CN101269618A - 一种电子控制空气悬架三档可调减振器阻尼值的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子控制空气悬架三档可调减振器阻尼值的控制方法，通过平顺性仿真分析，以悬架动挠度、动载荷为约束条件，编写遗传算法优化程序，分别分析了簧载质量、车速、路面对阻尼值优化的影响，从而确定簧载质量、车速为影响优化阻尼值的主要因素，根据车辆实际运行工况，把簧载质量的变化分为三段，空载至半载、半载至3/4满载、3/4满载至满载，在每段簧载质量的变化过程中，同时考虑不同质量与不同车速的影响因素，采用遗传算法预先优化出每档阻尼值，存入悬架控制系统ECU的ROM中，ECU通过传感器传来的信号判断出车辆此时的运行工况，从而控制可执行机构作出响应，选择相应的阻尼值。

Description

一种电子控制空气悬架三档可调减振器阻尼值的控制方法

技术领域

本发明涉及汽车减振控制技术领域，特别涉及一种汽车三档阻尼可调半主动空气悬架的控制方法。

背景技术

随着人们对车辆乘坐舒适性要求的提高和悬架技术的发展，空气悬架在车辆上的应用日益广泛，并且伴随着电子系统应用的推广和车辆控制技术的发展，电子控制逐渐取代了传统的机械控制，可以预见，电子控制空气悬架系统在汽车上的应用将越来越普及，而其控制方法的研究将成为关键。

阻尼可调的电子控制空气悬架是一种半主动悬架，多年来，各国学者对阻尼可调半主动悬架的控制方法做了大量的研究，如反馈控制、最优控制、预测控制、决策控制、模糊控制、神经网络控制等等，但是，许多先进的控制方法由于其鲁棒性、应用的成本及可靠性等方面还处在理论研究和试验阶段，并未出现可实施的具体方案。在实际车辆上得到运用的是天棚阻尼控制，天棚阻尼控制是一种对簧载质量绝对速度的反馈控制，只要合理选择天棚阻尼控制参数就能够很好的抑制车身的垂向振动，提高平顺性能，但是这种平顺性能的提高是以操纵稳定性降低为代价的，在某些工况下是不可以接受的。

近年来国内相关的专利申请有：1、专利号为ZL200410040117.9，名称为“一种基于小波分解的汽车半主动悬架阻尼控制方法”，该专利通过在线提取汽车行驶中车身的振动信号，运用小波变换的方法将振动信号分解为若干频段，通过能量统计的方法确定当前振动信号主要分布在哪几个频段，根据阻尼系数与车轴、车身振动响应曲线调节阻尼系数，提高汽车平顺性和操纵稳定性。2、专利申请号为200510030563.6，名称为“车速路面感应型汽车半主动悬架天棚阻尼控制算法”公开了根据计算的天棚阻尼控制系数和测量的簧载质量的垂向速度、簧载与非簧载质量间的相对速度值，实施天棚阻尼控制算法，得到所需的减振器阻尼力。3、专利申请号为200610054068.3，名称为“汽车磁流变半主动悬架分姿态协调仿人智能控制方法”公开了通过对天棚阻尼控制和比例微分控制的综合，形成一种多模态多控制器的仿人智能控制，弥补了天棚阻尼控制算法本身的缺点，兼顾考虑了车辆的平顺性与操纵稳定性，实现车辆的实时控制。

上述三种专利的缺陷是：虽然能针对阻尼的实时可调，很好地提高车辆的性能，但是要求减振器的阻尼变化快，一般在20Hz以上，导致减振器的实际生产困难，可靠性差。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种电子控制空气悬架三档可调减振器阻尼值的控制方法，采用生产工艺要求低、结构简单且可靠性高的有级可调减振器阻尼值的控制方法，提高车辆性能。

本发明采用的技术方案是依次包括如下步骤：

1)建立半车非线性系统动力学模型及路面模型：模型中的空气弹簧在数学模型中用弹簧力表示，空气弹簧的有效面积和弹簧体积随弹簧高度的变化用最小二乘法拟合出多项式；

2)根据客车平顺性试验标准，做实车平顺性试验，在相同工况下，比较试验结果与仿真结果，验证数学模型的可靠性；

3)选后桥上方悬挂质量加速度的均方根值最小为目标，前、后悬架阻尼值为设计变量，前后悬架动挠度、动载荷为约束条件；

4)分别编写遗传算法主调用程序、目标函数程序、非线性约束条件程序；

5)结合步骤3)与步骤4)考察不同路面等级、不同簧载质量、不同车速下对阻尼值优化的影响，确定在满足目标函数及约束条件下，哪几个因素对阻尼值优化影响较大，分析结果表明簧载质量及车速的变化对阻尼值优化影响较大；

