江洪,楊勇福,余鵬飛,徐興,李美
(1.江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇大學(xué) 汽車工程研究院,鎮(zhèn)江 212013;3.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,???570228)
隨著汽車技術(shù)的發(fā)展,在傳統(tǒng)空氣懸架基礎(chǔ)上出現(xiàn)的新型互聯(lián)空氣懸架結(jié)構(gòu),能更好地滿足人們對(duì)乘坐舒適性和操縱穩(wěn)定性的需求.目前對(duì)互聯(lián)懸架的研究主要集中于連通式的油氣彈簧懸架[1],而互聯(lián)空氣懸架相關(guān)的研究與應(yīng)用卻不多見(jiàn).互聯(lián)空氣懸架將傳統(tǒng)空氣懸架中相鄰的空氣彈簧用氣動(dòng)管路相連接,當(dāng)受到路面沖擊時(shí),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[2-3].按照管路連接方式的不同,可以分為橫向互聯(lián)、縱向互聯(lián)等互聯(lián)結(jié)構(gòu)形式.對(duì)于轎車、越野車等中小型車輛而言,由于車身空間有限,不可能布置較長(zhǎng)較粗的管路,橫向互聯(lián)結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)[4].
近年來(lái)一些學(xué)者對(duì)車輛氣動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)能方面進(jìn)行了初步探索,在傳統(tǒng)開(kāi)環(huán)懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出的閉環(huán)懸架系統(tǒng),可以有效地減少能量損失并降低空氣彈簧排氣時(shí)造成的噪聲污染[5-6].高低壓罐氣路閉環(huán)空氣懸架車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)則是在單體儲(chǔ)氣罐的基礎(chǔ)上通過(guò)添設(shè)低壓罐,將車身高度降低時(shí)空氣彈簧排出的高壓氣體儲(chǔ)存起來(lái),避免高壓氣體直接排放到大氣中造成氣體能量的損耗.高壓罐則為空氣彈簧充氣時(shí)提供高壓氣源.利用“高壓罐-空氣彈簧-低壓罐-空壓機(jī)-高壓罐”的氣路閉環(huán)結(jié)構(gòu),可以有效改善車身高度調(diào)節(jié)性能,同時(shí)減少車身高度調(diào)節(jié)過(guò)程中的能量損耗.
結(jié)合橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)與高低壓罐氣路閉環(huán)空氣懸架系統(tǒng)兩方面的優(yōu)點(diǎn),提出氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng).目前對(duì)車身高度控制的研究多集中在非互聯(lián)懸架系統(tǒng)領(lǐng)域,而傳統(tǒng)空氣懸架車身高度控制策略應(yīng)用于互聯(lián)懸架存在移植性缺陷,難以充分發(fā)揮氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn).本文對(duì)傳統(tǒng)比例積分微分(PID)控制策略進(jìn)行改進(jìn),形成專門適用于橫向互聯(lián)懸架車身高度調(diào)節(jié)的比例積分微分-脈沖寬度調(diào)制(Proportion Integration Differentiation-Pulse-Width Modulation,PIDPWM)控制策略,用以解決調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、超調(diào)現(xiàn)象明顯等問(wèn)題.對(duì)控制策略的實(shí)際控制效果進(jìn)行驗(yàn)證,進(jìn)行仿真與試驗(yàn)研究,并分析儲(chǔ)氣罐不同初始?xì)鈮簩?duì)車身高度調(diào)節(jié)時(shí)間與誤差的影響.
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(kāi)環(huán)和氣路閉環(huán)兩種空氣懸架系統(tǒng)類型[7-8].氣路開(kāi)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(chǔ)氣罐收集起來(lái),循環(huán)使用.高低壓罐氣路閉環(huán)空氣懸架系統(tǒng)結(jié)構(gòu),通過(guò)增加蓄能低壓罐的方式實(shí)現(xiàn)車身高度調(diào)節(jié)氣路系統(tǒng)的閉環(huán)控制.氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖如圖1所示.電子控制單元(Electronic Control Unit,ECU)控制不同電磁閥的開(kāi)閉實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣彈簧的充放氣,從而完成對(duì)車身高度的調(diào)節(jié).充氣時(shí)高壓罐內(nèi)的高壓氣體依靠高壓罐與空氣彈簧之間的氣壓差通過(guò)電磁閥a3和a4流向空氣彈簧中,車身克服自身重力和減振器阻尼力而升高;放氣時(shí)空氣彈簧內(nèi)氣體依靠空氣彈簧與低壓罐之間的氣壓差通過(guò)電磁閥a1和a2排放到低壓罐中,空氣彈簧內(nèi)氣壓減小,車身在自身重力作用下克服空氣彈簧力與減振器阻尼力而降低[9];升壓時(shí)啟動(dòng)空壓機(jī),把低壓罐內(nèi)氣體壓縮后泵入高壓罐中循環(huán)使用.由于空氣彈簧排出的壓縮氣體排放到低壓罐中,系統(tǒng)在減少能耗的同時(shí)降低了系統(tǒng)工作時(shí)產(chǎn)生的噪聲污染.

