ECAS客車車身高度非線性系統(tǒng)控制的研究.pdf

1、隨著汽車技術(shù)的進(jìn)步及人們對客車乘坐舒適性要求的提高,電子控制空氣懸架(ECAS)正逐步廣泛應(yīng)用于各類客車的裝備上。ECAS系統(tǒng)可以通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)車身高度以滿足行車的需要,其關(guān)鍵技術(shù)是開發(fā)與整車性能相匹配的車身高度控制系統(tǒng)。然而,國內(nèi)所有裝備電子控制空氣懸架客車中,其電控系統(tǒng)完全依賴國外進(jìn)口,導(dǎo)致ECAS客車成本較高,無法打破行業(yè)壟斷、與國外相關(guān)企業(yè)抗衡。開展。ECAS系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究,既可以大幅度提高客車的性能,又能為我國相關(guān)企業(yè)參與

2、國際競爭提供有力支持,同時推進(jìn)我國客車行業(yè)的科技進(jìn)步。
　　 本文以ECAS客車車身高度系統(tǒng)為研究對象,在深入研究系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上,對ECAS車身高度控制系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)領(lǐng)域的研究及應(yīng)用設(shè)計,其主要內(nèi)容圍繞以下工作展開。
　　 結(jié)合車輛動力學(xué)與變質(zhì)量系統(tǒng)熱力學(xué)理論,建立ECAS客車車身高度系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。運(yùn)用勻熵修正理論,推導(dǎo)關(guān)于質(zhì)量流量的管路動態(tài)方程,將流量損失及管路延遲集中表示。研究表明,在車身高度調(diào)節(jié)過程中存在“過充”

3、或者“過放”以及系統(tǒng)振蕩現(xiàn)象。而數(shù)學(xué)模型的建立為系統(tǒng)特性分析提供了理論基礎(chǔ)。
　　 研究分析了車身高度非線性系統(tǒng)的特性。對于管路空氣彈簧系統(tǒng),利用轉(zhuǎn)移矩陣線性獲得車輛行駛過程中的管路脈動。利用平均法研究空氣彈簧.減振器懸架系統(tǒng)的非線性,解得主共振區(qū)域的幅頻特性曲線,仿真計算發(fā)現(xiàn)幅值躍遷現(xiàn)象?；谥行牧餍卫碚?對車身高度非線性系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性研究,求得系統(tǒng)中心流形上流的軌跡方程。通過車身高度系統(tǒng)的Simulink仿真,主要分析了電磁

4、閥通斷時間、載荷以及系統(tǒng)阻尼對車身高度調(diào)節(jié)的影響。對車身系統(tǒng)特性的分析和認(rèn)知,是控制系統(tǒng)設(shè)計的依據(jù)。
　　 研究了ECAS車身高度控制系統(tǒng)。依據(jù)三點(diǎn)確定一個平面原理,提出滿足車身姿態(tài)穩(wěn)定的三點(diǎn)測量車身高度控制。首先,基于微分幾何理論,對ECAS車身高度非線性系統(tǒng)精確線性化。其次,引入變結(jié)構(gòu)控制理論,提出三點(diǎn)測量的ECAS車身高度獨(dú)立變結(jié)構(gòu)控制和耦合變結(jié)構(gòu)控制策略；利用依概率意義下系統(tǒng)鎮(zhèn)定,求解變結(jié)構(gòu)控制量,解決路面激勵干擾下的車

5、身高度隨機(jī)系統(tǒng)控制,仿真表明控制系統(tǒng)能夠解決高度調(diào)節(jié)過程中存在的問題,控制系統(tǒng)穩(wěn)定。最后,為了滿足控制中系統(tǒng)全信息要求,基于擴(kuò)展卡爾曼濾波算法建立系統(tǒng)狀態(tài)觀測器,仿真表明狀態(tài)估計精度較高,系統(tǒng)收斂。
　　 在ECAS系統(tǒng)產(chǎn)品的設(shè)計中,其核心是高度信息的實(shí)時跟蹤。提出了LC振蕩測頻與測高度傳感器的電感時間常數(shù)的兩種車身高度檢測方法,試驗比較后發(fā)現(xiàn),采用后者方法檢測車身高度,其系統(tǒng)穩(wěn)定快、精度高、抗干擾能力強(qiáng),且溫度補(bǔ)償容易,能夠適

6、應(yīng)客車行駛環(huán)境溫度的變化,為車身高度調(diào)節(jié)提供準(zhǔn)確的信息。開發(fā)了基于嵌入式VC的PDA可視化操作面板,便于駕駛員與ECAS系統(tǒng)之間的信息互換。此外,為了滿足系統(tǒng)裝車調(diào)試需要,開發(fā)了基于VB的ECAS標(biāo)定系統(tǒng)專用軟件,使得ECAS控制器可以直接與標(biāo)定調(diào)試系統(tǒng)通信以及系統(tǒng)診斷,可以完成ECAS系統(tǒng)初始化,標(biāo)定數(shù)據(jù)以文件形式保存,對于類似配置客車的ECAS系統(tǒng)能夠直接下載。
　　 為了獲得系統(tǒng)相關(guān)特性及對所開發(fā)的控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和驗證,

7、搭建了基于1/4懸架的ECAS車身高度系統(tǒng)臺架。試驗獲得兩種空氣彈簧的有效面積隨高度變化曲線,以及減振器速度特性曲線并進(jìn)行多項式擬合,為車身高度數(shù)學(xué)模型提供參數(shù)信息。對空氣彈簧組成的隔振系統(tǒng)進(jìn)行受迫振動試驗,獲得空氣彈簧動態(tài)特性。對設(shè)計的ECAS系統(tǒng)在臺架及整車上進(jìn)行調(diào)試試驗,試驗表明車身高度控制穩(wěn)定、無明顯振蕩；對裝備ECAS系統(tǒng)的樣車進(jìn)行道路平順性試驗,其乘坐舒適性大大優(yōu)于板簧懸架的客車,結(jié)果表明自主開發(fā)的ECAS系統(tǒng)滿足客車行駛要