CN103241096B - 电控空气悬架的阻尼控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电控空气悬架的阻尼控制方法，将电控空气悬架的阻尼控制过程分解为直线行驶工况下的车身高位模式、车身中位模式、车身低位模式以及转向工况下的转向模式，并按照切换控制策略来实现前述阻尼控制过程，前述工作模式之间的切换过程由一模糊监督控制器施加模糊监督控制，通过对阻尼力局部控制器的输出进行逐步加权和得到系统最终的控制输入，其中直线行驶工况与转向工况之间的切换依据为方向盘转角，车身高度切换依据为车速、路面状况以及持续时间。本发明的方法可实现阻尼控制过程对行驶工况的实时跟踪，对切换过程进行监督控制，解决系统在模式切换过程中的失稳和振荡问题，提高电控悬架在全局工况下的整体性能。

Description

电控空气悬架的阻尼控制方法

技术领域

本发明涉及电控空气悬架的阻尼控制方法，尤其是涉及将阻尼控制过程分解为多种工作模式并对其进行切换控制的实现方法。

背景技术

与传统悬架相比，电控空气悬架能够实现车身高度的主动控制和阻尼的自适应调节，对于改善车辆在行驶过程中的乘坐舒适性、行驶安全性以及燃油经济性有着重要作用，已成为车辆工程界的研究热点。随着空气弹簧和可调阻尼减振器研究的日益成熟，控制系统的设计已成为实现电控空气悬架控制功能要求、提高电控空气悬架自适应能力的瓶颈和关键。

阻尼控制方法是电控空气悬架研究的关键技术之一，国内外专家学者对此投入了大量的精力，许多先进的控制方法被运用到电控空气悬架的阻尼控制之中，如最优控制、鲁棒控制、模糊控制和神经网络控制等等。

电控空气悬架是通过调节空气弹簧的高度实现对车身高度的主动控制，而空气弹簧的高度与刚度之间存在一定的耦合，因此，不同车身高度下，与空气弹簧相匹配的最优阻尼值也在变化，同时不同的车身高度也间接反映出车辆所处的行驶工况不同，相应的阻尼控制目标需要调整。出于安全考虑，转向工况下车辆高度不进行调整，但此时阻尼控制目标主要是提高车辆的操纵稳定性，与直线行驶工况不同。由此可见，电控空气悬架的阻尼控制需要实时跟踪行驶工况的变化。

中国专利CN 101269618 B公开了一种电控空气悬架三档可调减振器阻尼值的控制方法，该方法将簧载质量和车速作为影响阻尼值优化的主要因素，利用遗传算法优化出不同质量和不同车速下的最优阻尼值，系统根据车辆运行工况，将存储的最优阻尼值提供给减振器。然而，这种方法忽略了影响悬架性能的其他因素，同时考虑的工况较少，没有考虑转向工况下阻尼的优化问题，且减振器阻尼为三档可调，因此，该方法对悬架性能有一定的改善但效果不明显。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电控空气悬架的阻尼控制方法，将阻尼控制过程分解为多种工作模式以根据工况变化及时进行切换，提高悬架在全局工况下的整体性能。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明提出一种电控空气悬架的阻尼控制方法，其中，将电控空气悬架的阻尼控制过程分解为直线行驶工况下的车身高位模式、车身中位模式、车身低位模式以及转向工况下的转向模式，并通过阻尼力局部控制器按照切换控制策略来实现前述阻尼控制过程，前述工作模式之间的切换过程由一模糊监督控制器施加模糊监督控制，通过对阻尼力局部控制器的输出进行逐步加权和得到系统最终的控制输入，其中直线行驶工况与转向工况之间的切换依据为方向盘转角，车身高度切换依据为车速、路面状况以及持续时间。

进一步，前述方法中，在直线行驶工况下，当车辆进入新的行驶工况且持续时间大于一参考时间时，工作模式才进行切换；转向模式的进入和退出依据为方向盘转角。

进一步，前述方法中，各工作模式之间的切换控制策略如下：

1)当方向盘转角大于参考转角，系统进入转向模式；

2)当方向盘转角小于参考转角，车辆的行驶速度达到进入车身低位模式下的临界速度，且持续时间大于参考时间，进入车身低位模式；

3)当方向盘转角小于参考转角，车辆的行驶速度小于进入车身低位模式下的临界速度，悬架动行程的均方根值小于表征路面较差的均方根值，且持续时间大于参考时间，进入车身中位模式；

4)当方向盘转角小于参考转角，悬架动行程的均方根值大于表征路面较差的均方根值，且持续时间大于参考时间，进入车身高位模式。

进一步，前述方法中，临界速度为车辆在高速行驶时空气阻力和滚动阻力大致相当时的行驶速度；前述均方根值为车辆在E级路面上行驶时的悬架动行程均方根值。

进一步，前述方法中，直线行驶工况下各工作模式的阻尼力局部控制器为模糊PID控制器，将实际输出与参考输出之间的差值提供给模糊控制器，然后模糊控制器对PID控制器的参数进行实时整定。

