Содержание к диссертации
Введение
Глава 1, Система управления подвеской автомобиля как объект исследования 8
1.1. Анализ существующих систем управляемой подвески автомобиля 8
1.2. Особенности применения электронных блоков управления на борту автомобиля 28
1.3. Магнитореологический амортизатор в системе управления подвеской автомобиля 41
Глава 2. Система управления подвеской автомобиля на основе магнитореологического амортизатора -46
2.1. Математическая модель процессов движения элементов подвески 46
2.2. Алгоритм управления магнитореологическим амортизатором 55
2.3. Структура системы управления магнитореологическим амортизатором . 71
2.4. Результаты математического моделирования процессов движения элементов подвески 89
Глава 3. Эффективность вычислительных средств в составе системы управления подвеской автомобиля 97
3.1. Анализ свойств вычислительных средств системы управления подвеской автомобиля 97
3.2. Критериальный показатель эффективности вычислительных средств в составе системы управления додвеской автомобиля 133
3.3. Оценка уровня эффективности микроЭВМ в составе системы управления подвеской автомобиля 148
Заключение 156
Список использованных источников и литературы 161
- Анализ существующих систем управляемой подвески автомобиля
- Математическая модель процессов движения элементов подвески
- Структура системы управления магнитореологическим амортизатором
- Анализ свойств вычислительных средств системы управления подвеской автомобиля
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время большинство применяемых управляемых и активных подвесок легковых автомобилей относится к дискретному типу. Они имеют, как правило, две - три ступени жесткости и демпфирования, переключаемых автоматически или вручную, алгоритмы управления которыми можно назвать ситуационными или интегральными. В этих системах переключение на новое сочетание фиксированных жесткости и демпфирования происходит при выполнении определенных логических условий (ситуаций), выражаемых системой неравенств по ряду параметров и фазовых координат, а каждая ситуация оценивается интегрально при сохранении ее в течение определенного времени.
В указанных системах время между переключениями существенно больше времени переходного процесса самого "быстрого" элемента подвески — колеса. Поэтому в них принципиально невозможно исключение эффектов, требующих "силового" и "быстрого" (в темпе протекающих процессов) воздействия, таких, как стабилизация силы давления колеса на дорогу или парирование "пробоя подвески", т.е. исключение выхода на ограничители хода. Таким образом, анализ систем управляемых подвесок легковых автомобилей показывает, что актуальной задачей является разработка подвесок с непрерывным управлением параметров жесткости и демпфирования в процессе движения.
В этой связи значительный интерес представляют теоретические исследования возможностей непрерывного управления исполнительными устройствами подвески, к которым относятся электроуправляемые демпфирующие устройства непрерывного действия на основе магнитовязких жидкостей. Таким устройством является управляемый магнитореологический амортизатор, в котором в качестве рабочего тела используются стабильные ферромагнитные жидкости или взвеси. Проблемам, возникающим при построении и применении подобных устройств, посвящены работы таких ученых, как Синев А.В., Соловьев B.C., Фролов К.В., Кирсанов Б.В., ТеряевЕ.Д., Парамонов В.Н., Цветков Ю.В., Данилов В.Д. и других известных ученых.
Постепенное увеличение в автомобиле количества микропроцессорных систем и бортового электронного оборудования, решающего множество задач различных уровней, приводит к естественному усложнению бортовых систем автомобиля, что требует выработки общих принципов их построения и делает актуальной задачу оценки эффективности использования вычислительных средств в их составе относительно совокупности различных эксплуатационных свойств этих средств. В связи с этим тема диссертационной работы также представляется весьма актуальной.
Цель работы. Целью диссертационной работы является комплексное решение задачи синтеза системы управления подвеской автомобиля, рабочим органом которой является управляемый магнитореологический амортизатор.