圖1 氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic diagram of closed-loop air circuit laterally interconnected air suspension system
在車身高度調(diào)節(jié)過(guò)程中,高度跟蹤系統(tǒng)的非線性及遲滯性是產(chǎn)生“過(guò)充”和“過(guò)放”現(xiàn)象的主要原因.電控空氣懸架系統(tǒng)最主要的特點(diǎn)是車身高度可根據(jù)目標(biāo)高度做出快速調(diào)節(jié),結(jié)合氣動(dòng)理論與控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)車身高度的有效控制[10].通過(guò)控制PWM的占空比可控制質(zhì)量流量的大小[11],其中,占空比為電磁閥打開(kāi)時(shí)間與控制周期之比.PID控制器運(yùn)用于車輛懸架系統(tǒng)的半主動(dòng)控制,具有原理簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、易于實(shí)現(xiàn)、參數(shù)的選定比較簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),在工程應(yīng)用中受到廣泛的歡迎[12].PID控制策略多用于傳統(tǒng)非互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)[13-14],將傳統(tǒng)PID控制與PWM控制相結(jié)合,形成專門適用于互聯(lián)懸架車身高度調(diào)節(jié)的PID-PWM控制策略.ECU通過(guò)傳感器對(duì)實(shí)際車身高度跟蹤監(jiān)測(cè),判斷是否充放氣,根據(jù)高度傳感器采集到的4個(gè)空氣彈簧高度值得到車身俯仰角大小:

式中:θ為車身俯仰角;Z1為前左空氣彈簧高度;Z2為前右空氣彈簧高度;Z3為后左空氣彈簧高度;Z4為后右空氣彈簧高度;a為前軸到車身質(zhì)心處的距離;b為后軸到車身質(zhì)心處的距離.
根據(jù)車身俯仰角大小,分配前后兩端空氣彈簧不同的車身姿態(tài)修正系數(shù),可通過(guò)調(diào)節(jié)PID控制算法中前后兩端空氣彈簧不同比例系數(shù)的方法達(dá)到車身姿態(tài)修正系數(shù)分配的目的.PID控制中,比例系數(shù)的作用是減小實(shí)際高度與目標(biāo)高度之間的偏差,其取值大小直接影響車身高度調(diào)節(jié)速度的快慢;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(shì)預(yù)先給出適當(dāng)?shù)募m正,防止產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象.PID控制器通過(guò)電磁閥間接實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體質(zhì)量流量輸出大小的控制,然而電磁閥只有打開(kāi)和關(guān)閉兩種狀態(tài),不能實(shí)現(xiàn)氣體質(zhì)量流量的無(wú)級(jí)可調(diào),為此需要通過(guò)控制PWM的方式調(diào)節(jié)充放氣的平均氣體質(zhì)量流量大小.
電磁閥的頻繁切換會(huì)影響其使用壽命,故電磁閥通電時(shí)間不能太短.當(dāng)車身高度非常接近目標(biāo)高度時(shí),不能無(wú)限制地減小占空比來(lái)使車身實(shí)際高度準(zhǔn)確達(dá)到目標(biāo)高度,需根據(jù)允許的高度偏差范圍、電磁閥最短通電時(shí)間來(lái)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(hào)變化而輸出信號(hào)沒(méi)有相應(yīng)變化的高度區(qū)間.當(dāng)高度偏差位于此高度死區(qū)范圍內(nèi)時(shí),即可停止車身高度調(diào)節(jié)[6].
設(shè)定空氣彈簧有低位、中位和高位3個(gè)工作位置,駕駛員可根據(jù)不同的路面狀況及車速選擇不同行駛高度.當(dāng)車輛在不良路面上行駛時(shí),抬升車身高度,從而提高車輛的通過(guò)性;當(dāng)車輛高速行駛時(shí),降低車身高度從而降低質(zhì)心位置,提高車輛行駛安全性,減小側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn).當(dāng)目標(biāo)高度選定后,ECU開(kāi)始自動(dòng)調(diào)節(jié)車身高度.圖2為車身高度控制流程圖.