进一步，前述方法中，转向工况下转向模式的阻尼力局部控制器为模糊神经网络控制器，采用双输入一输出模式，其两个输入分别为表征行驶平顺性的车身垂直加速度和主要表征操纵稳定性的车身侧倾角，其输出为减振器的可调阻尼力。

进一步，前述方法中，模糊监督控制器的输出为各阻尼力局部控制器的输出加权系数，通过将阻尼力局部控制器的输出进行逐步加权和得到最终的系统控制输入，形成各工作模式间的平滑切换。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于将电控空气悬架的阻尼控制过程划分为几种主要的工作模式并提出了模式切换控制策略，实现了阻尼控制过程对行驶工况的实时跟踪，对切换过程进行了监督控制，解决了系统在模式切换过程中出现的失稳和振荡问题，提高了电控悬架在全局工况下的整体性能。

附图说明

图1为电控空气悬架阻尼工作模式的变迁及演化关系示意图。

图2为车辆行驶时滚动阻力与空气阻力的关系示意图。

图3a为C级路面悬架动行程仿真结果示意图。

图3b为E级路面的悬架动行程仿真结果示意图。

图4为模糊PID阻尼力局部控制器的示意图。

图5为模糊神经网络阻尼力局部控制器的示意图。

图6为阻尼控制切换过程的模糊监督控制方法示意图。

图7为电控空气悬架阻尼多模式切换控制方法示意图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

总体来说，本实施例的电控空气悬架的阻尼控制方法，将电控空气悬架的阻尼控制过程分解为直线行驶工况下的车身高位模式、车身中位模式、车身低位模式以及转向工况下的转向模式，并通过阻尼力局部控制器按照切换控制策略来实现前述阻尼控制过程，工作模式之间的切换过程由一模糊监督控制器施加模糊监督控制，通过对阻尼力局部控制器的输出进行逐步加权和得到系统最终的控制输入，实现各工作模式间的平滑切换。

通过分析电控空气悬架的性能特点和控制要求，将阻尼控制过程划分为四种工作模式，即直线行驶工况下的车身高位模式、车身中位模式、车身低位模式以及转向工况下的转向模式，参考图1所示的各阻尼工作模式之间的变迁及演化关系，其中直线行驶工况与转向工况之间的切换依据为方向盘转角，车身高度切换依据为车速、路面状况以及持续时间。

在直线行驶工况下，当车辆进入新的行驶工况且持续时间大于某一参考时间时，工作模式才进行切换，这样就可防止短时间内出现多次工作模式的切换；而转向模式的进入和退出依据为方向盘转角，不考虑前述的持续时间。

本实施例中，根据悬架性能与整车行驶工况的最优协调机制，确定各工作模式之间切换控制策略如下：

1)当方向盘转角δ大于参考转角δ₀，系统判定此时车辆处于转向工况，系统进入到转向工况下的阻尼工作模式，当方向盘转角δ小于参考转角δ₀，系统判定此时车辆处于直线行驶工况，系统进入直线行驶工况下的阻尼控制；

2)直线行驶工况下，当车辆的行驶速度v达到进入车身低位模式下的临界速度v₀，且持续时间t大于参考时间t₀，，系统判定此时车辆是以较高的速度行驶在良好的路面上，为了提高车辆的燃油经济性和操纵稳定性，车身降低一定的高度，进入车身低位阻尼控制模式；

3)直线行驶工况下，当车辆的行驶速度v小于临界速度v₀，悬架动行程f_d的均方根值小于表征路面较差的均方根值f_d0，且持续时间t大于参考时间t₀，系统判定此时车辆是以中等速度行驶在较好的路面上，为了提高这种工况下的悬架综合性能，进入车身中位阻尼控制模式；

4)直线行驶工况下，悬架动行程f_d的均方根值大于表征路面较差的均方根值f_d0，且持续时间t大于参考时间t₀，系统判定此时车辆是以较低的速度行驶在较差的路面上，为了提高车辆的通过性和越野性，车身升高一定的高度，进入车身高位阻尼控制模式。

临界车速v₀的确定：在上述切换控制规则中，临界车速v₀的确定参考空气阻力和滚动阻力大致相当时的车速，参考图2所示的车辆行驶时滚动阻力与空气阻力的关系，在这种车速下，车辆是在良好的路面上行驶，此时降低车身高度不会影响车辆的通过性，同是可以有效地降低风阻，提高车辆的燃油经济性和操纵稳定性。

