научный журнал «Актуальные исследования» #16 (19), август '20

Исследование алгоритмов управления упругодемпфирующими элементами полуактивных систем подрессоривания

В статье проведено сравнение алгоритмов управления полуактивной системы подвески. При проведении сравнения составлены математические и компьютерно-имитационные модели полуактивной системы подрессоривания под управлением следующих алгоритмов: «Skyhook Control», «Groundhook Control» и «Hybrid Control». Сравнительный анализ проводился на основании модели автомобиля с двумя степенями свободы (2 DOF). Моделирование систем управления полуактивной системой подрессоривания осуществлялось в среде динамического моделирования Simulink на базе программы Matlab. В результате моделирования получены: вертикальное смещение подрессоренной и неподрессоренной масс транспортного средства, изменение рабочего хода подвески и силы демпфирования.

Аннотация статьи
алгоритм управления
полуактивная система подрессоривания
Skyhook Control
Groundhook Control
Hybrid Control
Ключевые слова

Проектирование современных систем подрессоривая транспортных средств (ТС) требует от конструкторов согласования противоречивых требований: обеспечения высокой плавности хода ТС и обеспечения высокой устойчивости в совокупности с хорошей управляемостью транспортного средства. Решение вопроса совмещения противоположных требований к проектируемым системам подрессоривания еще не закрыто, что делает данную тему исследований актуальной и по сей день.

Целью работы является исследование алгоритмов управления упругодемпфирующими элементами полуактивных систем подрессоривания.

Одним из решений проблемы совмещения высокой плавности хода ТС и высокой устойчивости в совокупности с высокой управляемостью является использование полуактивных систем подрессоривания. Полуактивная система подрессоривания – система подрессовривания, в которой возможно управление упругими и/или демпфирующими свойствами [1, с. 37]. Эффективность работы управляемой полуактивной системы подрессоривания во многом определяется используемым алгоритмом управления. Базовыми принципами управления демпфирующим элементом полуактивной системы подрессоривания являются алгоритмы: Skyhook (SH), Groundhook (GH), Hybrid (SH – GH) [2, с. 28]. Схемы выше представленных алгоритмов управления приведены на (рис. 1).

Csky и Cground – коэффициенты демпфирования; Mb – подрессоренная масса; Mw – неподрессоренная масса; Ks – жесткость системы подрессоривания; Kt – жесткость колеса (катка); Xb – вертикальное перемещение подрессоренной массы; Xw – вертикальное перемещение неподрессоренной массы; Xr – воздействие рельефа

Рис. 1. Схемы алгоритмов управления

Алгоритм управления SH сводится к минимизации разницы между усилием в демпфирующем элементе, соединяющем подрессоренную и неподрессоренную массы и усилие теоретического демпфера, соединяющего подрессоренную массу с неподвижным телом («небом»). Закон изменения коэффициента демпфирования  полуактивной системы подрессоривания под управлением алгоритма SH может быть описан системой неравенств:

где: Cmax и Cmin - максимальный и минимальный коэффициенты демпфирования соответственно.

Имитационная модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма SH представлена ниже (рис. 2).

Рис. 2. Simulink модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма Skyhook

Алгоритм управления GH направлен на минимизацию отклонения деформации неподрессоренной массы от статического значения. Алгоритм управления GH сводится к минимизации разницы между усилием в демпфирующем элементе, соединяющем подрессоренную и неподрессоренную массы, и усилием теоретического демпфера, соединяющего неподрессоренную массу с неподвижным телом («землей»). Закон изменения коэффициента демпфирования  полуактивной системы подрессоривания под управлением алгоритма GH может быть описан системой неравенств:

где: Cmax и Cmin - максимальный и минимальный коэффициенты демпфирования соответственно.

Имитационная модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма GH представлена ниже (рис. 3).

Рис. 3. Simulink модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма Groundhook

Гибридный алгоритм управления SH – GH основывается на совместной работе алгоритмов Skyhook и Groundhook. В то время, как система skyhook управляет колебаниями подрессоренной массы, а groundhook – неподрессоренной, то гибридная система обеспечивает баланс между этими двумя методами, что позволяет совместить сильные стороны обоих алгоритмов в необходимой пропорции [1, с. 46]. Для описания работы алгоритма управления SH – GH может быть использована следующая система уравнений:

где: σsky и σgnd – усилие демпфирования систем skyhook и groundhook соответственно;

Fsa – гибридная сила демпфирования;

G – эквивалентный коэффициент демпфирования систем управления skyhook и groundhook.

