应急救援车辆主动悬挂系统能耗与发动机的功率匹配控制

第３３卷第１１期
中国机械工程
V o l ．３３㊀N o ．１１２０２２年６月
C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N G
p p
．１３６１Ｇ１３６８应急救援车辆主动悬挂系统能耗与发动机的
功率匹配控制
朱建旭１,２
㊀赵丁选１,２㊀巩明德１,２㊀陈㊀浩１,２㊀杨梦轲２,３
１．燕山大学机械工程学院,秦皇岛,０６６００４
２．河北省特种运载装备重点实验室,秦皇岛,０６６００４
３．燕山大学电气工程学院,秦皇岛,０６６００４
摘要:针对主动悬挂系统能耗与发动机运行参数不匹配而导致的液压主动悬挂系统压力和流量频繁波动㊁发动机载荷过高导致熄火等问题,提出了主动悬挂系统能耗与发动机功率匹配的控制方案.分析了保证主动悬挂系统与发动机匹配运行的条件,为使主动悬挂系统运行的最大功率小于发动机当前状态下的剩余功率,提出了根据驱动主动悬挂系统的平均流量对变量泵排量控制信号进行动态补偿的控制策略,应用模糊P I D 控制方法设计了功率匹配控制器.试验结果表明:相较于原主动悬挂系统,应用所提出控制方案的主动悬挂系统所消耗的平均功率降低了４２％,
发动机扭矩百分比平均值下降了３９．６％,
主动悬挂系统能耗和发动机载荷明显减小
.关键词:应急救援车辆;主动悬挂;功率匹配;发动机;模糊P I D 控制
中图分类号:T H １１３
D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２２．１１．０１３开放科学(资源服务)标识码(O S I D )
:A c t i v e S u s p e n s i o nS y s t e mE n e r g y C o n s u m p t i o na n dE n g i n eP o w e rM a t c h i n g C o n t r o l f o rE m e r g e n c y R
e s c u eV e h i c l e s Z HUJ i a n x u １,
２㊀Z H A O D i n g x u a n １,
２㊀G O N G M i n g d e １,
２㊀C H E N H a o １,
２㊀Y A N G M e n g
k e ２,
３
１．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,Y a n s h a nU n i v e r s i t y ,Q i n h u a n g
d a o ,H
e b e i ,０６６００４２．K e y L a b o r a t o r y o
f S p e c i a l C a r r i e rE q u i p m e n t o fH e b e i P r o v i n c e ,Q i n h u a n g
d a o ,H
e b e i ,０６６００４３．S c h o o l o fE l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ,Y a n s h a nU n i v e r s i t y ,Q i n h u a n g
d a o ,H
e b e i ,０６６００４A b s t r a c t :D u e t o t h em i s m a t c hb e t w e e n t h e a c t i v e s u s p e n s i o n s y s t e me n e r g y c o n s u m p
t i o n a n d t h e e n g i n e p o w e r t h u s c a u s i n g t h e f l u c t u a t i o n s o f p r e s s u r e a n d f l o w i n t h e h y d r a u l i c a c t i v e s u s p e n s i o n s y
s Ｇt e m s ,a n d t h e e n g i n e o v e r l o a d e d e v e n f l a m e o u t ,a n a c t i v e s u s p e n s i o n s y s t e me n e r g y c o n s u m p t i o n a n d e n g i n e p o w e rm a t c h i n g c o n t r o l s c h e m e sw a s p r o p o s e dh e r e i n ．T h e c o n d i t i o n s o f e n s u r i n g s t a b l e o p e r a Ｇt i o n s o f t h e e n g i n e a n d t h e a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e m sw e r e a n a l y
z e d ．I no r d e r t om a k e t h em a x i m u m p o w e r o f t h e a c t i v e s u s p e n s i o n s y s t e ml e s s t h a n t h e r e s i d u a l p o w e r o f t h e e n g
i n e i n t h e c u r r e n t s t a t e s ,a c o n t r o l s t r a t e g y o f c o m p e n s a t e t h ev a r i a b l e p u m p d i s c h a r g e c o n t r o l s i g n a l sw a s p r o p o s e da c c o r d i n g t o t h e a v e r a g e f l o wc o n s u m e db y t h e a c t i v e s u s p e n s i o n s y s t e m s ．T h e f u z z y P I Dc o n t r o lm e t h o d sw e r e a p p l i e d t o d e s i g n t h e p o w e rm a t c h i n g c o n t r o l l e r ．T h e t e s t r e s u l t s s h o wt h a t c o m p a r e dw i t h t h e o r i g
