某一性能最优时甚至会恶化系统其余性能。为此,本文依托江苏省重大技术攻关项目“矿用自卸车油气混合悬挂系统(液压件)”和镇江市重点研发计划项目“工程车辆用智能主动油气悬架系统关键技术研究”,以工程车辆主动油气悬架为研究对象,采用整车系统建模、仿真分析和试验研究相结合的方法,深入研究工程车辆主动油气悬架纵横垂向协调控制。首先,鉴于整车模型(包括油气悬架系统)精度直接决定不同路面状况下的系统状态响应,进而影响主动油气悬架的控制效果。构建了被动油气悬架系统模型,仿真分析了其悬架特性,并通过台架测试验证了悬架模型的准确性;在此基础上,依据实车试验数据建立了整车仿真模型,通过仿真和实车测试分析了不同行驶工况与动力学性能需求的映射关系,确定了不同行驶工况下的主动油气悬架控制目标,从而为不同行驶工况下的整车纵横垂向协调控制器设计奠定基础。其次,依据实现主动油气悬架纵横垂向协调控制就是对不同行驶工况下的系统控制目标进行调节这一本质特征,基于无迹卡尔曼观测和谱密度估计理论,提出了一种适用于主动油气悬架的路面识别方法(包括路面位移和路面等级),研究了行驶车速和车辆载重对路面识别精度的影响。基于车辆轮距特性构建了三种不同行驶工况下的路面位移信息,通过仿真分析验证了所设计路面识别方法在参数时变情况下的有效性,从而为主动油气悬架纵横垂向协调控制提供了前提条件。然后,在获取车辆行驶工况与动力学性能需求映射关系以及路面识别方法的基础上,针对主动油气悬架开展了纵横垂向协调控制研究。建立了主动油气悬架模型并构建了基于模型预测控制的主动油气悬架纵横垂向协调控制架构,细化了控制逻辑,通过分析基于轮距特性随机路面输入下的车辆动力学响应,解释了基于模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)的主动油气悬架纵横垂向协调控制策略的合理性。并进一步以车辆纵向、横向和垂向单目标控制策略为比较对象,进行了主动油气悬架综合性能仿真分析,验证了纵横垂向协调控制的优越性。最后,根据控制器实时性仿真需求,基于STM32F103VET6开发了主动油气悬架纵横垂向协调控制器(ECU),并搭建了AMESim和Matlab联合硬件在环测试平台验证了悬架ECU的有效性。在此基础上,进行了基于MPC的主动油气悬架纵横垂向协调控制硬件在环试验,验证了控制策略对控制目标在不同路面等级下的控制效果以及在协调纵横垂向动力学性能方面的优越性。研究结果表明:(1)无迹卡尔曼滤波器能较好地对路面位移/等级进行精确估计,从而使得主动油气悬架能够在感知前端路面状态的前提下提升系统综合性能以满足不同工况动力学性能需求。(2)基于MPC的主动油气悬架纵横垂向协调控制器能够满足矿用自卸车矿区道路动力学性能需求,C级路面下主动油气悬架以操纵稳定性为整体控制目标,整车六个车轮动载荷分别降低了25.8%、29.1%、30.6%、27.6%、29.9%、28.1%(空载)和23.5%、26.2%、32.7%、32.9%、29.9%、28.4%(满载),同时纵横垂向车身加速度并未恶化;在以兼顾乘坐舒适性和操纵稳定性为整体控制目标的D级路面下,纵横垂向车身加速度在空载和满载状态下分别优化了19.1%、20.3%、19.7%和18%、16.1%、16.8%,同时保证了车轮动载荷在对应状态下分别有20.5%、19.6%、14.2%、12.7%、12.3%、12.6%和12.7%、12.4%、12.2%、10.8%、8.6%、10.3%的优化程度;E级路面下车辆以乘坐舒适性为整体控制目标,空载和满载状态下的纵横垂向加速度分别优化了34.6%、31.4%、34.1%和29.5%、29.4%、29.3%。(3)不同行驶工况下基于MPC的主动油气悬架纵横垂向协调控制策略能够在兼顾纵向、横向和垂向动力学控制效果基础上,确保整车纵、横、垂向的协调运动,且保证主动油气悬架动行程工作在合理的范围之内。(4)通过开展基于MPC的主动油气悬架纵横垂向协调控制器的开发设计与硬件在环试验,证明了该控制器具有良好实时应用条件。


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