CN106847063B - 一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台及其信号处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台，包括：加载振动系统，包括底座，其连接在底座上的支撑筒，以及固定在支撑筒顶端的上支撑板；四个支撑杆，其下端固定在所述底座的上端平面上，上端固定在实验台顶端的上盖板上；空气弹簧，其一端与所述上盖板固定连接，另一端与弹簧升降装置连接，所述弹簧升降装置与固定在所述上支撑板上的空气弹簧支座连接；减震器，其与所述空气弹簧平行设置，其下端与固定在所述上支撑板上的减震器支座连接，上端与所述上盖板固定连接；高度传感器，其设置在所述上盖板与所述上支撑板之间，能够测量所述空气弹簧升降的高度。利用该平台进行试验测试，缩短了开发周期，同时避免了一些极限工况下的危险性。
Description
技术领域
本发明涉及一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台及其信号处理方法，属于实验台领域。
背景技术
悬架系统是车辆的重要组成部分。随着科技的发展及控制技术的不断进步，传统的商用车钢板弹簧式悬架系统由于其参数不可改变，制约了悬架系统作用的发挥，而电控空气悬架系统因为参数可调，可实现各工况下的性能最优，并且符合未来汽车低碳化、轻量化、智能化、个性化的发展趋势，从而成为研究热门和趋势。
商用车电控空气悬架系统(ECAS)仿真试验平台对于汽车先进电控技术的研究具有重要的理论与实际意义，可以用于开发ECAS系统控制策略、验证故障诊断及容错功能，并结合实时动力学软件进行整车的ECAS系统开发及实验台匹配，能够极大缩短开发周期，提升企业研发能力。
目前存在多种关于悬架系统的实验台，但是现行的悬架系统实验台主要为传统悬架系统实验台和教学演示用实验台，还没有一种专门用于商用车辆电控空气悬架产品研发及测试用实验台。
中国专利公布(告)号为CN103308327A，公布(告)日为2013.09.18，发明名称为“悬架部件在环实时仿真试验系统”，申请号为201210057269.4，申请人为长春孔辉汽车科技有限公司。该专利利用整车动力学模型，对悬架部件在环仿真实时系统和悬架部件实物进行闭环实时仿真系统的搭建，但是该试验系统针对的是乘用车悬架系统，并且不适合于空气悬架系统。
中国专利公布(告)号为CN103456229A，公布(告)日为2013.12.18，发明名称为“一种电控空气悬架实验台”，申请号为201310461279.9，申请人为江苏农林职业技术学院。该专利采用原车电控空气悬架配件作为实验台搭建基础，具有动态演示功能、显示功能、检测功能和故障设置功能，但是该实验台主要用于教学演示使用，不具备实时仿真平台，且无整车动力学模型，因此不能实时进行控制策略的验证及关键部件的测试。
中国专利公布(告)号为CN104537943A，公布(告)日为2015.04.22，发明名称为“汽车空气悬挂系统实验台”，申请号为201410840815.0，申请人为苏州龙联仪器科技有限公司。该专利通过高度控制阀调节悬架高度，完成对空气悬架高度和减振器硬度的调节，从而真实演示汽车空气悬架系统的工作过程，同样此专利也是为了实现演示作用，并不能进行实际控制策略的验证及部件测试。
目前还没有一种针对商用车辆电控空气悬架进行控制策略的验证及关键部件性能测试的硬件在环仿真实验台。
发明内容
本发明设计开发了一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台，能够提供一种对商用车辆电控空气悬架系统进行部件性能测试的仿真实验台。
本发明的另一个发明目的：提供一种信号处理方法，能够对振动信号进行处理，保证信号传递过程中振动信号的精度。
本发明提供的技术方案为：
一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台，包括：
加载振动系统，包括底座，连接在底座上的支撑筒，以及固定在支撑筒顶端的上支撑板；
四个支撑杆，其下端固定在所述底座的上端平面上，上端固定在实验台顶端的上盖板上；
