氣路閉環(huán)互聯(lián)空氣懸架車高控制與能耗特性試驗

江洪，楊勇福，王玉杰，徐興，李美

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氣路閉環(huán)互聯(lián)空氣懸架車高控制與能耗特性試驗

江洪1，楊勇福1，王玉杰1，徐興2，李美3

(1. 江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江，212013；2. 江蘇大學汽車工程研究院，江蘇鎮(zhèn)江，212013；3. 海南大學機電工程學院，海南?？?，570228)

在互聯(lián)空氣懸架結構的基礎上，提出一種與開環(huán)空氣懸架系統(tǒng)不同的高低壓罐氣路閉環(huán)縱向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)。針對車身高度調(diào)節(jié)過程中存在的“過充”、“過放”、超調(diào)現(xiàn)象明顯等問題，構建適用于互聯(lián)空氣懸架的車身高度PID控制策略，同時引入車身姿態(tài)修正系數(shù)，控制車身高度調(diào)節(jié)過程中車身姿態(tài)的穩(wěn)定。搭建試驗臺架，研究氣路閉環(huán)空氣懸架能耗特性，并對控制策略的實際控制效果加以驗證。研究結果表明：相對于氣路開環(huán)系統(tǒng)，氣路閉環(huán)車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)最多可節(jié)約33.13%的能量消耗，系統(tǒng)能耗特性優(yōu)良。所設計的控制策略能快速準確地調(diào)節(jié)車身高度，改善車身高度調(diào)節(jié)過程中存在的不良現(xiàn)象，提高調(diào)節(jié)過程中車身姿態(tài)的穩(wěn)定性。但相比非互聯(lián)狀態(tài)，互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)所需時間有所增加。

互聯(lián)空氣懸架；閉環(huán)；高度調(diào)節(jié)；PID；車身姿態(tài)

空氣懸架具有優(yōu)良的變剛度特性和車身高度控制靈活等特點，在現(xiàn)代車輛中的應用日益廣泛[1?2]。隨著汽車技術的發(fā)展，在傳統(tǒng)空氣懸架基礎上出現(xiàn)的新型互聯(lián)空氣懸架結構，能更好地滿足人們對乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性的需求?；ヂ?lián)空氣懸架將傳統(tǒng)空氣懸架中相鄰的空氣彈簧用氣動管路相連接，當受到路面沖擊時，互聯(lián)空氣彈簧間發(fā)生氣體交換，可起到緩和路面沖擊、保持車身姿態(tài)等作用[3?5]。目前對于互聯(lián)懸架的研究主要集中于連通式的油氣彈簧懸架，而互聯(lián)空氣懸架相關的研究與應用卻不多見。由于能源日趨匱乏，節(jié)能已經(jīng)成為車輛行業(yè)未來發(fā)展必須考慮的因 素[6?7]。ROEMER等[8]提出一種封閉式壓縮空氣系統(tǒng)的空氣懸架結構，通過增壓閥將空氣彈簧排出的壓縮空氣增壓后泵入單體儲氣罐中循環(huán)使用。ABURAYA等[9]提出的氣路閉環(huán)充放氣結構，將排出的壓縮氣體儲存在另外設置的低壓儲氣罐中。石巖等[10]對高低壓共用式氣罐進行了試驗研究，為氣動系統(tǒng)的節(jié)能設計提供了參考。高低壓罐氣路閉環(huán)空氣懸架車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)則是相對于傳統(tǒng)開環(huán)車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行的結構改進，通過添設低壓罐，將車身高度降低時空氣彈簧放出的高壓氣體儲存起來，可起到減小能耗的作用。結合互聯(lián)空氣懸架與高低壓罐氣路閉環(huán)空氣懸架兩方面的優(yōu)點，提出氣路閉環(huán)互聯(lián)空氣懸架結構。PID控制策略多用于傳統(tǒng)非互聯(lián)空氣懸架車身高度調(diào) 節(jié)[11?12]，宋宇[11]采用PID控制策略對階躍輸入下的車身高度響應進行了仿真計算和對比分析，但對于高度控制中的振蕩、過充、過放現(xiàn)象仍沒有得到很好的解決。傳統(tǒng)空氣懸架車身高度控制策略對空氣彈簧單獨控制，應用于互聯(lián)懸架時將導致相互連通的空氣彈簧之間發(fā)生頻繁的氣體交換，充放氣過程易出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，車身高度調(diào)節(jié)難以終止，影響調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。另外，互聯(lián)后的懸架系統(tǒng)結構與傳統(tǒng)空氣懸架不同，需重新考慮高度調(diào)節(jié)過程中車身姿態(tài)的穩(wěn)定問題。本文作者對傳統(tǒng)PID控制策略進行改進，形成專門適用于互聯(lián)懸架車身高度調(diào)節(jié)的PID控制策略，解決調(diào)節(jié)時間過長，超調(diào)現(xiàn)象明顯等問題，同時引入車身姿態(tài)修正系數(shù)改善車高調(diào)節(jié)過程中的姿態(tài)惡化現(xiàn)象。搭建試驗臺架驗證控制策略的實際效果，并分析其能耗特性。

