CN113815431B - 一种工业车辆驾驶感改善方法 - Google Patents

Abstract

一种工业车辆驾驶感改善方法，基于电动工业车辆控制系统中指令转速与测量车辆运动情况而获得的实际转速作差而获得的转速差ΔN，以工业车辆彼此不同的加速或减速动态调节模式为划分基准分别处理，在转速差ΔN超出给定的转速阈值ΔNref后基于转速差作为输入计算获取加减速比例因子K，并将加减速比例因子K分别用于控制加速或减速工况下的指令转速的调整，使得指令转速按照被调整为与实际转速不断接近的方式调控工业车辆的行进速度。

Description

一种工业车辆驾驶感改善方法

技术领域

本发明涉及新能源工业车辆领域，尤其涉及一种工业车辆驾驶感改善方法。

背景技术

工业车辆，尤其是不同于一般民用车辆的重载型工业车辆，例如吊车、铲车、挖机、叉车等重型车辆，其在进行爬坡，或者超载运行时，理想的其中一项需求是驾驶员在控制松开加速器之后，车辆应当尽快停止，防止出现车辆在短时间内继续向前的非受控感觉。但是由于一定的原因，会导致车辆不能够及时停止，这会导致驾驶员产生车辆非受控的异常驾驶感，这对于工业车辆的稳定控制也是有一定影响的，常规的工业车辆的操控效果以及工作效果有很大一部分是来自于驾驶员的熟练经验，训练有素的驾驶员能够熟练地将工业车辆精确停靠在指定的位置、能够根据车辆本身特性以及本次驾驶时的附加特性做预估车辆制动时的前行距离来精确控制车辆停止的位置，然而由上述非受控的异常驾驶感所带来的预估偏差对于驾驶员的影响是很大的，其在此影响下很可能不能够稳定且精确的操作工业车辆。

上述造成车辆在松开加速器后不能够及时停止的原因至少有两点，以新能源的电动叉车为例，其一是车辆在重载或者爬坡时，由于输出电流的限制，可能会出现实际转速跟随不上指令转速的情况，此时车辆常用的速度环PI调节中的积分会不断地增加，等到松开加速器进行制动时，由于PI调节退积分需要一定的时间，继而导致制动时间、距离变长；其二是，当在实际转速跟随不上指令转速的情况下行驶一段时间后，指令转速可能已经达到一个很高的水平，然而实际转速却仍然很低，此时若松开加速器形成制动，需要等待指令转速以正常减速率转速下降到实际转速大小，然后再一起减速到零，这也会导致制动时间、距离变长。

现有技术通过PI防积分饱和算法防止积分过度积累的方法，在积分达到饱和阈值后会有效果。但是在积分累积很大，但是又未达到放饱和阈值时，不能起到很好的作用。降低阈值又会影响到正常的控制。

此外，一方面由于对本领域技术人员的理解存在差异；另一方面由于申请人做出本发明时研究了大量文献和专利，但篇幅所限并未详细罗列所有的细节与内容，然而这绝非本发明不具备这些现有技术的特征，相反本发明已经具备现有技术的所有特征，而且申请人保留在背景技术中增加相关现有技术之权利。

发明内容

针对现有技术之不足，本发明提供了一种工业车辆驾驶感改善方法，基于电动工业车辆控制系统中指令转速与测量车辆运动情况而获得的实际转速作差而获得的转速差ΔN，以工业车辆彼此不同的加速或减速动态调节模式为划分基准分别处理，在转速差ΔN超出给定的转速阈值ΔNref后基于转速差作为输入计算获取加减速比例因子K，并将加减速比例因子K分别用于控制加速或减速工况下的指令转速的调整，使得指令转速按照被调整为与实际转速不断接近的方式调控工业车辆的行进速度。

本发明以给定与实际转速之间的差值作为输入，结合给定的偏差阈值，计算出加，减速率的比例系数。当转速偏差持续变大超过给定阈值时，通过计算出来的加速度比例因子，在系统加速时合理限制加速率，防止速度差太大导致的积分过度累加；在系统减速时合理增加减速率，让指令转速快速与实际转速接近，进行有效的制动控制。