空气弹簧，其一端与所述上盖板固定连接，另一端与弹簧升降装置连接，所述弹簧升降装置与固定在所述上支撑板上的空气弹簧支座连接；
减震器，其与所述空气弹簧平行设置，其下端与固定在所述上支撑板上的减震器支座连接，上端与所述上盖板固定连接；
高度传感器，其设置在所述上盖板与所述上支撑板之间，能够测量所述空气弹簧升降的高度。
优选的是，所述加载振动系统内部设置有位移载荷传感器，其一端固定在所述上支撑板的下方。
优选的是，所述加载振动系统内部还包括液压作动器，其一端连接在所述位移载荷传感器的底部，能够设置所述液压作动器变量，实现悬架系统下方的位移变化。
优选的是，所述四个支撑杆上端分别安装有套筒，通过螺栓与所述上盖板连接。
优选的是，所述实验台还包括测控系统，其与所述空气弹簧、减震器和所述高度传感器、加载振动系统分别连接，能够设置和传递命令信号，实现车身高度的调节。
优选的是，所述测控系统内设置有数据处理系统，能够处理实验台系统的振动信号。
一种用于商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，使用上述的数据处理系统，还包括：
步骤1、采用传感器对加载振动系统进行振动信号提取，采用时空滤波器进行滤波降噪，对振动信号进行消噪预处理，得到降噪信号；
步骤2、原始数据序列最终可以表示为：
其中，rn(t)为残余项，代表信号的平均趋势，IMF分量ci(t)代表信号的不同频段成分；采用经验模态分解(EMD)方法对降噪信号进行分解，得到相应平稳的的IMF分量；
步骤3、通过设定的临界值来选择IMF分量，能够防止IMF分量被意外去除；
步骤4、进行小波分析，得到所需IMF分量的频率信息。
优选的是，所述步骤3中设定的临界值为λ，设ci(t)与原始信号的相关系数为σi，i＝1,...,n，n为ci(t)的个数，λ是由σi最大值的比率决定，表示为λ＝max(σi)/δ，δ为比率因子，取η＝3.2。
本发明所述的有益效果：该实验台是为了进行商用车辆空气悬架控制策略的验证及进行空气弹簧、减震器和电磁阀的性能测试而搭建的；结构简单，容易操作，使用方便，利用该平台进行试验测试，缩短了开发周期，降低了研发成本，同时避免了一些极限工况下的危险性。
采用信号处理方法对振动信号进行处理，能够防止振动信号的在提取时受到其他信号的干扰，保证了信号传递过程中，振动信号的精度。
附图说明
图1为本发明所述的一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台；
图2为本发明所述的一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台；
图3为本发明所述的一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台空气悬架布置及装夹机构结构图；
图4为本发明所述的一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台模拟系统简图；
图5为高度调节中模拟实车下降/上升的高度变化曲线图；
图6为高度调节中模拟高度Ⅱ/高度Ⅰ的高度变化曲线图；
图7为高度调节中模拟侧跪时高度变化曲线图；
图8为跟踪控制中施加载荷时高度调节曲线图；
图9为跟踪控制中小范围激励时高度调节曲线图
图10为跟踪控制中大范围激励时高度调节曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-10所示，本发明提供了一种商用车辆电控空气悬架仿真实验台，包括：主机及显示系统100，目标机200，模拟系统300，执行系统400，控制器500。
执行系统400包括加载振动系统和空气悬架系统，加载振动系统包括底座440，其水平放置在地面上，支撑筒连接在底座440上，直径小于底座440，并与底座440同轴，支撑筒顶端面上固定有上支撑板460。四个支撑杆470的下端固定在底座440上，上端通过套筒471与实验台顶端的上盖板450通过螺纹螺母连接。
支撑装置设置在上支撑板460上，包括弹簧支撑架底座432，其与下支撑板460通过弹簧支撑架底座紧固螺栓433固定连接，弹簧支撑架升降台431通过螺纹与弹簧支撑架底座432连接，减震器支撑架421设置在弹簧支撑架底座432的一侧，下端与下支撑板460通过紧固螺栓连接。