1 試驗系統(tǒng)設計

1.1 氣路閉環(huán)結構分析

空氣懸架系統(tǒng)根據(jù)氣路系統(tǒng)中充放氣回路形式不同，可分為氣路開環(huán)和氣路閉環(huán)2種空氣懸架系統(tǒng)類型。氣路開環(huán)空氣懸架系統(tǒng)是將空氣彈簧排出的壓縮氣體直接排放到大氣中。而氣路閉環(huán)空氣懸架系統(tǒng)是將空氣彈簧排出的高壓氣體用儲氣罐收集起來，循環(huán)使用[13?14]。

高低壓罐氣路閉環(huán)空氣懸架系統(tǒng)結構，通過增加蓄能低壓罐方式(低壓罐內(nèi)氣壓大于大氣壓，但小于空氣彈簧工作氣壓)實現(xiàn)車身高度調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)的閉環(huán)。根據(jù)氣動管路內(nèi)氣體流動方向可將懸架系統(tǒng)分為充氣、放氣和升壓3個工作過程。充氣時高壓罐內(nèi)的高壓氣體流向空氣彈簧中；放氣時空氣彈簧內(nèi)氣體排到低壓罐中；升壓時啟動空壓機，把低壓罐內(nèi)氣體壓縮至高壓罐中。這樣只有空氣懸架系統(tǒng)自身的能量消耗，而不直接浪費高壓氣體，能夠達到明顯的節(jié)能效果，改善車身高度調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性。

1.2 系統(tǒng)工作原理

縱向互聯(lián)空氣懸架將整車懸架中同側兩空氣彈簧用互聯(lián)管路連接起來，并在互聯(lián)管路中安裝充放氣電磁閥，ECU控制不同電磁閥的開閉實現(xiàn)對空氣彈簧的充放氣，從而完成對車身高度的調(diào)節(jié)。

如圖1所示，兩側空氣彈簧分別裝有1個氣壓傳感器，每個空氣彈簧裝有1個高度傳感器實時監(jiān)測空氣彈簧高度變化。當選擇目標高度后，傳感器采集空氣彈簧的氣壓和高度信息，ECU根據(jù)預先寫入的控制算法發(fā)出控制指令，分別控制4個電磁閥的開閉，實現(xiàn)對空氣彈簧的充放氣。其中1和3為放氣電磁閥，2和4為充氣電磁閥。當ECU監(jiān)測到高壓罐氣壓不足時，啟動空壓機工作，將低壓罐內(nèi)的氣體增壓到高壓罐，實現(xiàn)氣體的回收利用。當?shù)蛪汗逇鈮哼^大而高壓罐氣壓滿足要求時，ECU控制電磁閥5開啟將氣體排到大氣。當?shù)蛪汗逇鈮翰荒軡M足高壓罐提升所需氣壓時，ECU控制電磁閥5和空壓機同時開啟，空壓機從大氣向高壓罐補氣。

