半挂车电控空气悬架车高调节模糊与PWM控制研究

半挂车电控空气悬架车高调节模糊与PWM控制研究 半挂车电控空气悬架车高调节模糊与PWM 控制研究 第l0卷第32期2010年11月 167l,1815(2010)32—7974—07 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEn6neenng Vo1.1ONo.32Nov.2010 ?2010Sei.Tech.Engnff 半挂车电控空气悬架车高调节模糊 与PWM控制研究 冯元元杜群贵 (华南理工大学机械与汽车工程学院,广州510640) 摘要将传统半挂车空气悬架的机械式旋转滑阀和高度阀分别用高度传感器和电磁阀代替,设计了半挂车用电子控制空 气悬架. 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了电控空气悬架高度切换时管路元件(含电磁阀)气体流动性过程,橡胶气囊内气体热力学过程和簧载质量动 力学过程,建立了车身高度调节的非线性模型.针对高度调节过程中出现的超调和振荡现象,设计了模糊算法/PWM控制器 并进行了仿真模拟.结果表明,该控制策略是可行的,有效提高了高度切换准确性及电控悬架系统的稳定性. 关键词电子控制空气悬架高度调节非线性模型模糊/PWM控制空气悬架 中图法分类号U463.5;文献标志码A 常规具有空气悬架的半挂车通过使用旋转滑 阀和高度阀等机械部件来实现升高,保持和降低挂 车高度的功能,操作人员通过旋转滑阀的旋转手柄 来控制空气气囊的升压,保压和降压,从而控制挂 车车身高度.而电子控制空气悬架将机械式旋转 滑阀和高度阀分别用高度传感器和电磁阀代替. 其功能除机械式高度阀的功能外,还有指标高度控 制,多个行车高度,限高等功能_1.文献[2]推导了 常规半挂车空气悬架系统中空气弹簧,高度阀,连 接管路子模块的力学方程,提出了模块化的耦合空 气弹簧悬架模型,该模型考虑了高度阀的死区及节 流管路的流量特性等非线性的影响;文献[3]对自 适应空气悬架系统进行分析,建模,并采用PID和 PD控制策略设计了悬架控制器.但半挂车用电子 控制空气悬架系统没有得到深人的研究和开发. 本文在分析半挂车用电控空气悬架功能和工作原 理的基础上,根据气压传动动力学和车辆动力学建 立了电子高度调节系统的非线性模型.仿真分析 了实车高度在车辆驻车高度,正常行驶高度和特殊 工况行驶高度3档切换情况,并针对车身高度控制 过程中的振荡,超调现象,设计了模糊算法/PWM控 制器,有效地解决了上述问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 2010年8月25日收到 1电子控制空气悬架系统的工作原理 如图1所示,半挂车电控空气悬架系统主要由 空气弹簧,电控单元,高度传感器,电磁阀,遥控器, 空压机,储气罐等组成.通过高度传感器连续测量 行车或静止时车身高度变化,由电控单元根据获得 的车身高度数据计算出实车高度,同时与预先设定 的标准高度对比,得出需要调整的高度量,通过控 制电磁阀动作实现空气气囊的升压,保压和降压, 以保证车辆车身一直保持在预先设置的指标高度. 遥控器向电控单元发出指令以实现多个指标高度 之间的切换. 图1电控空气悬架系统示意图 32期冯元元,等:半挂车电控空气悬架车高调节模糊与PWM控制研究 2电控空气悬架高度调节模型 为建立实用的电控悬架模型,对充,放气回路 进行合理简化.充气回路:电磁阀接受电控单元发 出的充气脉冲指令,空气由储气罐,流经包含电磁 阀和管路的气动回路,至变容积的空气弹簧;排气 回路:空气由空气弹簧,经电磁阀和气动管路流人 大气. 2.1电磁阀及气动管路流量模型 为了便于计算系统流量,假设气体先流经电磁 阀,再通过具有一定长度和横截面的管路,最后流 人空气弹簧或大气.由于气体的可压缩性,气体流 经电磁阀的过程十分复杂,一般将电磁阀抽象成为 一 个等效的收缩喷咀来计算,再做适当的修正J. 