Задачи исследования. В соответствии с указанной целью, в диссертационной работе решаются следующие задачи:
• сравнительный анализ существующих систем управляемых и активных подвесок легковых автомобилей;
• исследование особенностей использования микроЭВМ в составе системы управления подвеской автомобиля;
• разработка математической модели, описывающей локальные процессы движения элементов подвески автомобиля;
• разработка алгоритма (закона) управления магнитореологическим амортизатором, как исполнительным устройством системы управления;
• проведение моделирования на ЭВМ процессов относительного перемещения элементов подвески при заданных возмущающих воздействиях и алгоритме управления;
• формирование структуры системы управления магнитореологическим амортизатором подвески автомобиля с использованием электронного блока управления;
• анализ основных показателей, влияющих на эффективность микроЭВМ в составе системы управления подвеской автомобиля;
• разработка методики оценки эффективности использования вычислительных средств в составе системы управления подвеской автомобиля.
Методы исследования. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием методов теории автоматического управления, теории механических колебаний, элементов высшей алгебры и аппарата дифференциальных уравнений. Математическое моделирование динамических процессов подвески автомобиля, при выполнении алгоритмов управления, осуществлялось средствами прикладных математических программ на ЭВМ.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
• предложен принцип построения системы управления подвеской автомобиля на основе магнитореологического амортизатора с использованием микро-ЭВМ, дающий возможность регулировать коэффициент демпфирования подвески в непрерывном режиме для улучшения характеристик устойчивости автомобиля;
• разработан алгоритм управления магнитореологическим амортизатором, позволяющий улучшить параметры движения элементов подвески в определенных режимах с выполнением требований по быстродействию и простоте реализации;
• предложен критериальный показатель эффективности вычислительных средств в составе системы управления подвеской автомобиля, который позволяет по определенной методике оценивать совокупность различных частных показателей, характеризующих эксплуатационные свойства системы и осуществлять выбор более рационального (эффективного) варианта построения системы управления, относительно ее эксплуатационных свойств, когда эвристические методы такого выбора затруднены.
Практическая ценность результатов работы состоит в следующем:
• в программной среде Matlab разработан набор программных модулей, позволяющий проводить математическое моделирование процессов относительного движения элементов подвески при регулировании коэффициента демпфирования амортизатора по установленному закону с учетом параметров и характеристик передней подвески автомобиля «Москвич 2141»;
• разработанная методика оценки эффективности вычислительных средств в составе системы управления подвеской автомобиля использовалась в НИР» связанных с разработкой регулирующих систем подвижных объектов, а также с решением задач инженерного синтеза сложных систем, в частности, при выборе наиболее эффективного состава специальных композиционных конструкций относительно механических свойств их составных элементов в том случае, когда эвристические способы такого выбора затруднены;
• отдельные теоретические положения диссертационного исследования используются в лабораторном практикуме и при чтении лекций для студентов специальности 210100 - «управление и информатика в технических системах».
Реализация результатов работы. Результаты диссертации были использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ:
• НИР № 012-02/49 лаборатории №49 Института проблем управления им. В.А, Трапезникова РАН при исследовании систем управления подвижных объектов;
• НИР Института прикладной механики Отделения энергетики» машиностроения, механики и процессов управления РАН при решении задач инженерного синтеза сложных систем;
Отдельные результаты работы были использованы также в учебном процессе кафедры «Автоматических систем» МИРЭА.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
• научно-техническая конференция МИРЭА (Москва, 2000, 2001» 2002, 2003, 2004 гг.);
• научная конференция OpenS 2000 "Открытые системы — технология века" (Москва, МИРЭА, 2000 г.);
• IV международный симпозиум INTELS 2000 "Интеллектуальные системы" (Москва, МГТУ им. ЯЭ. Баумана, 2000 г.);
• международная научно-техническая школа-конференция «Молодые ученые — науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва, МИРЭА, 2003 г.).
