РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПНЕВМОПОДВЕСКОЙ АВТОМОБИЛЯ С КОЛЁСНОЙ ФОРМУЛОЙ 8Х8
|
ВВЕДЕНИЕ 5
1 АНАЛИЗ ОПИСАНИЯ, НАЗНАЧЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЙ ГИДРОПНЕМВОПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЯ С КОЛЁСНОЙ
ФОРМУЛОЙ 8Х8 9
1.1 ТРЕБОВАНИЯ К ГПП 9
1.2 СТРУКТУРА И КОМПОНЕНТЫ ГПП 11
1.3 ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 17
1.3.1 Количество и характеристики исполнительных устройств системы управления подвеской
автомобиля 8х8 21
1.4 ЭЛЕКТРОННЫЕ БЛОКИ УПРАВЛЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ НИХ 29
1.4.1 Электронный блок управления 29
1.4.2 Разработка программного обеспечения для ЭБУ 32
2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИРЕНСА И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПНЕВМОПОДВЕСКОЙ .. 36
2.1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 36
2.1.1 Модельно-ориентированное проектирование 36
2.1.2 Технология разработки на основе MATLAB Simulink 44
2.2 МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 51
2.3 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ГПП 62
2.3.1 Адаптивный алгоритм управления двухуровневым демпфированием 62
2.3.2 Алгоритм изменения клиренса 68
2.3.3 Алгоритм горизонтирования корпуса КМ (ГМ) 70
3 РЕАЛИЗАЦИЯ И ИСПЫТАНИЕ АЛГОРИТМОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПНЕВМОПОДВЕСКОЙ 74
3.1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГПП АВТОМОБИЛЯ С КОЛЁСНОЙ ФОРМУЛОЙ 8Х8 74
3.2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГПП 82
3.1.1 Алгоритм изменения демпфирования 87
3.1.2 Алгоритм изменения клиренса 88
3.1.3 Алгоритм горизонтирования 90
3.3 ТЕСТИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ 92
3.3.1 MiL тестирование 92
3.3.2 HiL тестирование 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 103
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 105
1 АНАЛИЗ ОПИСАНИЯ, НАЗНАЧЕНИЯ И ТРЕБОВАНИЙ ГИДРОПНЕМВОПОДВЕСКИ АВТОМОБИЛЯ С КОЛЁСНОЙ
ФОРМУЛОЙ 8Х8 9
1.1 ТРЕБОВАНИЯ К ГПП 9
1.2 СТРУКТУРА И КОМПОНЕНТЫ ГПП 11
1.3 ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ 17
1.3.1 Количество и характеристики исполнительных устройств системы управления подвеской
автомобиля 8х8 21
1.4 ЭЛЕКТРОННЫЕ БЛОКИ УПРАВЛЕНИЯ И РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ДЛЯ НИХ 29
1.4.1 Электронный блок управления 29
1.4.2 Разработка программного обеспечения для ЭБУ 32
2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ИЗМЕНЕНИЯ КЛИРЕНСА И АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПНЕВМОПОДВЕСКОЙ .. 36
2.1 ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 36
2.1.1 Модельно-ориентированное проектирование 36
2.1.2 Технология разработки на основе MATLAB Simulink 44
2.2 МОДЕЛЬ ОБЪЕКТА УПРАВЛЕНИЯ 51
2.3 ОПИСАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ГПП 62
2.3.1 Адаптивный алгоритм управления двухуровневым демпфированием 62
2.3.2 Алгоритм изменения клиренса 68
2.3.3 Алгоритм горизонтирования корпуса КМ (ГМ) 70
3 РЕАЛИЗАЦИЯ И ИСПЫТАНИЕ АЛГОРИТМОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПНЕВМОПОДВЕСКОЙ 74
3.1 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ГИДРАВЛИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГПП АВТОМОБИЛЯ С КОЛЁСНОЙ ФОРМУЛОЙ 8Х8 74
3.2 РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ГПП 82
3.1.1 Алгоритм изменения демпфирования 87
3.1.2 Алгоритм изменения клиренса 88
3.1.3 Алгоритм горизонтирования 90
3.3 ТЕСТИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ 92
3.3.1 MiL тестирование 92
3.3.2 HiL тестирование 96
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 103
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 105
Современное автомобилестроение — одна из важных и актуальных тем на сегодняшний день. Автомобилестроение — это та отрасль машиностроения, которая постоянно развивается. Сейчас человечество живет в так называемом информационном обществе; цель информационных технологий состоит в ускорении процессов обработки информации, а, следовательно, — в разработке сверхновых машин, имеющих максимальную скорость и максимум удобств, и автомобилестроение является той областью, в которой используются только сверхновые информационные технологии.