圖1 氣路閉環(huán)縱向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)工作原理簡圖

1.3 車身高度控制策略

在車身高度調(diào)節(jié)過程中，產(chǎn)生“過充”和“過放”現(xiàn)象的主要原因是高度跟蹤系統(tǒng)的非線性及遲滯性。電控空氣懸架最主要的特點是車身高度可根據(jù)目標高度做出快速地調(diào)節(jié)，結合氣動理論與控制算法可實現(xiàn)對車身高度的有效控制[15]。ECU通過高度傳感器對實際車身高度監(jiān)測，與目標高度進行比較，判斷是否充放氣。PID控制中，比例系數(shù)的作用是減小實際高度與目標高度之間的偏差，其取值直接影響車身高度調(diào)節(jié)速度；積分環(huán)節(jié)用于消除系統(tǒng)的靜差，提高車身高度調(diào)節(jié)精度；微分環(huán)節(jié)根據(jù)偏差的變化趨勢預先給出適當?shù)募m正，防止產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象[16]。根據(jù)文獻[17]可整定常規(guī)PID控制器3個參數(shù)。PID控制器輸出控制量后，通過電磁閥間接實現(xiàn)對氣體質量流量的控制，然而電磁閥只有打開和關閉2種狀態(tài)，為此需要通過控制PWM占空比的方式調(diào)節(jié)充放氣的平均氣體質量流量[18]。對互聯(lián)兩側空氣彈簧進行單獨充放氣，可以實現(xiàn)相應車身高度的調(diào)節(jié)，但在實際高度調(diào)節(jié)過程中，兩側空氣彈簧充氣(放氣)流量之間相互影響，管路中時滯效應也并不相同，將導致車身姿態(tài)傾斜。為保證車身姿態(tài)穩(wěn)定，提高車輛整體性能，需要對兩側互聯(lián)空氣彈簧進行協(xié)調(diào)控制，從而使整車系統(tǒng)同時滿足車身高度的準確調(diào)節(jié)以及車身姿態(tài)的穩(wěn)定。試驗前，調(diào)整載荷使整車前后與左右載荷分布一致，各個空氣彈簧承受質量相同，減小由于載荷不均對車身姿態(tài)的影響。氣路閉環(huán)空氣懸架系統(tǒng)由于縱向互聯(lián)，同側前后空氣彈簧氣壓始終保持一致，故車身俯仰角非常小，可放棄對俯仰角的控制，主要考慮側傾角對車身姿態(tài)的影響。根據(jù)傳感器采集到的空氣彈簧高度變化值得到車身側傾角：

式中：為車身側傾角，rad；FL為前左空氣彈簧高度，m；FR為前右空氣彈簧高度，m；RL為后左空氣彈簧高度，m；RR為后右空氣彈簧高度，m；為車身兩側輪距，m。

根據(jù)車身側傾角分配左右兩側空氣彈簧不同的車身姿態(tài)修正系數(shù)，重新調(diào)節(jié)充放氣電磁閥占空比。當車身高度非常接近目標高度時，根據(jù)允許的高度偏差范圍、電磁閥最短通電時間來確定控制算法中的高度死區(qū)。其中，高度死區(qū)指輸入信號變化而輸出信號沒有相應變化的高度區(qū)間。當高度偏差位于高度死區(qū)范圍內(nèi)時，即可停止車身高度調(diào)節(jié)。試驗中，設定空氣彈簧有低位、中位和高位3種工作模式，選定目標高度后，ECU開始自動調(diào)節(jié)車身高度。圖2所示為車身高度控制流程圖。

圖2 車身高度控制流程圖

1.4 試驗研究

試驗所用整車臺架根據(jù)某型轎車的尺寸參數(shù)搭建而成。整車臺架參數(shù)均按照參考車型設計。整車參數(shù)如表1所示。

表1 整車參數(shù)

針對系統(tǒng)充氣、放氣和升壓3個不同的工作過程，研究內(nèi)容各有側重。充氣和放氣過程著重研究系統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)性能，升壓過程則集中研究系統(tǒng)能耗特性。氣路閉環(huán)系統(tǒng)能量損耗主要體現(xiàn)在升壓過程中的空壓機能耗。試驗中利用電壓、電流傳感器采集空壓機工作時的電壓、電流，進而計算得到空壓機能耗：

式中：為能耗，J；為電壓，V；為電流，A；為采樣時間，s。

為驗證提出的氣路閉環(huán)縱向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)節(jié)約能耗的特性，試驗中高壓罐氣壓一定時，低壓罐氣壓分為無低壓罐(連通大氣)、0.15、0.25和0.35 MPa這4種情況。啟動空壓機將高壓罐氣壓提升0.1 MPa，得到升壓過程能耗結果。

系統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)研究是為驗證改進后的PID控制策略對氣路閉環(huán)縱向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)的控制效果。設定系統(tǒng)目標高度在低位時坐標為?20 mm，中位為0 mm，高位為20 mm。試驗中車身高度在低位、中位與高位3種模式之間切換，高度傳感器實時采集各個空氣彈簧的高度變化得到車身高度調(diào)節(jié)結果。同時，對非互聯(lián)狀態(tài)進行車身高度調(diào)節(jié)試驗，與互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間進行對比。行業(yè)中未見有關于車身高度調(diào)節(jié)偏差的規(guī)定，為提高控制精度，車身高度調(diào)節(jié)結束后的實際高度與目標高度偏差在2%以內(nèi)視為滿足控制要求。