电磁阀进(排)气阀开启时,流经电磁阀的流量,即 管路初始质量流量为 qm0(t)= , Pd 一? Pd (1) 式(1)中:一气路流阻系数; A一电磁阀等效截面积; P一电磁阀上游端绝对压力,充气过程中 P为储气罐压力,排气过程P为气囊内绝对压力; P一电磁阀下游端绝对压力,充气过程P 为气囊内绝对压力,排气过程为大气压力; 一 上游端气体热力学温度; n一气体绝热指数,n=1.40; 一 气体常数,对空气R=8.314N?m/ (mol?K); 一 气体摩尔质量,对空气M=0.029 Kg/mol; . 一 临界气体压力比,对理想气体, 取=0.528; 充放气过程中具有一定长度和截面积管路会 导致气体流量衰减和系统响应延迟,管路气体状态 参数是关于时间t和空间s的函数,可以采用动态 参数分布法建模分析].根据气体连续性方程和 伯努利方程可求得管路质量流量的计算式 f0,<l ittIe9加(一二),>_=- 式(2)为流入空气弹簧或大气的流量最终计算式. 式中为P管路末端压力,即充气时为空气弹簧内 压,排气时为大气压,Z为管路长度,c为声速,管路 阻力系数=,D为管路直径,.为空气动力 黏度. 2.2空气弹簧模型 分析气囊内气体热力学过程,建立空气弹簧动 态模型,即求得空气弹簧内压和管路质量流量的关 系.空气弹簧的充放气过程是相互独立的,可将高 度调节过程分为可变容积空气弹簧充,放气阶段和 电磁阀关闭后密闭系统的稳定阶段.由于空气弹 簧的充放气比较迅速,因此本文将空气弹簧的充放 气近似看作是等熵绝热过程]. 已知空气弹簧体积为,密度为P,内部气体总 质量为m,压力P,温度,则根据理想气体状态方 程得:P=pRT1;由质量流量连续性方程得dmi一 dmout盖(p),其中min,rrl,.t分别为流进和流出 空气弹簧的质量流量. 由能量守恒定律得变容积空气弹簧的充,放气 动态方程 Qi一Q.+,cC(dmiT1一dm.)一dW=dU (3) 式(3)中:QQ.一气囊内气体与外界交换的能量; 一 气囊内气体所做的膨胀功,dW=Pdv,; 气囊内气体的内能,dU(c,nT1)= (dPt+P1dr1),其中C为空气弹簧热传导 7976科学技术与工程l0卷 系数=R) ; 将以上几式代人能量守恒方程(3)得: Qin—Qout+(i.dr2)一 尸?dv,=1dP(4) 假设流人与流出空气弹簧的气体温度相同,即T: 则上式可写成 K- . I(Q?+(, drnout)一 P1d=rV1dPl(5) 2.2.1充气过程中的压力变化计算 电磁阀接受电控单元指令开启,充气过程中气 囊不排气,忽略气体泄漏则dm叭儿=0,绝热过程气囊 与外界环境无热量交换,即Q,Q=0,气囊内质 量流量q=dmi/出代人上式可到充气时气囊内气 体的动态方程 dt= 争V一鲁Vdt(6)11\/ 空气弹簧的容积变化 == dx dtdt(7)d 式(7)中为空气弹簧的容积变化率,=一,即 为簧载质量与簧下质量的相对位移,将式(7)代人 式(6)可求得气囊内绝对压力梯度 dp】n尺nPa】dx/0, 一 dt一 电磁阀关闭后,充气过程结束,空气弹簧变为 质量不变的密闭系统,气囊内气体热力学过程为多 变过程J,根据理想气体状态方程式 dmi:0,Qi一Q.=0,气囊内质量流量q=dm.J ,可得排气时气囊内气体压力梯度 =一一 dx(11 Ot.gdt一=一一疗一一一l(0+似)I,1o+ 2.3车辆系统动力学模型 充(排)气过程中,轮胎变形(簧下)对车身高度 变化的影响很小,可忽略,则空气弹簧变形即为车 身(簧上)高度变化,根据牛顿第二定律建立1/4空 气悬架半挂车的动力学方程式 A—mbg+= 警(12) 式(】2)中:为减振器阻尼系数;m为簧载质量; A为空气弹簧的有效面积;p.为空气弹簧有效 内压. 电磁阀开启期间,即气囊充,排气过程中P.= P,结合气囊内气体的压力梯度方程(8),(11)求得 电控悬架的高度调节模型 ?警d2x— m6譬=0(一15)m6 式(13)中i=1,2空气弹簧充气过程中i=2,排气过 程中l. 电磁阀关闭后P=P空气悬架的高度方程为 ((-P口g+C.警d2x (14) 3电控空气悬架车身高度控制研究 p=P(9)3?1模糊控制器的设计 得气囊的绝对压力: Pil=P()(10) ,(一气体多变指数,K:1.38; P一电磁阀关闭后气囊内气体体积; 一 电磁阀关闭后气囊内气体绝对压力; 2.2.2排气过程中的压力变化计算 同理排气过程中气囊不充气,忽略气体泄漏 电控空气悬架系统中,电磁阀开闭时刻的选择 及充放气周期长度的确定是准确调节车身高度的 核心.