i n a l a c t i v e s u s p e n s i o ns y s t e m s ,t h ea v e r a g e p o w e rc o n s u m p t i o no f t h ea c t i v es u s p e n s i o ns y s t e m sa p p
i e d t h e p r o p o s e d c o n t r o l s c h e m e s i s r e d u c e db y ４２％,t h e a v e r a g e t o r q u e p e r c e n t a g e i s r e d u c e db y ３９．６％．T h e e n e r g y c o n s u m p t i o no f t h e a c t i v e s u s p e n s i o n s y s t e m s a n d e n g i n e l o a d a r e s i g n i f i c a n t l y r
e d u c e d ．K e y w
o r d s :e m e r g e n c y r e s c u ev e h i c l e ;a c t i v es u s p e n s i o n ;p o w e r m a t c h i n g ;e n g i n e ;f u z z y P I D c o n t r o l
收稿日期:２０２１０５１７
基金项目:国家自然科学基金区域创新发展联合基金(U ２０A ２０３３２);国家重点研发计划(２０１６Y F C ０８０２９０２);河北省自然科学基金创新研究群体项目(E ２０２００３１７４
)０㊀引言
悬挂系统是车辆底盘的重要组成部分,其性
能直接决定着车辆的乘坐舒适性㊁操作稳定性和
行驶安全性[
１Ｇ３]
.悬挂系统可分为主动悬挂系统和被动悬挂系统,主动悬挂系统在被动悬架系统的基础上加入了作动器及配套的传感器和控制单元.主动悬架系统在控制过程中,可以根据路面输入与车辆状态的变化实时调节主动悬架作动器输出,从而抵消路面冲击,获得较好的减振效果,同时主动悬架还可以对车身高度和位姿进行控
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制.液压主动悬挂因具有较强的承载能力及灵活的调节方式而受到厂商的青睐.主动悬挂系统需要额外的能量输入[４]一般由发动机通过带动液压泵来供应,所以主动悬挂系统所消耗的额外能量来自发动机.由于主动悬挂系统的工作状态是随着路面状况决定的,如车辆在平坦的道路行驶时车身比较平稳,悬挂作动器无需进行大幅调节即可满足车辆平顺性要求,而车辆行驶在越野路面时,作动器频繁作动,其消耗的功率大大增加,所以主动悬挂系统所消耗的功率随着路面状况呈现较大波动.发动机的输出功率是由驾驶员通过操纵油门踏板来决定的.发动机总输出功率是主动悬挂系统消耗功率与车辆其他各系统之间的功率总和.为了保证车辆其他系统正常运行,要求主动悬挂系统所消耗的功率不能超过发动机为其他各系统提供功率后的剩余功率.
目前,应急救援车辆液压主动悬挂系统中一般使用恒压变量泵.恒压变量泵的恒压特性区陡峭[５],应急救援车辆行驶在不平的道路上时驾驶员频繁操纵油门踏板及更换挡位导致发动机转速波动,此时会使变量泵在恒压特性与定量特性区域频繁切换,造成系统压力或流量剧烈波动.同时变量泵所产生较大的扭矩作用在发动机上,将引起发动机转速的剧烈变化,严重时会发生失速㊁闷车和燃油经济性能下降等现象[６Ｇ７].因此,如何实现主动悬挂系统的流量及压力控制的同时使液压泵与发动机的运行参数达到较好的匹配是需要解决的问题.
目前已有学者对发动机与液压系统的匹配问题进行了研究.G A O[８]在掘机动力模式调节与节能控制研究中,通过负载自动识别技术及最佳转速二维表来进行功率匹配控制.G U O等[９]在掘机节能控制算法方法研究中,采用单神经元P I D控制㊁神经网络模糊控制对动力系统进行了功率匹配研究.H A O[１０]对挖掘机各部件之间的功率协调匹配进行研究后,提出了重载情况下的恒功率和变功率协调控制理论.赵静一等[１１]根据重型平板车液压系统功率分配的特点,从发动机与泵的功率匹配㊁发动机最佳工作点的选取及负载与泵的匹配等方面分析了重型平板车液压系统与发动机功率匹配原理;在充分考虑液压系统效率及发动机载荷的基础上,提出了重型平板车液压系统与发动机功率匹配的实现方案及节能控制规律.李喆等[１２]基于对风机特性与柴油机特性联合分析,将轴流风机理论工作功率范围匹配至柴油机负荷性燃油消耗率曲线的经济工作段,
并尽可能接近万有特性的最佳经济工作区,实现了长大隧道铺装通风中轴流风机与柴油机功率匹配.C H E N等[１３]将树木移植机的工作过程分为不同的工况,建立了树木移植机工作装置的功率匹配控制系统,新系统的燃料消耗比旧系统的燃料消耗降低了９．７９％.
以上研究中,液压系统均未涉及主动悬挂系统,针对液压主动悬挂系统能耗与发动机功率匹配控制的研究相对较少.本文提出重载应急救援车辆的主动悬挂能耗与发动机功率匹配的主动悬挂系统,该系统根据发动机特性及主动悬挂系统运行参数,实时调整变量泵排量,及时有效地控制变量泵供油量及供油压力,使主动悬挂系统稳定和持续地运行,并使其消耗的功率低于发动机剩余功率,该系统能够合理利用发动机动力,防止发动机载荷过高导致熄火等问题.
１㊀液压主动悬挂系统能耗与发动机功率匹配原理
１．１㊀系统匹配运行条件
车辆正常运转时,运动件㊁耗电设备所需的能量和克服行驶阻力的能量都来自于发动机,因此各个系统所消耗的功率总和不能超过发动机当前节气门位置时所提供的最大功率.