通过合理控制转速差的方法，防止了速度环路控制中，积分项的无效累加，以及缩短了无效制动控制的时间，以此改善其重载爬坡驾驶感。

本发明相比现有技术，不用额外优化控制环路的防积分饱和算法，不用增加快速退饱和策略，因此也减小了由于改变了控制环路的特性，可能导致系统控制受限或者不稳定的可能性。

优选地，在转速差ΔN处于给定的转速阈值ΔNref范围内时，加减速计算比例因子K设置为等于第一比例因子K1，第一比例因子K1为固定值且根据加速和减速的情况不同而彼此不同。

优选地，当转速差ΔN处于给定的转速阈值ΔNref范围外时，且电动工业车辆正在执行加速的动态调节时，加减速计算比例因子K设置为第二比例因子K2，且第二比例因子K2伴随转速差增大而减小。

优选地，当转速差ΔN处于给定的转速阈值ΔNref范围外时，且电动工业车辆正在执行减速的动态调节时，加减速计算比例因子K设置为第二比例因子K2，且第二比例因子K2伴随转速差增大而增大。

优选地，在减速情况下，第二比例因子K2至少具有一个增大的最大值K3，最大值K3为固定值且不再随转速差增大而增大。

优选地，在加速情况下，且转速差超出转速阈值范围时，加减速计算比例因子与转速差关系表述为K＝D1*ΔN，其中，D1为第一关系系数，且被设置固定的负数值。

优选地，在减速情况下，且转速差超出转速阈值范围时，加减速计算比例因子与转速差关系表述为K＝D2*ΔN，其中，D2为第二关系系数，且被设置固定的正数值。

优选地，判断工业车辆加减速情况是由速度指令输入模块完成的，速度指令输入模块构成为加速踏板、制动踏板、调速旋钮以及调速推杆中的至少一种或几种，基于特定部件的触发和/或特定方向的操作，能够判断驾驶员预期的加减速方向。

优选地，在获取加减速情况后，电机控制模块接收速度指令输入模块的调节信号而对主驱电机进行调控，其中，电机控制模块内还设置有指令自整定模块，加减速计算比例因子K是由指令自整定模块计算获得的。

优选地，指令自整定模块获取的加减速计算比例因子K发送至速度/电流控制模块以调整由该单元即将发送至主驱电机的指令转速数值大小以使得指令转速能够与实际转速调整接近。

附图说明

图1是本发明所对应的工业车辆控制系统拓扑图；

图2是本发明提供的加减速指令整定算法示意图；

图中：K、加减速计算比例因子；ΔN、转速差；ΔNref、转速阈值；K1、第一比例因子；D1、第一关系系数；D2、第二关系系数。

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

图1和图2所示，本发明提供一种工业车辆驾驶感改善方法，其用于解决车辆，尤其是重载工业车辆在行驶时的驾驶感在一些实际转速和指令转速下不匹配而产生了与正常情况下的差异的问题。工业车辆不同于普通的民用车辆，其载重大小、载重范围、通过路况、车身重心变化等运行参数均与民用车辆存在一定的不同，以重载的新能源电动叉车为例，其在斜坡上行驶过程中，若驾驶员松开加速器以寻求车辆制动时，正确且理想的情况是车辆响应于驾驶员松开加速器的指令而尽快停止前进并迅速将车速降低至零。然而由于一些非理想的原因，工业车辆并不能够很好地执行这一制动的指令，由此带来了车辆制动过程的延后，车辆不能够及实地停下，驾驶员在产生制动指令之后车辆的实际制动比预期的来的要晚，容易造成驾驶员驾驶感受不匹配的问题，由此对驾驶员的驾驶感产生一定的困扰，在工业车辆驾驶中，通常选择具有驾驶资格的专业工业车辆驾驶员来进行工业车辆的操作，这些驾驶员通常具有多年丰富的工业车辆驾驶经验，在应对一些驾驶情况，例如在半坡上进行制动时，驾驶员通常会根据以往的驾驶经验以及要求的停车地点而预估地选择松开加速器或者向车辆发出制动信号的时间，在理想情况下车辆经过一定的符合力学逻辑的减速之后即可稳定且准确地停靠在指定的地点，然而此时由于车辆的实际转速与驾驶员用于判断车辆制动情况的预期转速产生了一定的差异，也即是说在车辆制动控制下，车辆实际的速度情况不能够跟随制动指令的变化，在此非受控的驾驶感反馈下，产生的预估偏差对于驾驶员的影响是很大的，因为基于一个错位的驾驶感其很难通过已有的驾驶经验来判断精确制动的时间点，最终导致驾驶效果不佳。