由于电磁阀具有较大的进,排气口,使得悬 架系统能快速调节高度或压力,但也可能使气囊充 入或排出过量空气而造成调节误差.因此,选用合 适的控制算法来确定充放气脉冲长度和占空比是 非常重要的_5].由于气动系统具有复杂的非线性 特性,调节过程中难以准确跟踪悬架参数的改变, 32期冯元元,等:半挂车电控空气悬架车高调节模糊与PWM控制研究7977 而模糊控制系统具有很好的鲁棒性,不依赖于系统 精确的物理参数,因此模糊控制算法能够解决这些 问题. 3.1.1模糊控制器的设计 本设计采用两输入单输出模糊控制器,将高度 偏差f1及其变化率dlI/dt作为模糊控制器的 输人量,输出为管路元件的质量流量q.JI取7 个模糊子集,dll/dt及输出变量q均取5个模糊 子集.各变量的取值范围和论域如表1. 表1各变量模糊子集论域,基本论域以及量化因子 本模糊控制器采用Mamdani模糊推理系统, 为获得理想的控制效果,综合梯形函数与三角形 函数来编写输入输出变量的隶属度曲线J.输出 隶属度曲线有效控制电磁阀的工作流量,避免使 阀工作在零位或较大的开口处,这样既可延长阀 的使用寿命,又可避免阀工作在死区或非线性区, 以达到更好的控制效果.隶属度曲线如图2 所示. 根据半挂车空气悬架实际操作经验,利用IFA ANDBTHENC的推理形式 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 了如表2所示的模 糊控制规则,对这些语言值解模糊即可得到精确的 控制量. 表2控制规则 唾 描 图2输入输出函数的隶属度曲线 3.1.2PWM调制的实现 由模糊控制器输出的控制量是质量流量的大 小,即充放气脉冲长度,而实际挂车上使用的电磁 阀只有常开和常闭2种状态,不能实现质量流量的 无级调节,为此提出通过控制PWM(PulseWidth Modulation)占空比的方式调节充,放气的平均质量 7978科学技术与工程lO卷 流量,即把质量流量转化成对应的PWM占空比大 小.在车身高度迅速调节过程中,在远离调节目标 时,采用大的占空比,增加充气量,提高调节的实时 性;在将要达到调节目标时选择小的占空比,充气 量减少,从而提高调节精度. PWM算法是一种通过频率固定,最大值,最小 值根据控制目标设定的三角波发生器与占空比反 馈量(q)比较产生占空比可控的脉宽调制波的方 法,其Simulink实现方式如下图3所示. 图3质量流量PWM调节的仿真模型 4电控空气悬架高度调节系统仿真 根据非线性数学模型及设计的高度调节模糊/ PWM控制器,利用Matlab/Simulink搭建空气悬架 半挂车高度调节系统模型,来模拟车身高度切换. 图4为车身高度模糊/PWM控制仿真系统仿真时模 拟实际车辆,实车高度在正常行车高度,特殊工况 和驻车高度三档间切换,在此主要以半挂车从正常 位(270mm)升至特殊工况高度(300mm)以增强车 辆通过性和正常位降至驻车位(245mm)以方便装 卸货物两种情况来模拟系统工况. 图4车身高度调节模糊/PWM仿真模型 图5和图6分别为两种状况下控制器产生的 占空比可调的充放气脉冲,及对应高度切换时车 身高度随时间变化的曲线,从仿真结果看,无质量流量控制时,车身高度虽然可以很快的达到目标 值,但是会出现明显的超调和震荡现象,这影响了 高度切换准确性及系统平顺性,而有q控制的高 度调节可以有效避免高度调节偏差,也消除了振 荡现象,高度切换基本上可以一次到位,系统也相 对比较稳定. 32期冯元元,等:半挂车电控空气悬架车高调节模糊与PWM控制研究7979 仿真时间f/s (a)充气时的PWM信号波 5结论 (b)放气时的PwM信号波 图5信号波 (1)将传统半挂车空气悬架的机械式旋转滑阀 和高度阀分别用高度传感器和电磁阀代替.设计 了半挂车用电控空气悬架,并根据气压传动动力学 和车辆动力学建立了车身高度调节模型. (2)设计了车身高度调节的模糊算法/PWM控 制器,结果表明该控制器是可行的,有效消除了高 度调节中超调和震荡现象. (3)所建立的电控悬架非线性模型能有效仿 真半挂车高度调节过程,但未能反映车身高度保 持在某一指标高度时,与车辆行驶平顺性相关的 悬架刚度调节过程.