Технология создания и доводки алгоритмов адаптивного управления демпфированием в подвеске колёсных машин в особых условиях движения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.05.03, кандидат технических наук Мирошниченко, Дмитрий Александрович

• Мирошниченко, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мирошниченко, Дмитрий Александрович

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса по системам гашения колебаний. Постановка задачи исследования.

1.1. Классификация систем гашения колебаний

1.2. Классификация управляемых систем подрессоривания

1.3. Модели для исследования систем гашения колебаний

1.4. Выводы и задачи исследования.

Глава 2. Разработка математической модели автомобиля.

2.1. Программное обеспечение для работы с виртуальными прототипами машин.

2.2. Модель автомобиля.

2.3. Выводы ко второй главе.

Глава 3. Разработка алгоритма адаптирного демпфирования

3.1. Анализ влияния параметров демпфирования подвески на плавность хода.

3.2. Стационарные режимы - случайный профиль.

3.3. Нестационарные режимы.

3.4. Единичные препятствия.

3.5. Получение оценок динамических показателей.

3.6. Задание для программирования блока управления.

3.7. Отладка работы алгоритма.

3.8. Выводы к третьей главе

Глава 4. Идентификация математической модели.

4.1. Анализ экспериментальных и расчётных данных.

4.2. Выводы к четвёртой главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Технология создания и доводки алгоритмов адаптивного управления демпфированием в подвеске колёсных машин в особых условиях движения»

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 уско- . рения её цикла разработки.

Для достижения поставленной цели в работе были поставлены и ре- • шены следующие задачи:

1. проведён анализ современных систем управления подвеской автомобиля и методов их проектирования;

2. 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; .

3. определены рациональные параметры демпфирования и упругих свойств подвески при движении ТС в различных условиях движения;

4. сформулированы критерии алгоритма переключения демпфирования в амортизаторах подвески колёсных машин в зависимости от типа микропрофиля и режима движе-ния (прямолинейное движение, разгон, торможение, поворот);

5. проведена идентификация созданной модели АТС по результатам экспериментальных данных;

Научная новизна:

1. 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;

2. 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;

3. впервые предложен многокритериальный алгоритм адаптивного управ-' ления демпфированием подвески автомобиля и доказана его эффек-. тивность 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 мо-. дулей, 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:

1> усовершенствования работы алгоритма управления подвеской автомобиля с использованием разработанной математической модели;

2. 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.);

2. научном семинаре "Компьтерное моделирование в железнодорожном транспорте: вопросы динамики, Прочности и изноСа"(Брянск, фе-враль

2009 г.);

3. первой объединённой международной конференции 1М50 2010 (Лап-пеенранта, Финляндия, 25-27 мая, 2010 г);

4 48-ой научной конференции (ВолгГТУ, Волгоград, 31 января - 4 февраля 2011 г.);

5. 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 россииских рецензируемых научных журналов рекомендованных ВАК, 2 статьи в сборниках трудов конференций и тезисы 2 докладов. •

Личный вклад автора В работах [1-7] автор принимал непосредственное участие в постановке задач, выполнении работ, проведении расчетов, в подготовке и проведении экспериментальных исследований, в обсуждении полученных результатов

Заключение диссертации по теме «Колесные и гусеничные машины», Мирошниченко, Дмитрий Александрович

4.2. Выводы к четвёртой главе

Общий сравнительный анализ результатов моделирования показывает, что математическая модель имеет хорошую сходимость с реальными экспериментами. Низкий процент совпадения СКЗ вертикльных ускорений на разбитом булыжнике обусловлен отсутствием учёта работы трансмиссии в математической модели АТС, допущением, что все тела в составе модели абсолютно жёсткие, и различиями в характеристиках профиля д<ш эксперимента и для'расчёта. Добавив модель трансмиссии и упругости элементов конструкции в общую модель автомобиля, можно уменьшить погрешность результатов до уровня .в 10-20%.