2 試驗結果與分析

2.1 能耗試驗結果與分析

試驗中，采集并計算得到高壓罐氣壓為0.65，0.75和0.85 MPa升壓0.1 MPa時的空壓機能耗結果。由于試驗結果類似，這里只列舉具有代表性的一組試驗結果。表2所示為高壓罐氣壓0.75 MPa升壓0.1 MPa時的空壓機能耗。由表2可知：具有高低壓罐的氣路閉環(huán)系統(tǒng)相對于氣路開環(huán)(無低壓罐)系統(tǒng)具有優(yōu)良的節(jié)約能耗特性，且最多可節(jié)約33.13%的能耗。高壓罐氣壓一定時，隨著低壓罐氣壓升高，空壓機提升0.1 MPa的能耗減少，即低壓罐初始氣壓越高越有利于能耗經(jīng)濟性。實際應用中應根據(jù)車身高度調(diào)節(jié)性能與能耗性能要求合理選擇儲氣罐初始氣壓參數(shù)。

表2 高壓罐0.75 MPa升壓到0.85 MPa能耗

2.2 車身高度控制試驗結果與分析

2.2.1 車身高度在低位與中位間的調(diào)節(jié)

氣路閉環(huán)縱向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)中，前左與后左空氣彈簧相互連通，理想狀態(tài)下，前左與后左空氣彈簧在同一時刻高度變化可近似為一致，為研究方便，將前左、后左空氣彈簧高度變化曲線統(tǒng)一為左側空氣彈簧高度變化曲線，前右與后右空氣彈簧高度變化做類似處理。空氣彈簧位移與車身高度位移近似相等，通過控制空氣彈簧位移變化可得到車身高度不同工作位置的切換。試驗主要研究駐車工況下車身高度在不同目標高度間的調(diào)節(jié)。

圖3和圖4所示分別為低位到中位車身高度調(diào)節(jié)結果與占空比信號。調(diào)節(jié)過程中，ECU根據(jù)控制算法實時調(diào)節(jié)脈沖長度和占空比。當車身高度與目標高度距離偏差較大時，ECU控制發(fā)出較大的占空比信號，加快充氣速度；當車身高度與目標高度距離偏差較小時，ECU控制發(fā)出較小的占空比信號，減緩充氣速度。

1—目標高度；2—左側空氣彈簧；3—右側空氣彈簧。

1—左側空氣彈簧；2—右側空氣彈簧。

由于引入車身姿態(tài)修正系數(shù)，車身高度調(diào)節(jié)過程中同一時刻左右兩側空氣彈簧充氣電磁閥具有不同的占空比。如圖4所示，以左側空氣彈簧占空比信號為例，其占空比在車身高度調(diào)節(jié)過程中出現(xiàn)幾次突變，且突變趨勢和右側空氣彈簧相反。同一側空氣彈簧在不同時段的脈沖長度也不相同，從而更加精確地控制氣體質量流量，使實際車身高度更加接近目標高度。從圖4可知：車身高度從低位準確迅速抬升至中位，且穩(wěn)定后的高度與目標高度偏差很小。

車身高度從中位降至低位時，由于車身受力差異及電磁閥兩端壓差對進排氣質量流量的影響等因素的作用，其調(diào)節(jié)過程與車身高度從低位抬升至中位略有不同。從圖5可知：相比于車身高度從低位抬升至中位車身高度調(diào)節(jié)所耗時間長2.5 s左右。對比圖6與圖4可知：車身高度降低過程會更加頻繁地調(diào)整占空比。

1—目標高度；2—左側空氣彈簧；3—右側空氣彈簧。

1—左側空氣彈簧；2—右側空氣彈簧。

車身高度在中位與高位之間的調(diào)節(jié)與在低位與中位之間的調(diào)節(jié)類似。

2.2.2 車身高度在低位與高位間的調(diào)節(jié)

車身高度在低位與高位之間的調(diào)節(jié)結果如圖7和圖8所示。從圖8可知：運用PID控制能快速準確地將車身高度調(diào)節(jié)至目標高度，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)。由于高度調(diào)節(jié)的距離有所增加，故相比車身高度在低位與中位之間的調(diào)節(jié)耗時較長。

1—目標高度；2—左側空氣彈簧；3—右側空氣彈簧。

1—目標高度；2—左側空氣彈簧；3—右側空氣彈簧。

2.2.3 車身姿態(tài)控制分析

通過引入車身姿態(tài)修正系數(shù)對車身高度調(diào)節(jié)過程進行修正控制，抑制車身側傾，從而確保車輛在模式切換過程中保持車身姿態(tài)平穩(wěn)，使得系統(tǒng)同時滿足車身高度跟蹤和整車姿態(tài)穩(wěn)定的目的。圖9所示為車身高度從低位抬升至中位過程中車身側傾角的變化曲線。從圖9可以看出：未施加車身姿態(tài)修正的高度調(diào)節(jié)過程中側傾角最大值達到0.21°，而施加車身姿態(tài)修正后的側傾角最大值只有0.07°，控制策略有效改善了車身高度調(diào)節(jié)過程中車身側傾角的變化，提高了車身姿態(tài)的穩(wěn)定性。

