Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса по системам гашения колебаний. По становка задачи исследования 8
1.1. Классификация систем гашения колебаний 14
1.2. Классификация управляемых систем подрессоривания .18
1.3. Модели для исследования систем гашения колебаний . 19
1.4. Выводы и задачи исследования 26
Глава 2. Разработка математической модели автомобиля 28
2.1. Программное обеспечение для работы с виртуальными прототипами машин 28
2.2. Модель автомобиля 31
2.3. Выводы ко второй главе 38
Глава 3. Разработка алгоритма адаптивного демпфирования . 40
3.1. Анализ влияния параметров демпфирования подвески на плавность хода 40
3.2. Стационарные режимы - случайный профиль 55
3.3. Нестационарные режимы 64
3.4. Единичные препятствия 66
3.5. Получение оценок динамических показателей 69
3.6. Задание для программирования блока управления 72
3.7. Отладка работы алгоритма 78
3.8. Выводы к третьей главе 81
Глава 4. Идентификация математической модели 84
4.1. Анализ экспериментальных и расчётных данных 84
4.2. Выводы к четвёртой главе 103
Заключение 104
Литература
- Классификация управляемых систем подрессоривания
- Программное обеспечение для работы с виртуальными прототипами машин
- Стационарные режимы - случайный профиль
- Задание для программирования блока управления
Введение к работе
Актуальность работы
Повышение плавности хода и защита от вибраций является актуальной проблемой транспортного машиностроения. Рост скоростей, увеличение максимальной грузоподъёмности и мобильности транспортных средств, увеличение времени работы водителей, зачастую неудовлетворительное состояние дорог обуславливают необходимость совершенствования виброзащитных систем и внедрение новых технических решений.
Одним из путей решения проблемы снижения затрат и уменьшения времени для разработки новых ТС и систем управления является использование имитационного компьютерного моделирования. При этом использование специального программного обеспечения для построения математических моделей с управляющими контурами позволяет сократить время разработки как на этапе создания математических моделей так и на этапе внедрения алгоритмов управления в микропроцессорный блок управляющей системы автомобиля.
Проведённый анализ алгоритмов управления параметрами подвески показал, что они имеют сложную структуру и для их реализации необходимы сложные системы управления. Создание и отладка таких управляющих систем является сложной и ресурсоёмкой задачей. Математическое моделирование всей системы с управляющими контурами и управляющими блоками позволяет существенно сократить экономические издержки как на этапе проектирования, так и на этапе испытаний и отладки. Также оно позволяет вести дальнейшие исследования без создания опытных образцов.
Цель диссертационной работы состоит в разработке метода создания и доводки алгоритмов адаптивного управления демпфированием в подвеске колёсных машин в различных условиях движения на основе комплексной математической модели ТС, допускающей перенос программы управления на бортовой микропроцессор автомобиля с минимальными изменениями для повышения эффективности работы подвески колёсной машины и ускорения её цикла разработки.
Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
-
проведён анализ современных систем управления подвеской автомобиля и методов их проектирования;
-
разработана пространственная математическая модель автомобиля с учётом управляющих контуров, включающая в себя программу управления демпфированием подвески, позволяющая выполнить анализ и доводку алгоритма управления системы гашения колебаний;
-
определены рациональные параметры демпфирования и упругих свойств
подвески при движении ТС в различных условиях движения;
-
сформулированы критерии алгоритма переключения демпфирования в амортизаторах подвески колёсных машин в зависимости от типа микропрофиля и режима движения (прямолинейное движение, разгон, торможение, поворот);
-
проведена идентификация созданной модели АТС по результатам экспериментальных данных;
Научная новизна:
-
-
обоснован метод отладки и доводки управляющих программ подвеской колёсной машины на математической модели, позволяющий с минимальными изменениями переносить программу в микропроцессорный блок управления реального объекта;
-
разработана и отлажена оригинальная пространственная многомассовая модель АТС колёсной машины, с учётом кинематики работы подвески и различных упругих соединений, которая позволяет получить адекватные результаты нагружения и ускорений различных элементов конструкции АТС;
-
впервые предложен многокритериальный алгоритм адаптивного управления демпфированием подвески автомобиля и доказана его эффективность при выборе рациональных параметров управления.