Заключение

На основе проведённой работы выделим основные результаты, которые были достигнуты в соответствии с задачами, поставленными перед данным исследованием:

1. Разработана и отлажена технология создания алгоритма адаптивного управления подвеской колёсной машины в различных условиях' движения, которая позволяет переносить реализованный алгоритм с математической модели на систему управления 'автомобиля с минимальными модификациями;

2. Разработана пространственная математическая модель АТС повышен-. ной проходимости, учитывающая контуры управления. В модели реализован адаптивный алгоритм управления демпфирования элементов подвески;

3. .Установлено, что погрешность значений СКЗ вертикальных ускоре- . ний в модели по сравнению с экспериментом не превышает 31%. Для рассмотренных стохастических процессов полученная погрешность говорит об адекватности разработанной математической модели;

4. Установлены рациональные •показатели демпфирования в подвеске АТС повышенной проходимости для стационарных и нестационарных условий движения;

5. Разработан многокритериальный алгоритм работы адаптивного демп- • фирования в подвеске АТС повышенной проходимости. Преимущество созданного алгоритма в том, что он комплексно .учитывает раз

• личные'- параметры влияющие на плавность хода и управляемость: скорость автомобиля, ускорения на сиденье водителя, ускорения на раме сзади, относительные перемещения штоков. ГПР, положение педалей тормоза и акселератора, угол поворота рулевого колеса;

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мирошниченко, Дмитрий Александрович, 2012 год

1. Хачатуров A.A., Афанасьев В.Л., Васильев B.C. Динамика системы дорога-шина-автомобиль-водитель / Ed. by . Хачатуров Машиностроение, 1976.

2. Горобцов. A.C., Кушвид Р.П., Карцов С.К. Развитие теории управляемости и устойчивости движения автомобиля на базе пространственных компьютерных моделей. Машиностроение, 2004.

3. Горобцов A.C., Карцов С.К., Р.П. Кушвид. Комплекс ФРУНД инструмент исследования динамики автомобиля // Автомобильная промышленность. 2005. Т. 2. С. 32-33.

4. Воеводенко С.М., Тольский В.Е., Горобцов A.C. Современные методы проектирования автомобиля. Проблемы и пути их решения // Автомобильная промышленность. 2008. Vol. 10. Р. 34-36.

5. Ефимов Г Б., Погорелов Д.Ю. Универсальный механизм пакет программ для моделирования динамики систем многих твердых тел // ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 1993. Vol. 77.

6. Курдюк С.А., Шмелев E.H. Особенности формирования математических моделей технических объектов средствами программного комплекса PRADIS // Информационные технологии 1996. Vol. 3. Р. 14-19.

7. Байков В.Г. Моделирование динамики механических систем в программном комплексе Euler // САПР и графика. 1998. Vol 1 Р. 38-48.

8. Горобцов А.С. ' Программный комплект моделирования пространственного движения систем твердых и упругих тел // Инженерный журнал. 2004. Vol. 9.

9. Agarwal М.А systemic classification of neural-network-based control // IEEE Control Syst Mag. 1997. Vol. 2. -P. 75-93. •

10. Ahmadian M., Marjoram R.H. Effects of passive and semi-active suspension on body and wheel-hop control. SAE paper 892487, 1989.

11. Al-Houlu N. Weaver J., Lahdhiri Т., Joo D S Sliding mode-based fuzzy logic controller for a vehicle suspension system // American Control Conference, San Diego, USA. 1999.

12. Alanoly J., Sankar S. A new concept in semi-active vibration isolation // J Mech Transmissions Autom Des. 1987. Vol. 109. P. 242-247.

13. Alleyne A., Neuhaus P.E., Hedrick J.K. Application of non-linear control theory to electronically controlled suspensions // Vehicle Syst Dyn. 1993. Vol. 22. P. 309-320.

14. Baker A. Lotus active suspension // Automotive Engineer. 1984. P. 56-57.

15. Barak P., Hrovat H. Application of the LQG approach to the design of an automotive suspension for three-dimensional vehicle model // Proc IMechE Advanced Suspensions Conference, London, UK. 1988.

16. Besinger F.H., Cebon D., Cole D.J. An experimental investigation into the use of semi-active dampers-on heavy lorries // Proc 12th IAVSD Symposium on Dynamics of Vehicles on Roads and on Railways Tracks 1991.

17. Chalasani R.M. Ride performance potential of active suspension systemJ. s-part II: comprehensive analysis based on a full-car model. // ASME Symposium on Simulation and Control of Ground Vehicles and Trans.-portation Systems. 1987.

18. Chang S:L., Wu C.H. Design of an active suspension system based on • a biological model // American Control Conference, Albuquerque, USA. 1997.

19. Chantranuwathana S., Peng H. Adaptive robust control for active suspensions // Proc American Control Conference, San Diego, USA. 1999.

20. Cole D.J., Cebon D., Besinger F.H. Optimization of passive and semi-active heavy vehicle suspensions // SAE paper 942309. 1994.