1—無車身姿態(tài)修正；2—有車身姿態(tài)修正。

2.2.4 與非互聯(lián)狀態(tài)對比分析

氣路閉環(huán)縱向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)過程中，同側空氣彈簧由同一電磁閥控制實現(xiàn)充放氣過程，而非互聯(lián)狀態(tài)下，同側空氣彈簧由不同電磁閥單獨控制實現(xiàn)充放氣過程，調(diào)節(jié)速度將比互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)快。圖10所示為低位到中位車身高度抬升過程中，儲氣罐初始氣壓相同時，非互聯(lián)與互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)前左空氣彈簧高度變化曲線對比。從圖10可以看出：非互聯(lián)狀態(tài)比互聯(lián)狀態(tài)車身高度調(diào)節(jié)提前1.7 s左右到達目標高度。

1—目標高度；2—非互聯(lián)；3—互聯(lián)。

3 結論

1) 結合互聯(lián)懸架與高低壓罐氣路閉環(huán)車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)兩者優(yōu)勢，設計了高低壓罐氣路閉環(huán)縱向互聯(lián)空氣懸架車身高度控制系統(tǒng)，并對傳統(tǒng)PID空氣懸架車身高度控制策略進行改進，引入車身姿態(tài)修正系數(shù)，形成適用于互聯(lián)懸架的車身高度控制策略。

2) 搭建高低壓罐氣路閉環(huán)縱向互聯(lián)空氣懸架車身高度控制試驗平臺，對比研究了氣路閉環(huán)系統(tǒng)和氣路開環(huán)系統(tǒng)在車身高度調(diào)節(jié)過程中的能耗特性，并對控制策略的實際控制效果進行了試驗驗證。同時與非互聯(lián)狀態(tài)車身高度調(diào)節(jié)進行對比。

3) 相對于氣路開環(huán)系統(tǒng)，氣路閉環(huán)車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)最多可減小33.13%的能量消耗，能耗特性優(yōu)良；所設計的控制策略能快速準確地調(diào)節(jié)車身高度，解決了采用傳統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)策略時存在的調(diào)節(jié)時間過長及“過充”、“過放”現(xiàn)象等問題，有效改善了車身高度調(diào)節(jié)過程中車身姿態(tài)的穩(wěn)定性。與互聯(lián)后的空氣懸架系統(tǒng)相比，非互聯(lián)狀態(tài)車身高度調(diào)節(jié)所需時間有所增加。

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(編輯 楊幼平)

Experimental study on height control and energy consumption characteristics of closed-loop air circuit interconnected air suspension system

JIANG Hong1, YANG Yongfu1, WANG Yujie1, XU Xing2, LI Mei3

(1. School of Mechanical Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Research Institute of Automotive Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering, Hainan University, Haikou 570228, China)

Based on interconnected air suspension technology, a closed-loop charging-discharging air circuit longitudinal interconnected air suspension system with high and low pressure chambers was proposed. In order to relieve “over- charging”, “over-discharging” and oscillation phenomena which exist during height adjustment process, a PID height control strategy was applied to the new charging-discharging system. Besides, the body attitude correction coefficient was introduced to ensure the stability when vehicle height was adjusting. The characteristics of energy consumption for closed-loop air circuit air suspension system were researched and the control efficiency of the control strategy was verified via a test bench. The results show that the energy consumption of height adjustment system with closed-loop air circuit longitudinal interconnected air suspension can be reduced by 33.13% at most compared with open-loop air circuit system, which means the energy economic performance of closed-loop charging-discharging air circuit is remarkable. Meanwhile, the control strategy can adjust body height rapidly and accurately. Some undesirable phenomena during height adjustment process are eliminated and the stability of body attitude is improved. But compared with the state of non-interconnected, the interconnected air suspension system spends more time during the height adjustment.

interconnected air suspension; closed-loop; height adjustment; PID; body attitude

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.036

TP272；U463.33+4.2

A

1672?7207(2017)01?0270?07

2016?01?13；

2016?03?12

國家自然科學基金資助項目(51575241) (Project(51575241) supported by the National Natural Science Foundation of China)

江洪，教授，從事車輛系統(tǒng)動力學研究；E-mail: 99998888@126.com