车辆滚动阻力用符号F_f表示，即：

F_f＝Wf

W是车轮负荷，f为滚动阻力系数，滚动阻力系数用下面的经验公式估算：

f＝0.0076+0.000056u_a

所以滚动阻力可以用下式表达：

F_f＝W(0.0076+0.000056u_a)

汽车直线行驶时受到的空气阻力如下式：

$F_w=\frac{D_{D}A{u_a}^2}{21.15}$

式中，C_D为空气阻力系数，A为迎风面积，u_a为汽车行驶速度。参考某高级轿车参数：W＝18000N，C_D＝0.5，A＝4m2，滚动阻力与空气阻力数值仿真结果如图3a、3b所示。从图中可以看出，当车速大约为90km/h时，空气阻力由小于滚动阻力逐渐增大到与滚动阻力相等，随着车速的继续增加，空气阻力将超过滚动阻力并且以较快的速度继续增长。因此，确定进入车身低位模式的临界车速为90km/h。

均方根值fd0的确定：路面好坏对车辆最直接的影响之一就是悬架动行程，路面越差悬架动行程越大，基于此，本实施例中，均方根值f_d0的确定是参考车辆在E级路面上行驶时的悬架动行程仿真结果，如图3a，3b，从图中可以明显看出在E级路面上，悬架动行程的值要大于C级路面。根据仿真结果得到车辆在E级路面上的悬架动行程均方根值为0.035，C级路面上为0.009，因此，确定进入车身高位模式的悬架动行程均方根值f_d0为0.035。

本实施例中，考虑车辆驾驶的实际情况和车辆的性能等因素，将进入转向工况的参考方向盘转角定为20度，持续的时间参数确定为8秒，当然并不以此为限，可根据车辆在实际行驶过程中的表现，对上述参数再进行适当的调整。

本实施例中，通过建立空气弹簧弹簧力与车身高度之间的非线性关系，并在此基础上建立直线行驶工况下和转向工况下的电控空气悬架整车动力学模型及路面模型,通过试验验证模型的准确性，同时根据不同工作模式下的动力学模型和阻尼控制指标，分别设计相应的阻尼力局部智能控制器。

本实施例中，直线行驶工况下的阻尼控制均采用模糊PID控制器施加模糊PID控制，但根据不同模式下的控制指标，控制器的设计存在一定的差异，其中车身低位模式下以控制车轮动载荷为主，车身高位模式下以控制车身振动加速度为主，车身中位模式下兼顾车轮动载荷和车身振动加速度。如图4所示为模糊PID控制器的一个示范性实施例，将实际输出y(t)与参考输出r(t)之间的差值e及差值变化率ec提供给模糊控制器，然后模糊控制器对PID控制器的参数Kp、Ki、Kd进行实时整定。其中，针对不同模式下的控制目标，车身低位模式下，模糊控制器的输入为左前车轮动载荷和右后车轮动载荷与其参考值之间的差值及差值变化率，PID控制器的输出分别为前后轮上方对应减振器的可调阻尼力；车身中位模式下，模糊控制器根据车身的不同运动方向有三个，其中垂向运动控制器的输入为车轮动载荷和车身垂向加速度的加权值与其参考值之间的差值及差值变化率，PID控制器的输出为四个减振器的可调阻尼力，侧倾运动控制器的输入为车轮动载荷和车身侧倾加速度的加权值与其参考值之间的差值及差值变化率，PID控制器的输出为左右两对减振器的可调阻尼力，俯仰运动控制器的输入为车轮动载荷和车身俯仰加速度的加权值与其参考值之间的差值及差值变化率，PID控制器的输出为前后两对减振器的可调阻尼力，将以上三类控制力进行线性叠加，形成最终每个减振器的输出控制力；车身高位模式下，模糊控制器根据车身的不同运动方向也有三个，其中垂向运动控制器的输入为车身垂向加速度与其参考值之间的差值及差值变化率，PID控制器的输出为四个减振器的可调阻尼力，侧倾运动控制器的输入为车身侧倾加速度与其参考值之间的差值及差值变化率，PID控制器的输出为左右两对减振器的可调阻尼力，俯仰运动控制器的输入为车身俯仰加速度与其参考值之间的差值及差值变化率，PID控制器的输出为前后两对减振器的可调阻尼力，将以上三类控制力进行线性叠加，形成最终每个减振器的输出控制力。

由于转向工况下电控空气悬架控制性能指标较多，可结合模糊神经网络自适应能力较强的优点，在转向工况下的阻尼控制采用模糊神经网络控制，如图5所示为模糊神经网络控制器的一个示范性实施例，其采用双输入一输出模式，其两个输入分别为表征行驶平顺性的车身垂直加速度和主要表征操纵稳定性的车身侧倾角，其输出为减振器的可调阻尼力。