21. Computer Aided Design Software. User's guide. Inc. DADS, 1992.22.- Crolla D.A. Vehicle dynamics — theory into practice // J Automobile Eng. 1995. Vol.209. P. 1-12.

22. Crolla D.A., Abdel Hady M.B.A. Semi-active suspension control' for a full vehicle model // SAE paper'911904. 1988.

23. Crolla D.A., Aboul Nour A.M.A. Theoretical comparisons of various active suspension systems in terms of performance, and power requirements // Proc IMechE Advanced Suspensions Conference, London, UK,. 1988.

24. Crolla D.A., Horton D'.N.L., Pitcher R.H., Lines J.A. Active suspension •control for an off-road vehicle // Proc ImechE Dl. 1987. Vol. 201. P. 1-10. .

25. Cross J. Farewell to rock and roll // Automotive Eng 24. 1999. Vol. 7 P. 42-43.

26. Federspiel-Labrosse G. M. Contribution a l'etude et au perfectionement de la suspension des véhiculés // J de la SIA. FISITA. 1954. P. 427-436.

27. Gillespie T.D. Fundamentals oî Vehicle Dynamics. Society oî Automotive Egineers, Inc. Warrendale. 1992.

28. Goodall R.M., Kortum W. Active control in ground transportation — a review of the state-of-the-art and future potential // Vehicle Syst Dyn 1983. Vol. 12. P. 225-257.

29. Goodall R.M., Kortum W. Active control in ground transportation — a review of the state-of-the-art and future potential // Vehicle Syst Dyn 1983. Vol. 12. P. 225-257.

30. Groenewald M.L., Gouws J. In-motion tyre pressure control system for vehicles // Proc IEEE Mediterranean Electrotech Conf. 1996.

31. Hac A. Adaptive control of vehicle suspension // Vehicle Syst Dyn. 1987. Vol. 16. P 57-74.

32. Hac A. Optimal linear preview control of active vehicle suspension // Vehicle Syst 21. 1992. Vol. 3. P. 167-195.

33. Hac A., Youn I. Optimal semiactive suspension with preview based on a quarter car model // J Vib Acoust 114. 1992. Vol. 1. P. 84-92.

34. Hedrick J.K., Wormely D.N. Active suspension for ground support vehicles a state-of-the-art review // ASME-AMD. 1975 Vol. 15. P. 2-40

35. Hillebrecht P., Konik D., Pfeil D. The active suspension between customer benefit and technological competition // Proc XXIV FISITA Congress, Total Vehicle Dynamics-2. 1992.

36. Isermann R. Mechatronic systems: fundamentals. Springer, 2005. ISBN: 9781852339302. URL: http://bQoks.google.co.in/books? id=nwgyG4t-uWYC.

37. Karnopp D.C., Crosby M.J., Harwood R.A. Vibration control 'using semi-active force generators // J Eng Ind. 1974. Vol. 97. P. 619-626.

38. Kim C., Ro P.I. A sliding mode controller for vehicle active suspension systems with non-linearities // Proc IMechE J Automobile Eng 212 1998. Vol. 2. P. 79-92.

39. Lanchester F.W. Motor car suspension and independent springing // Proc IMechE J Automobile Eng Dl. 1936. Vol. 30. P. 668-762.

40. Liu Y., Waters T.P., Brennan M.J.' A comparison of semi-active damping control strategies for vibration isolation of harmonic disturbances // J Sound Vib. 2005. Vol. 208. P.' 21-39.

41. Majjad R. Estimation of suspension parameters // Proc IEEE Int Conf on Control Applications, Hartford, USA. 1997.

42. Margolis D.L. The response of active and semi-active suspensions to realistic feedback signals // Vehicle Syst Dyn 11. 1982 Vol. 5-6 P. 267-282.

43. Margolis D., Nobles C.M. Semi-active heave and roll control for large off-road vehicles //-SAE paper 912672. 1991.

44. Martins I., Esteves J., Da Silva F.P., Verdelho P. Electromagnetic hybrid active-passive vehicle suspension system // Proc IEEE 49th Vehicular Technology Conference, Houston, USA. 1999.

45. Mechanical Dynamics, Inc., ADAMS/Vehicle, User's Guide (Version 8.0). 1988.

46. Miller L.R., Nobes C.M. The design and development of a semi-active suspension for a military tank // SAE paper 881133. 1988.