空气悬架系统固定在加载振动系统上，包括：空气弹簧430，其上端通过空气弹簧紧固螺母434与上盖板450固定连接，下端与弹簧支撑架升降台431连接；设置在空气弹簧430一侧并与其平行的减震器420，上端通过减震器紧固螺母422与上盖板450连接，下端与减震器支撑架421连接，高度传感器410连接在上盖板450与上支撑板460之间。电磁阀480一端与供气机构连接，另一端与空气弹簧430连接，供气机构包括储气筒481和空气压缩机482，供气机构与电磁阀480和空气弹簧430之间形成气路，带动空气弹簧430升降。高度传感器410设置在上盖板450与上支撑板460之间，能够测量空气弹簧升降的高度。
加载振动系统内部设置有位移载荷传感器441，其一端固定在上支撑板460上，液压作动器442的一端连接在位移载荷传感器441的底部，能够设置液压作动器变量，实现悬架系统下方的位移变化
执行系统400共包括两条路线，其一为油路，其二为气路；油路为从油源445到液压作动器442；气路从空气压缩机482到储气筒481的进气口，从储气筒481的出气口到电磁阀480的中央进气口，从电磁阀480的的出气孔到空气弹簧430的进气口。
测控系统包括主机及显示系统100和目标机200，测控系统与空气弹簧430、减震器420、高度传感器410、加载振动系统分别连接，能够设置和传递命令信号，实现车身高度的调节。目标机200与空气悬架系统连接。在主机及显示系统100中，在主机110中建立整车模块111和空气悬架模块112。
显示系统120包括在显示系统上水平设置的主机显示屏121，设置在主机显示屏121一侧的控制柜显示屏122以及设置在显示系统120下部右侧的指示灯123。主机显示屏121用来进行指令输入和观察所需数值曲线，作为一种优选，本发明中指令输入包括点火信号、开关信号、制动信号、转向信号和车速信号；控制柜显示屏122用来显示加载振动系统的工作载荷、位移和温度等；指示灯123用来显示当前工作状态，并在必要时用于故障诊断。
目标机200为实时仿真模拟平台，能够通过网络与主机110相互连接，并通过网络下载主机110中的整车模块111和空气悬架模块112，进行运行，目标机200中还设置有A/D转换模块210和D/A转换模块220，实现数字信号和模拟量信号的相互转换，点火信号、开关信号、制动信号、转向信号和车速信号经由目标机200通过D/A转换模块220发送到控制器中500中。
目标机200的一端与控制器500连接，控制器500接收到点火信号、开关信号、制动信号、转向信号和车速信号后，对这些信号进行处理，并结合自身内部程序决策出控制信号，发送给执行系统400的电磁阀480和指示灯123，电磁阀480接收到控制信号后控制阀口的开启/关闭，进而控制空气弹簧430进行充气和放气，从而实现车身高度的调节。
目标机200同时将模拟控制信号输出给模拟系统300，主机110设置路谱信号，发送给整车模型，整车模型在此路谱上跑，通过空气悬架模型测量悬架下端位移变化量，再将此变化信号输出到伺服加载系统440的控制柜444中，控制液压作动器442进行加载，位移控制伺服加载系统440中位移及载荷传感器441的信号连同高度传感器410的信号通过A/D转换模块210输送到目标机中200中，进而输送到显示系统120上。
在测控系统中，还设置有处理系统，能够处理实验台系统的振动信号，保证传递过程中振动信号的精度。
本发明还提供一种用于商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，包括如下步骤：
步骤1、采用传感器对加载振动系统进行振动信号提取，采用时空滤波器进行滤波降噪，对振动信号进行消噪预处理，得到降噪信号；
步骤2、原始数据序列最终可以表示为：
其中，rn(t)为残余项，代表信号的平均趋势，IMF分量ci(t)代表信号的不同频段成分。采用经验模态分解(EMD)方法对降噪信号进行分解，得到相应平稳的的IMF分量；
步骤3、通过设定的临界值来选择IMF分量，能够防止IMF分量被意外去除；