圖2 車身高度控制流程圖Fig.2 Flowchart of vehicle height control strategy
氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)車身高度調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型具有復(fù)雜的非線性特點(diǎn),車身高度調(diào)節(jié)更多關(guān)注的是空氣彈簧、減振器和簧載質(zhì)量構(gòu)成的高度調(diào)節(jié)系統(tǒng),而忽略簧下質(zhì)量和路面等級(jí)等干擾信息[10].整車物理模型簡(jiǎn)化如圖3所示.

圖3 空氣懸架系統(tǒng)整車模型Fig.3 Whole vehicle model of air suspension system
在分析橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)的基礎(chǔ)上利用車輛系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和牛頓運(yùn)動(dòng)學(xué)定律建立整車數(shù)學(xué)模型,得到整車數(shù)學(xué)模型運(yùn)動(dòng)方程:

式中:Fi為 4 個(gè)懸架受到的作用力,i=1,2,3,4;Iy為關(guān)于y軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;Pi為4個(gè)空氣彈簧相對(duì)氣壓;V0為空氣彈簧初始容積;k為絕熱指數(shù);R為常數(shù);Ti為4個(gè)空氣彈簧內(nèi)部氣體溫度;qm_i為4個(gè)空氣彈簧氣體質(zhì)量流量;Ae_i為4個(gè)空氣彈簧的有效面積;Mi為4個(gè)空氣彈簧處的簧載質(zhì)量;Ci為4個(gè)減振器阻尼系數(shù);g為重力加速度.
在滿足工程應(yīng)用的前提下,可以將管路與電磁閥等零件的節(jié)流作用等效為節(jié)流孔,節(jié)流孔主要對(duì)管路中流量起到限制與阻礙作用,根據(jù)節(jié)流孔上游壓力與下游壓力可得到一維均熵流動(dòng)下流經(jīng)小孔的質(zhì)量流量[15]為

式中:qm為質(zhì)量流量;A為節(jié)流孔有效流通面積;Pup為上游氣體絕對(duì)壓力;Pdn為下游氣體絕對(duì)壓力;Tup為上游氣體溫度;k為絕熱指數(shù);β為臨界壓力比,β=0.528,當(dāng) Pdn/Pup≤β 時(shí),管路流量屬于聲速流狀態(tài),當(dāng)β<Pdn/Pup≤1時(shí),管路流量屬于亞聲速流狀態(tài).
在MATLAB/Simulink中建立車身高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型,通過(guò)仿真分析驗(yàn)證控制策略的可行性.整車仿真參數(shù)參考某型轎車的尺寸參數(shù),見(jiàn)表1.

表1 整車參數(shù)Table 1 Whole vehicle parameters
氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)中,前左與前右空氣彈簧相互連通,故前左與前右空氣彈簧在同一時(shí)刻高度變化可視為一致,將前左、前右空氣彈簧不同時(shí)刻的高度變化示數(shù)取平均值,統(tǒng)一為一條高度變化曲線:前空氣彈簧高度變化曲線.后左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(guò)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.
設(shè)低位模式坐標(biāo)為-20mm,中位模式為0,高位模式為20mm.圖4為駐車工況下車身高度在低位與中位間的調(diào)節(jié)結(jié)果.由于中位與高位、低位與高位間的調(diào)節(jié)機(jī)理與低位至中位相同,故全文僅以低位與中位間的調(diào)節(jié)為例進(jìn)行分析.從仿真結(jié)果可以看出,利用PID-PWM控制策略順利實(shí)現(xiàn)了車身高度的調(diào)節(jié),該控制策略作動(dòng)及時(shí),響應(yīng)迅速,調(diào)節(jié)后的實(shí)際高度準(zhǔn)確達(dá)到了目標(biāo)高度,且避免了超調(diào)現(xiàn)象.