主动悬挂系统所消耗的能量是发动机总输出能量的一部分.主动悬挂液压泵工作时,一方面要为主动悬挂系统提供充足的流量及压力,另一方面也不能影响其他系统的正常运行.所以保证发动机及主动悬挂系统正常稳定运行的条件为:变量泵工作阻力变化产生的扭矩冲击波动控制在发动机响应能力范围内,且主动悬挂系统消耗的平均总功率不能超过发动机所在当前油门位置时发动机为其他各子系统提供动力后所剩余的最大功率;同时发动机转速波动过程中变量泵所提供的平均流量等于悬挂系统所消耗的平均流量,泵出口的压力不低于最小设计压力且不高于系统溢流压力.
为了实现以上条件,主动悬挂系统流量分析及发动机剩余功率的计算尤为重要.计算发动机剩余功率的前提是对发动机特性的分析及发动机最高负荷率的确定.
１．２㊀发动机特性及最高负荷率
在研究发动机与液压泵的匹配时,常用的是发动机的速度特性曲线.发动机速度特性模型一般是在发动机稳态试验数据的基础上,采用数表或拟合公式来描述.发动机的调速特性是油门位
２６３１
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置和转速的函数,即
M e ＝f (α,n e )
(１
)式中,M e 为发动机的输出转矩;α为节气门开度;n e 为发动机转速.
当发动机工作在调速状态时,特性方程可以用直线方程近似.假设各节气门开度下的调速特性曲线斜率相同,则在各个节气门开度下的调速
特性模型为[
１４
]n e ＝α(n R －n L )＋n L
M e (α,n e )＝k αn e ＋p αα
}
(２
)式中,n R 为发动机最高怠速转速;n L 为发动机最低怠速转速;k α为调速曲线的斜率;p α为比例系数.
根据试验所测量的发动机外特性曲线,使用５次多项式进行拟合.图１为发动机外特性试验
曲线及拟合曲线
.
图１㊀发动机外特性曲线
F i g ．１㊀E n g
i n e p e r f o r m a n c e c h a r a c t e r i s t i c 发动机扭矩的５次拟合曲线表达式如下:
M e ＝－３．１３ˑ１０－１２n ５e ＋２．１１ˑ１０－
８n ４e －
５．４５ˑ１０－
５n ３e
＋０．０６６n ２e
－３５．２７n e ＋７９２０．４３(３
)在发动机的最低空载转速和最高空载转速之
间,发动机的调速曲线有无数条.图２中只拟合出了节气门开度在１０％㊁２０％㊁ １００％位置时的
调速曲线,其他的调速曲线可由式(２
)插值得到.图２㊀发动机最高负荷曲线F i g ．２㊀M a x i m u m p o w e r c u r v e o f e n g
i n e 根据发动机的负荷特性,在不同的油门位置下虽然都可以工作在最大功率点,但在最大功率点处发动机抗过载能力很差,因此车辆各系统所消耗的总功率应尽量避免在发动机最大功率点
处.在计算主动悬挂系统可使用的发动机的剩余
功率时,使每个最大功率点都留有一定的过载余量,一方面为车辆的其他系统保留功率,另一方面防止主动悬挂系统瞬间消耗功率过大时导致发动机熄火.因此最大功率点可设定为图２所示的
A F G H I 曲线,
此时在遇到突发载荷而控制装置因惯性滞后调节时,可以防止发动机熄火[１５
].根据A F G H I 曲线,可计算得到主动悬挂系统可利用的剩余发动机功率:
P R E S ＝P m a x －P e －P S U S
(４)P e ＝
T e n e
９５４９
(５
)式中,P e 为发动机当前的负载功率;P S U S 为主动悬挂系统当前运行功率;P m a x 为当前节气门位置时发动机的最大功率;T e 为发动机负载转矩.
P m a x 可根据图２设定的A
F G H I 曲线及各条调速特性曲线上的扭矩M e 与当前转速n e 计算,即
P m a x ＝M e
n e (６
)２㊀主动悬挂系统流量及功率分析
２．１㊀液压主动悬挂系统原理
如图３所示,液压主动悬挂系统包括液压泵㊁溢流阀㊁蓄能器㊁三位四通电液伺服阀和悬挂油缸等.系统中两台变量液压泵的主轴串联连接,液压泵的主轴通过取力器与发动机主轴相连,泵的出油口并联连接至液压系统主油路,发动机带动两变量泵同时向系统供油;各悬挂油缸与车轮一一对应,通过悬挂油缸的伸缩来实现车轮随高低不平路面主动调节,达到提高车辆行驶平顺性和操纵稳定性的目的
.
１．
液压油箱㊀２．变量泵㊀３．溢流阀㊀４．过滤器㊀５．单向阀６．蓄能器㊀７．悬挂油缸㊀８．伺服阀㊀９．发动机㊀１０．
取力器图３㊀主动悬挂系统原理图
F i g ．３㊀S c h e m a t i c d i a g r a mo f a c t i v e s u s p e n s i o n s y
s t e m ２．２㊀流量计算
本文所研究的主动悬挂油缸为非对称液压缸电液伺服油缸形式,建立非对称式液压缸模型,如图４所示.图４中,p s 为供油压力,p o 为回油压力;x v 为伺服阀阀芯位移,y 为活塞杆相对缸筒的
３６３１ 应急救援车辆主动悬挂系统能耗与发动机的功率匹配控制
朱建旭㊀赵丁选㊀巩明德等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.