产生上述驾驶感错位的原因一般有两个方面，仍然以新能源电动叉车制动的过程为例，第一个原因在于，车辆在重载或者爬坡时，由于输出电流的限制，可能会出现实际转速跟不上指令转速的情况，此时工业车辆常用的速度环PI调节会持续积累调整积分，当驾驶员松开加速器并开展制动时，由于向前积压的大量调整积分，控制环需要一端时间进行退积分的操作，继而会导致制动的时间以及距离增加。另一个原因在于，在上述的实际转速跟随不上指令转速行驶一端时间之后，指令转速可能已经达到一个较高的数值，然而实际的转速却仍然较低，此时如果松开加速器以制动，需要等待指令转速以正常减速率下降到实际的转速大小，然后再一起减速至零，则同样会导致制动时间和距离增加。

常用的PI环路调控方案是将给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，PI调节适用于具有大惯性、大滞后的被控对象，但是其控制过程会积累大量的偏差积分，虽然PI调控设置有防积分饱和算法以防止积分过渡的积累，但是该方法仅在积分达到饱和阈值之后才会起效果，但是对于积分累积很大但是有没有达到饱和阈值的情况下，该项防饱和算法不能起效。但是如果降低饱和阈值来减少积分最大积累量又可能影响到正常的环路控制，因为需要一定的阈值来适应给定值和实际输出值差异较大的情况。

上述问题的出现，均是与指令转速和实际转速之间的差异有关，该差异间接决定了转速环积分项无效累加的程度，以及有效制动的时间。因此为解决此问题，本发明以指令转速与实际转速之间的差值作为输入，结合给定的偏差阈值，计算获得加、减速率的比例系数，当转速偏差持续变大超过给定的阈值时，通过计算出来的加速度比例因子，在系统加速时合理限制加速率，防止转速差太大导致的积分过渡累加；在系统减速时合理地增加减速率，让指令转速快速与实际转速接近的方式，进行有效的行动控制。通过合理控制转速差的方法，防止了速度环路控制中，积分项的无效累加，以及缩短了无效制动控制的时间，以此改进重载爬坡的驾驶感。

具体地，工程车辆上设置有检测组件，检测组件被配置为至少能够检测工程车辆的实际转速，该检测组件可以选择转速检测器、速度传感器等等结构，检测组件实际测量车辆运行过程中的转速称为实际转速，它真实反映了车辆当时的转速。另一个需要从车辆原有控制系统中获取的参数为控制系统控制车辆进行转速变化的指令转速，指令转速是指控制系统用于控制动力系统向目标转速进行变化的目标值，控制系统为工程车辆现有的具有控制整车或者至少一个车辆运行参数的功能载体，例如工程车辆的行车电脑或者车辆控制模块等，动力系统为主要负责动力输出以驱动车辆进行运行，在本次描述的控制过程中，动力系统作为被控对象而接收控制系统的控制指令来改变其动力输出的相关参数以达成控制指令的目标，在此，控制指令即为上述指令转速。实际转速与指令转速均为汽油机上的发动机或者电动车上的电动机的转动速度，其在理想情况下与车速有关，可以在一定情况下反映工业车辆运行的速度，其单位通常可以描述为圈数/时间。在获取实际转速与指令转速后，对两者进行差值计算以获得转速差，转速差呈一定的方向性，即当差值计算公式设置为实际转速减指令转速时，当实际转速大于指令转速时，转速差为正值，当实际转速小于指令转速时，转速差为负值。优选地，转速差在进行处理时可以处理为取相对值，也即是取模量，这个模量描述的时实际转速与指令转速的差异大小。