47. Milliken W.F., Milliken D.L. Race car vehicle dynamics. SAE, Warren-dale, 1995.

48. Mohan B., Phadke S.B. Variable structure active suspension system // Proc IEEE 22nd Int Conf on Industrial Electronics, Control, and Instrumentation, IECON, Taipei, Taiwan. 1996.

49. Moran A., Nagai M. Analysis and design of active suspensions by H robust control theory // JSME Int J, Series III. 1992. Vol 3. P. 427-437

50. Moran A., Nagai M. Optimal active control of nonlinear vehicle suspensions using neural networks //.JSME Int J, Series C. 1994. Vol 1 P. 707-717.

51. Ogawa .Y., Kawasaki H., Arai J., Nakazato M. Application of semi-active suspension system to railway vehicles // Fourth Japan Hydraulics and Pneumatics Society Int Symposium on Fluid Power, Tokyo, Japan. 1999

52. Park J.H., Kim Y.S. Decentralized variable structure control for active suspensions based on a full-car model // Proc IEEE Int Conf on Control Applications, Trieste, Italy. 1998.

53. Rakheja S., Sankar S. Vibration and shock isolation performance of a semiactive "on-off" damper // ASME J Vib, Acoust, Stress Reliab Des 1985. Vol. 107. P. 398-403.

54. Ramsbottom M., Crolla D.A. Plummer A R Robust adaptive control of an active vehicle suspension system // Proc IMechE D. 1999 Vol, 213 P. 1-5.

55. Sammier D., Sename 0., Dugard L. H control of active vehicle suspensions // Proc IEEE Int Conf on Control Applications, Anchorage, USA 2000.

56. Satoh M., Fukushima N., Akatsu Y. et al. An active suspension employing an electrohydraulic pressure control system // Proc 29th Conference on Decision and Control, Honolulu, USA. 1990.

57. Sharp R.S , Crolla D.A. Road vehicle suspension system design a review // Vehicle Syst Dyn. 1987. Vol. 16. P. 167-192.

58. Shaw M. Application of hydro-elastomer technology to vehicle suspensions: Ph.D. thesis / University of Bath, UK. 1999.

59. Stayner R.M. Suspensions for agricultural vehicles // Proc IMechE Conference on Advanced Suspension's, London, UK. 1988.

60. Tan H S , Bradshaw T. Model identification of an automotive hydraulic active suspension system // American Control Conference, Albuquerque, USA. 1997.

61. Thompson A.G. An active suspension with optimal linear state feedback // Vehicle Syst Dyn. 1976 Vol 5 P. 187-203

62. Tiliback L.R., Brood S. Active suspension — the Volvo experience // SAE paper 890083. 1989.

63. Titli A.,'Roukieh S., Dayre E. Three control approaches for the design -of car semi-active suspension (optimal control, variable structure control, fuzzy control) // Proc IEEE Conf Decis Control. 1993.

64. Tseng H.E., Hedrick J.K. Semi-active control laws optimal and sub-optimal. // Vehicle Syst Dyn. 1994. Vol. 23. P. 545-569.

65. Ursu I., Ursu F., Vladimirescu M. The synthesis of two suboptimal ' electrohydraulic suspensions, active and semiactive, employing the receding horizon method // Nonlin Anal, Theory Appl. 1984 Vol. 4 P. 1977-1984. •

66. Valasek M., Kortum'W., Sika'Z. et al. Development of semi-active road friendly truck suspensions // Control Eng Practice. 1998. Vol. 6. P. 735-744.

67. Vemuri V. Artificial neural networks in control applications // Adv Corn-put. 1993. Vol. 36. P. 203-254.

68. Williams R.A., Burnham K.J., Webb A.C. Developments for an oleo-p-neumatic active suspension // Prtic IEEE International Symposium on Computer-Aided Control System Design, Dearborn, USA. 1996.

69. Yagtz N., Ozbulur V, Inane N./Derdiyok A Sliding modes control of active suspensions // Proc 12th IEEE Int Symposium on Intelligent Control, Istanbul, Turkey 1997.

70. Yi K., Song B.S. A new adaptive sky-hook control of vehicle semi-active suspension // Proc IMechE, J Automobile Eng. 1999. Vol, 213 P 293-303

71. Yokoya Y., Kizu R., Kawaguchi H. Integrated control system between active control suspension and four-wheel steering foi the 1989 Cehca // SAE paper 901748 1990. Vol. 6. P. 1546-1561.