圖4 低位到中位和中位到低位車身高度調(diào)節(jié)仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of vehicle height adjustment from low mode to normal mode and from normal mode to low mode
試驗(yàn)所用整車臺(tái)架根據(jù)某型轎車的尺寸參數(shù)搭建而成.整車臺(tái)架的長(zhǎng)度、寬度、軸距等參數(shù)均按照參考車型設(shè)計(jì),試驗(yàn)參數(shù)與仿真參數(shù)一致.搭建的氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架系統(tǒng)整車試驗(yàn)臺(tái)架如圖5所示.
這里主要分析駐車工況下車身高度在低位與中位間的調(diào)節(jié)結(jié)果.圖6和圖7分別為低位到中位車身高度隨時(shí)間的變化曲線與相應(yīng)占空比信號(hào)隨時(shí)間變化曲線.調(diào)節(jié)過(guò)程中,ECU根據(jù)控制算法實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)占空比大小.當(dāng)車身高度與目標(biāo)高度距離偏差較大時(shí),ECU控制發(fā)出較大的占空比信號(hào),加快充氣速度;當(dāng)車身高度與目標(biāo)高度距離偏差較小時(shí),ECU控制發(fā)出較小的占空比信號(hào),減緩充氣速度.

圖6 低位到中位車身高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Test results of vehicle height adjustment from low mode to normal mode

圖7 低位到中位車身高度調(diào)節(jié)占空比信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Test results of the duty cycle signal during vehicle height adjustment from low mode to normal mode
為保持調(diào)節(jié)過(guò)程中車身姿態(tài)的穩(wěn)定性,同一時(shí)刻分配給前后空氣彈簧充氣電磁閥不同大小的占空比.如圖7所示,以前空氣彈簧占空比信號(hào)為例,其占空比大小在車身高度調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)了幾次突變,且數(shù)值變化趨勢(shì)和后空氣彈簧剛好相反.前空氣彈簧和后空氣彈簧在不同時(shí)段的脈沖長(zhǎng)度也不相同,從而更加精確地控制氣體質(zhì)量流量大小,使實(shí)際車身高度更加接近目標(biāo)高度.從調(diào)節(jié)結(jié)果可知,車身高度從低位準(zhǔn)確迅速升至中位,且穩(wěn)定后的高度與目標(biāo)高度偏差很小.
車身高度從中位降至低位時(shí),由于車身受力差異及電磁閥兩端壓差對(duì)進(jìn)排氣質(zhì)量流量的影響等因素的作用,其調(diào)節(jié)過(guò)程與車身高度從低位抬升至中位略有不同.從圖8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(shí)間長(zhǎng)3 s左右.圖9與圖7比較可知,車身高度降低過(guò)程中會(huì)更加頻繁地調(diào)整占空比大小.
對(duì)比車身高度調(diào)節(jié)仿真結(jié)果(圖4)與試驗(yàn)結(jié)果(圖6和圖8)可知,車身高度調(diào)節(jié)效果基本吻合,但相比于車身高度調(diào)節(jié)仿真過(guò)程,試驗(yàn)調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)(3~5 s).這是由于建模仿真時(shí)沒(méi)有考慮氣體湍流效應(yīng)等因素,導(dǎo)致所建模型不能完全真實(shí)地模擬車輛懸架系統(tǒng).

圖8 中位到低位車身高度調(diào)節(jié)試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Test results of vehicle height adjustment from normal mode to low mode