Развитие максимальных скоростей, достижение высокого уровня комфорта, обеспечение автотранспорта передовыми достижениями информационных технологий - приоритеты современного автомобилестроения.
Одним из основных требований, предъявляемых к быстроходным транспортным машинам, является высокая средняя скорость движения на местности. Скорость движения машины в основном зависит от удельной мощности силовой установки, совершенства системы управления машиной и качества системы подрессоривания. В настоящее время с ростом мощности силовых установок предъявляются высокие требования и к системе подрессоривания. При плохом качестве системы подрессоривания водитель вынужденно снижает скорость машины вследствие перегрузок или утомляемости. Поэтому совершенствование систем подрессоривания транспортных машин является актуальной задачей [12].
Одним из основных путей совершенствования систем подрессоривания транспортных машин является применение гидропневматических подвесок (ГПП). Г11П обладают следующими преимуществами:
• имеют более благоприятные упругие и демпфирующие характеристики;
• дают возможность сочетания в одном узле упругих и демпфирующих элементов системы подрессоривания;
• открывают широкие возможности регулирования через подвеску
клиренса машины, дифферента корпуса, жесткости, энергоемкости и уровня демпфирования подвески.
Вместе с преимуществами ПП1 обладают и рядом недостатков, главными из которых являются высокая трудоемкость проведения опытно- конструкторских работ при их проектировании и изготовлении, а также зависимость их упругих и демпфирующих свойств от температуры рабочих тел. Поэтому на этапе проектирования этих устройств перед разработчиком неизбежно встает вопрос о наиболее рациональном выборе их конструктивных параметров, для чего ему необходимо иметь информацию о силовой и тепловой нагруженности элементов ПГУ, о параметрах протекающих в них физических процессов в зависимости от различных дорожных условий.
В настоящее время в большинстве случаев оценка нагруженности ГПП и экспериментальная оценка стабильности их характеристик осуществляется в процессе дорожных или стендовых испытаний. Однако при стендовых испытаниях трудно имитировать различные факторы, характерные для реальных дорожных условий [14]. В свою очередь, испытания Г11П в эксплуатационных условиях характеризуются высокой стоимостью и значительной продолжительностью, а также трудностью учета многих совместно действующих факторов.
Альтернативным способом получения необходимой информации является математическое моделирование рабочих процессов в ГПП, которое позволяет ускорить процесс проектирования этих устройств, а также открывает возможность оптимизации их конструктивных параметров.
Усложнение конструкции автомобиля ведёт к увеличению сложности проектировки и требует бОльших затрат. Практически 80% новых разработок в области автомобилестроения так или иначе имеют отношение к электронике. Современный автомобиль представляет собой совокупность компонентов, которые управляются с помощью электронных блоков управления. Каждый блок отвечает за свою систему и взаимодействует с другим ЭБУ. Некоторые из автомобилей могут
включать в себя до 80 разных блоков управления. Встроенное программное обеспечение в ЭБУ продолжает развиваться в соответствии с количеством, сложностью и изощренностью. Управление увеличением сложности и количеством ЭБУ в автомобилестроении стало одной из ключевых задач. Создание собственного программного обеспечения помогает строить и изменять систему управления исходя из технических требований, а также значительно снижает стоимость ЭБУ.
Целью работы является разработка, реализация и тестирование алгоритмов управления гидропневмоподвеской на базе математической модели, построенной в среде MATLAB Simulink.
Задачи исследования:
• провести анализ объекта управления, сделать выводы;
• сделать словесное описание алгоритмов управления Г1П1;
• создать модель системы управления;
• связать получившеюся модель с моделью ГПП;
• провести MiL, HiL тестирования;
• провести дорожные испытания.
Объект исследования: автомобиль КАМАЗ с колёсной формулой 8х8.
Рисунок 1 - Автомобиль КАМАЗ с колёсной формулой 8х8
7
Предмет исследования: в диссертационной работе предметом исследования является гидропневмоподвеска (Г1111), её компоненты и блок управления.
Достоверность и обоснованность теоретических положений работы подтверждены экспериментальными исследованиями и результатами лабораторных и дорожных испытаний.
Научной новизной работы является разработка математической модели и алгоритма управления гидропневмоподвеской автомобиля с колёсной формулой 8х8.