位移;q １为流入或流出液压缸无杆腔的流量,q ２为流入或流出液压缸有杆腔的流量;p １㊁p ２分别为液压缸无杆腔和有杆腔的压力;A １㊁A ２分别为液压缸无杆腔和有杆腔的面积;m 为油缸等效负载质量,F 为等效外负载力
.
图４㊀１/６主动悬架系统模型
F i g ．４㊀A c t i v e s u s p
e n s i o nm o d e l o
f o n e Ｇs i x t hv e h i c l e 当伺服阀阀芯正向移动时,根据薄壁小孔节流原理,可分别列出非对称油缸两腔的流量方程:
q
１＝C d w x v ２
ρ(p s －p １)ʈA １y
(７
)q ２＝C d w x v ２ρ
p ２ʈA ２y
(８)式中,C d 为伺服阀阀口流量系数;w 为伺服阀节流口面积梯度;ρ为油液密度.
根据可压缩流体连续性方程,液压缸无杆腔和有杆腔流量连续性方程分别为
q
１＝A １d y d t ＋(V １０＋A １
y )β
e d p １d t ＋(C e ＋C i )p １－C i p ２
(９
)q ２＝A ２d y d t －(V ２０－A ２
y )β
e d p ２d t ＋(C e ＋C i )p ２－C i p １
(１０
)式中,βe 为油液弹性模量;C i 为液压缸内泄漏系数;C e 为液压缸外泄漏系数;V １０为活塞在中位时悬挂油缸无杆腔容积;V ２０为活塞在中位时悬挂油缸有杆腔容积.
参考上述推导过程,当伺服阀阀芯反向移动时,无杆腔和有杆腔的流量连续性方程为
q
１＝－A １d y d t －(V １０＋A １
y )βe d p １d t －(C e ＋C i )p １＋C i p ２
(１１)q
２＝－A ２d y d t ＋(V ２０－A ２
y )β
e d p ２d t ＋(C e ＋C i )p ２－C i p １
(１２)于是第i 个悬挂油缸作动所消耗的流量为
q
s i ＝q １㊀㊀x v ȡ０q
２x v ＜０{
(１３
)主动悬挂系统消耗的总流量为
q
s ＝ð６
i ＝１
q
s i
(１４
)２．３㊀功率计算
本文研究的液压主动悬挂系统采用斜盘式柱塞泵.液压泵的输出功率计算方法如下:单个斜盘式柱塞泵的排量为
q p ＝
π４
d ２D Z ˑ１０－
３t a n γ(１５
)式中,d 为柱塞直径;D 为柱塞的分布圆直径;γ为斜盘倾
角;Z 为柱塞数量.
由于两个变量泵的主轴串联连接,因此两个斜盘式柱塞泵的实际输出流量为
q s ＝(q p １＋q p ２)n η
v ˑ１０－３(１６)式中,n 为泵的转速;η
v 为泵的容积效率;q p １为变量泵１的排量;q p
２为变量泵２的排量;假设泵没有效率损失,可得到两个液压泵的输入功率即主动悬挂系统运行功率:
P S U S ＝q s p ＝(q p １＋q p ２)n η
v p ˑ１０－
３(１７
)３㊀主动悬挂系统与发动机功率匹配控制
３．１㊀控制原理
在车辆行驶过程中,发动机转速的波动会造成变量泵提供的流量产生变化,导致系统内压力升高.在变量泵排量调节过程中,排量的突变可能使变量泵消耗的瞬时功率超过发动机所提供的功率从而导致发动机载荷过高或熄火,所以必须通过发动机转速及主动悬挂系统所消耗功率来对变量泵排量进行控制.
本文匹配控制方案采用基于流量补偿的主动悬挂系统恒压力控制策略.结合发动机特性,计算发动机剩余最大功率,进而得到两个变量泵排量的最大值并设置输出限幅,最终实现主动悬挂系统与发动机的功率匹配控制.