Некоторые положения диссертационного исследования были объединены в работу под общим названием «Некоторые возможности создания высокоэффективной информационной системы на борту автомобиля» и представлены на конкурсе МИРЭА «Лучшая научная работа студентов и молодых ученых» в 2002 году. Данная конкурсная работа отмечена дипломом.
Также отдельные теоретические положения диссертации были объединены в работу с названием «Эффективность вычислительных средств в составе системы управления подвеской автомобиля», которая была представлена на конкурсе МИРЭА «Лучшая научная работа студентов и молодых ученых» в 2003 году. Данная работа отмечена грамотой.
Цикл работ за 2003 год по теме «Эффективность вычислительных средств в составе системы управления подвеской автомобиля» за высокий уровень от мечен почетной грамотой в рамках конкурса МИРЭА «Лучшая научная работа 2003 года».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ об щим объемом 8,9 П-Л-, 7 из которых являются статьями, 2 — тезисы докладов научных конференции и 1 работа является монографией.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе-ния, трех глав, заключения, списка литературы из 133 наименований, двух приложений и содержит 217 страниц, из них 175 страниц текста, 27страниц графического материала, 11 таблиц и 27 рисунков.
Анализ существующих систем управляемой подвески автомобиля
Для хорошей дороги лучше сравнительно жесткая подвеска: автомобиль будет меньше раскачиваться и крениться на поворотах — значит, можно поддерживать более высокую скорость. На неровном покрытии нужна мягкая подвеска с большим ходом колес - тогда их контакт с дорогой надежнее, а езда комфортабельнее.
Эти требования взаимосвязаны и противоречивы. Мягкие рессоры повышают комфортабельность, но из-за смещения центра тяжести автомобиля снижают устойчивость и безопасность движения. Жесткие рессоры повышают безопасность, но снижают комфортабельность, передавая неровности дороги.
При проектировании подвески учитывают оба этих фактора и в зависимости от типа транспортного средства осуществляют их согласование. В идеале желательна подвеска» управление параметрами которой осуществляется в соответствии с условиями движения. Между тем наиболее распространенные упругие элементы — рессоры, пружины, торсионы имеют постоянную жесткость. Поэтому конструкцию подвески и ее параметры во многих автомобилях выбирают как компромисс, более или менее удовлетворяющий разнообразным требованиям эксплуатации.
Однако уже давно делались попытки оснастить автомобиль регулируемой подвеской [36, 109], Например, на «Паккарде» 1956 года посредством электродвигателя изменялся угол закрутки торсионов. Позднее в 1957-1959 гг. почти на все лепсовые автомобили в США устанавливали пневматические подвески, которые имели переменную жесткость. Но в силу ряда причин интерес к ним тогда был кратковременным. Только французский «Ситроен» в течение десятилетий, начиная с 1955 года, применяет на ряде своих моделей автоматические гидропневматические подвески. В последние годы появились другие типы подвесок с переменной жесткостью [89, 94, 95], Но для современного, массового автомобилестроения наибольший интерес представляют конструкции, в которых идея регулируемой подвески разработана на качественно иной основе — с привлечением новых технологий в области автомобильной электроники и микропроцессорной техники. Система управления подвеской, построенная на базе так называемого электронного блока управления (ЭБУ) [21, 29, 84, 95], может выполнять следующие функции: управление высотой кузова относительно поверхности дороги; управление сопротивлением амортизаторов; управление жесткостью подвески. Первые две функции в большинстве автомобилей осуществляются двумя автономными микропроцессорными системами. Последняя функция объединяет две первых, так как здесь управляются узлы высоты и узлы изменения сопротивления. Такую систему называют комплексной системой управления подвеской. Для того чтобы перейти к рассмотрению вопросов управления подвеской автомобиля с использованием непрерывно управляемого амортизатора, следует подробнее остановиться на уже существующих