本实施例中，为了防止在模式切换过程中由于控制器输出跃变引起失稳和振荡，根据电控空气悬架的阻尼控制特点，设计了如图6所示的基于隶属度加权和的电控空气悬架模糊监督控制系统，其中，u₁、u₂、u₃和u₄分别为各个局部控制器的输出，σ₁、σ₂、σ₃和σ₄分别为模糊监督器输出的控制器输出加权系数，控制系统的最终输出u根据下面的公式得到：

u＝σ₁u₁+σ₂u₂+σ₃u₃+σ₄u₄  (5)

由于切换一般发生两个控制器之间，因此，在切换过程中，只有两个加权系数同时工作，当切换过程结束后，只有一个控制器起作用，即其中一个加权系数为1，其余均为0。

参考如图7所示的切换控制系统的原理示意图，本实施例的电控空气悬架的阻尼控制方法中，通过将电控空气悬架的阻尼控制过程分解为直线行驶工况和转向工况下的多种阻尼工作模式，即直线行驶工况下的车身高位模式、车身中位模式、车身低位模式以及转向工况下的转向模式，并通过阻尼力局部控制器按照切换控制策略来实现切换控制和通过模糊监督控制器施加模糊监督控制，实现各工作模式间的平滑切换，从而实现对电控空气悬架的切换控制。

综上所述,本发明提供的电控空气悬架的阻尼控制方法通过划分电控空气悬架阻尼控制过程的几种工作模式，确定模糊切换控制规则和切换参数，设计符合局部控制要求的阻尼力控制器，并对切换过程进行了模糊监督控制，最终实现了电控空气悬架阻尼多模式切换控制方法。通过对车辆运行状态进行实时监控，在不同行驶工况下选择最优的阻尼控制模式，实现了悬架阻尼控制对行驶工况的及时跟踪，提高了电控空气悬架在全局工况下的整体性能。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (7)

1. 一种电控空气悬架的阻尼控制方法，其特征在于，将电控空气悬架的阻尼控制过程分解为直线行驶工况下的车身高位模式、车身中位模式、车身低位模式以及转向工况下的转向模式，并通过阻尼力局部控制器按照切换控制策略来实现前述阻尼控制过程，前述工作模式之间的切换过程由一模糊监督控制器施加模糊监督控制，通过对阻尼力局部控制器的输出进行逐步加权和得到系统最终的控制输入，其中直线行驶工况与转向工况之间的切换依据为方向盘转角，车身高度切换依据为车速、路面状况以及持续时间。

2. 根据权利要求1所述的电控空气悬架的阻尼控制方法，其特征在于，在直线行驶工况下，当车辆进入新的行驶工况且持续时间大于一参考时间时，工作模式才进行切换；转向模式的进入和退出依据为方向盘转角。

3. 根据权利要求1所述的电控空气悬架的阻尼控制方法，其特征在于，前述各工作模式之间的切换控制策略如下：

1）当方向盘转角大于参考转角，系统进入转向模式；

2）当方向盘转角小于参考转角，车辆的行驶速度达到进入车身低位模式下的临界速度，且持续时间大于参考时间，进入车身低位模式；

3）当方向盘转角小于参考转角，车辆的行驶速度小于进入车身低位模式下的临界速度，悬架动行程的均方根值小于表征路面较差的均方根值，且持续时间大于参考时间，进入车身中位模式；

4）当方向盘转角小于参考转角，悬架动行程的均方根值大于表征路面较差的均方根值，且持续时间大于参考时间，进入车身高位模式。

4. 根据权利要求3所述的电控空气悬架的阻尼控制方法，其特征在于，前述临界速度为车辆在高速行驶时空气阻力和滚动阻力大致相当时的行驶速度，前述表征路面较差的均方根值为车辆在E级路面上行驶时的悬架动行程均方根值。

5. 根据权利要求1所述的电控空气悬架的阻尼控制方法，其特征在于，前述方法中，直线行驶工况下各工作模式的阻尼力局部控制器为模糊PID控制器，将实际输出与参考输出之间的差值提供给模糊监督控制器，然后模糊监督控制器对PID控制器的参数进行实时整定。

6. 根据权利要求5所述的电控空气悬架的阻尼控制方法，其特征在于，前述方法中，转向工况下转向模式的阻尼力局部控制器为模糊神经网络控制器，采用双输入一输出模式，其两个输入分别为表征行驶平顺性的车身垂直加速度和主要表征操纵稳定性的车身侧倾角，其输出为减振器的可调阻尼力。

7. 根据权利要求6所述的电控空气悬架的阻尼控制方法，其特征在于，前述方法中，模糊监督控制器的输出为各阻尼力局部控制器的输出加权系数，通过将阻尼力局部控制器的输出进行逐步加权和得到最终的系统控制输入，形成各工作模式间的平滑切换。