在获得转速差后，与转速阈值作为算法模块的输入。转速阈值为预设的用于判断转速差的数值大小是否是可以接受的范围。当转速差包含在所述转速阈值内时，加减速计算比例因子设置为一个固定值，该固定值可以称为第一比例因子，在此情况下，可以认为实际转速与指令转速之间的差异属于能够接受的范围，可以采用同一的比例因子进行调控，在此情况下仅需要车辆控制系统本身的鲁棒性就可以应付该情况下的车辆制动控制。当转速差超出转速阈值时，加减速计算比例因子以第一比例因子作为变化基础按照加速、减速的工况，基于一定的规则，线性地增加或者减小，此时获得的加减速计算比例因子可以称为第二比例因子，不同于第一比例因子，第二比例因子是能够随着转速差的变化而产生变化的。

上述规则可以构成为利用公式进行描述，且加减速计算比例因子随转速差的变化而构成相同或者不同。具体地，如图2所示，实际转速与指令转速的转速差表示为ΔN，转速阈值表示为ΔNref，加减速计算比例因子表示为K，第一比例因子表示为K1，第二比例因子表示为K2(图中未示出)。

在车辆加速情况下(即Acc)，该种情况一般是车辆启动或者在行驶中变速加速的情况，转速差ΔN小于或等于转速阈值ΔNref时，加减速计算比例因子K等于第一比例因子K1且不随转速差ΔN在转速阈值ΔNref范围内的变化而变化；在转速差ΔN大于转速阈值ΔNref时，加减速计算比例因子K＝K2，且K2能够随转速差ΔN在超出转速阈值ΔNref外的变化而变化，且具体的变化趋势为K2随着转速差ΔN增大而逐渐减小，该递减变化趋势是线性的，在二维坐标系关系图中，可以将转速差ΔN视为自变量，加减速计算比例因子K视为因变量，在转速差ΔN位于转速阈值ΔNref内变化时，加减速计算比例因子K＝K1且不随转速差变化而变化，因此图像为一段平行于自变量轴的直线；在转速差ΔN超出转速阈值ΔNref外变化时，加减速计算比例因子K＝K2且K2与转速差ΔN呈负相关关系，其变化系数为负值，变化系数即该段关系线段的导数，可以将该导数表示为第一关系系数D1，则在该段的关系式可以表示为K＝D1*ΔN。该处的关系线段呈由上斜向下指向自变量轴的直线，伴随转速差ΔN从转速阈值ΔNref触发逐渐增大的过程中第二比例因子K2与第一比例因子K1之间的数据差值逐渐增大，此时将加减速计算因子与系统原有的加减速控制指令进行乘积计算以获得指令转速，可以看出指令转速也是在逐渐减小的，这契合了车辆在进行加速控制时当实际转速与指令转速偏差较大时需要将指令转速稍微降低以保证动力系统能够有足够的能力将车辆的实际转速提升至与指令转速接近或者等同的状态。当在转速差ΔN增大至某一个较大的数值后，加减速计算比例因子K等于0或者无线接近于0，即表示此时加减速计算比例因子与系统原有的加减速控制指令进行乘积计算会获得0值或无线接近0值，也即是说此时系统给出的指令转速与实际转速无线接近或者直接相等，这是保证指令转速不会与实际转速差异扩大至无法接受的情况的手段。

在车辆进行减速过程时(即Dec)，该种情况一般是车辆制动或者在行驶中变速减速的情况，当转速差ΔN小于或者等于转速阈值ΔNref时，加减速计算因子K等于第一比例因子K1，即K＝K1且K1为恒定值。当转速差ΔN大于转速阈值ΔNref时，加减速计算因子K等于第二比例因子K2，即K＝K2且K2随转速差ΔN变化而变化，具体地，其变化趋势为K2随着转速差ΔN变大而逐渐变大，也即是说若将第二比例因子K2与转速差ΔN的变化系数或者说其关系线段的导数称为第二关系系数D2，则D2为正值，当此段的加减速计算因子被用于与系统原有的控制指令进行组合乘积运算以获得指令转速，则指令转速是随着转速差逐渐增大而增大的。但是不同于上述加速的情况，指令转速不是随着转速差增大而无限增大的，而是具有一个最大值K3(即图2中的DecMax值)，当转速差增大到一定的程度之后，加减速计算因子K＝K3，并且K3为固定值。