системах, проанализировав их достоинства и недостатки. Управляемая подвеска представляет собой сложный динамический объект. Поэтому обоснованный выбор параметров подвески с учетом указанных выше качеств автомобиля, может быть осуществлен только на основе системного подхода в исследовании и синтезе подвески с использованием системы управления, функционирующей совместно с системой анализа ди намики движения автомобиля. Такое согласование позволит провести выбор параметров управляемой подвески с учетом критических режимов движения. Активная безопасность легкового автомобиля в значительной степени определяется его устойчивостью и управляемостью. Эти качества автомобиля зависят от характеристик и параметров автомобиля в целом, характеристик шин, подвески, рулевого управления и тормозной системы. Характеристики устойчивости и управляемости изменяются по мере совершенствования автомобиля — использования привода на передние колеса, активных подвесок, все колесного управления и т.п. Требования активной безопасности автомобиля, плавности хода, комфортабельности движения обусловливают необходимость системного подхода к проектированию автомобиля и его систем. На устойчивость и управляемость автомобиля влияет комплекс параметров. Оптимальный выбор параметров не может быть проведен эмпирическим путем. Поэтому на этапе проектирования и при доводке экспериментального образца с улучшением многих качеств автомобиля оптимизацию характеристик устойчивости и управляемости с учетом множества факторов можно осуществить только на основе использования сложных математических моделей движения автомобиля .
Требования обеспечения высокого качества управления и надежности бортовых систем приводят к необходимости широкого использования в бортовых системах и агрегатах автомобиля микропроцессорной техники и средств интеграции управляющих систем.
Решение задач исследования устойчивости и управляемости с использованием сложных математических моделей движения автомобиля, соответствующих уровню и задачам современного автомобилестроения может быть обеспечено с помощью проблемно-ориентированных систем моделирования [Павлюк]. Основой таких систем являются модели для математического описания движения автомобиля.
Математическая модель процессов движения элементов подвески
Данный пункт работы посвящен формированию математической модели процессов движения элементов подвески автомобиля. Для оценки параметров движения элементов подвески целесообразнее использовать не «кинематические», а «силовые» характеристики, в которых устанавливается связь между воздействиями на узлы подвески по управляющему входу и их реакциями, выраженными в силовом виде [78, 79, 131]. В этом случае, варьируя величину воздействия на органы управления (при условной фиксации параметров движения), можно оценить потенциальные возможности подвески, определяя насыщение (накопление) силовой реакции ее узлов при рассматриваемом воздействии. Кроме этого представление характеристик устойчивости движения подрессоренной и нелодрессоренной масс в силовом виде облегчает выявление влияния отдельных конструктивных параметров подвески автомобиля на интегральные показатели его устойчивости [66], поскольку такое влияние, как правило, имеет силовую основу.
В качестве исходных данных для формирования математической модели динамики элементов подвески, как сейчас, так и в последующих разделах диссертации, будут использоваться параметры передней подвески автомобиля «Москвич 2141» семейства АЗЛК.
Приведенная непрерывно распределенная система (которой является стойка передней подвески автомобиля) к дискретному виду (сосредоточенных масс, пружин и демпферов) [44, 79, 131], для вывода ее математической модели представляется в виде физической модели конструкции подвески и показана на рис. 16.
Это достаточно простая одномерная физическая модель симметричной подрессоренной системы (двухмассовая схема) пригодна для целей анализа и синтеза регулируемой подвески. С ее помощью целесообразно исследовать возможности управляемой подвески при оптимизации таких показателей, как «плавность хода», устойчивость, «пробой» подвески и «отрыв» колеса от грунта.