Практическая значимость. Разработанный метод отладки алгоритма управления демпфирующими свойствами элементов подвески колёсной машины позволяет сократить сроки проектирования и доводочных испытаний. Разработанная математическая модель является универсальной и позволяет исследовать свойства ГПР различных конструкций. Математическая модель отличается учётом управляющих контуров и управляющих модулей, которые позволяют запрограммировать алгоритм управления демпфирующими свойствами ГПР с учётом переноса в микропроцессорный блок управления. Научные положения диссертации обоснованы и подтверждены идентификацией математической модели с экпирементальными данными.
Результаты, изложенные в диссертации, могут быть использованы для:
-
-
-
усовершенствования работы алгоритма управления подвеской автомобиля с использованием разработанной математической модели;
-
разработки и внедрения новых алгоритмов управления подвеской АТС на основе разработанной математической модели;
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в ОАО "ВМК "ВгТЗ".
Апробация работы Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на:
1. XIV региональной конференции молодых исследователей Волгоградской области (Волгоград, ноябрь 2009 г.);
-
-
-
-
научном семинаре "Компьтерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, прочности и износа"(Брянск, февраль 2009 г.);
-
первой объединённой международной конференция IMSD 2010 (Лап- пеенранта, Финляндия, 25-27 мая, 2010 г.);
-
48-ой научной конференции (ВолгГТУ, Волгоград, 31 января - 4 февраля 2011 г.);
-
49-ой научной конференции (ВолгГТУ, Волгоград, 30 января - 3 февраля 2012 г.).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 7 печатных работах, из них 3 статьи во входящих в "Перечень российских рецензируемых научных журналов рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборниках трудов конференций и тезисы 2 докладов.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и библиографии. Общий объем диссертации 114 страниц, из них 80 страниц текста, включая 30 рисунков. Библиография включает 73 наименования на 9 страницах.
Классификация управляемых систем подрессоривания
Для достижения поставленной цели работы в диссертации были проанализированы и изучены труды, которые можно разделить на две группы:
Вибрации сопровождают нас повсюду и чаще всего эти вибрации являются нежелательными. Можно выделить вибрации и колебания авто, мою и железнодорожного транспорта, моторов и станков, нефтяных и газовых платформ, нежелательные вибрации лабораторных станков, установок и так далее. Во всех этих случаях, стоит задача изолировать тело от источника вибрации (салон автомобиля, железнодорожный вагон, установку) или, наоборот, изолировать источник вибрации (двигатель автомобиля, холодильника).
Подвески автомобилей, как и многие другие системы автомобиля, развивались пропорционально развитию транспорта. На протяжении веков кареты и телеги не были оснащены подвесками. Колёса были жёстко за креплены. Металлические пружины.впервые были разработаны в 17 веке. Немного позже появились рессоры. Только в 20 веке появились конструк-. ции подвесок, основанные на пружинах и амортизаторах, которые мы можем наблюдать сейчас.
Первые исследования динамики АТС датируются 1920-30 ми года- ми [40]. Исследования динамики управления продолжились в 1950, как пишут Милликен (Millikerr WF и Milliken DL) в своём труде [48] как приложение теории колебаний к динамике авто-мобиля. С появлением компьютеров с хорошей вычислительной мощностью и созданием пространственных моделей автомобилей сложность и точность моделей всё возрастает. Со временем приходится жертвовать простотой во имя точности.
Оптимизация работы подвески достигается не только за счёт тщательного продумывания и совершенствования пружин и амортизаторов, но так же за счёт совершенствования других компонентов подвески (таких- как сайлентблоки, рычаги и так далее). Под оптимизацией понимается улучшение управляемости и общего комфорта.
Активные подвески впервые были применены на автомобилях Формулы 1. Автомобиль компании Lotus был первым автомобилем, который быт оснащён активной системой подрессоривания в 1983 году [14].Помимо гоночных автомобилей, активные системы подрессоривания достаточно долго изучались и разрабатывались для обычных, гражданских автомобилей В .работе Хиллбрехта (Hillebrecht) и его коллег [36] в 1992, обсуждали компромисс между потребительскими качествами и техническим совершенством с точки зрения производителя автомобиля.