３．２㊀控制策略
模糊控制是以模糊集理论㊁模糊语言变量和模糊逻辑推理为基础的一种智能控制方法,具有鲁棒性强㊁响应速度快㊁动态特性好等优点.本文采用模糊P I D 控制方法.控制器包括压力反馈和排量补偿控制环节,其表达式为
u t ＝u t p (e p )＋u t q (u i )(１８
)e p ＝p p
r －p o u t 式中,u i 为输入信号;u t p (e p )表示压力反馈环节;u t q (u i )表示排量补偿环节;p o u t 为泵出口压力;p p
r 为预设压力.P I D 控制器可由如下形式表示:
u t p ＝k P e p ＋k I ʏ
t
０
e p
d t ＋k D d
e p
d t
(１９
)式中,k P ㊁k I ㊁
k D 分别为比例㊁积分㊁微分系数.模糊控制器将压力偏差e 与偏差变化率e e 作
为模糊输入变量,通过模糊推理输出P I D 控制器中各系数的修正量,即
k P ＝k P ０＋Δk P k １k I ＝k I ０＋Δk I k ２k D ＝k D ０＋Δ
k D k ３}
(２０
)
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式中,Δk P ㊁Δk I ㊁Δk D 分别为P I D 控制器参数修正量;k P ０㊁
k I ０㊁k D ０分别为k P ㊁k I ㊁k D 的初始值;k １㊁k ２㊁k ３分别为Δk P ㊁Δk I ㊁
Δk D 的修正因子.本文选择三角形隶属函数.参数e 与e e 的隶
属度函数如图５所示.Δk P ㊁Δk I ㊁
Δk D 的隶属函数如图６所示.控制器采用m a m d a n i 型模糊推理方
法,即:如果e 是A i 且e e 是B j ,那么Δk P 是C i j ,
Δk I 是D i j ,Δk D 是E i j .
A i 为模糊推理条件,
B j ㊁
C i j ㊁
D i j ㊁
E i j 分别为在此条件下各变量所执行的结果.其中i ,j ＝１,
２, ,７.采用重心去模糊法确定模糊逻辑控制器输出,即
z ∗＝
ʏ
z μc (
z )d z ʏ
μc
(z )d z (２１
)式中,μc 为隶属度函数曲线.
模糊控制规则如表１所示.
图５㊀e ㊁e e 的隶属度函数F i g ．５㊀M e m b e r s h i p f
u n c t i o no f e ,e
e 图６㊀Δk P ㊁Δk I ㊁Δk D 的隶属度函数F i g ．６㊀M e m b e r s h i p f
u n c t i o no fΔk P ,Δk I ,Δk D 表１㊀模糊控制规则表T a b ．１㊀F u z z y c
o n t r o l r u l e t a b l e e
e e
N B
NM
N S
Z
P S
P M
P B
N B P B /N B /P S P B /N B /N S P M /NM /NM P M /NM /N B P S /N S
/N B Z /Z
/NM Z /Z /P S
NM P B /N B /P S P B /N B /N S P M /NM /NM P S /N S /NM P S /N S
/NM
Z /Z /N S
N S /Z
/Z
N S P M /N B /Z P M /NM /N S P M /N S /NM P S /N S /NM Z /Z
/N S
N S /P S /N S N S /P S
/Z
Z P M /NM /Z P M /NM /N S P S /N S
/N S
Z /
Z
/N S
N S /P S /N S N S /P M /N S NM /P M
/Z
P S P S /NM /Z P S /N S /Z Z /Z
/Z
N S /P S /Z N S /P M /Z NM /P M /Z NM /P M
/Z
P M P S /Z /P M Z /Z
/P S
N S /P S /P S N S /P S /P S NM /P M /P S NM /P B /P S N B /P B
/P M
P B
Z /Z /P B
Z /P S /P M NM /P S /P M NM /P M /P S NM /P M /P S N B /P B /P S N B /P B
/P B
㊀㊀由于液压泵主轴与发动机主轴相连接,所以两主轴的转速相同.根据系统匹配运行条件,主动悬挂系统消耗的功率不能大于发动机为车辆其他子系统提供能量后所剩余功率,根据式(４
)㊁式(１７
)可得到变量泵可调节到的最大排量:q p m a x ＝q p
１＋q p ２＝９５４９P m a x －T e
n e ９５４９p n e ηv
(２２
)系统控制的目标流量应为主动悬挂系统消耗
的理论总流量q s .车辆行驶过程中,悬挂油缸的运动速度与当前驶过的路面情况相关,当路面情况突然变化时理论消耗流量会呈现波动较为剧烈的曲线.若将q s 直接作为系统控制参数,会使系统造成振荡.因此为了能够使流量控制系统运行平稳㊁减少变量泵的高频调节,对q s 进行低通滤波处理:
q s ,a ＝１
t ０ðt
t －t ０
q s ,t (２３
)在确定的流量下,变量泵的瞬时排量与发动机转速成反比关系.建模过程中忽略泵的动态特性,即泵输出流量保持不变时,泵的当前排量与发动机转速的关系为
q
e ＝q s ,a
n e
(２４
)则式(１８
)变为u t ＝(k P ０＋Δk P )e p ＋(k I ０＋Δk I )ʏ
t
０
e p
d t ＋(k D ０＋Δk D )d
e p
d t ＋１n
e t ０ðt
t －t ０
q s ,t (２５
)功率匹配控制器的结构如图７所示.图中
p s ０为系统预设压力,p s
１为系统当前压力.图７㊀功率匹配控制器的结构
F i g ．７㊀S t r u c t u r e o f t h e p o w e rm a t c h i n g c
o n t r o l l e r ４㊀控制系统设计㊁
试验及结果分析４．１㊀硬件设计
主动悬挂与发动机功率匹配系统为闭环系
５６３１ 应急救援车辆主动悬挂系统能耗与发动机的功率匹配控制
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统,控制系统结构如图８所示.油压传感器设置于泵出口处,各悬挂油缸上均设置位移传感器.油压传感器和悬挂油缸位移传感器信号经A/D 转换接入控制器中.发动机转速及油门踏板位置信号均经C A N总线,接入变量泵排量控制器中.控制器输出信号经D/A转换输出至各变量泵以控制泵的排量.试验车辆搭载M C１１．４０Ｇ６０柴油发动机,参数如表２所示.液压泵采用斜盘式变量泵,两个变量泵完全相同,具体参数如表３所示.实际上应用一个大排量液压泵也可满足系统要求,本文系统采用串联两个完全一样的泵的方式是为了提高系统的可靠性,在其中一个变量泵损坏的情况下也能保证主动悬挂系统低性能运行.控制器选用S C M９０２２型主板,符合标准P C/１０４总线标准.数据采集系统使用基于P C/１０４总线标准的A D T８８２ＧA T扩展板,提供３２个１６位模拟量通道,可达２００k H z的采样速度.