Имитационная модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением гибридного алгоритма SH – GH представлена ниже (рис. 4).

Рис. 4. Simulink модель полуактивной системы подрессоривания ¼ ТС под управлением алгоритма Hybrid SH – GH

Имитационное моделирование работы полуактивной системы подрессоривай под управлением исследуемых алгоритмов проводилось в среде Simulink при использовании следующих параметров (табл. 1).

Таблица 1

Параметры моделирования

Параметр

Обозначение

Значение

Подрессоренная масса

Mb

350 [Кг]

Неподрессоренная масса

Mw

45 [Кг]

Жесткость системы подрессоривания

Ks

20000 [Н/м]

Жесткость колеса (катка)

Kt

155000 [Н/м]

Коэффициент демпфирования

Cs

1450 [Нc/м]

С использованием выше представленных параметров моделирования проведено имитационное моделирование согласно моделям, представленным на рис. 2-4. В качестве воздействия со стороны дороги использовалось ударное воздействие с амплитудой 0.08 метра с частотой 2 Гц. Результаты моделирования занесены в (табл. 2).

Таблица 2

Результаты моделирования

 

Пассивная

система

Алгоритм Skyhook

Алгоритм Groundhook

Алгоритм Hybrid SH – GH

Смещение подрессоренной массы

0.083 м.

0.048 м.

0.09 м.

0.085 м.

Смещение неподрессоренной массы

0.082 м.

0.1 м.

0.069 м.

0.071 м.

Изменение рабочего хода подвески

0.12 м.

0.11 м.

0.105 м.

0.09 м.

Сила демпфирования

1560-1725 Н

2889-2972 Н

2941-2115 Н

2953-2487 Н

Время регулирования

4.5 с.

1.7 с.

3.9 с.

3.3 с.

В результате проведенного исследования алгоритмов управления упругодемпфирующими элементами полуактивных систем подрессоривания, можно сделать следующие выводы:

  1. Алгоритм Skyhook позволяет повысить плавность хода ТС в сравнении с пассивной системой подрессоривания за счет снижения пикового смещения подрессоренной массы, при этом использование алгоритма Skyhook приводит к рывкам подрессоренной массы, которые влекут за собой ухудшение контакта ТС с поверхностью дороги, и в следствии этого снижение управляемости и безопасности ТС;
  2. Алгоритм Groundhook позволяет более высокую устойчивость автомобиля по сравнению с пассивной системой подрессоривания. Уменьшение смещения неподрессоренной массы и рабочего хода подвески приводит к улучшению сцепление колеса (катка) с дорожной поверхностью, и в следствии этого повышение управляемости и безопасности ТС;
  3. Алгоритм Hybrid SH – GH представляет собой комбинацию алгоритмов Skyhook и Groundhook, поэтому плавность хода, устойчивость и управляемость ТС могут изменяться. Гибридный алгоритм управления позволяет установить необходимый баланс между улучшением плавности хода (преимущества алгоритма SH) и устойчивости с управляемостью ТС (преимущества алгоритма GH).
Текст статьи
  1. Кузьмин, В. А. Обоснование параметров системы порессоривания колесного сельскохозяйственного трактора класса 4 [Текст]: дис. канд. технических. наук: 05.20.13 / В. А. Кузьмин. - Москва., 2018. - 166 с.
  2. Подзоров, А. В. Плавность хода автомобиля повышенной проходимости скомбинированным управлением упругодемпфирующими элементами системы подрессоривания [Текст]: дис. канд. технических. наук: 05.05.03 / А. В. Подзоров. - Волгоград., 2015. - 178 с.
Список литературы
Ведется прием статей
Прием материалов
c 23 октября по 29 октября
Осталось 5 дней до окончания
Публикация электронной версии статьи происходит сразу после оплаты
Справка о публикации
сразу после оплаты
Размещение электронной версии журнала
02 ноября
Загрузка в eLibrary
02 ноября
Рассылка печатных экземпляров
10 ноября