Компания Mercedes много лет работает над созданием активной подвески. Модель Mercedes CL Coupe [26] оснащена комплексной системой управления подвеской и траекторией-движения автомобиля. Компания Toyota так же разработала свою систему контроля подвеской, например, в авто- мобиле Toyota Celica [73] так же как и компания Volvo [63]. В последнее время много автомобилей класса люкс оснащаются системами адаптивной подвески (например Mercedes, Lamborghini и Ferrari).
Адаптивная система подрессоривания на основе магнетореологической. жидкости используется в ряде автомобилей высокого класса. Эта систе- ма разработана компанией Delphi и называется Delphi MagneRide. Си стема адаптирована для нескольких автомобилей включая модели фирмы Cadillac: Imaj, Seville, SRX, XLR, STS, DTS; модели фирмы Chevrolet Chevrole Corvette; модели фирмы Audi: ТТ и R8; и модель фирмы Ferrari 599 GTB. .
Другим интересным типом подвески является система фирмы Bos-e -линейная электромагнитная система разработанная доктором Амаром Бос (Amar Bose). Эта система базируется на линейном электромоторе и усили- -теле мощности, в качестве упруго демпфирующего элемента.
В научной и технической литературе можно найти большое количество работ посвященных описанию управляемых систем подрессоривания. Первая статья описывающая исследования в области активных систем подрессоривания автомобилей вышла в 1950-х годах [27]. Одна из первых попыток систематизировать состояние дел в области управляемых систем принадлежит Хедрйку (Hedrick) и Вормли (Wormely) [35]. Ещё одну такую попытку предприняли Гудал (Goodall) и Кортум (Kortum) в 1983 году [29]. Несколько лет спустя Шарп (Sharp) и Кролла (Crolla) [58], а так же Крол,-ла (Crolla) и Абул Hyp (Aboul Nour) [24] провели сравнительный- анализ достоинств и недостатков различных типов подвесок. Ещё одну попыт.-. ку обзора критериев разработки предпринял Кролла (Crolla) в 1995 [22]. Активные системы подрессоривания можно разделить по типу используе- мых актуаторов: гидравлические, пневматические, электромагнитные или их комбинации. Вильяме (Williams) с коллегами в 1996 [70] анализировали возможности применения гидро-пневматических приводов. Мартине (Martins) и его коллеги в 199.9 [45] предлагали гибридную электромагнитную управляемую подвеску. В активной системе подрессоривания, построенной на гидравлических приводах важнее управлять,давлением, нежели скоростью истечения жидкости. Это показал в своей работе Сатох (Satoh) и его коллеги в 1990 [57].
Активные системы подрессоривания - популярная область для инженеров в области алгоритмов. Большинство, техник, разработанных в последние 30 лет были опробованы для решения проблем управления активными системами подрессоривания.
Одна из основных проблем при разработке активных систем подрессоривания состоит в определении параметров транспортного средства и параметров его подвески. В 1997 году Маджад (Majjad) [42], Тэн (Tan) и Бредшоу (Bradshaw) [61] обратили внимание на проблему идентификаций параметров системы подрессоривания автомобиля. Необходимость разрешения конфликта между комфортом и управляемостью привела к использованию техник оптимизации. В 1976 ТоПмсон (Thompson) [62] изучал двухмассовую систему подрессоривания и обосновал линейную теорию с обратной связью для управления управляемой системой. В 1987 Чаласа-ни (Chalasani) [17] оптимизировал систему управления используя полную модель автомобиля. П алгоритм для управления активными системами подрессования был- предложен Семмир (Sammier) и его коллегами в 2000 году [56].
Программное обеспечение для работы с виртуальными прототипами машин
Плавность хода автомобиля рассматривается в вертикальной плоскости (вертикальные перемещения, крен, дифферент), тогда как управляемость автомобиля рассматривается в поперечной и продольной плоскостях (поперечные-перемещения, вращение вокруг вертикальной оси, крен). Модель транспортного средства состоит из взаимосвязанных подсистем пружина-груз-демпфер и определяется набором обыкновенных дифференциальных уравнений.