图８㊀控制系统结构
F i g．８㊀S t r u c t u r e d i a g r a mo f t h e c o n t r o l s y s t e m
表２㊀发动机参数
T a b．２㊀P a r a m e t e r s o f e n g i n e
型号M C１１．４０Ｇ６０
额定功率(k W)２９４(４００P s)/１９００r/m i n
最大扭矩(N m)１９００
最高转速(r/m i n)２１５０ʃ５０
怠速(r/m i n)５５０ʃ５０
排量(L)１０．５１８
表３㊀变量泵参数
T a b．３㊀P a r a m e t e r s o f v a r i a b l e p u m p
最大排量(m L)１００
最大转速(r/m i n)２３００
最大流量(L/m i n)２３０
功率(k W)９６
转矩(N m)３９８
控制电压(V)２４(ʃ２０％)
限制电流(A)１．５４
公称电阻(２０ħ)(Ω)５．５
抖动频率(H z)１００
控制电流(m A)４００~１２００㊀㊀C A N总线通信板卡使用基于P C/１０４总线标准的C S DＧ２．３扩展板卡,提供两路C A N通信接口.主控板卡与两块扩展板卡均由P C/１０４接口连接,配合外围电路组成功率匹配控制器.功率匹配控制器在主控板卡实现,主控板卡安装w i n d o w s控制系统,应用C语言程序软件进行程序的编写.主控板卡通过P C/１０４总线获取发动机转速㊁油门踏板位置以及泵口压力㊁油缸位移信号,功率匹配控制器计算出各变量泵排量输出以控制各变量泵.
４．２㊀试验条件及结果分析
为验证本功率匹配控制系统的可行性,
应用装有本系统的三轴重型应急救援车辆进行了试验.车辆基本参数如表４所示.试验车辆及路面情况如图９所示.
表４㊀试验车辆主要参数
T a b．４㊀M a i n p a r a m e t e r s o f t e s t v e h i c l e
车身总质量(k g)３５８２０
车桥数量３
车轮数量６
驱动轮数量６
转向模式全轮转向
一二轴轴距(mm)２９５０
二三轴轴距(mm)１６５０
轮距(mm)２５５０
图９㊀试验车辆及路面
F i g．９㊀T e s t v e h i c l e a n d r o a d
㊀㊀依据主动悬挂工作特性,在相同的路面条件下,悬挂作动器的作动速度随车速变化,所以主动悬挂系统所消耗的功率也随车速变化.为了符合试验的单一变量原则,需确保两次试验过程中车辆行驶速度一致.由于使用本控制方法前后所消耗的发动机功率不一样,会导致在踩油门踏板的时候车辆行驶动力不同,车辆行驶速度不一致,而进一步导致主动悬挂系统所消耗的功率变化,影响试验结果,因此两次试验均使车辆加速至约１０k m/h的速度行驶,然后将变速器挡位切换至空挡,随后瞬间将油门踏板踩至最大,发动机转速从５５０r/m i n提高到约１４００r/m i n时松开油门踏板,以验证发动机转速大幅波动过程中控制方法对主动悬挂系统所消耗的功率控制效果.发动机转速㊁系统压力㊁系统消耗功率㊁发动机扭矩百分比等参数如图１０~图１３所示.
图１０为发动机转速曲线,图中原控制系统中
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中国机械工程第３３卷第１１期２０２２年６月上半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.
图１０㊀发动机转速对比曲线F i g ．１０㊀E n g i n e s p e e d c o m p
a r i s o n c u r v
e 图１１㊀系统压力对比曲线
F i g ．１１㊀S y s t e m p r e s s u r e c o m p
a r i s o n c u r v
e 图１２㊀功率消耗对比曲线
F i g ．１２㊀P o w e r c o n s u m p t i o n c o m p
a r i s o n c u r v
e 图１３㊀发动机扭矩百分比对比曲线
F i g ．１３㊀E n g i n e t o r q u e p e r c e n t a g e c o m p
a r i s o n c u r v e 发动机转速从５５０r /m i n 提高到１４００r /m i n 所需要的时间为３．３０s ,而功率匹配控制系统中时间为１．９２s ,加速时间缩短了４１．８％,表明功率匹配控制系统在加速过程中发动机所承受的扭矩减小.