Практическая ценность. Внедрение в практику результатов работы
позволит:
• значительно удешевить затраты на производство автомобиля;
• строить и изменять систему управления исходя из технических
требований.
Реализация результатов результаты работы в данном направлении предполагается использовать при выполнении опытно-конструкторских работ в НТЦ ОАО «КАМАЗ».
Развитие максимальных скоростей, достижение высокого уровня комфорта, обеспечение автотранспорта передовыми достижениями информационных технологий - приоритеты современного автомобилестроения.
Одним из основных требований, предъявляемых к быстроходным транспортным машинам, является высокая средняя скорость движения на местности. Скорость движения машины в основном зависит от удельной мощности силовой установки, совершенства системы управления машиной и качества системы подрессоривания. В настоящее время с ростом мощности силовых установок предъявляются высокие требования и к системе подрессоривания. При плохом качестве системы подрессоривания водитель вынужденно снижает скорость машины вследствие перегрузок или утомляемости. Поэтому совершенствование систем подрессоривания транспортных машин является актуальной задачей [12].
Одним из основных путей совершенствования систем подрессоривания транспортных машин является применение гидропневматических подвесок (ГПП). Г11П обладают следующими преимуществами:
• имеют более благоприятные упругие и демпфирующие характеристики;
• дают возможность сочетания в одном узле упругих и демпфирующих элементов системы подрессоривания;
• открывают широкие возможности регулирования через подвеску
клиренса машины, дифферента корпуса, жесткости, энергоемкости и уровня демпфирования подвески.
Вместе с преимуществами ПП1 обладают и рядом недостатков, главными из которых являются высокая трудоемкость проведения опытно- конструкторских работ при их проектировании и изготовлении, а также зависимость их упругих и демпфирующих свойств от температуры рабочих тел. Поэтому на этапе проектирования этих устройств перед разработчиком неизбежно встает вопрос о наиболее рациональном выборе их конструктивных параметров, для чего ему необходимо иметь информацию о силовой и тепловой нагруженности элементов ПГУ, о параметрах протекающих в них физических процессов в зависимости от различных дорожных условий.
В настоящее время в большинстве случаев оценка нагруженности ГПП и экспериментальная оценка стабильности их характеристик осуществляется в процессе дорожных или стендовых испытаний. Однако при стендовых испытаниях трудно имитировать различные факторы, характерные для реальных дорожных условий [14]. В свою очередь, испытания Г11П в эксплуатационных условиях характеризуются высокой стоимостью и значительной продолжительностью, а также трудностью учета многих совместно действующих факторов.
Альтернативным способом получения необходимой информации является математическое моделирование рабочих процессов в ГПП, которое позволяет ускорить процесс проектирования этих устройств, а также открывает возможность оптимизации их конструктивных параметров.
Усложнение конструкции автомобиля ведёт к увеличению сложности проектировки и требует бОльших затрат. Практически 80% новых разработок в области автомобилестроения так или иначе имеют отношение к электронике. Современный автомобиль представляет собой совокупность компонентов, которые управляются с помощью электронных блоков управления. Каждый блок отвечает за свою систему и взаимодействует с другим ЭБУ. Некоторые из автомобилей могут
включать в себя до 80 разных блоков управления. Встроенное программное обеспечение в ЭБУ продолжает развиваться в соответствии с количеством, сложностью и изощренностью. Управление увеличением сложности и количеством ЭБУ в автомобилестроении стало одной из ключевых задач. Создание собственного программного обеспечения помогает строить и изменять систему управления исходя из технических требований, а также значительно снижает стоимость ЭБУ.
Целью работы является разработка, реализация и тестирование алгоритмов управления гидропневмоподвеской на базе математической модели, построенной в среде MATLAB Simulink.
Задачи исследования:
• провести анализ объекта управления, сделать выводы;
• сделать словесное описание алгоритмов управления Г1П1;
• создать модель системы управления;
• связать получившеюся модель с моделью ГПП;
• провести MiL, HiL тестирования;
• провести дорожные испытания.
Объект исследования: автомобиль КАМАЗ с колёсной формулой 8х8.
Рисунок 1 - Автомобиль КАМАЗ с колёсной формулой 8х8
7
Предмет исследования: в диссертационной работе предметом исследования является гидропневмоподвеска (Г1111), её компоненты и блок управления.
Достоверность и обоснованность теоретических положений работы подтверждены экспериментальными исследованиями и результатами лабораторных и дорожных испытаний.