Структура системы управления магнитореологическим амортизатором
Алгоритм (2.2Л7) выбирается из соображений компромисса между возможностями получения необходимой информации о регулируемом процессе и возможностями коррекции динамических свойств подвески. Так, введение модуля сигаала z обусловлено недостаточным демпфированием (в штатной ситуации) движения подрессоренной массы, которое не должно зависеть от знака скорости движения этой массы. Введение в алгоритм управления сочетания сигналов Кус2 х- КусЗ-х обусловлено стремлением приблизить характер изменения скорости движения неподрессоренной массы к апериодическому виду. Движение подрессоренной массы должно протекать таким образом, чтобы в инерциальной системе координат были минимизированы не только силовые воздействия (z) f но и отклонения значения координаты Z. В связи с этим естественно присутствие в законе управления члена, пропорционального положительному и отрицательному (отсюда необхо-димость модуля) значениям скорости Z". В процессе движения координата неподрессоренной массы х должна следовать рельефу дороги q, т.е. должны быть реализованы условия высококачественного «слежения» за рельефом.
Поэтому введение демпфирующей координаты X (ее знак тоже не должен учитываться) достаточно обосновано. Однако силовое воздействие на подрессоренную массу (z) со стороны неподрессоренной массы (х) необходимо уменьшить, отсюда следует оправданность внедрения в алгоритм функции X со знаком «минус». И наконец, введение постоянного члена оправдано соображениями придания устойчивости (в математическом смысле) системе при движении по гладкой дороге- Выбор же коэффициентов усиления данного алгоритма должен быть ориентирован на улучшение эксплуатационных свойств автомобиля, характеризуемых приведенными выше показателями плавности хода 1пх устойчивости 1у и хода подвески 1х Алгоритм (2.2.17) Позволяет, также, выполнить упомянутые выше условия противодействия оседанию кузова и поддержания сцепления шин с дорогой при высокой скорости движения автомобиля. Допустим, что коэффициент Кп может принимать не одно фиксированное значение, а три, что будет соответствовать малому, среднему и сильному сопротивлению амортизатора при его работе в линейной зоне. Тогда водитель может выбрать режим малой или средней силы сопротивления, что будет соответствовать «комфортному» или «спортивному» режиму движения. Не исключается автоматический выбор этих режимов в зависимости от внешних условий- Режим сильного сопротивления включается всегда автоматически и необходим, когда возникает потребность, например, при резком трогании с места. При этом автоматически увеличивается сила сопротивления, т.е. происходит переключение Кп в крайнее значение, а затем, после исчезновения причин, вызвавших это переключение, сила сопротивления принимает прежнее значение. Для этого нужна информация, по которой можно предсказать будущее оседание, причем оно должно обнаружиться еще до того как кузов начал смещаться, и сигнал в схему управления должен быть выдан заранее.
В качестве предвестника оседания рассматривается степень открытия дроссельной заслонки, поступающая в схему управления от датчика угла поворота дроссельной заслонки [1]. Время от начала нажатия педали акселератора до начала смещения кузова, как показывает практика [12,14,21, 29, 84, 95], составляет минимум 150 мс_ За это время можно произвести необходимые вычисления и привести в действие исполнительный орган. Сигнал, соответствующий степени открытия дроссельной заслонки, является кодовым и может иметь несколько ступеней открытия, количество которых устанавли вается в ходе разработки системы управления в зависимости от возлагаемых на нее задач. Также, временные соотношения, характеризующие появление оседания, могут быть различными в зависимости от характеристик конкретного автомобиля, поэтому данный алгоритм управления и значения постоянного коэффициента Кп должны устанавливаться на основании экспериментальных данных.
Аналогичная ситуация возникает при резком торможении на скорости. В этом случае также возможно включение алгоритма установки Кп в значение сильного сопротивления, только в качестве источников информации используются другие датчики, а сам алгоритм работает в соответствии с установленной логикой для данной ситуации.