图１１为两种系统压力曲线,
图中原控制系统压力从１８M P a 上升到２２．４M P a ,而功率匹配控制系统中此压力可以稳定在约１７．８M P a
.图１２为两系统所消耗的功率曲线,
图中原控制系统主动悬挂系统所消耗的发动机功率平均为
２２．７k W ,峰值达到３２．８k W ,而功率匹配控制系统中此平均功率为１３．２k W ,峰值为１７．３k W ,
平均功率及峰值功率分别降低了４２％和４７％.
图１３为两控制系统中发动机扭矩百分比,
图中发动机扭矩百分比平均值由４８．７％下降到
２９．４％,下降了３９．６％,
功率匹配控制系统中发动机载荷相对原系统明显降低.
根据以上分析,本系统可减小发动机功率消耗和发动机载荷.为了验证车辆在挂挡行驶过程中的效果,对车辆加速的过程进行了试验.试验过程中试验车辆处在相同的起始位置,起步阶段将发动机油门踏板踩至最大,采集车辆行驶速度
数据,图１４为车辆加速过程中车速对比曲线.
图１４㊀车速对比曲线
F i g ．１４㊀V e h i c l e s p e e d c o m p
a r i s o n c u r v e 在同样的加速时间下,图中原控制系统最终
车速达到了６．４６k m /h ,而功率匹配控制系统车辆最终速度达到８．９９k m /h .在功率匹配系统中,主动悬挂系统消耗的发动机功率下降,发动机将更多的功率提供给行驶系统,车辆的加速性能有较明显提高.
５㊀结论
(１)本文根据主动悬挂系统及发动机工作特性,分析了发动机及主动悬挂系统匹配运行的条件,提出了主动悬挂系统运行的最大功率小于发动机当前状态下的剩余功率的控制策略.(２
)根据主动悬挂系统的平均流量,对变量泵排量控制信号进行了动态补偿,设计了功率匹配控制器,并以三轴应急救援车辆为平台进行试验,验证了控制策略的有效性.
(３
)试验结果表明,应用功率匹配控制器的车
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辆在相同的路况下行驶,发动机转速提高时间缩短４１．８％,扭矩百分比平均值下降了３９．６％,表明发动承受的载荷有明显减小.在一个加减速周期内主动悬挂系统所消耗功率降低了４２％,有效降低了主动悬挂系统能耗,更合理地利用发动机动力.
参考文献:
[１]㊀Z I R K OH IM M,L I N T C．I n t e r v a lT y p eＧ２F u z z yＧn e u r a l N e t w o r k I n d i r e c t A d a p t i v e S l i d i n g M o d e
C o n t r o l f o r a nA c t i v eS u s p e n s i o nS y s t e m[J]．N o nＧ
l i n e a rD y n a m i c s,２０１４,７９(１):５１３Ｇ５２６．[２]㊀G OH R L E C,S C H I N D L E R A,WA G N E R A,e t
a l．R o a dP r o f i l eE s t i m a t i o n a n dP r e v i e wC o n t r o l F o r
L o wＧb a n d w i d t h A c t i v e S u s p e n s i o n S y s t e m s[J]．
I E E E/A S M ET r a n s a c t i o n so n M e c h a t r o n i c s,２０１５,
２０(５):２２９９Ｇ２３１０．
[３]㊀P A N H u i h u i,J I N G X i n g j i a n,S U N W e i c h a o．R oＧ
b u s t F i n i t eＧt i m e T r a
c k i n g C o n t r o lf o r N o n l i n e a r
S u s p e n s i o nS y s t e m sv i a D i s t u r b a n c eC o m p e n s a t i o n
[J]．M e c h a n i c a l S y s t e m s&S i g n a l P r o c e s s i n g,２０１７,８８:４９Ｇ６１．
[４]㊀S U D A Y,S H I I B A T．A N e w H y b r i dS u s p e n s i o n S y s t e m w i t h A c t i v eC o n t r o l a n dE n e r g y R e g e n e r aＧ
t i o n[J]．V e h i c l eS y s t e m D y n a m i c s,１９９６,２５(S１),６４１Ｇ６５４．
[５]㊀李月梅,王明智．径向柱塞变量泵恒压静态特性的研究[J]．太原科技大学学报,１９９４,１５(２):１１７Ｇ１２５．L I Y u e m e i,WA N G M i n g z h i．R e s e a r c h o n S t a t i c
C h a r a c t e r i s t i c so fR a d i a lP i s t o n V a r i a b l e
D i s p l a c eＧ
m e n tP u m p u n d e rC o n s t a n tP r e s s u r e[J]．J o u r n a l o f
T a i y u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,１９９４,１５(２):１１７Ｇ１２５．
[６]㊀和卫星,陆森林,陈雪芳．单斗液压挖掘机的节能控制系统[J]．制造业自动化,１９９９,２１(３):４３Ｇ４５．
H E W e i x i n g,L U S e n l i n,C H E N X u e f a n g．E n e r g y
S a v i n g C o n t r o lS y s t e m o fS i n g l eB u c k e t H y d r a u l i c
E x c a v a t o r[J]．M a n u f a c t u r i n g A u t o m a t i o n,１９９９,
２１(３):４３Ｇ４５．
[７]㊀赵丁选,尚涛,张红彦,等．液压挖掘机模糊节能控制策略及实验研究[J]．中国机械工程,２００６,１７
(２):１７７Ｇ１７９．
Z HA O D i n g x u a n,S HA N GT a o,Z HN G H o n g y a n,
e t a l．F u z z y E n e r g y S a v i n g C o n t r o l S t r a t e g y a n dE xＧ