6)根据步骤5)及实车运行工况，建立三档阻尼值的优化策略，把簧载质量分为三段，空载至半载、半载至3/4满载、3/4满载至满载，在每段簧载质量的变化过程中，同时考虑质量与车速两个影响因素，重新编写遗传算法优化程序，使优化出的每档阻尼值为每个质量分段中不同簧载质量和不同车速下加速度均方根值之和最小；

7)把步骤6)确定的前后悬架三档阻尼值存入悬架控制系统ECU的ROM中，当车辆处在静止或低于某一车速时，根据测量空气弹簧气体压力的压力传感器信号，ECU判断出车辆此时的簧载工况，控制执行机构作出响应，从而选择相应的阻尼值。

本发明的有益效果是：

1)本控制方法容易实现、控制系统成本低、稳定性高：对于一般电子控制空气悬架系统都具有测量空气弹簧气体压力的压力传感器，控制过程中只需要提取压力传感器信号来判断车辆的装载情况，不需要测量车身加速度信号、不需要预测路面，而且控制算法简单，使得本控制方法容易实现、降低了控制系统成本、提高控制系统的稳定性。

2)车辆性能提高明显：通过分析可知，车辆簧载质量的变化对车辆平顺性的影响较大，而本控制方法是根据簧载质量的变化划分的，有效的提高了车辆在不同装载情况下的平顺性。

3)确定阻尼值过程中，同时考虑质量、速度影响因素，设计了质量、速度之间的耦合状况，使确定的阻尼值可以满足车辆不同的运行工况。

4)采用遗传算法辅助寻优技术：遗传算法面对群体采用概率转移规则，可同时对多个优化参数进行全域寻优，隐含了并行性，它改善了传统方法单点搜索的低效，便于分析、协调各参数与评价指标之间的关系，非常适合非线性系统数学模型。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1通过最小二乘法拟合出的空气弹簧有效面积多项式拟合图；

图2遗传算法程序之间的调用框图；

图3是满载工况、车速为50Km/h，A、B、C、D路面等级下优化出的前减震器优化的阻尼值图；

图4是满载工况、车速为50Km/h，A、B、C、D路面等级下优化出的后减震器优化的阻尼值图；

图5是车辆在不同车速(50-120km/h)、不同簧载质量(空载到满载，单位kg)时优化出的前减振器阻尼值在不同的工况下变化的趋势图；

图6是车辆在不同车速(50-120km/h)、不同簧载质量(空载到满载，单位kg)时优化出的后减振器阻尼值在不同的工况下变化的趋势图；

图7是前、后减振器阻尼值的控制策略图；

图8是空载至半载不同工况下优化前、后加速度均方根值趋势图；

图9是半载至3/4满载不同工况下优化前、后加速度均方根值趋势图；

图10是3/4满载至满载不同工况下优化前、后加速度均方根值趋势图

具体实施方式

本发明实施的具体步骤是：

1)建立半车非线性系统动力学模型及路面模型：模型中的空气弹簧在数学模型中用弹簧力表示，空气弹簧的有效面积和弹簧体积随弹簧高度的变化用最小二乘法拟合出多项式。根据牛顿法或拉格朗日法建立半车非线性系统动力学模型，根据滤波白噪声法建立路面模型，通过理想气体状态方程的推导，可得空气弹簧刚度的表达式和空气弹簧在垂向提供的非线性作用力，空气弹簧的有效面积和弹簧体积随弹簧高度的变化用最小二乘法拟合出多项式，对于膜式空气弹簧，由于空气弹簧在同一高度下内压力对有效面积的影响很小，可以从空气弹簧静刚度特性曲线中选取某一气压下的曲线，通过不同的弹簧力除以弹簧压力得到不同弹簧高度下的有效面积，图1为通过最小二乘法拟合出弹簧的有效面积A_e的多项式拟合图，纵坐标为弹簧的有效面积(单位m²)，横坐标为弹簧高度(单位m)，红色曲线为多项式拟合曲线，蓝色为实际弹簧有效面积变化曲线，而膜式空气弹簧体积随弹簧高度的变化近似线性；