在不同情况下获得第一比例因子或第二比例因子后将其与系统原有的加减速控制指令进行组合的相乘计算，作为最终的转速斜坡步长的输出，作用于转速指令上，并最终形成修正指令转速，该修正指令转速用于规范控制系统的控制指令以指导其控制动力系统的实际转速输出。本方案通过改变转速指令加减的步长来控制实际转速与指令转速相差太大的问题，相比于现有技术，不用额外优化控制环路的防积分饱和算法，不用增加快速退饱和策略，因此也减小了由于改变了控制环路的特性而可能导致的系统控制受限案获得不稳定的可能性，即在控制之前直接利用加减速计算比例因子进行前期调整，避免了利用PI环控制来对指令转速和实际转速的不匹配进行积分计算而带来的控制系统的负担，另外也避免了由PI环控制带来的积分堆积以及退积分延迟所造成的车辆实际运行性能不能够及时跟随指令控制的问题。

在另一种实施例中，本方法被实现为电动工业车辆控制系统中的一种由相关控制模块联合作用而实现的控制功能。具体地，如图1所示，电动工业车辆控制系统可以被概括地简化为速度指令输入模块、电机控制模块、主驱电机以及传感器模块。按照控制链路理论，速度指令输入模块位于指令信号链的顶层，其通常可以包括速度旋钮/加速踏板(即油门踏板)/减速或制动踏板(即刹车踏板)等常见的可供驾驶员操作并能够将驾驶员对操控车辆进行加减速的期望具象化的部件，驾驶员通过直接对速度指令输入模块进行操作以向工业车辆提供速度指令以及指令的程度。接下来，速度指令被传输至电机控制模块并由该模块进行处理以获得控制主驱电机输出参数的电机控制指令，主驱电机通过车轮传动系统来控制整车的移动，在电动工业车辆领域中，车辆的动力源选择为电源，在某些简化的情况下电机输出参数中与车辆加减速相关的参数可以选择为电机输出电流，根据电机动作理论，在一定范围内，且路况和载荷没有改变的情况下，电机输出电流越大，电机转速越快，由电机驱动的车辆速度越快。传感器模块至少可以选择为速度/位置测量/电流测量传感器，这些传感器至少能够采集车辆的速度或者能够反应车辆速度的相关参数，例如加速度、电机转速、轮胎转速等参数，这些参数被返回至电机控制模块，因此可以把这些参数称为反馈检测数据。在本实施例中，电机控制模块至少具有两个功能，一个是正常根据速度指令输入的信号而转化为对主驱电机输出电机控制指令的功能，该功能可以由模块中的速度/电流控制模块承担，另一个功能是根据传感器模块反馈的反馈检测数据来调整速度/电流控制模块输出电机控制指令的程度的功能，该功能可以由额外添加的指令自整定模块实现。