p e r i m e n t a l S t u d y o fH y d r a u l i cE x c a v a t o r[J]．C h i n a
M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２００６,１７(２):１７７Ｇ１７９．[８]㊀高峰．液压挖掘机节能控制技术的研究[D]．杭州:浙江大学,２００２．
G A O F e n g．H y d r a u l i c E x c a v a t o r E n e r g yＧs a v i n g
C o n t r o lT e c n o l o g y R e s e a r c h[D]．H a n g z h o u:Z h eＧ
j i a n g U n i v e r s i t y,２００１
[９]㊀G U O XE,Z HA O DX,T A OS,e t a l．A p p l i c a t i o n o fF u z z y T h e o r y i n E l e c t r o n i c C o n t r o lS y s t e m o f
H y d r a u l i cE x c a v a t o r f o rE n e r g yＧs a v i n g[J]．J o u r n a l
o f J i l i n U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y(N a t u r a lS c i e n c e
E d i t i o n),２００４,３４(２):２１７Ｇ２２１．
[１０]㊀郝鹏．液压挖掘机动力系统匹配及节能控制研究
[D]．长沙:中南大学,２００８．
HA O P e n g．H y d r a u l i c E x c a v a t o r P o w e rS y s t e m
M a t c h i n g a n d E n e r g yＧs a v i n g C o n t r o l R e s e a r c h
[D]．C h a n g s h a:C e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t y,２００８．[１１]㊀赵静一,王智勇,覃艳明,等．T L C９００型运梁车液压驱动系统与发动机功率匹配研究[J]．中国机械
工程,２００７,１８(７):８７８Ｇ８８１．
Z HA OJ i n g y i,WA N G Z h i y o n g,T A N Y a n m i n g,
e t a l．R e s e a r c ho n H y d r a u l i cD r i v i n g S y s t e m a n d
E n g i n e P o w e r M a t c h i n T L C９００T r a n s p o r t i n g
G i r d e rV e h i c l e[J]．C h i n a M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g,
２００７,１８(７):８７８Ｇ８８１．
[１２]㊀李喆,宋雕,冯志勇,等．长大隧道铺装通风中轴流风机与柴油机功率匹配[J]．建筑机械,２０２０
(１):７４Ｇ７７．
L IZ h e,S O N GD i a o,F E N GZ h i y o n g,e t a l．P o w e r
M a t c h i n g o fA x i a lF a na n dD i e s e lE n g i n e i nP a v eＧ
m e n tV e n t i l a t i o no fL o n g T u n n e l[J]．C o n s t r u c t i o n
M a c h i n e r y,２０２０(１):７４Ｇ７７．
[１３]㊀C H E NJ,Y UC,X I AX,e t a l．D e s i g n a n dE x p e r iＧm e n t a l S t u d y o f aP o w e rM a t c h i n g C o n t r o l S y s t e m
f o r aW o r k i n
g D e v i c e o f aT r e eT r a n s p l a n t i n g M aＧ
c h i n e[J]．P r o c e e
d i n g s o f t h
e I n s t i t u t i o n o fM e c h a nＧ
i c a l E n g i n e e r sP a r t I,J o u r n a l o f S y s t e m s a n dC o nＧ
t r o l E n g i n e e r i n g,２０１９,２３３(６):６８９Ｇ７０１．[１４]㊀杭勇．柴油发动机控制模型及控制算法的设计
[D]．镇江:江苏大学,２００２．
HA N G Y o n g．D e s i g no fC o n t r o lM o d e l a n dA l g oＧ
r i t h mf o r D i e s e lE n g i n e[D]．Z h e n j i a n g:J i a n g s u
U n i v e r s i t y,２００２．
[１５]㊀G EL,Q U A NL,Z HA N G X,e t a l．P o w e rM a t cＧ
h i n g a n d E n e r g y E f f i c i e n c y I m p r o v e m e n to f H yＧ
d r a u l i cE x c a v a t o rD r i v
e nw i t hS p e e da n dD i s p l a c eＧ
m e n tV a r i a b l eP o w e rS o u r c e[J]．C h i n e s eJ o u r n a l
o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,２０１９,３２(１):１５２Ｇ１６３．
(编辑㊀袁兴玲)
作者简介:朱建旭,男,１９８７年生,博士研究生.研究方向为工程机器人.EＧm a i l:z h u j x＠s t u m a i l．y s u．e d u．c n.赵丁选(通信作者),男,１９６５年生,教授㊁博士研究生导师.研究方向为复杂机械系统动力学及仿真和工程机器人.EＧm a i l:z d x＠y s u．e d u．c n.
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