圖9 中位到低位車身高度調(diào)節(jié)占空比信號(hào)試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Test results of the duty cycle signal during vehicle height adjustment from normal mode to low mode
儲(chǔ)氣罐初始?xì)鈮旱暮侠磉x擇對(duì)車身高度調(diào)節(jié)過(guò)程的順利實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要.試驗(yàn)中為能順利實(shí)現(xiàn)車身高度的切換,要求車身高度抬升至中位時(shí)高壓罐最低初始?xì)鈮簽?.75MPa,同時(shí)由于氣動(dòng)管路承壓范圍的限制,高壓罐最高氣壓不能超過(guò)1MPa;車身高度降至低位時(shí)低壓罐最高初始?xì)鈮簽?.35MPa.為研究?jī)?chǔ)氣罐不同初始?xì)鈮簩?duì)車身高度調(diào)節(jié)的影響,試驗(yàn)中高壓罐初始?xì)鈮悍譃?.75、0.80、0.85、0.90 和0.95MPa 5 種情況,低壓罐初始?xì)鈮悍譃?0、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30 和0.35MPa 8 種情況.其中,調(diào)節(jié)時(shí)間指車身高度開(kāi)始作動(dòng)至車身高度達(dá)到高度死區(qū)范圍(高度偏差2%以內(nèi))所耗時(shí)間.調(diào)節(jié)誤差指高度調(diào)節(jié)穩(wěn)定后的偏差與目標(biāo)高度的百分比.
圖10(a)為車身高度在從低位抬升至中位時(shí)高壓罐不同初始?xì)鈮簩?duì)調(diào)節(jié)時(shí)間t與調(diào)節(jié)誤差δ的影響.從圖中可以看出,隨著高壓罐初始?xì)鈮旱脑龃螅嚿砀叨日{(diào)節(jié)時(shí)間越來(lái)越快,調(diào)節(jié)誤差也有所改善.由此可見(jiàn)車身高度抬升過(guò)程中空氣彈簧與高壓罐間的氣壓差越大越有利于車身高度調(diào)節(jié)過(guò)程的實(shí)現(xiàn).
圖10(b)為車身高度在從中位降至低位時(shí)低壓罐不同初始?xì)鈮簩?duì)調(diào)節(jié)時(shí)間與調(diào)節(jié)誤差的影響.從圖中可以看出,低壓罐不同初始?xì)鈮簩?duì)車身高度調(diào)節(jié)時(shí)間與調(diào)節(jié)誤差影響不顯著.當(dāng)?shù)蛪汗蕹跏細(xì)鈮撼^(guò)0.30MPa時(shí)高度調(diào)節(jié)時(shí)間將會(huì)變長(zhǎng),這是由于車身高度降低過(guò)程中空氣彈簧氣壓與低壓罐氣壓差逐漸減小導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間增加.

圖10 高壓罐和低壓罐不同初始?xì)鈮簩?duì)車身高度調(diào)節(jié)的影響Fig.10 Impact of different initial pressure of high low pressure chambers on vehicle height adjustment
基于儲(chǔ)氣罐初始?xì)鈮河绊懛治隹芍?,高壓罐初始?xì)鈮涸?.85~0.95MPa范圍,低壓罐初始?xì)鈮涸?~0.05MPa范圍時(shí)車身高度調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)較短,調(diào)節(jié)誤差相對(duì)較小.但進(jìn)一步研究可知,高壓罐初始?xì)鈮涸降停蛪汗蕹跏細(xì)鈮涸礁咴接欣谀芎慕?jīng)濟(jì)性.實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)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(chǔ)氣罐初始?xì)鈮簠?shù).
1)結(jié)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(shì),設(shè)計(jì)了高低壓罐氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架車身高度控制系統(tǒng),并對(duì)傳統(tǒng)PID-PWM空氣懸架車身高度控制策略進(jìn)行改進(jìn),形成了專用于互聯(lián)懸架系統(tǒng)的車身高度控制策略.建立了整車數(shù)學(xué)模型,搭建高低壓罐氣路閉環(huán)橫向互聯(lián)空氣懸架車身高度控制試驗(yàn)平臺(tái).
2)對(duì)控制策略的實(shí)際控制效果進(jìn)行仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證.仿真與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合,所設(shè)計(jì)的控制策略能快速準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)車身高度至目標(biāo)高度,解決了采用傳統(tǒng)車身高度控制策略時(shí)存在的調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)及超調(diào)現(xiàn)象等問(wèn)題,驗(yàn)證了所建模型的正確性以及控制策略的有效性.
3)對(duì)儲(chǔ)氣罐不同初始?xì)鈮河绊戇M(jìn)行分析.試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著高壓罐初始?xì)鈮旱脑龃螅嚿砀叨日{(diào)節(jié)時(shí)間顯著加快,調(diào)節(jié)誤差也有所減小.但低壓罐不同初始?xì)鈮簩?duì)車身高度調(diào)節(jié)時(shí)間與調(diào)節(jié)誤差影響不顯著.
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