Научной новизной работы является разработка математической модели и алгоритма управления гидропневмоподвеской автомобиля с колёсной формулой 8х8.
Практическая ценность. Внедрение в практику результатов работы
позволит:
• значительно удешевить затраты на производство автомобиля;
• строить и изменять систему управления исходя из технических
требований.
Реализация результатов результаты работы в данном направлении предполагается использовать при выполнении опытно-конструкторских работ в НТЦ ОАО «КАМАЗ».
Таким образом, в рамках магистерской работы были выполнены следующие задачи:
1. Проведён анализ состава и компонентов гидропневмоподвески автомобиля с колёсной формулой 8х8, выведены все необходимые входные/выходные величины для проектирования системы управления.
2. Разработаны алгоритмы управления системами ГПП такие как
адаптивный алгоритм управления двухуровневым демпфированием
гидропневматической рессоры, алгоритм изменения клиренса и алгоритм горизонтирования корпуса КМ. Алгоритмы, основанные на методах математической статистики, включают в себя блок-схемы процессов, входные и выходные данные и требования к измеряемым параметрам. Для каждого алгоритма определены назначение, цель создания, режим функционирования, цель управления и функции управления.
3. Получена и изучена одномассовая модель изменения клиренса в среде MATLAB Simulink, которая впоследствии будет использована для Model-in-the-Loop тестирования. Проведена работа для её интеграции с моделью системы управления.
4. На основе анализа объекта управления была создана модель системы управления гидропневмоподвеской автомобиля с колёсной формулой 8х8 в среде MATLAB Simulink. С помощью инструмента Stateflow были реализованы все алгоритмы управления, описанные ранее.
5. Спроектированная система управления была связана с ранее полученной одномассовой моделью изменения клиренса. Выходные величины системы управления - сигналы на дискретные и пропорциональные клапана являются входными для модели изменения клиренса. Выходные величины системы управления - сигналы на дискретные и пропорциональные клапана являются входными для модели изменения клиренса.
6. На основе двух связанных моделей проведено MiL-тестирование, в результате которого анализировалась работа алгоритма изменения клиренса.
Завершено также HiL-тестирование, в котором реализованная система управления проверялась на автомобиле с колёсной формулой 8х8. Так же были проведены дорожные испытания на автомобиле с колёсной формулой 8х8. В результаты всех тестирований можно сделать вывод о том, что реализованные алгоритмы характеризуются корректностью и высоким быстродействием, что подтверждает правильность выбора методов для их реализации.
1. Проведён анализ состава и компонентов гидропневмоподвески автомобиля с колёсной формулой 8х8, выведены все необходимые входные/выходные величины для проектирования системы управления.
2. Разработаны алгоритмы управления системами ГПП такие как
адаптивный алгоритм управления двухуровневым демпфированием
гидропневматической рессоры, алгоритм изменения клиренса и алгоритм горизонтирования корпуса КМ. Алгоритмы, основанные на методах математической статистики, включают в себя блок-схемы процессов, входные и выходные данные и требования к измеряемым параметрам. Для каждого алгоритма определены назначение, цель создания, режим функционирования, цель управления и функции управления.
3. Получена и изучена одномассовая модель изменения клиренса в среде MATLAB Simulink, которая впоследствии будет использована для Model-in-the-Loop тестирования. Проведена работа для её интеграции с моделью системы управления.
4. На основе анализа объекта управления была создана модель системы управления гидропневмоподвеской автомобиля с колёсной формулой 8х8 в среде MATLAB Simulink. С помощью инструмента Stateflow были реализованы все алгоритмы управления, описанные ранее.
5. Спроектированная система управления была связана с ранее полученной одномассовой моделью изменения клиренса. Выходные величины системы управления - сигналы на дискретные и пропорциональные клапана являются входными для модели изменения клиренса. Выходные величины системы управления - сигналы на дискретные и пропорциональные клапана являются входными для модели изменения клиренса.
6. На основе двух связанных моделей проведено MiL-тестирование, в результате которого анализировалась работа алгоритма изменения клиренса.
Завершено также HiL-тестирование, в котором реализованная система управления проверялась на автомобиле с колёсной формулой 8х8. Так же были проведены дорожные испытания на автомобиле с колёсной формулой 8х8. В результаты всех тестирований можно сделать вывод о том, что реализованные алгоритмы характеризуются корректностью и высоким быстродействием, что подтверждает правильность выбора методов для их реализации.