Самое тривиальное -представление о динамике ТС даёт одномассовая модель. В этой простой модели шасси (кузов) ТС представлен в виде груза, соединённого с землёй посредством пружины и демпфера. Масса и жёсткость шины в данной модели не учитывается.
Включив в одномассовую модель, модель колеса, получим модель имеющую две степени свободы. Такая модель была и остаётся до сих пор наиболее популярной в техническом сообществе. Особую популярность эта модель получила до широкого распространения компьютерного моделирования. Популярность данной модели в том, что она не смотря на свою простоту имеет основные переменные, представляющие интерес для исследователей: ускорение кузова, динамическую силу в шине и рабочий ход подвески. Преимущество двухмассовой модели в том, что она позволяет более точно оценить последствия изменения характеристик подвески, по- скольку она не учитывает влияние других подвесок автомобиля. Хорошо спроектированная подвеска должна улучшать управляемость автомобиля и комфорт пассажиров (или как минимум улучшение одного параметра без ухудшения другого). Такой компромисс недостижим при-использовании пассивной системы подрессоривания. .
Ещё одна-классическая модель с двумя степенями свободы: продол говатый груз соединённый в двух то.чках с землёй через пружины и демпферы. Такая модель может переїдаться вертикально, а так же поворачиваться относительно своего центра масс. Такая модель получила название "модель велосипеда". Её естественным продолжением является трёхмассовая. модель с четырьмя степенями свободы. Такая модель учитывает вес колёс и упругость шин. С помощью такой модели можно исследовать продольные колебания кузова автомобиля. Однако такая модель не учитывает поперечные угловые колебания кузова автомобиля. Эти взаимодействия могут быть исследованы только спомощью-пятимассовой пространственной модели. Такая модель учитывает массу всех колёс и кузова автомобиля. Такую. модель иногда называют полной моделью автомобиля. Такая модель позволяет исследовать крен, дифферент и вертикальные перемещения кузова . автомобиля.
Модели рассмотренные выше это классические модели для исследования динамики ТС. Другие" системы автомобиля могут быть рассмотрены включением -.подмоделей в основные модели. Например модель подрессоривания сиденья водителя, модель подвески силового агрегата. Таким.же образом могут быть смоделированы водитель и пассажиры. Это важно для более точного исследования комфорта человека. Далее мы подробнее остановимся на таких моделях.
Модели, учитывающие плавность хода и управляемость необходимы, когда нужно исследовать взаимодействие между ними, а так же для выявления пределов управляемости и влияния таких элементов как стабилизатор поперечной устойчивости. Методы многотельного моделирования позволяют относительно легко развивать сложные модели с большим числом степеней свободы. В 1991 году Zeid и Chang описали модель с 64 степенями свободы. Сейчас используются модели с сотнями степеней свободы. Однако такие сложные модели помимо точности обладают и существенными недостатками: неопределённость параметров и долгое время расчёта модели. По этим причинам, такие модели не всегда являются лучшим выбором для конструкторов. Особенно в начале проектирования, менее сложные модели предпочтительнее. Тем более, что всегда остаётся возможность для усложнения и усовершенствования модели.
Для математического моделирования динамики движения автомобилей существует большое число моделей. Наиболее простая и хорошо исследованная это двух массовая плоская модель системы дорога-колесо-автомобиль. Модель представлена на рисунке 1.1.
Эта модель долгое время оставалась базовой в исследованиях систем подрессоривания. Это простая модель на которой можно исспедовать вертикальные перемещения колеса и кузова автомобиля. Так же она полезна для получения предварительных, приближённых данных. В этой модели не учитываются продольные и поперечные угловые колебания кузова автомобиля.
Продольные угловые колебания кузова автомобиля можно исследовать с помощью плоской трёхмассовой модели, она показана на рисунке 1.2. В зарубежной литературе такая модель называется half vehicle model или
Стационарные режимы - случайный профиль
На 3.16 представлены СКЗ вертикальных ускорений в третьоктавах на сиденье водителя при движении по грунтовой дороге со скоростью 55 км/ч для двух вариантов массы автомобиля. Как следует из графика, при снижении массы автомобиля до снаряженной, на. 25% увеличиваются вибрации .на частоте 4 Гц.