2)数学模型的验证：根据客车平顺性试验标准，做实车平顺性试验，在相同工况下，比较试验结果与仿真结果，验证数学模型的可靠性。参考平顺性试验标准GB/T 4970-1996《汽车平顺性随机输入行驶试验方法》和QC/T 474-1999《客车平顺性评价指标及限值》作整车试验，试验结果与数学模型仿真结果比较，验证数学模型的可靠性；

3)确定优化目标、设计变量、约束条件：选后桥上方悬挂质量加速度的均方根值最小为目标，前、后悬架阻尼值为设计变量，前后悬架动挠度、动载荷为约束条件，当而悬架动挠度的均方根值小于等于悬架限位行程1/3时，可以保证悬架撞击限位块的概率小于0.3％，当相对动载荷的均方根小于等于1/3时，车轮跳离地面的概率小于0.15％；

4)遗传算法程序的编写：分别编写遗传算法主调用程序、目标函数程序、非线性约束条件程序，图2为程序之间的调用框图；

5)阻尼值优化影响因素的确定：结合步骤3)与步骤4)考察不同路面等级、不同簧载质量、不同车速下对阻尼值优化的影响，确定在满足目标函数及约束条件下，那几个因素对阻尼值优化影响较大，图3、图4分别为满载工况、车速为50Km/h，A、B、C、D路面等级下优化出的前、后单个减震器阻尼值图；图5、图6分别为车辆在不同车速(50-120km/h)、不同簧载质量(空载到满载，单位kg)时优化出的前、后减振器阻尼值在不同的工况下变化的趋势图，由分析结果可知，簧载质量及车速的变化对阻尼值优化影响较大；

6)建立三档阻尼值的优化策略：根据步骤5)及实车运行工况，建立三档阻尼值的优化策略，把簧载质量分为三段，空载至半载、半载至3/4满载、3/4满载至满载，在每段簧载质量的变化过程中，同时考虑质量与车速两个影响因素，重新编写遗传算法优化程序，使优化出的每档阻尼值为每个质量分段中不同簧载质量和不同车速下加速度均方根值之和最小，图7为前、后减振器阻尼值的控制策略图；图8至图10为不同工况下优化前、后加速度均方根值趋势图，由仿真计算结果可知，综合考虑不同工况下优化出的三档阻尼值，满足了在不同的工况下乘客振动的加速度均方根值比使用原车数据得到振动的加速度均方根值要好，体现了控制后的悬架系统比没有控制悬架系统的平顺性有提高；

7)实车阻尼值的控制方法：把步骤6)确定的前后悬架三档阻尼值存入悬架控制系统ECU(电子控制单元，即车载电脑)的ROM(即存储器)中，当车辆处在静止或低于某一车速时，根据测量空气弹簧气体压力的压力传感器信号，ECU判断出车辆此时的簧载工况，控制执行机构作出响应，从而选择相应的阻尼值。

本发明并不局限于上述具体实施方法，凡是采用本发明的相似算法及相似变化，均应列入本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种电子控制空气悬架三档可调减振器阻尼值的控制方法，其特征是依次包括如下步骤：

1)建立半车非线性系统动力学模型及路面模型：模型中的空气弹簧在数学模型中用弹簧力表示，空气弹簧的有效面积和弹簧体积随弹簧高度的变化用最小二乘法拟合出多项式；

2)根据客车平顺性试验标准，做实车平顺性试验，在相同工况下，比较试验结果与仿真结果，验证数学模型的可靠性；

3)选后桥上方悬挂质量加速度的均方根值最小为目标，前、后悬架阻尼值为设计变量，前后悬架动挠度、动载荷为约束条件；

4)分别编写遗传算法主调用程序、目标函数程序、非线性约束条件程序；

5)结合步骤3)与步骤4)考察不同路面等级、不同簧载质量、不同车速下对阻尼值优化的影响，确定在满足目标函数及约束条件下，哪几个因素对阻尼值优化影响较大，分析结果表明簧载质量及车速的变化对阻尼值优化影响较大；

6)根据步骤5)及实车运行工况，建立三档阻尼值的优化策略，把簧载质量分为三段，空载至半载、半载至3/4满载、3/4满载至满载，在每段簧载质量的变化过程中，同时考虑质量与车速两个影响因素，重新编写遗传算法优化程序，使优化出的每档阻尼值为每个质量分段中不同簧载质量和不同车速下加速度均方根值之和最小；

7)把步骤6)确定的前后悬架三档阻尼值存入悬架控制系统ECU的ROM中，当车辆处在静止或低于某一车速时，根据测量空气弹簧气体压力的压力传感器信号，ECU判断出车辆此时的簧载工况，控制执行机构作出响应，从而选择相应的阻尼值。

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