在本实施例中，针对的是工业车辆驾驶感的改善，具体地，针对的是电动工业车辆在加减速过程中的驾驶感受的改善，则上述由速度/电路控制模块向主驱电机发送的电机控制指令中至少包含指令转速数据，传感器检测模块检测的参数中至少应当包括实际转速数据。在此种模式下，驾驶员首先通过操作加速踏板、调速旋钮、调速推杆、减速或制动踏板向工业车辆的电机控制模块传输控制车辆的意愿，电机控制模块中的速度/电流控制模块首先判断该指令的方向信息，方向信息构成为指示车辆加速还是减速的方向，即车辆应该是进行加速或是减速的后续动作，该判断可以由指令发出的对象来判断，例如采用油门加刹车踏板结合的工业车辆，油门踏板代表加速，刹车踏板代表减速；另一种选择调速旋钮以及推杆的工业车辆，向某一个方向的转动或者推动代表加速，向与加速方向相反的方向转动或者推动一般设计为减速，仅需要判断转动或者推动的方向即可。另外判断操作可以由电机控制模块完成，也可以一开始就由驾驶员物理接触的速度指令输入模块也就是踏板、旋钮和推杆本身确定的。指令自整定模块在接受速度指令输入模块发送的动态调节启动信号后接受指令转速数据与传感器模块传输的实际转速数据，并将指令转速与实际转速按照加减速模式进行差值计算，最终获得的转速差虽然都是以相对值进行划分，但是针对加减速计算因子的计算是根据加减速情况而产生不同的，具体地，如上所述，在判断为加速的情况下，加减速计算因子在转速差超出预设的转速阈值时伴随转速差的增大而减小，在判断为减速的情况下，加减速计算因子在转速差超出预设的转速阈值时伴随转速差的增大而增大，并且具有一个最大且固定的最大值K3。针对加减速不同的模式而进行差异化的计算是根据前期对加减速的判断而决定或者转换的。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。本发明说明书包含多项发明构思，诸如“优选地”、“根据一个优选实施方式”或“可选地”均表示相应段落公开了一个独立的构思，申请人保留根据每项发明构思提出分案申请的权利。

Claims (7)

1.一种工业车辆驾驶感改善方法，

其特征在于，

基于电动工业车辆控制系统中指令转速与测量车辆运动情况而获得的实际转速作差而获得的转速差ΔN，以所述工业车辆彼此不同的加速或减速动态调节模式为划分基准分别处理，在转速差ΔN超出给定的转速阈值ΔNref后基于转速差作为输入计算获取加减速比例因子K，并将所述加减速比例因子K分别用于控制加速或减速工况下的指令转速的调整，使得所述指令转速按照被调整为与所述实际转速不断接近的方式调控所述工业车辆的行进速度；

在所述转速差ΔN处于给定的所述转速阈值ΔNref范围内时，所述加减速计算比例因子K设置为等于第一比例因子K1，所述第一比例因子K1为固定值且根据所述加速和减速的情况不同而彼此不同；

当所述转速差ΔN处于给定的所述转速阈值ΔNref范围外时，且所述电动工业车辆正在执行加速的动态调节时，所述加减速计算比例因子K设置为第二比例因子K2，且所述第二比例因子K2伴随所述转速差增大而减小；

当所述转速差ΔN处于给定的所述转速阈值ΔNref范围外时，且所述电动工业车辆正在执行减速的动态调节时，所述加减速计算比例因子K设置为第二比例因子K2，且所述第二比例因子K2伴随所述转速差增大而增大。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在减速情况下，所述第二比例因子K2至少具有一个增大的最大值K3，所述最大值K3为固定值且不再随所述转速差增大而增大。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在加速情况下，且所述转速差超出所述转速阈值范围时，所述加减速计算比例因子与所述转速差关系表述为K＝D1*ΔN，其中，所述D1为第一关系系数，且被设置固定的负数值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在减速情况下，且所述转速差超出所述转速阈值范围时，所述加减速计算比例因子与所述转速差关系表述为K＝D2*ΔN，其中，D2为第二关系系数，且被设置固定的正数值。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，判断所述工业车辆加减速情况是由速度指令输入模块完成的，所述速度指令输入模块构成为加速踏板、制动踏板、调速旋钮以及调速推杆中的至少一种或几种，基于特定部件的触发和/或特定方向的操作，能够判断驾驶员预期的加减速方向。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在获取加减速情况后，电机控制模块接收所述速度指令输入模块的调节信号而对主驱电机进行调控，其中，所述电机控制模块内还设置有指令自整定模块，所述加减速计算比例因子K是由所述指令自整定模块计算获得的。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述指令自整定模块获取的加减速计算比例因子K发送至速度/电流控制模块以调整由该单元即将发送至所述主驱电机的指令转速数值大小以使得所述指令转速能够与实际转速调整接近。

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