Анализ свойств вычислительных средств системы управления подвеской автомобиля
Практическая реализация рассматриваемой системы управления на основе электронного блока с микроЭВМ дает возможность объединения данной системы с другими микропроцессорными системами автомобиля для их взаимной диагностики и контроля параметров посредством бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ) [2, 9, 21, 28, 29, 46, 53, 93, 97]. Такая реализация систем управления тесно связана с типом используемой БЦВМ и ее основными характеристиками. Надо иметь в виду, что эта связь носит взаимный характер: с одной стороны, реализуемые алгоритмы предъявляют определенные требования к производительности и другим характеристикам БЦВМ, с другой стороны, особенности вычислителя (структура команд, организации памяти и т.п.) налагают определенные ограничения на организацию вычислительного процесса и реализацию алгоритмов. В связи с этим следует уделить внимание некоторым вопросам, связанным с формированием логики функционирования цифровых систем и требованиями к обобщенным характеристикам БЦВМ, ЦАП и АЦП с позиций реализуемости синтезированных алгоритмов, что может быть полезным при использовании предлагаемого принципа структурной организации системы управления подвеской автомобиля в применении к другим системам и объектам.
Одной из важных задач рассматриваемо построения является создание программы, решающей задачу "интеллектуального распорядителя" [61, 70, 90, 93]. В бортовой адаптивной системе эти функции возлагаются на блок логики (БЛ), который может быть реализован как программно, так и аппа-ратно [106, 111, 112, 115, 118], Способ реализации зависит от требований к системе, сложности процедур принятия решений в каждом конкретном случае и т.п. К блоку логики обобщенно предъявляются следующие требования: - гибкость и техническая простота изменения алгоритмов функционирования системы; - возможность автоматизированного обучения с целью совершенствования процедур принятия решений и пополнения знаний о системе по мере ее эксплуатации; - высокая надежность принятия решений; - совместимость с оператором (водителем), защищенность от неквалифицированного или несанкционированного вмешательства. Основная задача БЛ - принятие решений на определение характеристик объекта и перестройку различных групп алгоритмов. Для решения этой общей задачи БЛ реализует следующие функции: - реализация логики функционирования алгоритма распознавания групп режимов работы; - анализ качества процессов управления и выработка запросов на перестройку алгоритмов стабилизации в основном контуре по информации о параметрах и характеристиках бортовых систем; - реализация решающих правил на включение и отключение алгоритмов идентификации и на возможность использования результатов оценивания параметров для перестройки алгоритмов фильтрации и управления; - выбор моментов и интервалов времени для формирования выборок наблюдений измеряемых координат для целей фильтрации и идентификации; - анализ чувствительности и возможности решения задачи идентификации объекта с требуемой точностью, оценка достоверности получаемых результатов.
Запрос на перестройку алгоритмов управления вырабатывается эпизодически по результатам анализа принадлежности текущих характеристик цифрового реіулятора заданному качеству процессов управления, диагностики и контроля. Запрос формируется заблаговременно, когда еще отличия текущих характеристик от желаемых не слишком велики. Запас времени должен учитывать запаздывания контуров идентификации и адаптации, а также возможность повторной идентификации, если ее результаты будут признаны недостоверными,
С момента поступления запроса на перестройку включается процедура отбора информативных измерений- Она может включать в себя два этапа: предварительную обработку данных и выработку разрешения на вычисление оценок. Предварительная обработка заключается в обнаружении наблюдений, наиболее информативных с точки зрения идентификации, при этом наибольшая информация о динамической модели объекта содержится в динамических (переходных) режимах работы системы- Опознавание таких режимов может осуществляться, например, по величине отклонений, вызванных командным сигналом или внешними возмущениями.
Разрешение на вычисление оценок по полученным данным принимается после проверки обусловленности информационной матрицы, например, по показателю диагонального преобладания.
Блок логики, как правило, работает по жестким программам. Однако развитие и применение принципа поэтапной адаптации [100] к системам такого класса накладывает на БЛ определенные требования- Он должен действовать в динамической среде, его действия могут быть заданы нежесткими схемами-Блок должен уметь оценивать текущую ситуацию, классифицировать и планировать свою деятельность в соответствии с глобальными, целями и задачами, стоящими перед бортовой системой- БЛ должен быть готов работать автономно и быстро принимать решения.
