Активное управление

В интересах улучшения всех ходовых качеств автомобильной техники в последние годы были разработаны подвески, включающие активные компоненты. Чаще всего активные компоненты представляют собой гидравлические цилиндры, которые могут создавать силы в подвеске по команде от электронного контроллера, адаптированного для получения желаемых ходовых качеств. Характеристики, которые являются оптимальными для езды, часто компромиссны с характеристиками в других режимах, особенно в управляемости.

Для количественной оценки сравнительных ходовых качеств пассивных и активных систем может быть использована модель четверти автомобиля [41]. Эти две системы показаны на Рисунке 5.22. Для транспортного средства, двигающегося вперёд с постоянной скоростью по случайной поверхности дороги, вибрации от дороги можно достаточно хорошо аппроксимировать спектром с постоянным наклоном (воздействие смещения профиля дороги получается интеграцией сигнала источника белого шума).

Рис. 5.22. Представление пассивных и активных подвесок моделью четверти автомобиля.

Интерес представляют три переменные характеристики:

1)    Виброизоляция - измеряется по ускорение подрессоренной массы ()

2)    Ход подвески - измеряется по прогибу подвески (Z1)

3)    Постоянство нагрузки на шину - измеряется по прогибу шины (Z3)

Так как транспортное средство моделируется как линейная система, подвергаемая воздействию белого шума, среднеквадратичный отклик любой переменной движения может быть вычислен с помощью соотношения:

(5-18)

E[y2] = Среднеквадратичный отклик

So = Спектральная плотность воздействия белого шума

Hy (ω) = Передаточная функция отклика "y" на воздействие белого шума

Передаточные функции могут быть получены из определяющих уравнений, подставленных в Уравнение (5-18), и интегрирования, чтобы получить среднеквадратичные отклики. Для этого целесообразно определить некоторые параметры характеристики следующим образом:

   Отношение масс

(5-19a)

   Коэффициент жёсткости

(5-19b)

   Коэффициент затухания

(5-19c)

   Собственная частота неподрессоренной массы

(5-19d)

Среди этих параметров транспортного средства разработчик подвески свободен только в выборе значений жёсткости и затухания. Влияние этих параметров отображено на Рисунке 5.23, где показана зависимость среднеквадратичного вертикального ускорения от среднеквадратичного хода подвески при разных значениях жёсткости и затухания.

Рис. 5.23. Зависимость ускорения от хода подвески для пассивной подвески (χ = 0.15).

Коэффициенты жёсткости, показанные на рисунке, находятся в диапазоне, типичном для большинства производимых автомобилей. Жёсткость подвески rk = 5 соответствовала бы спортивным и динамичным автомобилям. Самая мягкая, rk = 20, соответствовала бы роскошным автомобилям с пневматическими подвесками. Для любого заданного коэффициента жёсткости вертикальное ускорение зависит от затухания и имеет оптимальное значение (точка с наименьшим среднеквадратичным ускорением). Высокие уровни затухания уменьшают среднеквадратичный ход подвески, но за счёт увеличения ускорения (чем больше силы затухания, тем лучше они передают дорожные воздействия подрессоренной массе через подвеску). Низкие уровни затухания допускают больший ход подвески, но и увеличивают среднеквадратичное ускорение из-за неконтролируемых движений на резонансной частоте подрессоренной массы.

На практике невозможно использовать весь диапазон характеристик, показанный на рисунке. В частности, низкие уровни затухания используют ход подвески, который выходит за диапазон, доступный на большинстве легковых автомобилей, и низкое затухание недостаточно, чтобы контролировать колебания колёс вверх-вниз, что ставит под угрозу способность удерживать дорогу. Заштрихованная область на Рисунке 5.24 показывает практический диапазон характеристик для пассивных подвесок.

Рис. 5.24. Зависимость ускорения от хода подвески для активной подвески.

Модель четверти автомобиля для активной подвески, показанная на Рисунке 5.22, отличается наличием генератора силы на месте рессоры подвески и демпфера. Генератор силы соответствует гидравлическому цилиндру, контролируемому электронной системой. Электроника потенциально может измерять ускорения подрессоренной и неподрессоренной массы, смещение подвески и радиус шины (или нагрузку), и варьировать эту силу в линейной пропорции к любой комбинации этих переменных состояния.

Алгоритм оптимального управления для активной подвески можно определить аналитически [41]. Результат оптимизации характеристики для минимизации вертикальных ускорений и движений подвески показан кривой 1 на Рисунке 5.24. Для любого заданного предела хода подвески активная подвеска всегда даёт лучшую характеристику. На верхней границе используемого диапазона для пассивной подвески (определяемого заштрихованной областью) с активной подвеской возможно эквивалентное улучшение ходовых качеств с на 30% меньшим среднеквадратичным ускорением.

Оптимизация для езды (показанная кривой 1) менее, чем оптимальная для удержания дороги из-за недостаточного демпфирования резонансов вертикального подпрыгивания колеса. 30% уменьшение вертикального ускорения достигается за счёт коэффициента затухания неподрессоренной массы, который составляет лишь около 5%. Если эта оптимизация ограничена до более разумного коэффициента демпфирования неподрессоренной массы (20%), наилучшей характеристикой для активной подвески становится кривая 2 на Рисунке 5.24. При таком ограничении улучшение ходовых качеств активной подвеской по сравнению с лучшей пассивной подвеской сводится лишь примерно к 10 процентам.

Преимущества активной подвески в значительной степени получены за счёт контроля над движениями подрессоренной массы вблизи её резонансной частоты. Отклик вертикального ускорения этих двух систем показан на Рисунке 5.25.

Рис. 5.25. Сравнение отклика вертикального ускорения активных и пассивных систем [42].

На резонансной частоте подрессоренной массы активная подвеска снижает амплитуду отклика по сравнению с пассивной подвеской. Так как активная подвеска может измерять ускорения подрессоренной массы и возникающие силы, чтобы минимизировать их амплитуды, такая система обеспечивает очень эффективное демпфирование в этом режиме. На резонансной частоте неподрессоренной массы активная подвеска ведёт себя подобно пассивной подвеске. Так происходит потому, что силы в подвеске, необходимые для управления движениями подпрыгивания колеса, реагируют на подрессоренную массу, и обязательно увеличивали бы ускорения подрессоренной массы. В действительности, оптимизация ускорений при езде на подрессоренной массе не достигается, когда в качестве точки реакции для сил, контролирующих движение неподрессоренной массы, используется подрессоренная масса.