根据各IMF分量与原始信号的相关系数，判断IMF分量的真伪，剔除与原始信号无相关性或相关性很弱的IMF分量，保留相关性较强的IMF分量，并设定一个合理的标准值来实现IMF分量的选择，也避免了低幅值但相关的IMF分量被意外的去除；所述设定的临界值为λ，设所述ci(t)与原始信号的相关系数为σi，i＝1,...,n，n为ci(t)的个数，λ是由σi最大值的比率决定，表示为λ＝max(σi)/δ，δ为比率因子，取η＝3.2。
步骤4、进行小波分析，得到所需IMF分量的频率信息
对任意信号f(t)，其小波变换可表示为f(t)与小波函数的内积，即
f∈L2(IR)，式中，
为ψa,b(t)的共轭，对上式进行离散化，得到离散小波变换
设信号x(t)的频带范围为0～f0，得到各子带宽度为f0/2n，则第i个子带频率范围可以表示为：
在工作时，由主机100设置点火信号、开关信号、制动信号、转向信号和车速信号，主机100设置完成的信号与整车模块111、空气悬架模块112通过网线发送到目标机中，其中，整车模型和空气悬架模型在目标机中运行，点火信号、开关信号、制动信号、转向信号和车速信号经由目标机200通过D/A转换模块220发送到控制器500中，控制器500接收到点火信号、开关信号、制动信号、转向信号和车速信号后，对这些信号进行处理，并结合自身内部程序决策出控制信号发送给电磁阀480和指示灯123。电磁阀480接收到控制信号后控制阀口的开启/关闭，进而控制空气弹簧430进行充放气，从而实现车身高度的调节。
目标机200同时将模拟信号输出给模拟系统300，高度传感器410信号模拟系统300的高度传感器信号共同通过A/D转换模块210返回到目标机200中，实现闭环控制；主机中设置路谱信号，发送给整车模型，整车模型在此路谱上跑，通过空气悬架模型测量悬架下端位移变化量，再将此变化信号输出到伺服加载系统440的控制柜444中，控制液压作动器442进行加载，位移控制伺服加载系统440中位移及载荷传感器441的信号连同高度传感器410的信号通过A/D转换模块210输送到目标机中200中，进而输送到显示系统120上。用于实验人员观看和记录数据。
实施例1
高度调节(静态按钮控制)，模拟实车控制面板上按钮，验证控制器控制程序的正确性，包括如下步骤：
1、实验台准备：将储气筒充气，将液压作动器和油源作为液压激振台并进行准备，汽车悬架系统与测控系统连接；控制器与电磁阀的中央阀与出气阀连接，控制器与第一高度传感器连接；
2、打开显示系统中液压作动器的操作界面，调节到试验初始高度后，切换到压力调节，并进行保持，准备实验；
工况1：如图5所示，从开始位置，高度在20mm处，将复位/锁止开关处于锁止位置，按下下降开关，下降高度到-20mm，观察曲线变化；再按下上升开关，上升到初始位置20mm处，观察曲线变化；
工况2：如图6所示，将初始高度设置为-30mm，然后将复位/锁止开关处于复位位置，高度回复到高度2，将复位/锁止开关处于锁止位置，按下高度1开关使弹簧高度到50mm，观察曲线变化。
工况3，如图7所示，将复位/锁止开关处于锁止位置，按下侧跪开关，并保持，观察曲线变化。
实施例2
跟踪控制(动态自动控制)，验证高度保持功能，当空气弹簧载荷发生变化时，验证控制器对空气弹簧跟踪控制程序的正确性。
试验步骤：
1、实验台准备：液压激振台进行准备，储气筒充气，汽车悬架系统与测控系统连接；控制器与电磁阀的中央阀与出气阀连接，控制器与第一高度传感器连接；(高度量程：-84mm～+40mm)；
2、打开测控系统中液压作动器的控制界面，调节到试验初始高度后，切换到压力调节，并保持；
3、通过程序由控制器给定跟踪控制高度，根据跟踪控制高度调整液压作动器保持该跟踪位置处压力平衡；
工况1如图8，改变激振台下方供给压力，模拟实车载荷变化，当施加载荷使空气弹簧超过误差范围并维持6s后，自动给空气弹簧充气维持在跟踪控制高度范围内。
工况2，通过激振台，提供给空气弹簧正弦变化压力，模拟路面激励。
1)如图9所示，当发出连续的路面激励时，空气弹簧高度未超过调节范围时，控制器对空气弹簧无控制。
2)如图10所示，当激励使得空气弹簧高度超处调节范围并持续超过6S后，控制器控制空气弹簧使高度维持在给定的跟踪控制高度范围内。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