在以后的研究中会做进一步 探讨. (a)车身抬升高度切换曲线 一— 无控制 —— 目标值 ……' 模糊腔制 . , . \'. ? , ? - \'一 \'… , ,,一,,一一一一一一一一,一一 -,/一 时间 (b)车身降低高度切换曲线 图6 参考文献 1xianJie,KulakowskfBT.Slidingmodecontrolofactivesuspension fortransitbusesbasedonanovelai~spdngmode1.Proceedingsofthe AmericanControlConference.Denver.2003:3768_3773 2BurtonAW,TruscettAJ,WeHsteodPE.Analysis,modelingand controlofanadvancedautomotivese~levellingsuspensionSystem. 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[Keywords]momentabouttheoriginhypergeometricdistributionstirlingnumberofthesecondkind )???p\:? (上接第7979页) 5罗鹏.货车空气悬架电子控制系统(ECAS).汽车与配 件,Engineering,2008;30(3):231--234 2007;22(5):49—517姜立标.载货汽车电控空气悬架的匹配设计与控制研究.长春: 6BaoWeining,ChengLiping,ZhangYunqing,eta1.Astudyondy-吉林大学博士论 文,2007 namicsmodelforcoupledairspringssuspensionsystem.Automotive InvestigationonBodyHeightAdjustmentforSemi-trailerwinlElectrically ControlledAirSuspensionandDesignofFuzzy/PwMController FENGYuan—yuan,DUQun—gui (SchoolofMechanical&AutomotiveEngineering,SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,P.R.China) [Abstract]Electricallycontrolledairsuspensionforsemi-trailerusedaheightsensorandsolenoidvalveinstead ofmechanicalrotaryslidevalveandheightvalveintraditionalairsuspension.Anonlinearmodelofbodyheight modulationwasderivedbyanalyzetheperformanceofthegasflowinginpipelinecomponents,thermodynamic processofrubberballoongasandthevehicledynamics.Theproblemsofover-modulationand oscillationwereinves— tigatedduringheightcontrol,andaFuzzy/PWMheightcontrollerwasdesignedandsimulated.Theresultsdemon— stratedthecontrolstrategyimprovedtheaccuracyofheightswitchoverandsystemstabilityeffectively. [Keywords]electricallycontrolledairsuspensionheightswitchovernonlinearmodelfuzzy/ PWMcontrol