На 3.17 показаны СКЗ вертикальных ускорений в третьоктавах на фургоне над задним мостом при движений по грунтовой дороге со скоростью 55 км/ч для двух вариантов массы автомобиля. В этом случае для автомобиля снаряженной массы вибрации увеличиваются на 25 качества, существенного изменения показателей плавности хода не проис-. ходит. При движении по дороге невысокого качества, например, по грунтовой, ускорения в районе 4 Гц вырастают на 20 - 25%. Выбор параметров амортизатора следует проводить для половинной массы нагрузки.
Для формирования критериев переключения амортизатора с одного режима на другой в стационарных режимах, были проведены многовари антные расчеты движения автомобиля для нескольких наборов скоростей движения по трем типам дорог - динамометрической дороге, грунтовой дороге и ровному булыжнику, при всех четырех режимах работы аморти затора. . По результатам такого анализа были получены закономерности изме- нения различных показателей вибрации автомобиля в зависимости от типа дорог и скорости.
На рисунках 3.21 — 3.22 показаны СКЗ вертикальных ускорений .на. сиденье водителя для двух скоростей движения по динамометрической дороге и всех четырех режимов работы- амортизатора. Как следует из ри- сунков, на скорости движения 15 км/ч, СКЗ вертикальных ускорений на сиденье водителя в третьоктавах ниже нормативных по СКЗ ускорений на сиденье водителя в третьоктавах, для 4 режимов амортизатора, динамометрическая дорога, 30 км/ч На скорости 30 км/ч СКЗ ускорений на частоте 10.Гц достигают допусти- -мых нормативных значений. Таким образом, до скорости 30 км/ч можно-двигаться на самой жесткой характеристике амортизатора - С1, поскольку нормативные ускорения не превышаются.
Пиковые значения виброускорений на частоте 10 Гц для разных амор.-тизаторов различаются незначительно — рисунки 3.21 и 3.22. Для определения моментов переключения режимов амортизаторов целесообразно использовать графики СКЗ сил в ГПР в третьоктавных полосах частот — рисунки 3.23 и 3.24. Как следует из этих графиков, резонансному пику 10 . Гц на СКЗ ускорений в третьоктавах, соответствует пик на частоте б Гц на графиках СКЗ сил в ГПР в третьоктавах. Уровни СКЗ сил для разных амортизаторов имеют значимые различия. Так для скорости 15 км/ч максимальное значение СКЗ сил для режима амортизатора С1 составляет 150. . Н, а для амортизатора С4 - 65 Н — рисунок 3.23. Для скорости 30 км/ч СКЗ сил в ГПР на частоте 6 Гц составляют для амортизаторов С1 и-С4 . соответственно 300 и 140 Н — рисунок 3.24.
Как уже отмечалось ранее, разница по виброускоренйям в режимах амортизатора сильнее проявляется в-точках автомобиля, отнесенных от его центра масс, например, в точках над задним мостом — рисунок 3.25. На графиках, рисунок 3.25, СКЗ ускорений на частоте 6 Гц для амортиза-. торов С1 и С4 различаются в 1.5 раза. Для ускорений фургона над задним мостом так же четко прослеживается их рост при последовательном переключении амортизатора с режима С4 до С1.
Для дороги удовлетворительного качества - ровного булыжника, так же характерно наличие осн-овного пика СКЗ ускорений в районе 10 - 14 Гц — рисунок 3.26. Различия в СКЗ сил в ГПР для ровного булыжника более существенны, чем для динамометрической дороги. Для амортизатора С1. максимальные СКЗ сил в ГПР составляют 500 Н, а для амортизатора С4 — автомобиль АВЫ X Скорость движения U =14.8 км/час
Для грунтовой дороги основной вклад в ускорения вносят низкие частоты - рисунок 3.28 и 3.30. Если в нерезонансном режиме пик колебаний приходится на средние частоты 2 - 4 Гц -- рисунок 3.28, то в резонансном резко увеличиваются низкочастотные колебания в.районе 1 Гц — рисунок 3.30. Отмеченные закономерности четко отражаются на графиках СКЗ сил — рисунки 3.29 и 3.31. Так если значения СКЗ сил на средних частотах 2 - 3 Гц составляют для скоростей 35 и 45 км/ч почти одинаковую. величину 900 Н (амортизатор С1), то на частоте 0.8 Гц для нерезонансной скорости СКЗ силы в ГПР составляет 160 Н, а на резонансной 1000 Н — рисунки 3.29 и 3.31.