Claims (6)
1.一种用于商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，其特征在于，所述商用车辆电控空气悬架仿真实验台包括：
加载振动系统，包括底座，其连接在底座上的支撑筒，以及固定在支撑筒顶端的上支撑板；
四个支撑杆，其下端固定在所述底座的上端平面上，上端固定在实验台顶端的上盖板上；
空气弹簧，其一端与所述上盖板固定连接，另一端与弹簧升降装置连接，所述弹簧升降装置与固定在所述上支撑板上的空气弹簧支座连接；
减震器，其与所述空气弹簧平行设置，其下端与固定在所述上支撑板上的减震器支座连接，上端与所述上盖板固定连接；
高度传感器，其设置在所述上盖板与所述上支撑板之间，能够测量所述空气弹簧升降的高度；
用于商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，包括：
步骤1、采用传感器对加载振动系统进行振动信号提取，采用时空滤波器进行滤波降噪，对振动信号进行消噪预处理，得到降噪信号；
步骤2、原始数据序列最终可以表示为：
其中，rn(t)为残余项，代表信号的平均趋势，IMF分量ci(t)代表信号的不同频段成分；采用经验模态分解(EMD)方法对降噪信号进行分解，得到相应平稳的的IMF分量；
步骤3、通过设定的临界值来选择IMF分量，能够防止IMF分量被意外去除；
其中，设定的临界值为λ，设ci(t)与原始信号的相关系数为σi，i＝1,...,n，n为ci(t)的个数，λ是由σi最大值的比率决定，表示为λ＝max(σi)/δ，δ为比率因子，取η＝3.2；
步骤4、进行小波分析，得到所需IMF分量的频率信息。
2.根据权利要求1所述的商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，其特征在于，所述加载振动系统内部设置有位移载荷传感器，其一端固定在所述上支撑板的下方。
3.根据权利要求2所述的商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，其特征在于，所述加载振动系统内部还包括液压作动器，其一端连接在所述位移载荷传感器的底部，能够设置所述液压作动器变量，实现悬架系统下方的位移变化。
4.根据权利要求1所述的商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，其特征在于，所述四个支撑杆上端分别安装有套筒，通过螺栓与所述上盖板连接。
5.根据权利要求1所述的商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，其特征在于，所述实验台还包括测控系统，其与所述空气弹簧、减震器和所述高度传感器、加载振动系统分别连接，能够设置和传递命令信号，实现车身高度的调节。
6.根据权利要求5所述的商用车辆电控空气悬架仿真实验台的信号处理方法，其特征在于，所述测控系统内设置有数据处理系统，能够处理实验台系统的振动信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Chen Gangqiang Inventor after: Ma Zhimin Inventor after: Yuan Qingze Inventor after: Liang Huafang Inventor after: Zhao Weiqiang Inventor after: Chen Guoying Inventor after: Zong Changfu Inventor after: Zheng Hongyu Inventor before: Chen Gangqiang Inventor before: Ma Zhimin Inventor before: Yuan Qingze Inventor before: Liang Huafang Inventor before: Zhao Weiqiang Inventor before: Chen Guoying Inventor before: Zong Changfu Inventor before: Zheng Hongyu |