Задание для программирования блока управления
На основании проведенного анализа различных режимов движения-, можно предложить следующий алгоритм переключения демпфирования:
1. В стационарных режимах - при прямолинейном движении с мед- ленным изменением скорости до скорости 15 км/ч устанавливает :-ся режим максимального демпфирования С1. На скоростях более 15 км/ч переключение производится на основании анализа графиков СКЗ- ускорений в третьоктавах в точках кабины и фургона, СКЗ сил в третьоктавах в ГПР, распределений ходов ГПР. Графики СКЗ ускорений и сил строятся в диапазоне 0.8 - 22.4 Гц. Режимы аморт и затора переключаются в последовательности С1, СЗ, С2, С4, соответствующей увеличению интенсивности демпфирования. Текущее со- стояние демпфирования может поменяться только на соседнее. Условием переключения на пониженную ступень демпфирования, является превышение нормативных СКЗ ускорений на частоте 10 Гц в одной из контролируемых точек. Условием блокирования понижения демпфирования, является превышение допустимых СКЗ ускорении в третьоктавах на частотах 0.8 - 1.3 Гц. Условием переключения на повышенную ступень демпфирования, является превышение нормативных СКЗ ускорений на частоте 0.8 -1 Гц в одной из контролируемых точек, а так же превышение пороговой величины СКЗ сил во всех ГПР на частоте 1 Гц пороговой величины. Для исключения возникновения циклических режимов переключений, после каждого изменения демпфирования, возможность переключения на некоторое время блокируется Условием кратковременного включения повышенного демпфирования, является единичное отклонение в ходе рессоры, большее пороговой величины. При этом включается повышенное демпфирование на ограниченное время.
2. В режиме торможения при нажатии на педаль тормоза включается режим максимальный демпфирования С1, который сохраняется заданное время после отпускания педали тормоза.
3 При отклонении руля больше заданной величины, зависящей от скорости, включается режим максимальный демпфирования С1, который сохраняется до возвращения руля в положение прямолинейного движения.
Получение оценок динамических показателей Как было указано выше, алгоритм управления ГПР работает на основе анализа динамических показателей, построенных по временным реализациям соответствующих датчиков ускорений, давлений и перемещений. В качестве динамических показателей используются СКЗ в третьоктавных полосах частот в диапазоне 0.7 - 22.4 Гц и эмпирические гистограммы распределений.
Для определения СКЗ процесса в третьоктавных полосах частот необходимо построение автоспектров равномерного разрешения по реализации достаточной длины таких процессов, для того, чтобы спектры принимали стационарные значения. В данном подразделе анализируются свойства спектров в зависимости -от длины реализации, и определяется время и частота дискретизации, которые позволяют получить состоятельные оценки таких спектров и построенных на их основе СКЗ.
Предполагается, что автоспектры строятся с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ), с временным окном Хеннинга, с длиной блока БПФ 1024 точки (для коротких реализаций 512 и 256 точек). Шаг дискретизации принимается равным 1/256 с.
Для изучения свойств оценок спектров были рассчитаны СКЗ значения различных процессов автомобиля при варьировании длины временной реализации процессов. Результаты таких расчетов представлены на рисунках 3.39 - 3.44
Как следует из рисунков 3.39 - 3.44, для трех рассматриваемых типов дорог СКЗ ускорений, построенные для реализаций длиной 10 - 1,5 с достаточно хорошо отражают качественный вид третьоктавного спектра Хотя разброс пиковых значений доходит до 50
Похожие диссертации на Технология создания и доводки алгоритмов адаптивного управления демпфированием в подвеске колёсных машин в особых условиях движения
-
-
-
-
-
-